CN110391438A - 燃料电池组和制造燃料电池组的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池组和制造燃料电池组的方法。根据本公开的燃料电池组包括集电体，该集电体被构造成收集由多个燃料电池单体电池生成的电力。该集电体包括分隔件和集电体板在密封构件介于分隔件和集电体板之间的情况下彼此粘接的结构。由集电体板、分隔件和密封构件形成的空间是封闭空间。该集电体包括通风结构，该通风结构用于在封闭空间中的压力升高时将气体从封闭空间排到外部。

Description

燃料电池组和制造燃料电池组的方法

技术领域

本公开涉及燃料电池组和制造燃料电池组的方法。

背景技术

通过将多个燃料电池单体电池堆叠起来形成燃料电池组。每个燃料电池单体电池包括一对分隔件和布置在该一对分隔件之间的隔膜电极气体扩散层组件。此外，密封构件被布置在隔膜电极气体扩散层组件的周围，并且一对分隔件在密封构件介于所述分隔件之间的情况下彼此粘接。

日本未审专利申请特开第2014-120368号公开了一种燃料电池单体电池，其中一对分隔件在密封构件介于所述分隔件之间的情况下彼此粘接。

发明内容

如在背景技术中所述的那样，燃料电池组包括多个被堆叠起来的燃料电池单体电池。用于收集由燃料电池单体电池生成的电力的集电体被设置在每个燃料电池的在堆叠方向上的端部处。通过在密封构件介于分隔件和集电体板之间的情况下将分隔件粘接到集电体板，可以形成集电体。当以此方式，通过在密封构件介于分隔件和集电体板之间的情况下将分隔件粘接到集电体板来形成集电体时，由集电体板、分隔件和密封构件形成的空间变成封闭空间。

然而，当在集电体的内部存在封闭空间时，集电体的温度在燃料电池组运行时升高，并且由于该温度升高，封闭空间中的压力升高。当封闭空间中的压力以此方式升高时，密封集电体的密封构件可能被剥离，这可能引起气体或冷却介质泄漏。

针对以上问题，本公开的一个目的在于，提供一种燃料电池组和一种制造燃料电池组的方法，该燃料电池组能够有效地防止密封集电体的密封构件被剥离。

本公开的一个示例方面是一种燃料电池组，该燃料电池组包括在堆叠方向上被堆叠起来的多个燃料电池单体电池。燃料电池组包括集电体，所述集电体被设置在燃料电池单体电池的在堆叠方向上的端部处，并且被构造成收集由燃料电池单体电池生成的电力。集电体包括分隔件和集电体板在密封构件介于分隔件和集电体板之间的情况下彼此粘接的结构。由集电体板、分隔件和密封构件形成的空间是封闭空间。集电体包括通风结构，所述通风结构用于在封闭空间中的压力升高时将气体从封闭空间排到外部。

在根据本公开的燃料电池组中，形成有通风结构，所述通风结构用于在形成在集电体中的封闭空间中的压力升高时将气体从封闭空间排到外部。以此方式形成的通风结构能够在燃料电池组运行的同时在集电体的温度升高时将气体从封闭空间排到外部。这有效防止了封闭空间中的压力升高，由此有效防止了密封集电体的密封构件被剥离。

在以上燃料电池组中，可以通过设置非粘接部来形成通风结构，在所述非粘接部处，分隔件的一部分不粘接到密封构件。可替选地，可以通过在密封构件的部分中设置通风孔来形成通风结构。利用这样的构造，可以在集电体中容易地形成通风结构。

在以上燃料电池组中，用于将分隔件电连接到集电体板的厚度调节板可以被设置在分隔件和集电体板之间。以此方式设置的厚度调节板使得分隔件被电连接到集电体板。

在以上燃料电池组中，集电体板可以包括突出部，所述突出部突出成在堆叠方向上与分隔件接触。当突出部被以此方式设置在集电体板中时，不需要设置以上板厚调节板，由此减少部件数目。这进一步消除了在将厚度调节板布置在分隔件和集电体板之间时对定位的需求，这简化制造过程。

