CN110783590A - 燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及燃料电池堆。燃料电池堆(12)具备：单电池层叠体(12st)，其是层叠多个具有电解质膜‑电极结构体(28a)和隔板的发电单电池(12c)而形成的；以及在单电池层叠体(12st)的层叠方向的端部配置的端子板(22a)和绝缘件(24a)。在单电池层叠体(12st)与绝缘件(24a)之间配置端子板(22a)。在绝缘件(24a)与端子板(22a)之间设置朝向单电池层叠体(12st)弹性地抵压端子板(22a)的弹性构造(23)。

Description

燃料电池堆
技术领域
本发明涉及燃料电池堆，该燃料电池堆具备在由多个发电单电池形成的单电池层叠体的端部配置的端子板和绝缘件。
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(MEA)在由高分子离子交换膜形成的电解质膜的一方配设有阳极电极，在另一方配设有阴极电极。电解质膜-电极结构体被隔板夹持，由此构成发电单电池。通常，层叠规定数量的发电单电池并且在层叠方向施加紧固载荷来构成燃料电池堆。这样的燃料电池堆例如作为车载用燃料电池堆搭载于燃料电池车辆。
在日本特开2005-243286号公报公开了如下结构，在端板与由多个发电单电池形成的单电池层叠体之间，配置有端子板和绝缘性垫片(日文：絶縁性スペーサ)。
发明内容
发明所要解决的问题
为了在燃料电池堆中得到期望的发电性能，期望对单电池层叠体在层叠方向施加规定的紧固载荷。当因单电池层叠体的结构部件的尺寸公差、温度变化、气压变化、部件的蠕变等而紧固载荷变动时，会导致发电性能降低。
本发明的目的在于提供如下燃料电池堆，该燃料电池堆能够吸收单电池层叠体中的电解质膜-电极结构体的电极部处的层叠方向的尺寸变动，从而有效地抑制电极部处的载荷变动。
用于解决问题的方案
为了实现上述的目的，本发明的一方式涉及燃料电池堆，具备：单电池层叠体，其是层叠多个具有电解质膜-电极结构体和隔板的发电单电池而形成的；以及在所述单电池层叠体的层叠方向的端部配置的端子板和绝缘件，在所述单电池层叠体与所述绝缘件之间配置所述端子板，对所述单电池层叠体、所述端子板以及所述绝缘件施加层叠方向的载荷，其中，在所述绝缘件与所述端子板之间，设置朝向所述单电池层叠体弹性地抵压所述端子板的弹性构造。
发明的效果
根据该燃料电池堆，在绝缘件与端子板之间设置弹性构造，因此能够吸收单电池层叠体中的电解质膜-电极结构体的电极部(电极反应面)处的层叠方向的尺寸变动，从而有效地抑制电极部处的载荷变动。
参照附图来说明以下的实施方式，从而能够容易地理解上述的目的、特征以及优点。
附图说明
图1是本发明的实施方式涉及的具备燃料电池堆的燃料电池车辆的立体图。
图2是发电单电池的分解立体图。
图3是从氧化剂气体流路侧观察到的第一金属隔板的图。
图4是从燃料气体流路侧观察到的第二金属隔板的图。
图5是堆壳体的分解立体图。
图6是燃料电池堆的剖视图。
图7是弹性构造的弹簧常数的设定范围的说明图。
具体实施方式
在以下的说明中，上方(上部)是指铅垂方向的上方(上部)。如图1所示的燃料电池车辆11具备燃料电池系统10。燃料电池车辆11例如是燃料电池电动汽车。燃料电池系统10具备燃料电池堆12。在仪表板16的前方(箭头符号Af方向)形成的前室(电机室)18内配设燃料电池堆12。燃料电池堆12具有在车辆宽度方向(箭头符号B方向)层叠多个发电单电池12c而成的单电池层叠体12st、以及覆盖单电池层叠体12st的堆壳体13。
如图2所示，发电单电池12c具备带树脂膜的MEA 28、在带树脂膜的ME A 28的一方面侧配置的第一金属隔板30以及在带树脂膜的MEA 28的另一方面侧配置的第二金属隔板32。第一金属隔板30是隔板的一个例子。第二金属隔板32是隔板的一个例子。例如，在箭头符号B方向(水平方向)或者箭头符号C方向(重力方向)层叠多个发电单电池12c并且施加层叠方向的紧固载荷(压缩载荷)来构成燃料电池堆12。
第一金属隔板30和第二金属隔板32例如是将钢板、不锈钢板、铝板、镀处理钢板、或者在其金属表面实施了用于防腐蚀的表面处理而形成的金属薄板的截面进行冲压成型为波形来构成的。彼此相邻的发电单电池12c中的一方的发电单电池12c的第一金属隔板30与另一方的发电单电池12c的第二金属隔板32通过对外周进行焊接、钎焊、铆接等而接合为一体，来构成接合隔板33。
