CN111710883B - 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(10)具备层叠多个发电单电池(12)而成的单电池层叠体(14)。在与形成于端部金属隔板(30e)的凸起密封件(52)相向的位置，将金属板(80)与弹性密封构件(82)重叠地配置。支承构件(84)具有收容金属板(80)的凹部(84b)。在金属板(80)的内周端(80e1)与凹部(84b)之间或者在金属板(80)的外周端(80e2)与凹部(84b)之间，设置吸收金属板(80)与支承构件(84)的热膨胀差的间隙(G)。

Description

燃料电池堆
技术领域
本发明涉及具备层叠多个发电单电池而成的单电池层叠体的燃料电池堆，所述发电单电池具有电解质膜-电极结构体和金属隔板。
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的面配设有阳极电极，在另一方的面配设有阴极电极。电解质膜-电极结构体被隔板(双极板)夹持，由此构成发电单电池。具备层叠有规定数量的发电单电池而成的层叠体的燃料电池堆，例如组装于燃料电池车辆(燃料电池电动汽车等)。
在燃料电池堆中，存在使用金属隔板作为隔板的情况。此时，为了防止作为氧化剂气体和燃料气体的反应气体、冷却介质的泄露，在金属隔板设置密封构件(例如，参照专利文献1)。密封构件使用氟系、硅等弹性橡胶密封件，存在制造成本高昂的问题。
因而，例如，如专利文献2所公开的那样，采用在金属隔板形成凸起密封件的结构来代替弹性橡胶密封件。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开第2002-305006号公报。
专利文献2：日本特开第2015-191802号公报。
发明内容
发明所要解决的问题
本发明是与上述的以往技术相关联而做出的，目的在于提供一种能够在单电池层叠体的层叠方向端部确保良好的密封性的燃料电池堆。
用于解决问题的方案
本发明的一方式涉及燃料电池堆，具备层叠多个发电单电池而成的单电池层叠体，所述发电单电池具有电解质膜-电极结构体和在所述电解质膜-电极结构体的两侧分别配设的金属隔板，所述单电池层叠体具有位于所述发电单电池的层叠方向的两端的端部金属隔板，为了防止流体的泄露，在各个所述端部金属隔板一体地形成朝向所述层叠方向的外侧突出的凸起密封件，该燃料电池堆中，在与所述凸起密封件相向的位置，将金属板与弹性密封构件重叠地配置，所述金属板具有框形状，被树脂制的支承构件支承并且配置于所述凸起密封件与所述弹性密封构件之间，所述支承构件具有收容所述金属板的凹部，在所述金属板的内周端与所述凹部之间或者在所述金属板的外周端与所述凹部之间，设置吸收所述金属板与所述支承构件的热膨胀差的间隙。
发明的效果
根据本发明的燃料电池堆，在端部金属隔板与支承构件之间将金属板与弹性密封构件重叠地配置，因此能够防止凸起密封件发生倾斜，从而能够确保在凸起密封件处良好的密封性。另外，在设置于支承构件的用于安装金属板的凹部与具有框形状的金属板的外周或者内周之间设置间隙。由此，能够防止在燃料电池堆运转时(发电时)发生因金属板与支承构件的热膨胀差而导致的支承构件损伤，从而能够维持良好的密封性。
参照附图说明以下的实施方式的说明，能够容易地理解上述的目的、特征以及优点。
附图说明
图1是本发明的一实施方式涉及的燃料电池堆的立体说明图。
图2是燃料电池堆的局部分解概略立体图。
图3是沿着图2的III-III线的剖视图。
图4是燃料电池堆的发电单电池的分解立体图。
图5是第一金属隔板(第一端部金属隔板)的主视说明图。
图6是第二金属隔板(第二端部金属隔板)的主视说明图。
图7是第一金属板的主视说明图。
图8是第一弹性密封构件的主视说明图。
图9是一方的绝缘件的主视说明图。
图10是另一方的绝缘件的主视说明图。
图11A是第一方式涉及的定位构件和其周边结构的剖视图。图11B是第一方式涉及的定位构件的立体图。
图12A是第二方式涉及的定位构件和其周边结构的剖视图。图12B是第二方式涉及的定位构件的立体图。
图13是第二方式涉及的设置有定位构件的第一弹性密封构件的主视说明图。
图14A是第三方式涉及的定位构件和其周边结构的剖视图。图14B是第三方式涉及的定位构件的立体图。
图15A是第四方式涉及的定位构件和其周边结构的剖视图。图15B是第四方式涉及的定位构件的立体图。