在以上燃料电池组中，集电体可以具有矩形形状，并且阳极气体和阴极气体经过的连通孔可以被设置在集电体的在纵向方向上的两个端部中的每个端部中，并且通风结构可以被形成在集电体的纵向方向上的延伸的边的一部分处。优选的是，通风结构被形成在这样的位置处，因为在集电体的在纵向方向上延伸的一边处比在集电体的在纵向方向上的两个端部处存在更大的空间。

本公开的一个示例方面是一种制造燃料电池组的方法，该方法包括：将密封构件布置在分隔件和集电体板之间；以及将分隔件和集电体板夹在第一模具和第二模具之间，并且在密封构件介于分隔件和集电体板之间的情况下使分隔件热压结合到集电体板。集电体板、分隔件和密封构件形成封闭空间。通过设置分隔件和密封构件在热压结合中不彼此热压结合的区域来形成通风结构，所述通风结构用于当封闭空间中的压力升高时将气体从封闭空间排到外部。

在根据本公开的制造燃料电池组的方法中，形成通风结构，所述通风结构用于在形成在集电体中的封闭空间中的压力升高时将气体从封闭空间排到外部。以此方式形成的通风结构能够在燃料电池组运行的同时在集电体的温度升高时将气体从封闭空间排到外部。这有效防止了封闭空间中的压力升高，由此有效防止了密封集电体的密封构件被剥离。

在以上制造燃料电池组的方法中，分隔件和密封构件不彼此热压结合的区域可以通过设置第一模具不与分隔件接触的区域来形成。此外，分隔件和密封构件不彼此热压结合的区域可以通过施加非粘接处理到密封构件和分隔件中的至少一个来形成。通风结构可以使用这样的方法被容易地形成在集电体中。

根据本公开，能够提供能够有效地防止密封集电体的密封构件被剥离的燃料电池组和制造燃料电池组的方法。

从以下给出的详细描述和附图，将更全面理解本公开的以上和其它目的、特征和优点，以下描述和附图仅是通过说明方式给出，并且因而不被认为是对本公开的限制。

附图说明

图1是用于描述根据实施例的燃料电池组的视图；

图2是包括在根据实施例的燃料电池组中的燃料电池单体电池的平面视图；

图3是包括在根据实施例的燃料电池组中的燃料电池单体电池的横截面视图；

图4是包括在根据实施例的燃料电池组中的集电体的平面视图；

图5是包括在根据实施例的燃料电池组中的集电体的横截面视图；

图6是包括在根据实施例的燃料电池组中的集电体的分解透视图；

图7是包括在根据实施例的燃料电池组中的集电体的横截面视图；

图8是包括在根据实施例的燃料电池组中的集电体的横截面视图；

图9是用于描述制造包括在根据实施例的燃料电池组中的集电体的方法的横截面视图；

图10是用于描述制造包括在根据实施例的燃料电池组中的集电体的方法的横截面视图；

图11是示出包括在根据实施例的燃料电池组中的集电体的另一构造示例的横截面视图；并且

图12是示出包括在根据实施例的燃料电池组中的集电体的另一构造示例的横截面视图。

具体实施方式

下文中，将参考附图描述实施例。

图1是用于描述根据实施例的燃料电池组的视图。如在图1中所示，燃料电池组1包括多个燃料电池单体电池10、端板11和16、绝缘板12和15以及集电体13和14。这些构件按端板11、绝缘板12、集电体13、多个燃料电池单体电池10、集电体14、绝缘板15和端板16的顺序堆叠在z轴方向上。

阳极气体通过管101供给到燃料电池组1。例如，阳极气体是氢气。供给到燃料电池组1的阳极气体被供给到多个燃料电池单体电池10。然后，未在燃料电池单体电池10中使用的阳极气体通过管102排出。

阴极气体通过管103供给到燃料电池组1。阴极气体例如是氧气(空气)。供给到燃料电池组1的阴极气体被供给到多个燃料电池单体电池10。然后，未在燃料电池单体电池10中使用的阴极气体通过管104排出。

此外，用于冷却每个燃料电池单体电池10的冷却介质通过管105供给到燃料电池组1。例如，水可以用作冷却介质。已经经过每个燃料电池单体电池10的冷却介质通过管106排出。例如，泵(未示出)被设置在管105和管106之间。通过使用该泵，冷却介质可以按顺序循环通过管105、燃料电池组1、管106和泵(未示出)。