在发电单电池12c的长边方向即水平方向的一端缘部(箭头符号Ar方向侧的端缘部)，以在层叠方向(箭头符号A方向)相同连通孔相互连通的方式设置氧化剂气体入口连通孔34a、冷却介质入口连通孔36a以及燃料气体出口连通孔38b。氧化剂气体入口连通孔34a、冷却介质入口连通孔36a以及燃料气体出口连通孔38b在铅垂方向(箭头符号C方向)排列设置。氧化剂气体入口连通孔34a供给氧化剂气体、例如含氧气体。冷却介质入口连通孔36a供给冷却介质、例如水。燃料气体出口连通孔38b排出燃料气体、例如含氢气体。
在发电单电池12c的长边方向即水平方向的另一端缘部(箭头符号Af方向侧的端缘部)，以在层叠方向相同连通孔相互连通的方式设置燃料气体入口连通孔38a、冷却介质出口连通孔36b以及氧化剂气体出口连通孔34b。燃料气体入口连通孔38a、冷却介质出口连通孔36b以及氧化剂气体出口连通孔34b在铅垂方向排列设置。燃料气体入口连通孔38a供给燃料气体。冷却介质出口连通孔36b排出冷却介质。氧化剂气体出口连通孔34b排出氧化剂气体。氧化剂气体入口连通孔34a和氧化剂气体出口连通孔34b、燃料气体入口连通孔38a和燃料气体出口连通孔38b以及冷却介质入口连通孔36a和冷却介质出口连通孔36b的配置不限定于本实施方式，根据所要求的规格来适当设定即可。
带树脂膜的MEA 28具备电解质膜-电极结构体28a、以及在电解质膜-电极结构体28a的外周部设置的框形状的树脂膜46。电解质膜-电极结构体28a具有电解质膜40、以及夹持电解质膜40的阴极电极41和阳极电极42。
电解质膜40例如是固体高分子电解质膜(阳离子交换膜)。固体高分子电解质膜例如是含有水分的全氟磺酸的薄膜。电解质膜40被阴极电极41和阳极电极42夹持。电解质膜40除了能够使用氟系电解质以外，还能够使用HC(碳化氢)系电解质。
阴极电极41具有与电解质膜40的一方的面接合的第一电极催化剂层、以及层叠于第一电极催化剂层的第一气体扩散层。阳极电极42具有与电解质膜40的另一方的面接合的第二电极催化剂层、以及层叠于第二电极催化剂层的第二气体扩散层。
在树脂膜46的箭头符号Ar方向侧的端缘部设置氧化剂气体入口连通孔34a、冷却介质入口连通孔36a以及燃料气体出口连通孔38b。在树脂膜46的箭头符号Af方向侧的端缘部设置燃料气体入口连通孔38a、冷却介质出口连通孔36b以及氧化剂气体出口连通孔34b。
如图3所示，例如，在第一金属隔板30的朝向带树脂膜的MEA28的面30a(以下称为“表面30a”)设置沿着箭头符号A方向延伸的氧化剂气体流路48。氧化剂气体流路48与氧化剂气体入口连通孔34a和氧化剂气体出口连通孔34b可流通流体地连通。氧化剂气体流路48具有多条流路槽48b，该多条流路槽48b形成于沿着箭头符号A方向延伸的多条流路形成用凸部48a之间。流路形成用凸部48a通过冲压成型来朝向带树脂膜的MEA 28鼓出成形。图示例的流路槽48b形成为沿着箭头符号A方向延伸的波形状。也可以是，流路槽48b是沿着箭头符号A方向延伸的直线状槽。
在第一金属隔板30的表面30a，在氧化剂气体入口连通孔34a与氧化剂气体流路48之间，设置具有多个压花50a的入口缓冲部50A。在第一金属隔板30的表面30a，在氧化剂气体出口连通孔34b与氧化剂气体流路48之间，设置具有多个压花50b的出口缓冲部50B。在俯视观察(层叠方向观察)时，压花50a、50b形成为圆形。也可以是，在俯视观察(层叠方向观察)时，压花50a、50b形成为长圆形或者线状。
在第一金属隔板30的表面30a，通过冲压成型朝向带树脂膜的MEA 28(图2)鼓出成形第一密封线51。第一密封线51是密封部的一个例子。也可以是，在第一密封线51的凸部前端面，通过印刷或者涂布等来固定树脂件。树脂件例如使用聚酯纤维。也可以是，树脂件设置在树脂膜46侧。
第一密封线51具有：将氧化剂气体流路48、入口缓冲部50A以及出口缓冲部50B包围的凸起密封件51a(以下称为“内侧凸起部51a”)；在比内侧凸起部51a靠外侧设置并且沿着第一金属隔板30的外周延伸的凸起密封件52(以下称为“外侧凸起部52”)；以及将多个连通孔(氧化剂气体入口连通孔34a等)独立地包围的多个凸起密封件53(以下称为“连通孔凸起部53”)。外侧凸起部52从第一金属隔板30的表面30a朝向带树脂膜的MEA 28突出并且围绕在该表面30a的外周缘部。也可以是，代替凸起密封件，第一密封线51由具有弹性的橡胶密封件构成。