具体实施方式
以下，列举优选的实施方式并参照附图说明本发明涉及的燃料电池堆。
如图1和图2所示，本发明的一实施方式涉及的燃料电池堆10具备将多个发电单电池12在水平方向(箭头符号A方向)层叠而成的单电池层叠体14。此外，多个发电单电池12也可以在重力方向(箭头符号C方向)层叠。燃料电池堆10例如搭载于未图示的燃料电池电动汽车等燃料电池车辆。
在图2中，在单电池层叠体14的层叠方向(箭头符号A方向)一端，朝向外方依次配设接线板16a、绝缘件18a以及端板20a。在单电池层叠体14的层叠方向另一端朝向外方依次配设接线板16b、绝缘件18b以及端板20b。
如图1所示，端板20a、20b具有横长(也可以是纵长)的长方形状，并且在各个边之间配置连结杆24。各个连结杆24的两端借助螺栓26被固定在端板20a、20b的内表面，对多个层叠的发电单电池12施加层叠方向(箭头符号A方向)的紧固载荷。此外，燃料电池堆10也可以构成为具备将端板(日文：エンドプレート)20a、20b设为端板的筐体，在筐体内收容单电池层叠体14。
如图3和图4所示，发电单电池12具备带树脂膜的MEA(电解质膜-电极结构体)28、从两侧夹持带树脂膜的MEA的第一金属隔板30和第二金属隔板32。
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成的金属薄板的截面冲压成型为波形来构成的。第一金属隔板30与第二金属隔板32通过对外周进行焊接、钎焊、嵌塞(日文：かしめ)等而接合为一体，来构成接合隔板33。
在发电单电池12的长边方向即箭头符号B方向(图4中的水平方向)的一端缘部，沿着箭头符号C方向排列设置沿着箭头符号A方向相互连通的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。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12的箭头符号B方向的另一端缘部，沿着箭头符号C方向排列设置沿着箭头符号A方向相互连通的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与燃料气体入口连通孔38a和燃料气体出口连通孔38b的配置不限定于本实施方式。根据要求的规格适当地设定即可。
如图3所示，带树脂膜的MEA 28具备电解质膜-电极结构体28a、与电解质膜-电极结构体28a的外周部接合的树脂膜46。电解质膜-电极结构体28a具有电解质膜40、在电解质膜40的两侧分别配置的阴极电极42和阳极电极44。电解质膜40例如是作为含有水分的全氟磺酸的薄膜的固体高分子电解质膜(阳离子交换膜)。固体高分子电解质膜除了使用氟系电解质以外，还可以使用HC(碳化氢)系电解质。电解质膜40具有比阴极电极42和阳极电极44小的平面尺寸(外形尺寸)。
阴极电极42具有与电解质膜40的一方的面40a接合的第一电极催化剂层42a、层叠于第一电极催化剂层42a的第一气体扩散层42b。第一电极催化剂层42a具有比第一气体扩散层42b小的外形尺寸，并且设定为小于等于电解质膜40的外形尺寸。此外，第一电极催化剂层42a也可以具有与电解质膜40相同的外形尺寸，也可以具有与第一气体扩散层42b相同的外形尺寸。
阳极电极44具有与电解质膜40的另一方的面40b接合的第二电极催化剂层44a、层叠于第二电极催化剂层44a的第二气体扩散层44b。第二电极催化剂层44a具有比第二气体扩散层44b小的外形尺寸，并且设定为小于等于电解质膜40的外形尺寸。此外，第二电极催化剂层44a也可以具有与电解质膜40相同的外形尺寸，也可以具有与第二气体扩散层44b相同的外形尺寸。
第一电极催化剂层42a例如是在第一气体扩散层42b的表面均匀地涂布表面承载有白金合金的多孔质碳粒子而形成的。第二电极催化剂层44a例如是在第二气体扩散层44b的表面均匀地涂布表面承载有白金合金的多孔质碳粒子而形成的。第一气体扩散层42b和第二气体扩散层44b由碳纸、碳布等形成。
在第一气体扩散层42b的外周前端缘部与第二气体扩散层44b的外周前端缘部之间夹持具有框形状(四边环状)的树脂膜46。树脂膜46的内周端面与电解质膜40的外周端面接近或者抵接。