图2是组成根据该实施例的燃料电池组的燃料电池单体电池(单个单体电池)的平面视图。图3是沿着图2中所示的燃料电池单体电池10的线III-III截取的横截面视图。如在图3中所示，在燃料电池单体电池10中，在密封构件40介于所述阳极侧分隔件30和所述阴极侧分隔件50之间的情况下，阳极侧分隔件30和阴极侧分隔件50彼此粘接。阳极侧分隔件30和阴极侧分隔件50可以由诸如钛的金属材料制成。

如在图2中所示，燃料电池单体电池10具有矩形形状，并且连通孔31、35、51、55、61和65被形成在燃料电池单体电池10的在纵向方向上的两个端部处。例如，连通孔31是阳极气体供给连通孔，连通孔35是阳极气体排出连通孔，连通孔51是阴极气体供给连通孔，连通孔55是阴极气体排出连通孔，连通孔61是冷却介质供给连通孔，并且连通孔65是冷却介质排出连通孔。

当多个燃料电池单体电池10被堆叠起来时，连通孔31、51和61用作用于分别将阳极气体、阴极气体和冷却介质供给到每个燃料电池单体电池10的流路(在z轴方向上延伸的流路)。此外，当多个燃料电池单体电池10被堆叠起来时，连通孔35、55和65用作用于分别将未使用的阳极气体和阴极气体和已使用的冷却介质从每个燃料电池单体电池10排出的流路(在z轴方向上延伸的流路)。

垫圈33、37、53和57被设置在相应的连通孔31、35、51和55的周围。当设置垫圈33、37、53和57时，相应的连通孔31、35、51和55被密封在相邻的燃料电池单体电池10之间。此外，在密封构件40在相应的连通孔31、35、51、55、61和65的周围的密封区域32、36、52、56、62和66中介于阳极侧分隔件30和阴极侧分隔件50之间的情况下，阳极侧分隔件30和阴极侧分隔件50彼此粘接。然后，相应连通孔31、35、51、55、61和65的周边(不包括用于燃料电池单体电池10中的阳极气体和阴极气体的流路)被密封在燃料电池单体电池10中。

垫圈22被设置成在阳极侧分隔件30的表面上围绕连通孔31、35、51、55、61和65中的每个连通孔。此外，在密封构件40在垫圈22(见图3)的周围的密封区域21中介于阳极侧分隔件30和阴极侧分隔件50之间的情况下，阳极侧分隔件30和阴极侧分隔件50彼此粘接。

垫圈不被设置在图2中所示的阳极侧分隔件30的表面上的连通孔61和65的周围，这是因为冷却介质在燃料电池单体电池10之间流动。

夹在阳极侧分隔件30和阴极侧分隔件50之间的隔膜电极气体扩散层组件(MEGA)45被设置在图2和图3中所示的燃料电池单体电池10的中心处。MEGA 45包括：隔膜电极组件，在隔膜电极组件中，电极被布置在电解质隔膜的两侧上；和气体扩散层，气体扩散层被布置在隔膜电极组件的两侧上。MEGA 45用作发电模块。

从连通孔31供给的阳极气体流过阳极气体流路38，一部分阳极气体被供给到MEGA45，并且剩余气体从连通孔35排出。此外，从连通孔51供给的阴极气体流过阴极气体流路58(见图3)，一部分阴极气体被供给到MEGA 45，并且剩余气体从连通孔55排出。以此方式，通过供给阳极气体和阴极气体到MEGA 45生成电力。

如在图3中所示，在密封构件40介于阳极侧分隔件30和阴极侧分隔件50之间的情况下，阳极侧分隔件30和阴极侧分隔件50彼此粘接。密封构件40具有三层结构并且包括芯层41、粘接层42和粘接层43。芯层41被构造成比粘接层42和43厚。因此，芯层41比粘接层42和43硬。例如，芯层41可以使用热塑树脂(诸如酸乙二酯(PEN))形成。

粘接层42和43由如下的材料制成：当正在加热粘接层42和43的同时将压力施加到粘接层42和43时，该材料粘接(热压结合)到分隔件。即，粘接层42和43通过加热熔融，并且然后粘接到分隔件。例如，粘接层42和43可以使用热塑树脂(诸如聚丙烯)形成。粘接层42粘接到阳极侧分隔件30，并且粘接层43粘接到阴极侧分隔件50。