多个连通孔凸起部53从第一金属隔板30的表面30a朝向带树脂膜的MEA28突出，并且分别独立地围绕在氧化剂气体入口连通孔34a、氧化剂气体出口连通孔34b、燃料气体入口连通孔38a、燃料气体出口连通孔38b、冷却介质入口连通孔36a以及冷却介质出口连通孔36b的周围。
以下，将多个连通孔凸起部53中的、包围氧化剂气体入口连通孔34a的连通孔凸起部记载为“连通孔凸起部53a”，将包围氧化剂气体出口连通孔34b的连通孔凸起部记载为“连通孔凸起部53b”。在连通孔凸起部53a与氧化剂气体流路48之间，配置有上述的入口缓冲部50A(多个压花50a)。在连通孔凸起部53b与氧化剂气体流路48之间，配置有上述的出口缓冲部50B(多个压花50b)。在第一金属隔板30设置将连通孔凸起部53a、53b的内侧(连通孔34a、34b侧)与外侧(氧化剂气体流路48侧)连通的桥部80、82。
在包围氧化剂气体入口连通孔34a的连通孔凸起部53a设置桥部80。桥部80具有相互隔开间隔地配置的多个通道80a。多个通道80a以与连通孔凸起部53a交叉的方式，通过冲压成型朝向带树脂膜的MEA 28(图2)鼓出成形。在各个通道80a的一端部向氧化剂气体入口连通孔34a开口。在各个通道80a的另一端部设置开口部80b。由此，氧化剂气体入口连通孔34a与氧化剂气体流路48经由桥部80来连通。
在包围氧化剂气体出口连通孔34b的连通孔凸起部53b设置桥部82。桥部82具有相互隔开间隔地配置的多个通道82a。多个通道82a以与连通孔凸起部53b交叉的方式，通过冲压成型朝向带树脂膜的MEA 28(图2)鼓出成形。各个通道82a的一端部向氧化剂气体出口连通孔34b开口。在各个通道82a的另一端部设置开口部82b。由此，氧化剂气体出口连通孔34b与氧化剂气体流路48经由桥部82来连通。
如图4所示，在第二金属隔板32的朝向带树脂膜的MEA 28的面32a(以下称为“表面32a”)，例如形成沿着箭头符号A方向延伸的燃料气体流路58。燃料气体流路58与燃料气体入口连通孔38a和燃料气体出口连通孔38b可流通流体地连通。燃料气体流路58具有多条流路槽58b，该多条流路槽58b形成于沿着箭头符号A方向延伸的多条流路形成用凸部58a之间。流路形成用凸部58a通过冲压成型来朝向带树脂膜的MEA 28鼓出成形。图示例的流路槽58b形成为沿着箭头符号A方向延伸的波形状。也可以是，流路槽58b是沿着箭头符号A方向延伸的直线状槽。
在第二金属隔板32的表面32a，在燃料气体入口连通孔38a与燃料气体流路58之间，设置具有多个压花60a的入口缓冲部60A。另外，在第二金属隔板32的表面32a，在燃料气体出口连通孔38b与燃料气体流路58之间，设置具有多个压花60b的出口缓冲部60B。在俯视观察(层叠方向观察)时，压花60a、60b形成为圆形。也可以是，在俯视观察(层叠方向观察)时，压花60a、60b形成为长圆形或者线状。
在第二金属隔板32的表面32a，通过冲压成型，朝向带树脂膜的MEA 28鼓出成形第二密封线61。第二密封线61是密封部的一个例子。也可以是，在第二密封线61的凸部前端面，通过印刷或者涂布等来固定树脂件。该树脂件例如使用聚酯纤维。也可以是，该树脂件设置在树脂膜46侧。
第二密封线61具有：将燃料气体流路58、入口缓冲部60A以及出口缓冲部60B包围的凸起密封件(以下称为“内侧凸起部61a”)；设置在比内侧凸起部61a靠外侧并且沿着第二金属隔板32的外周延伸的凸起密封件(以下称为“外侧凸起部62”)；以及将多个连通孔(连通孔38a等)独立地包围的多个凸起密封件(以下称为“连通孔凸起部63”)。外侧凸起部62从第二金属隔板32的表面32a突出并且围绕在该表面32a的外周缘部。也可以是，代替凸起密封件，第二密封线61由具有弹性的橡胶密封件构成。
多个连通孔凸起部63从第二金属隔板32的表面32a突出，并且分别独立地围绕在氧化剂气体入口连通孔34a、氧化剂气体出口连通孔34b、燃料气体入口连通孔38a、燃料气体出口连通孔38b、冷却介质入口连通孔36a以及冷却介质出口连通孔36b的周围。
以下，将多个连通孔凸起部63中的、包围燃料气体入口连通孔38a的连通孔凸起部记载为“连通孔凸起部63a”，将包围燃料气体出口连通孔38b的连通孔凸起部记载为“连通孔凸起部63b”。在连通孔凸起部63a与燃料气体流路58之间，配置有上述的入口缓冲部60A(多个压花60a)。在连通孔凸起部63b与燃料气体流路58之间，配置有上述的出口缓冲部60B(多个压花60b)。在第二金属隔板32设置将连通孔凸起部63a、63b的内侧(连通孔38a、38b侧)和外侧(燃料气体流路58侧)连通的桥部91、92。