如图4所示，在树脂膜46的箭头符号B方向的一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B方向的另一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。
树脂膜46例如由PPS(聚苯硫醚)、PPA(聚邻苯二甲酰胺)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PES(聚醚砜)、LCP(液晶聚合物)、PVDF(聚偏氟乙烯)、硅树脂、氟树脂、或者m-PPE(改性聚苯醚树脂)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)或者改性聚烯烃构成。此外也可以是，不使用树脂膜46，而使电解质膜40向外方突出。另外也可以是，在向外方突出的电解质膜40的两侧设置框形状的膜。
如图4所示，在第一金属隔板30的朝向带树脂膜的MEA 28的面30a，例如设置在箭头符号B方向延伸的氧化剂气体流路48。
如图5所示，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具有在沿着箭头符号B方向直线状地延伸的多条凸部48a之间设置的直线状的流路槽48b。此外，凸部48a和流路槽48b也可以是，在从层叠方向俯视观察时呈波状地延伸。
在氧化剂气体入口连通孔34a与氧化剂气体流路48之间，设置具有多个压花部的入口缓冲部50a。在氧化剂气体出口连通孔34b与氧化剂气体流路48之间，设置具有多个压花部的出口缓冲部50b。
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3)鼓出成形第一凸起密封件52。通过印刷或者涂布等将树脂构件56(图3)固定在第一凸起密封件52的凸部前端面。此外，也可以没有该树脂构件56。树脂构件56也可以由橡胶材料构成。
如图3所示，第一凸起密封件52具有朝向前端而前端变细的截面形状。第一凸起密封件52的前端是平坦形状。但是，第一凸起密封件52的前端也可以是凸状的圆角形状(日文：R形状)。
如图5所示，第一凸起密封件52具有：将多个连通孔(氧化剂气体入口连通孔34a等)个别地包围的多个凸起密封件53(以下称为“连通孔凸起部53”)、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54(以下称为“外周侧凸起部54”)。连通孔凸起部53和外周侧凸起部54的从第一金属隔板30的厚度方向观察到的平面形状为波纹形状。此外，连通孔凸起部53和外周侧凸起部54的平面形状也可以为平直形状。
多个连通孔凸起部53从第一金属隔板30的表面30a朝向MEA28突出，并且分别个别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”。
在第一金属隔板30分别设置桥部53r，桥部53r将围绕连通孔34a、34b的外周的连通孔凸起部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。在将氧化剂气体入口连通孔34a包围的连通孔凸起部53a的靠氧化剂气体流路48侧的边部设置桥部53r。在将氧化剂气体出口连通孔34b包围的连通孔凸起部53b的靠氧化剂气体流路48侧的边部设置桥部53r。
桥部53r在连通孔凸起部53a、53b的内侧和外侧分别具有多条通道53t。通过冲压成型，从第一金属隔板30的表面30a朝向带树脂膜的MEA28侧突出成形通道53t。在通道53t的靠氧化剂气体流路48侧的前端设置用于流通氧化剂气体的孔(未图示)。
如图3所示，通过印刷或者涂布等将树脂构件56固定在第一凸起密封件52的凸部前端面。树脂构件56例如使用聚酯。此外，也可以是，粘贴冲压出了外周侧凸起部54和连通孔凸起部53的平面形状的薄片，由此构成的树脂构件56。另外，树脂构件56根据需要设置即可，也能够设为不需要树脂构件56。
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，例如形成在箭头符号B方向延伸的燃料气体流路58。如图6所示，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具有在沿着箭头符号B方向呈直线状地延伸的多条凸部58a之间设置的直线状的流路槽58b。此外，凸部58a和流路槽58b也可以是，在从层叠方向俯视观察时呈波状地延伸。