垫圈22被设置在阳极侧分隔件30的表面上。当燃料电池单体电池10被堆叠起来时，垫圈22使燃料电池单体电池10之间的空间密封。

在以上描述中，在每个燃料电池单体电池10的z轴方向上的正侧被定义为阳极侧，并且在z轴方向上的负侧被定义为阴极侧。可替选地，在该实施例中，在z轴线侧中的正侧可以被定义为阴极侧，并且在z轴方向上的负侧可以被定义为阳极侧。在该情形中，每个部件的“阳极”和“阴极”被颠倒。在以下描述中，阳极侧分隔件30和阴极侧分隔件50被分别简称为分隔件30和50。

如在图1中所示，集电体13和14被设置在每个燃料电池单体电池10的在堆叠方向上的端部处。集电体13和14收集由每个燃料电池单体电池10生成的电力并且通过端子(未示出)将电力输出到外部。下文中，将详细描述集电体13。

图4是根据该实施例的燃料电池组的集电体13的平面视图。图5是沿着线V-V截取的图4中所示的集电体13的横截面视图。如在图5中所示，集电体13被构造成使得在密封构件40介于分隔件30和所述集电体板70之间的情况下，分隔件30和集电体板70彼此粘接。集电体板70由金属材料制成。

以下对比图3和图5。在图3中所示的燃料电池单体电池10中，在密封构件40介于分隔件30和分隔件50之间的情况下，分隔件30和分隔件50彼此粘接，而在图5中所示的集电体13中，在密封构件40介于分隔件30和集电体板70之间的情况下，分隔件30和集电体板70彼此粘接。即，当形成燃料电池单体电池10和集电体13时，分隔件30和密封构件40可以被用作共同的部件。

如在图4中所示，集电体13具有矩形形状，并且连通孔31、35、51、55、61和65被形成在集电体13的在纵向方向上的两个端部处。例如，连通孔31是阳极气体供给连通孔，连通孔35是阳极气体排出连通孔，连通孔51是阴极气体供给连通孔，连通孔55是阴极气体排出连通孔，连通孔61是冷却介质供给连通孔，并且连通孔65是冷却介质排出连通孔。连通孔31、35、51、55、61和65中的每个连通孔被形成为穿过分隔件30和集电体板70。被形成在集电体13中的连通孔31、35、51、55、61和65中的每个连通孔分别被连接到形成在图2中所示的燃料电池单体电池10中的每个连通孔31、35、51、55、61和65。

垫圈33、37、53和57被设置在相应的连通孔31、35、51和55的周围。当设置垫圈33、37、53和57时，相应的连通孔31、35、51和55被密封在相邻的燃料电池单体电池10之间。此外，在密封构件40在相应的连通孔31、35、51、55、61和65的周围的密封区域32、36、52、56、62和66中介于分隔件30和集电体板70之间的情况下，分隔件30和集电体板70彼此粘接。然后，连通孔31、35、51、55、61和65的周边被密封在集电体13中。

垫圈22被设置成在分隔件30的表面上围绕连通孔31、35、51、55、61和65中的每个连通孔。此外，在密封构件40在垫圈22(见图5)的周围的密封区域21中介于分隔件30和集电体板70之间的情况下，分隔件30和集电体板70彼此粘接。

当集电体13和燃料电池单体电池10被堆叠起来时，冷却介质从连通孔61流到连通孔65。用于冷却介质的流路38被形成在分隔件30的表面上。

如在图5中所示，在密封构件40介于分隔件30和集电体板70之间的情况下，分隔件30和集电体板70彼此粘接。与燃料电池单体电池10(见图3)相似，密封构件40具有三层结构并且包括芯层41、粘接层42和粘接层43。芯层41被构造成比粘接层42和43厚。因此，芯层41比粘接层42和43硬。例如，芯层41可以使用热塑树脂、诸如酸乙二酯(PEN)形成。

粘接层42和43由如下的材料制成：当在正在加热粘接层42和43的同时对粘接层42和43施加压力时，该材料粘接(热压结合)到分隔件30和集电体板70。即，粘接层42和43通过被加热而熔融，并且然后粘接到分隔件30和集电体板70。例如，粘接层42和43可以使用热塑树脂(诸如聚丙烯)形成。粘接层42粘接到阳极侧分隔件30，并且粘接层43粘接到集电体板70。