在包围燃料气体入口连通孔38a的连通孔凸起部63a设置桥部91。桥部91具有相互隔着间隔地配置的多个通道91a。多个通道91a以与连通孔凸起部63a交叉的方式，通过冲压成型朝向带树脂膜的MEA 28(图2)鼓出成形。各个通道91a的一端部向燃料气体入口连通孔38a开口。在各个通道91a的另一端部设置开口部91b。由此，燃料气体入口连通孔38a与燃料气体流路58经由桥部91来连通。
包围燃料气体出口连通孔38b的连通孔凸起部63b设置桥部92。桥部92具有相互隔开间隔地配置的多个通道92a。多个通道92a以与连通孔凸起部63b交叉的方式，通过冲压成型朝向带树脂膜的MEA 28(图2)鼓出成形。各个通道92a的一端部向燃料气体出口连通孔38b开口。在各个通道92a的另一端部设置开口部92b。由此，燃料气体出口连通孔38b与燃料气体流路58经由桥部92来连通。
如图2所示，在相互接合的第一金属隔板30的面30b与第二金属隔板32的面32b之间，形成与冷却介质入口连通孔36a和冷却介质出口连通孔36b可流通流体地连通的冷却介质流路66。形成有氧化剂气体流路48的第一金属隔板30的背面形状与形成有燃料气体流路58的第二金属隔板32的背面形状重合来形成冷却介质流路66。
如图1所示，在单电池层叠体12st的层叠方向一端(箭头符号BR方向侧)，朝向外方依次配设端子板22a和绝缘件24a。在单电池层叠体12st的层叠方向另一端(箭头符号BL侧)，朝向外方依次配设端子板22b和绝缘件24b。单电池层叠体12st被堆壳体13在层叠方向(箭头符号B方向)施加紧固载荷。端子板22a、22b由具有导电性的材料构成、例如铜、铝、或者将这些作为主要成分的金属。
堆壳体13具备收纳单电池层叠体12st的主壳体14、以及收纳燃料电池用辅助设备70的辅助设备壳体15。堆壳体13是大致长方体状(长边沿着车辆宽度方向延伸的长方体状)。
如图5所示，在俯视观察时，主壳体14具有四边形状的壳主体76。壳主体76具有在左侧(箭头符号BL方向侧)形成的四边形状的左开口部76a、在右侧(箭头符号BR方向侧)形成的四边形状的右开口部76b、以及在后侧(箭头符号Ar方向侧)形成的四边形状的后方开口部76c，来构成为箱型。
在壳主体76的上部(在图示例中，壳主体76的铅垂方向的上表面76s)的、与接合有辅助设备壳体15的一侧相反侧的两个角部，形成使主壳体14与外部连通的孔部14h。也可以是，孔部14h仅设置在壳主体76的上述两个角部中的任一方。也可以是，在主壳体14的铅垂方向的上表面76s以外的侧面的上部设置孔部14h。
主壳体14还具备将壳主体76的右开口部76b封闭的右侧板78、以及将壳主体76的后方开口部76c封闭的后方侧板79。右侧板78是四边形状的板，借助螺栓84被接合于壳主体76的右端。右侧板78兼作对单电池层叠体12st施加层叠方向的紧固载荷的一方的端板68A。在壳主体76与右侧板78之间，遍布壳主体76与右侧板78的接合面的整周地配置由弹性材料形成的密封构件81。
后方侧板79是四边形状的板，借助螺栓84被接合于壳主体76的后端。在壳主体76与后方侧板79之间，遍布壳主体76与后方侧板79的接合面的整周地配置由弹性材料形成的密封构件83。另外，也可以是，后方侧板79与壳主体76不是不同部件，而是与壳主体76一体。
如图1所示，辅助设备壳体15是用于保护燃料电池用辅助设备70的保护壳体，在主壳体14的水平方向邻接地与主壳体14接合。在辅助设备壳体15内，作为燃料电池用辅助设备70收容有氧化剂气体系统设备70A和燃料气体系统设备70B。
收纳于辅助设备壳体15内的氧化剂气体系统设备70A是气泵71、加湿器73等。收容于辅助设备壳体15内的燃料气体系统设备70B是喷射器74、引射器75、氢泵77、阀类(未图示)等。
辅助设备壳体15具有与主壳体14邻接地设置的凹形状的第一壳体构件88、以及与第一壳体构件88接合的凹形状的第二壳体构件90，在第一壳体构件88内收容燃料电池用辅助设备70的至少一部分。
如图5所示，在主壳体14与第二壳体构件90之间配置第一壳体构件88。第一壳体构件88借助螺栓84被接合于壳主体76的左端。在壳主体76与第一壳体构件88之间，遍布壳主体76与第一壳体构件88的接合面的整周地配置由弹性材料形成的密封构件79s。由此，在壳主体76与第一壳体构件88之间形成气密密封件。