在燃料气体入口连通孔38a与燃料气体流路58之间设置具多个压花部的入口缓冲部60a。在燃料气体出口连通孔38b与燃料气体流路58之间设置具多个压花部的出口缓冲部60b。
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(图3)鼓出成形第二凸起密封件62。
如图3所示，第二凸起密封件62具有朝向前端而前端变细的截面形状。第二凸起密封件62的前端是平坦形状。但是，第二凸起密封件62的前端也可以是凸状的圆角形状(日文：R形状)。
如图6所示，第二凸起密封件62具有：将多个连通孔(燃料气体入口连通孔38a等)个别地包围的多个凸起密封件63(以下称为“连通孔凸起部63”)、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64(以下称为“外周侧凸起部64”)。连通孔凸起部63和外周侧凸起部64的从第二金属隔板32的厚度方向观察到的平面形状为波形状。此外，连通孔凸起部63和外周侧凸起部64的平面形状也可以为平直形状(将平直形状组合而成的形状)。
多个连通孔凸起部63从第二金属隔板32的表面32a朝向MEA28侧突出，并且分别个别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”。
在第二金属隔板32分别设置桥部63r，桥部63r将围绕连通孔38a、38b的外周的连通孔凸起部63a、63b的内侧(连通孔38a、38b侧)与外侧(燃料气体流路58侧)连通。在将燃料气体入口连通孔38a包围的连通孔凸起部63a的靠燃料气体流路58侧的边部设置桥部63r。在将燃料气体出口连通孔38b包围的连通孔凸起部63b的靠燃料气体流路58侧的边部设置桥部63r。
桥部63r在连通孔凸起部63a、63b的内侧和外侧分别具有多条通道63t。通过冲压成型，从第二金属隔板32的表面32a朝向带树脂膜的MEA 28侧突出成形通道63t。在通道63t的靠燃料气体流路58侧的前端设置用于流通氧化剂气体的孔(未图示)。
如图3所示，通过印刷或者涂布等将树脂构件56固定在第二凸起密封件62的凸部前端面。树脂构件56例如使用聚酯。此外，也可以是，粘贴冲压出了外周侧凸起部64和连通孔凸起部63的平面形状的薄片，由此构成树脂构件56。另外，树脂构件56根据需要设置即可，也能够设为不需要树脂构件56。
如图4所示，在彼此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。表面形成有氧化剂气体流路48的第一金属隔板30的背面形状与表面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3所示，单电池层叠体14具有位于层叠方向(箭头符号A方向)的两端的第一端部金属隔板30e和第二端部金属隔板32e。第二端部金属隔板32e位于单电池层叠体14的层叠方向的一端(绝缘件18a和端板20a所处位置侧的端)，第一端部金属隔板30e位于单电池层叠体14的层叠方向的另一端(绝缘件18b和端板20b所处位置侧的端)。
在图3和图5中，第一端部金属隔板30e是与同带树脂膜的MEA 28的树脂膜46的指向层叠方向的一端侧(绝缘件18a和端板20a所处位置侧)的面46a接触的第一金属隔板30相同的结构。因此，省略第一端部金属隔板30e的详细说明。
在图3和图6中，第二端部金属隔板32e是与同带树脂膜的MEA 28的树脂膜46的指向层叠方向的另一端侧(绝缘件18b和端板20b所处位置侧)的面46b接触的第二金属隔板32相同的结构。因此，省略第二端部金属隔板32e的详细说明。
在图2中，接线板16a、16b由具有导电性的材料构成，例如由铜、铝或者不锈钢等金属构成。在接线板16a、16b的大致中央设置向层叠方向外方延伸的端子部68a、68b。
端子部68a插入绝缘性筒体70a并将绝缘件18a的孔部72a和端板20a的孔部74a贯通而向端板20a的外部突出。端子部68b插入绝缘性筒体70b并将绝缘件18b的孔部72b和端板20b的孔部74b贯通而向端板20b的外部突出。
绝缘件18a、18b由绝缘性材料例如聚碳酸酯(PC)、酚醛树脂等(塑料材料)形成。在绝缘件18a、18b的中央部形成朝向单电池层叠体14开口的凹部76a、76b，在凹部76a、76b的底面设置孔部72a、72b。