用于将分隔件30电连接到集电体板70的厚度调节板48被设置在分隔件30和集电体板70之间。厚度调节板48可以由例如金属材料制成。

如在图6的分解透视图中所示，当形成集电体13时，密封构件40被布置在分隔件30和集电体板70之间。厚度调节板48被布置在密封构件40的中心处。此后，分隔件30和集电体板70被夹在模具之间，并且分隔件30和粘接层42彼此热压结合，并且集电体板70和粘接层43彼此热压结合。

因为阳极气体和阴极气体不在集电体板70的内部流动，所以由分隔件30、集电体板70和密封构件40形成的空间变成如图5中所示的封闭空间80(密封空间)。

以此方式，当在集电体13的内部存在封闭空间80时，集电体13的温度在燃料电池组运行时升高，并且由于该温度升高，封闭空间80中的压力升高。当封闭空间80中的压力以此方式升高时，密封集电体13的密封构件40可能被剥离，这可能引起气体或冷却介质泄漏。

为了解决这样的问题，如在图4中所示，根据该实施例的电池组具有通风结构81，通风结构81用于当形成在集电体13中的封闭空间80中的压力升高时将气体从封闭空间80排到外部。以此方式形成的通风结构81能够在燃料电池组运行的同时集电体13的温度升高并且因此封闭空间80中的压力升高时将气体从封闭空间80排到外部。这有效防止了封闭空间80中的压力升高，由此有效防止密封构件40被剥离，并且因而防止气体和冷却介质泄漏。

在图4中所示的示例中，通风结构81被形成在集电体13的在纵向方向(y轴方向)上延伸的边的一部分处。具体地，通风结构81被形成在集电体13的在纵向方向(y轴方向)上延伸的两边中的每一边上。如在图4中所示，连通孔31、35、51、55、61和65被密集形成在集电体13的在纵向方向(y轴方向)上的端部处。因此，优选的是，通风结构81在相对宽敞的地方被形成在集电体13的在纵向方向(y轴方向)上延伸的一边上。将被形成的通风结构的位置和数目可以视需要确定。

图7是沿着线VII-VII截取的图4中所示的集电体13的横截面视图，并且是示出形成通风结构81的地方附近的横截面视图。如在图7中所示，可以通过设置非粘接部44来形成通风结构81，在所述非粘接部处，分隔件30的一部分不粘接到密封构件40。即，如在图7中所示，粘接层42和分隔件30不彼此粘接的非粘接部44被设置在粘接层42的一部分处。如在图8中所示，以此方式设置的非粘接部44使得当封闭空间80中的压力升高时，通风孔82被形成在分隔件30和密封构件40之间。气体可以通过该通风孔82从封闭空间80排到外部。

例如，非粘接部44可以被如下所述形成。图9是用于描述制造包括在根据该实施例的燃料电池组中的集电体的方法的横截面视图。如上所述，当形成集电体13时，密封构件40被布置在分隔件30和集电体板70之间(见图6)。此后，如在图9中所示，分隔件30和集电体板70被夹在模具91和92之间，并且分隔件30和粘接层42彼此热压结合，并且集电体板70和粘接层43彼此热压结合。

此时，如在图9中所示，凹部93被设置在模具91中，使得形成模具91不与分隔件30接触的区域。在形成凹部93的区域中，分隔件30和粘接层42不彼此热压结合，并且因此非粘接部44可以被形成在该区域中。

此外，当非粘接处理被施加到粘接层42和分隔件30中的至少一个时，能够形成分隔件30和粘接层42不彼此热压结合的区域(非粘接部44)。换言之，分隔件30和粘接层42不彼此热压结合的区域(非粘接部44)可以通过施加非粘接处理到粘接层42与分隔件30接触的界面来形成。

例如，可以通过施加表面活性剂到粘接层42与分隔件30接触的界面来进行非粘接处理。当施加非粘接处理时，如在图10中所示，模具91和分隔件30可以被构造成彼此接触。即，如在图9中所示，不需要在模具91中设置凹部93。