第一壳体构件88一体地具有对燃料电池堆12施加层叠方向的紧固载荷的端板部88a。端板部88a是凹形状的第一壳体构件88的底壁部。即，第一壳体构件88的一部分兼作对单电池层叠体12st施加层叠方向的紧固载荷的另一方的端板68B。第一壳体构件88例如通过铸造来成形。
第一壳体构件88具有与主壳体14接合的上述端板部88a、以及从端板部88a的周缘部整周沿着端板部88a的厚度方向(与主壳体14分离的方向)(箭头符号BL方向)延伸出的周壁部(第一周壁部)88b。端板部88a与周壁部88b不是将不同的部件接合而成的，而是构成连续一体的第一壳体构件88。也可以是，端板部88a与周壁部88b是相互独立地制作的(能够相互区别的)部件，将那样的端板部88a与周壁部88b接合来构成第一壳体构件88。
第一壳体构件88的端板部88a划分出主壳体14的内部空间与辅助设备壳体15的内部空间。在周壁部88b的突端(靠第二壳体构件90侧的端部)设置向外方突出的第一凸缘部88c。
在端板部88a的上部，设置使主壳体14的内部空间与辅助设备壳体15的内部空间相互连通地的多个换气用连通孔94。换气用连通孔94是在厚度方向(箭头符号B方向)贯通端板部88a的孔，面对壳主体76的左开口部76a。上述的密封构件79s配置在比换气用连通孔94靠外侧。
在第一壳体构件88的端板部88a形成配管用开口部96a、96b，该配管用开口部96a、96b用于使与设置在燃料电池堆12的氧化剂气体入口连通孔34a、氧化剂气体出口连通孔34b、燃料气体入口连通孔38a、燃料气体出口连通孔38b、冷却介质入口连通孔36a以及冷却介质出口连通孔36b分别连接的连接配管(未图示)通过。
第二壳体构件90是封闭第一壳体构件88的盖构件，借助螺栓84被接合于第一壳体构件88。第二壳体构件90具有向与燃料电池堆12分离的方向(箭头符号BL方向)凹陷的凹形状。
在周壁部90b的突端(靠第一壳体构件88侧的端部)设置向外方突出的第二凸缘部90c。第二壳体构件90借助螺栓84被接合于第一壳体构件88。在第一壳体构件88的第一凸缘部88c与第二壳体构件90的第二凸缘部90c之间，遍布第一壳体构件88与第二壳体构件90的接合面的整周地配置由弹性材料形成的密封构件93。由此，在第一凸缘部88c与第二凸缘部90c之间形成气密密封件。
在辅助设备壳体15的上部(在图示例中铅垂方向的上表面72s)的、与接合主壳体14的一侧相反侧的两个角部，形成使辅助设备壳体15与外部连通的孔部15h。具体来说，在第二壳体构件90的上部的两个角部形成孔部15h。也可以是，孔部15h仅设置于第二壳体构件90的上部的两个角部中的任一方。也可以是，在第二壳体构件90的铅垂方向的上表面72s以外的侧面的上部设置孔部15h。
为了从外部向主壳体14内导入空气来对主壳体14内换气，在主壳体14设置换气用空气导入孔99。在主壳体14的下部(在图示例中，右侧板78的下部和后方侧板79的下部)设置多个换气用空气导入孔99。另外，在辅助设备壳体15的下部(在图示例子中，第一壳体构件88的下部和第二壳体构件90的下部)也设置换气用空气导入孔99。
如图6所示，在绝缘件24a与端子板22a之间设置朝向单电池层叠体12st弹性地抵压端子板22a的弹性构造23。在单电池层叠体12st的层叠方向一方侧(箭头符号BR方向侧)的端部与端板68A(右侧板78)之间配置绝缘件24a和端子板22a。也可以是，在单电池层叠体12st的层叠方向一方侧设置不进行发电的虚设单电池。
绝缘件24a是由具有电绝缘性的材料形成的、并且是在层叠方向具有厚度的板状构件。绝缘件24a被夹持在单电池层叠体12st与端板68A之间，对单电池层叠体12st施加层叠方向的紧固载荷。相对于端板68A，绝缘件24a的层叠方向的位置固定。即，相对于端板68A，绝缘件24a在层叠方向不发生相对位移。
绝缘件24a具有向与单电池层叠体12st分离的方向(箭头符号BR方向)凹陷的凹部24a1、以及包围该凹部24a1并且相对于凹部24a1而向单电池层叠体12st侧突出的框状外周部24a2。在凹部24a1配置端子板22a和弹性构造23。凹部24a1的深度(沿着箭头符号B方向的尺寸)比端子板22a的厚度大。在从层叠方向观察时，凹部24a1和端子板22a分别形成为大致四边形。在从层叠方向观察时，框状外周部24a2形成为围绕在凹部24a1的周围的大致四边形。