在绝缘件18a和端板20a的箭头符号B方向的一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。在绝缘件18a和端板20a的箭头符号B方向的另一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，在单电池层叠体14的层叠方向一端部(绝缘件18b侧的端部)，在与第一凸起密封件52相向的位置将具有框形状的第一金属板80与第一弹性密封构件82重叠地配置。由第一金属板80和第一弹性密封构件82构成第一密封构件83。第一弹性密封构件82的截面形状不限定于圆形，例如，也可以是四边形等多边形，也可以是其它的形状。
第一金属板80被具有电绝缘性的支承构件84支承，并且配置于第一凸起密封件52与第一弹性密封构件82之间。第一金属板80抵接于支承构件84，并且相对于支承构件84而能够在相对于层叠方向(箭头符号A方向)垂直的方向滑动。第一凸起密封件52的凸部与第一弹性密封构件82设置在从单电池层叠体14的层叠方向观察时相互重叠的位置。
第一金属板80由与第一端部金属隔板30e同系的金属材料形成。第一端部金属隔板30e和第一金属板80例如均由不锈钢系材料形成。第一金属板80优选为与第一端部金属隔板30e相同的材料形成，但如果线膨胀系数与第一端部金属隔板30e大致相同，则也可以由与第一端部金属隔板30e不同组成的金属材料构成。
在支承构件84设置有收容第一弹性密封构件82的槽84a。槽84a设置在与第一凸起密封件52相向的位置。以跨越槽84a的方式配置第一金属板80。第一弹性密封构件82在弹性压缩的状态下被夹持在第一金属板80与槽84a的底部之间。因此，第一弹性密封构件82与第一金属板80和槽84a的底部密接来形成气密密封。
支承构件84具有形成槽84a的凹部84b。第一金属板80被收容在凹部84b。在第一金属板80的内周端80e1与同该内周端80e1相向的凹部84b的侧壁面84bs1之间，设置用于容许第一金属板80的热膨胀的间隙G。在第一金属板80的外周端80e2与同该外周端80e2相向的凹部84b的侧壁面84bs2之间，设置用于容许第一金属板80的热膨胀的间隙G。即，在第一金属板80的内周侧和外周侧分别设置的间隙G，是吸收第一金属板80与支承构件84的热膨胀差的缓冲。在第一金属板80的内周侧和外周侧遍及整周地设置间隙G。在凹部84b的宽度方向的间隙G的尺寸L例如为0.5mm～2.0mm，优选为1.0mm～1.5mm。凹部84b将收容接线板16b的凹部76b遍及整周地包围。
在第一凸起密封件52的凸部与第一金属板80之间夹装有树脂构件56。树脂构件56与第一金属板80抵接。
支承构件84构成绝缘件18b的一部分。即，支承构件84与绝缘件18b一体地成形。此外，支承构件84也可以是与绝缘件18b分体地构成的构件(例如，包围绝缘件18b的外周的框状的构件)。
在单电池层叠体14的层叠方向的另一端部(绝缘件18a侧的端部)，在与第二凸起密封件62相向的位置，将第二金属板90与第二弹性密封构件92重叠地配置。由第二金属板90和第二弹性密封构件92构成第二密封构件93。
第二金属板90被具有电绝缘性的支承构件94支承，并且配置在第二凸起密封件62与第二弹性密封构件92之间。第二金属板90抵接于支承构件94，并且相对于支承构件94而能够在相对于层叠方向(箭头符号A方向)垂直的方向滑动。第二凸起密封件62的凸部与第二弹性密封构件92设置在从单电池层叠体14的层叠方向观察时相互重叠的位置。
第二金属板90由与第二端部金属隔板32e同系的金属材料形成。第二端部金属隔板32e和第二金属板90例如均由不锈钢系材料形成。第二金属板90优选为与第二端部金属隔板32e相同的材料形成，但如果线膨胀系数与第二端部金属隔板32e大致相同，则也可以由与第二端部金属隔板32e不同组成的金属材料构成。
在支承构件94设置有收容第二弹性密封构件92的槽94a。槽94a设置在与第二凸起密封件62相向的位置。以跨越槽94a的方式来配置第二金属板90。第二弹性密封构件92在弹性压缩的状态下被夹持在第二金属板90与槽94a的底部之间。因此，第二弹性密封构件92与第二金属板90和槽94a的底部密接来形成气密密封。