当通过施加非粘接处理形成非粘接部时，非粘接处理可以被施加到粘接层43和集电体板70之间的界面。在该情形中，通风结构81可以被形成在集电体板70和密封构件40之间。

在根据该实施例的燃料电池组中，像图11中所示的集电体13_1，可以通过将通风孔85设置在密封构件40的一部分中来形成通风结构81。在图11中所示的示例中，通风孔85被形成在密封构件40的芯层41中。可替选地，可以例如通过切除密封构件40的一部分来形成通风结构。可以在x轴方向上延伸的方向上切除密封构件40的一部分以形成密封构件40不被设置在分隔件30和集电体板70之间的区域(通风结构)。

图12是示出包括在根据该实施例的燃料电池组中的集电体的另一构造示例的横截面视图。在图5所示的构造中，用于将分隔件30电连接到集电体板70的厚度调节板48被设置在分隔件30和集电体板70之间。相比之下，在图12中所示的集电体13_2中，突出部72被设置在集电体板71上，使得突出部72与分隔件30接触。由于集电体板71由金属材料制成，所以在突出部72与分隔件30接触时，分隔件30和集电体板70彼此电连接。

在图12中所示的构造中，图5中所示的厚度调节板48变得不必要，这是因为突出部72被构造成与分隔件30接触。这减少了部件的数目。这进一步消除在将厚度调节板48布置在分隔件30和集电体板70之间时对定位的需求，这简化制造过程。

从如此描述的本公开，将会是显而易见的是，可以许多方式改变本公开的实施例。各种变形不被理解为背离本公开的精神和范围，并且对本领域普通技术人员显而易见的所有这些变形旨在被包括在所附权利要求的范围内。

Claims (9)

1.一种燃料电池组，包括：

多个燃料电池单体电池，所述多个燃料电池单体电池在堆叠方向上被堆叠起来；以及

集电体，所述集电体被设置在所述燃料电池单体电池的在所述堆叠方向上的端部处，并且所述集电体被构造成收集由所述燃料电池单体电池生成的电力，其中：

所述集电体包括分隔件和集电体板在密封构件介于所述分隔件和所述集电体板之间的情况下彼此粘接的结构，

由所述集电体板、所述分隔件和所述密封构件形成的空间是封闭空间，并且

所述集电体包括通风结构，所述通风结构用于在所述封闭空间中的压力升高时将气体从所述封闭空间排到外部。

2.根据权利要求1所述的燃料电池组，其中，通过设置非粘接部来形成所述通风结构，在所述非粘接部处，所述分隔件的一部分不粘接到所述密封构件。

3.根据权利要求1所述的燃料电池组，其中，通过在所述密封构件的一部分中设置通风孔，来形成所述通风结构。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的燃料电池组，其中，厚度调节板被设置在所述分隔件和所述集电体板之间，所述厚度调节板用于将所述分隔件电连接到所述集电体板。

5.根据权利要求1至3中的任一项所述的燃料电池组，其中，所述集电体板包括突出部，所述突出部突出以在所述堆叠方向上与所述分隔件接触。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的燃料电池组，其中：

所述集电体具有矩形形状，并且连通孔被设置在所述集电体的在纵向方向上的两个端部中的每个端部中，其中，阳极气体和阴极气体经过所述连通孔，并且

所述通风结构被形成在所述集电体的纵向方向上延伸的边的一部分处。

7.一种制造燃料电池组的方法，包括：

将密封构件布置在分隔件和集电体板之间；以及

将所述分隔件和所述集电体板夹在第一模具和第二模具之间，并且在所述密封构件介于所述分隔件和所述集电体板之间的情况下，使所述分隔件热压结合到所述集电体板，其中

所述集电体板、所述分隔件和所述密封构件形成封闭空间，并且

通过设置所述分隔件和所述密封构件在所述热压结合中不彼此热压结合的区域来形成通风结构，所述通风结构用于当所述封闭空间中的压力升高时将气体从所述封闭空间排到外部。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，通过设置所述第一模具不与所述分隔件接触的区域，来形成所述分隔件和所述密封构件不彼此热压结合的区域。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，通过施加非粘接处理到所述密封构件和所述分隔件中的至少一个，来形成所述分隔件和所述密封构件不彼此热压结合的区域。