在从层叠方向观察时，绝缘件24a的框状外周部24a2配置在与发电单电池12c的密封部重叠的位置。在单电池层叠体12st的层叠方向的一端部，框状外周部24a2遍布整周地抵压发电单电池12c的外周部。框状外周部24a2抵压单电池层叠体12st的比与电解质膜-电极结构体28a在层叠方向重叠的位置靠外侧。因此，框状外周部24a2不抵压单电池层叠体12st的与电解质膜-电极结构体28a在层叠方向重叠的位置。
端子板22a具有与发电单电池12c的作为发电区域的电极部(阴极电极41和阳极电极42)相对应大小的平面尺寸。端子板22a的厚度方向的至少一部分插入凹部24a1内。端子板22a的厚度比凹部24a1的深度小。端子板22a能够以凹部24a1的内周面作为导向件来在层叠方向位移。因此，端子板22a能够相对于端板68A和绝缘件24a而在层叠方向相对位移。端子板22a的与单电池层叠体12st相反侧的面隔着间隙来与凹部24a1的底面相向。
在从层叠方向观察时，端子板22a配置在密封部(第一密封线51和第二密封线61)的内侧处与电解质膜-电极结构体28a重叠的位置。在单电池层叠体12st的层叠方向的一端部，端子板22a抵压发电单电池12c的比外周部靠内侧。因此，端子板22a向发电单电池12c的作为发电区域的电极部(电极反应面)施加层叠方向的紧固载荷。
在本实施方式中，弹性构造23具有多个线圈弹簧23A。多个线圈弹簧23A在端子板22a与绝缘件24a之间以弹性压缩状态相互隔开间隔地配置。线圈弹簧23A在水平方向和铅垂方向各自配置多个。在凹部24a1的底面设置将各个线圈弹簧23A的一端保持(卡定)的多个保持部24h。各个保持部24h形成为将线圈弹簧23A的外周卡合的槽状。也可以是，各个保持部24h是插入在各个线圈弹簧23A的一端内周的突起。也可以是，多个保持部24h设置在端子板22a的与凹部24a1的底面相向的面。
也可以是，代替线圈弹簧23A，弹性构造23具有至少一个盘簧(日语：皿バネ)。也可以是，代替线圈弹簧23A，弹性构造23具有拥有弹性的多孔质体、橡胶。也可以是，弹性构造23是将线圈弹簧23A、盘簧、多孔质体以及橡胶中的至少两个进行组合而成的构造。以朝向端子板22a而使面内的载荷分布均匀的方式配置多个线圈弹簧23A。
最优选的是，端子板22a的靠单电池层叠体12st侧的面(以下称为“端子面22s”)与框状外周部24a2的靠单电池层叠体12st侧的面(以下称为“绝缘件面24s”)在层叠方向的位置是一致的。但是，也可以是，在端子面22s与绝缘件面24s之间，存在容许值以下大小的段差(以下称为“端子-绝缘件间段差”)。当产生超过容许值的端子-绝缘件间段差时，隔板可能发生无法容许的变形。因此，弹性构造23的弹簧常数K设定为，在燃料电池堆12的运转温度范围内，端子-绝缘件间段差为容许值以下。
在以下的说明中，针对端子-绝缘件间段差，将端子面22s相对于绝缘件面24s而向单电池层叠体12st侧(箭头符号BL方向侧)位移的情况定义为正侧的段差，将端子面22s相对于绝缘件面24s而向端板68A侧(箭头符号BR方向侧)位移的情况定义为负侧的段差。
弹性构造23的弹簧常数K(日文：バネ定数K)设定为图7所示的适当范围内。单电池层叠体12st的刚性随温度而变化，因此需要与该变化相对应地，温度越高则使弹性构造23的弹簧常数K越高(图7的P2)，温度越低则使弹簧常数K越低(图7的P1)。
燃料电池堆12(单电池层叠体12st)的运转温度在发电时(在额定状态下发电时)的温度比初期组装时(装配燃料电池堆12时)高。当弹簧常数K过小时，在发电时，隔板(第一金属隔板30和第二金属隔板20)和MEA 28a的位移量(变形量)变大。因而，弹性构造23的弹簧常数K设定为，在发电时，端子-绝缘件间段差与阈值th1(隔板位移限度)相比不成为负侧。因此，发电时端子-绝缘件间段差为，表示阈值th1(Q1)的弹簧常数K成为弹簧常数K的下限值k1。
另一方面，在冬季等环境温度低的状态下启动时(低温时)，燃料电池堆12的运转温度比初期组装时低。当弹簧常数K过大时，在低温时，隔板的变形量(位移量)过大。因而，弹性构造23的弹簧常数K设定为，在低温时，端子-绝缘件间段差与阈值th2(隔板位移限度)相比不成为正侧。因此，低温时端子-绝缘件间段差为，表示阈值th2(Q2)的弹簧常数K为弹簧常数K的上限值k2。根据以上，优选的是，弹性构造23的弹簧常数K设定为k1以上、k2以下。也可以是，在相反侧的端子板22b与绝缘件24b之间设置弹性构造23。