支承构件94具有形成槽94a的凹部94b。第二金属板90被收容在凹部94b。在第二金属板90的内周端90e1与同该内周端90e1相向的凹部94b的侧壁面94bs1之间，设置用于容许第二金属板90的热膨胀的间隙G。在第二金属板90的外周端90e2与同该外周端90e2相向的凹部94b的侧壁面94bs2之间，设置用于容许第二金属板90的热膨胀的间隙G。即，在第二金属板90的内周侧和外周侧分别设置的间隙G，是吸收第二金属板90与支承构件94的热膨胀差的缓冲。在第二金属板90的内周侧和外周侧遍及整周地设置间隙G。凹部94b将收容接线板16a的凹部76a遍及整周地包围。
在第二凸起密封件62的凸部与第二金属板90之间夹装有树脂构件56。树脂构件56与第二金属板90抵接。
支承构件94构成绝缘件18a的一部分。即，支承构件94与绝缘件18a一体地成形。此外，支承构件94也可以是与绝缘件18a分体地构成的构件(例如，包围绝缘件18a的框状的构件)。
第一弹性密封构件82和第二弹性密封构件92例如由具有弹性的高分子材料(橡胶材料)形成。作为这样的高分子材料，例如能够举出硅橡胶、丙烯橡胶、丁腈橡胶等。
如图7所示，第一金属板80具有长方形的外形形状，并且作为整体具有沿着第一金属隔板30的外周形状的框形状。第一金属板80是与外周侧凸起部54和多个连通孔凸起部53相向的连续的一个板。
在第一金属板80的长方向两端部设置与多个连通孔34a、34b、36a、36b、38a、38b分别相向的多个端部开口100。在第一金属板80的长方向中央部(长方向一方侧的多个端部开口100与长方向另一方侧的多个端部开口100之间)，设置与电解质膜-电极结构体28a(参照图3和图4)的发电区域相向的中央开口102。从层叠方向观察时，以外周侧凸起部54的整体与多个连通孔凸起部53的整体重叠的方式来构成第一金属板80。
在图3中，由于第二金属板90构成为与第一金属板80同样，因而省略详细说明。
如图8所示，第一弹性密封构件82具有：将第一金属板80的多个端部开口100分别包围的多个连通孔密封部82a、沿着第一金属板80的彼此相向的长边延伸的一对外侧密封部82b。多个连通孔密封部82a配置于与在第一金属隔板30设置的多个连通孔凸起部53分别相向的位置。一对外侧密封部82b配置于与在第一金属隔板30设置的外周侧凸起部54中的沿着第一金属隔板30的长边延伸部分相向的位置。
在第一金属板80的长方向一方侧，相互邻接的连通孔密封部82a由连结部82c连结。在第一金属板80的长方向另一方侧，相互邻接的连通孔密封部82a由连结部82c连结。一对外侧密封部82b与一方侧的多个连通孔密封部82a和另一方侧的多个连通孔密封部82a分别连结。因而，第一弹性密封构件82是一体地具有多个连通孔密封部82a和一对外侧密封部82b的构件。
如图10所示，为了收容第一弹性密封构件82，在绝缘件18b(支承构件84)设置的槽84a是沿着第一弹性密封构件82(图8)的形状而形成的。
在图3中，由于第二弹性密封构件92构成为与第一弹性密封构件82同样，因而省略详细说明。
如图9所示，为了收容第二弹性密封构件92，在绝缘件18a(支承构件94)设置的槽94a是沿着第二弹性密封构件92的形状而形成的。
如图11A所示，第一金属板80借助定位构件110被保持于支承构件84。即，用定位构件110将第一金属板80与支承构件84一体化。将第一金属板80与支承构件84一体化的定位构件110配置在避开第一弹性密封构件82(参照图3)的位置。
同样地，第二金属板90借助定位构件110被保持于支承构件94。即，用定位构件110将第二金属板90与支承构件94一体化。将第二金属板90与支承构件94一体化的定位构件110配置在避开第二弹性密封构件92(参照图3)的位置。
将第一金属板80与支承构件84一体化的定位构件110与将第二金属板90与支承构件94一体化的定位构件110是相同的结构，因此在以下中，代表性地详细说明将第一金属板80与支承构件84一体化的定位构件110。
第一方式涉及的定位构件110是将第一金属板80和支承构件84在厚度方向贯通并将第一金属板80与支承构件84卡定为一体的由橡胶材料形成的连结构件。如图7所示，沿着第一金属板80的框形状，隔开间隔地设置多个定位构件110。
作为构成定位构件110的橡胶材料，例如能够举出作为第一弹性密封构件82和第二弹性密封构件92的结构材料所举例说明的材料。