在图1中，与壳主体76的两端接合的一对端板68A、68B之间的距离固定，在一对端板68A、68B之间配置有单电池层叠体12st、一对端子板22a、22b以及一对绝缘件24a、24b。因此，在单电池层叠体12st的层叠方向的两端设置的一对绝缘件24a、24b之间的距离固定，被夹持于绝缘件24a、24b之间的单电池层叠体12st的外周部(密封区域)的层叠方向尺寸保持为固定。也可以是，代替壳主体76，在端板68A、68B的各边之间配置平板状的板或者双头螺栓(日语：スタットボルト)。
燃料电池系统10还具备用于从堆壳体13(主壳体14和辅助设备壳体15)排出燃料气体的排气装置98。在从单电池层叠体12st或者燃料电池用辅助设备70(燃料气体系统设备70B和氧化剂气体系统设备70A)漏出燃料气体的情况下，燃料气体经由排气装置98被排出到车外。排气装置98具有与主壳体14连接的第一换气用管道100a、以及与辅助设备壳体15连接的第二换气用管道100b。
第一换气用管道100a具有与主壳体14的两个孔部14h连接的两个连接管部102a、102b、以及两个连接管部102a、102b合流而成的合流管部102c。合流管部102c与在右侧挡泥板部108R设置的右侧排气口110R连接。第二换气用管道100b具有与辅助设备壳体15的两个孔部15h连接的两个连接管部104a、104b、以及两个连接管部104a、104b合流而成的合流管部104c。合流管部104c与在左侧挡泥板部108L设置的左侧排气口110L连接。第一换气用管道100a与第二换气用管道100b经由连结配管112相互连接。
然后，说明如上所述的燃料电池堆12的作用。
如图2所示，向氧化剂气体入口连通孔34a供给含氧气体等氧化剂气体、例如空气。向燃料气体入口连通孔38a供给含氢气体等燃料气体。向冷却介质入口连通孔36a供给纯水、乙二醇、油等冷却介质。
如图3所示，氧化剂气体从氧化剂气体入口连通孔34a经由桥部80和入口缓冲部50A被导入至第一金属隔板30的氧化剂气体流路48。而且，如图2和图3所示，氧化剂气体沿着氧化剂气体流路48向箭头符号A方向移动，被供给至电解质膜-电极结构体28a的阴极电极41。
另一方面，如图4所示，燃料气体从燃料气体入口连通孔38a经由桥部91和入口缓冲部60A被导入至第二金属隔板32的燃料气体流路58。而且，如图2和图4所示，燃料气体沿着燃料气体流路58向箭头符号A方向移动，被供给至电解质膜-电极结构体28a的阳极电极42。
因此，在各个电解质膜-电极结构体28a中，被供给至阴极电极41的氧化剂气体与被供给至阳极电极42的燃料气体在第一电极催化剂层和第二电极催化剂层内因电化学反应被消耗，来进行发电。
然后，如图3所示，被供给至阴极电极41并被消耗的氧化剂气体从氧化剂气体流路48经由桥部82向氧化剂气体出口连通孔34b流动。而且，如图2所示，氧化剂气体沿着氧化剂气体出口连通孔34b向箭头符号B方向被排出。同样地，如图4所示，被供给至阳极电极42并被消耗的燃料气体从燃料气体流路58经由桥部92向燃料气体出口连通孔38b流动。而且，如图2所示，沿着燃料气体出口连通孔38b向箭头符号B方向被排出。
另外，被供给至冷却介质入口连通孔36a的冷却介质，在被导入至在相互接合的第一金属隔板30与第二金属隔板32之间形成的冷却介质流路66之后，向箭头符号A方向流动。该冷却介质在将电解质膜-电极结构体28a冷却之后，从冷却介质出口连通孔36b被排出。
该情况下，本实施方式涉及的燃料电池堆12实现以下的效果。
根据该燃料电池堆12，如图6所示，在绝缘件24a与端子板22a之间设置弹性构造23，因此能够吸收单电池层叠体12st中的电解质膜-电极结构体28a在电极部(阴极电极41和阳极电极42)处的层叠方向的尺寸变动，从而有效地抑制在电极部处的载荷变动。
绝缘件24a具有向与单电池层叠体12st分离的方向凹陷的凹部24a1。在凹部24a1配置端子板22a和弹性构造23。根据该结构，利用绝缘件24a的厚度来配置端子板22a和弹性构造23，因此能够将伴随着设置弹性构造23而产生的层叠方向的尺寸增加抑制为最小限度。
端子板22a具有与发电单电池12c的作为发电区域的电极部(阴极电极41和阳极电极42)相对应大小的平面尺寸。根据该结构，能够更有效地抑制电解质膜-电极结构体28a的电极部处的载荷变动。