如图11B所示，定位构件110具有轴部110a、在轴部110a的一端设置的凸缘状(日文：鍔状)的第一卡定部110b以及在轴部110a的另一端设置的凸缘状的第二卡定部110c。如图11A所示，轴部110a插通于在第一金属板80形成的贯通孔112和在支承构件84设置的贯通孔114。
第一卡定部110b的外径比轴部110a的外径和贯通孔114的直径大。第一卡定部110b卡合于支承构件84的与第一金属板80相反侧的面。第二卡定部110c的外径比轴部110a的外径和贯通孔112的直径大。第二卡定部110c设置于第一金属板80并且被收容在将贯通孔112包围的环状的凹状台阶部113。
如图1所示，在燃料电池堆10中，以使第一凸起密封件52和第二凸起密封件62进行弹性变形的方式，将各个连结杆24借助螺栓26固定在端板20a、20b的内表面，由此向单电池层叠体14施加层叠方向的紧固载荷。因此，第一凸起密封件52和第二凸起密封件62以从层叠方向夹持树脂膜46的方式发生弹性变形。即，在树脂膜46作用有第一凸起密封件52的弹性力和第二凸起密封件62的弹性力，因此能够防止氧化剂气体、燃料气体以及冷却介质的泄漏。
然后，说明这样构成的燃料电池堆10的动作。
首先，如图1所示，向端板20a的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。向端板20a的燃料气体入口连通孔38a供给含氢气体等燃料气体。向端板20a的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4所示，从氧化剂气体入口连通孔34a向第一金属隔板30的氧化剂气体流路48导入氧化剂气体。氧化剂气体沿着氧化剂气体流路48在箭头符号B方向移动，被供给至电解质膜-电极结构体28a的阴极电极42。
另一方面，从燃料气体入口连通孔38a向第二金属隔板32的燃料气体流路58导入燃料气体。燃料气体沿着燃料气体流路58在箭头符号B方向移动，被供给至电解质膜-电极结构体28a的阳极电极44。
因而，在各个电解质膜-电极结构体28a中，被供给至阴极电极42的氧化剂气体和被供给至阳极电极44的燃料气体在第一电极催化剂层42a和第二电极催化剂层44a内因电化学反应被消耗，来进行发电。
然后，被供给至阴极电极42并被消耗了的氧化剂气体沿着氧化剂气体出口连通孔34b在箭头符号A方向被排出。同样地，被供给至阳极电极44并被消耗了的燃料气体沿着燃料气体出口连通孔38b在箭头符号A方向被排出。
另外，被供给至冷却介质入口连通孔36a的冷却介质被导入至在第一金属隔板30与第二金属隔板32之间形成的冷却介质流路66之后，在箭头符号B方向流通。该冷却介质将电解质膜-电极结构体28a冷却之后，从冷却介质出口连通孔36b被排出。
在该情况下，本实施方式涉及的燃料电池堆10实现以下的效果。
如图3所示，在燃料电池堆10中，与第一弹性密封构件82相比刚性高并且被支承构件84支承的第一金属板80配置在第一凸起密封件52与第一弹性密封构件82之间。因此，与使用整体由弹性材料构成的密封构件的情况不同，在层叠方向承受压缩载荷时，能够防止第一凸起密封件52发生倾斜。第一弹性密封构件82产生弹性变形，由此支承构件84(绝缘件18b)与第一金属板80之间被密封。另外，第一凸起密封件52被第一金属板80支承，因此第一凸起密封件52不会在层叠方向发生位置变动，能够抑制向金属隔板30、32施加过大的压缩载荷。另外，第一金属板80和第一端部金属隔板30e均是金属制并且线膨胀系数相互接近，因此能够防止在伴随着温度变化而发生热膨胀时或者热收缩时第一金属板80与第一凸起密封件52的接触位置发生偏移。因而，能够在第一凸起密封件52处确保良好的密封性。
在燃料电池堆10中，与第二弹性密封构件92相比刚性高并且被支承构件94支承的第二金属板90配置在第二凸起密封件62与第二弹性密封构件92之间，因此能够防止第二凸起密封件62发生倾斜。第二弹性密封构件92产生弹性变形，由此支承构件94(绝缘件18a)与第二金属板90之间被密封。另外，第二凸起密封件62被第二金属板90支承，因此第二凸起密封件62不会在层叠方向发生位置变动，能够抑制向金属隔板30、32施加过大的压缩载荷。另外，第二金属板90和第二端部金属隔板32e均是金属制并且线膨胀系数相互接近，因此能够防止在伴随温度变化而发生热膨胀时或者热收缩时第二金属板90与第二凸起密封件62的接触位置发生偏移。因而，能够在第二凸起密封件62处确保良好的密封性。