在隔板(第一金属隔板30、第二金属隔板32)的一方面，设置沿着电解质膜-电极结构体28a流动反应气体的反应气体流路(氧化剂气体流路48、燃料气体流路58)、以及包围反应气体流路而形成的用于防止流体泄漏的凸状的密封部(第一密封线51、第二密封线61)。绝缘件24a具有包围凹部24a1并且相对于凹部24a1而向单电池层叠体12st侧突出的框状外周部24a2。在从层叠方向观察时，绝缘件24a的框状外周部24a2配置在与密封部重叠的位置，端子板22a配置在密封部的内侧处与电解质膜-电极结构体28a重叠的位置。根据该结构，端子板22a没有对单电池层叠体12st的密封部施加载荷，因此能够将单电池层叠体12st的密封部的层叠方向尺寸保持为固定(获得规定的密封表面压力)，并且抑制电解质膜-电极结构体28a的电极部处的载荷变动。
而且，在上述的本实施方式中，在图1中，以燃料电池堆12的层叠方向为朝向车辆宽度方向(箭头符号B方向)的方式，将燃料电池系统10搭载于燃料电池车辆11，但也可以是，与之不同，以燃料电池堆12的层叠方向为朝向车辆前后方向(箭头符号A方向)的方式，将燃料电池系统10搭载于燃料电池车辆11。在上述的本实施方式中，以主壳体14配置在右侧、辅助设备壳体15配置在左侧的方式，将燃料电池系统10搭载于燃料电池车辆11，但也可以是，与之不同，以主壳体14配置在左侧、辅助设备壳体15配置在右侧的方式，将燃料电池系统10搭载于燃料电池车辆11。
本发明不限定于上述的实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够进行各种的改变。

Claims (9)

1.一种燃料电池堆(10)，具备：单电池层叠体(12st)，其是多个具有电解质膜-电极结构体(28a)和隔板(30、32)的发电单电池(12c)层叠而形成的；以及在所述单电池层叠体的层叠方向的端部配置的端子板(22a、22b)和绝缘件(24a、24b)，在所述单电池层叠体与所述绝缘件之间配置所述端子板，对所述单电池层叠体、所述端子板以及所述绝缘件施加层叠方向的载荷，其中，
在所述绝缘件与所述端子板之间，设置朝向所述单电池层叠体弹性地抵压所述端子板的弹性构造(23)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，
所述绝缘件具有向与所述单电池层叠体分离的方向凹陷的凹部(24a1)，
在所述凹部配置所述端子板和所述弹性构造。
3.根据权利要求1或者2所述的燃料电池堆，其特征在于，
所述端子板具有与所述发电单电池的作为发电区域的电极部相对应大小的平面尺寸。
4.根据权利要求2所述的燃料电池堆，其特征在于，
在所述隔板的一方面设置沿着所述电解质膜-电极结构体流动反应气体的反应气体流路、以及包围所述反应气体流路而形成的用于防止流体泄漏的凸状的密封部，
所述绝缘件具有包围所述凹部并且相对于所述凹部而向所述单电池层叠体侧突出的框状外周部(24a2)，
在从所述层叠方向观察时，所述绝缘件的所述框状外周部配置在与所述密封部重叠的位置，所述端子板配置在所述密封部的内侧处与所述电解质膜-电极结构体重叠的位置。
5.根据权利要求2所述的燃料电池堆，其特征在于，
所述绝缘件具有包围所述凹部并且相对于所述凹部而向所述单电池层叠体侧突出的框状外周部(24a2)，
在所述单电池层叠体的层叠方向的一端部，所述框状外周部抵压所述发电单电池的外周部，所述端子板抵压所述发电单电池的比所述外周部靠内侧。
6.根据权利要求1或者2所述的燃料电池堆，其特征在于，
在所述单电池层叠体的层叠方向的两端设置的一对所述绝缘件之间的距离固定。
7.根据权利要求1或者2所述的燃料电池堆，其特征在于，
具备收容所述单电池层叠体的堆壳体(13)，
所述堆壳体具有包围所述单电池层叠体的壳主体(76)、以及被接合于所述壳主体的两端部的一对端板(68A、68B)，
在所述一对端板之间夹持所述单电池层叠体、一对所述端子板以及一对所述绝缘件。
8.根据权利要求1或者2所述的燃料电池堆，其特征在于，
所述弹性构造是线圈弹簧(23A)、盘簧、具有弹性的多孔质体或者橡胶。
9.根据权利要求4或者5所述的燃料电池堆，其特征在于，
所述弹性构造的弹簧常数设定为，在所述燃料电池堆的运转温度范围内，所述端子板的靠所述单电池层叠体侧的面与所述框状外周部的靠所述单电池层叠体侧的面之间的段差为容许值以下。
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