如图11A所示，第一金属板80借助定位构件110被保持于支承构件84。根据该结构，在组装时的定位容易，并且能够通过位置限制来维持适当的间隙G(参照图3)。另外，能够在组装时防止第一金属板80从支承构件84脱落，因此能够提高组装性。根据配置于第二金属板90侧的定位构件110也能够获得与上述同样的效果。
定位构件110是将第一金属板80和支承构件84在厚度方向贯通并将第一金属板80与支承构件84卡定为一体的由橡胶材料形成的连结构件。根据该结构，能够更有效果地防止在组装时第一金属板80从支承构件84脱落。根据配置于第二金属板90侧的定位构件110也能够获得与上述同样的效果。
如图3所示，在支承构件84设置有收容第一弹性密封构件82的槽84a，以跨越槽84a的方式来配置第一金属板80，因此能够稳定地支承第一金属板80。同样地，在支承构件94设置有收容第二弹性密封构件92的槽94a，以跨越槽94a的方式来配置第二金属板90，因此能够稳定地支承第二金属板90。
第一金属板80由与第一端部金属隔板30e同系的金属材料形成，因此能够减小第一端部金属隔板30e与第一金属板80的线膨胀差，抑制因线膨胀差的影响而导致的密封性降低。同样地，第二金属板90由与第二端部金属隔板32e同系的金属材料形成，因此能够减小第二端部金属隔板32e与第二金属板90的线膨胀差，抑制因线膨胀差的影响而导致的密封性降低。
在第一凸起密封件52的凸部设置树脂构件56，树脂构件56与第一金属板80抵接，第一金属板80由与第一端部金属隔板30e同系的金属材料形成。因此，能够防止树脂构件56从第一凸起密封件52的凸部剥落。在第二凸起密封件62的凸部设置树脂构件56，树脂构件56与第二金属板90抵接，第二金属板90由与第二端部金属隔板32e同系的金属材料形成。因此，能够防止树脂构件56从第二凸起密封件62的凸部剥落。
在燃料电池堆10中，也可以使用在以下说明的其他的方式涉及的定位构件来代替上述的结构的定位构件110。
如图12A所示，第二方式涉及的定位构件120设置在第一弹性密封构件82，并分别被保持在第一金属板80的内周端80e1与在支承构件84设置的凹部122之间以及第一金属板80的外周端与凹部122之间。定位构件120被收在凹部122的深度的范围内。
虽然在第二弹性密封构件92(参照图2)也同样地设置定位构件120，但在以下代表性地说明在第一弹性密封构件82设置的定位构件120。
如图12A所示，定位构件120与第一弹性密封构件82一体成形。由第一弹性密封构件82和定位构件120构成定位密封构件121。作为构成定位构件120的橡胶材料，例如能够举出作为第一弹性密封构件82和第二弹性密封构件92的结构材料所举例说明的材料。
在支承构件84设置的凹部122具有将第一金属板80和定位构件120收容的形状。虽未详细图示，但在支承构件84中，在设置有定位构件120的部位之外的部位，设置有槽84a(参照图3)。即，第一弹性密封构件82在设置有定位构件120的部位处被收容于比槽84a(参照图3)宽幅的凹部122，而在没有设置定位构件120的部位处被收容于槽84a(参照图3)。
如图12A所示，定位构件120具有从第一弹性密封构件82突出的L字型的一对突起124。各个突起124具有与第一弹性密封构件82邻接的根基部124a、从根基部124a弯折的前端部124b。一方的前端部124b在弹性压缩状态下被保持在第一金属板80的内周端80e1与凹部122之间。另一方的前端部124b在弹性压缩状态下被保持在第一金属板80的外周端80e2与凹部122之间。第一金属板80被保持在一方的前端部124b与另一方的前端部124b之间。根基部124a的厚度比第一弹性密封构件82的厚度小。
如图12B所示，定位构件120不是设置于第一弹性密封构件82的整体，而是相对于第一弹性密封构件82的长度而部分地设置。即，定位构件120从第一弹性密封构件82的延伸方向的一部分突出。定位构件120从第一弹性密封构件82而向相互相反方向突出。
如图13所示，多个定位构件120设置于作为整体呈四边形的第一弹性密封构件82的四个角部附近(外侧密封部82b的两端部)。即，在作为整体呈四边形的第一弹性密封构件82的一方的对角位置与另一方的对角位置分别设置定位构件120。此外也可以是，仅在第一弹性密封构件82的一方的对角位置设置定位构件120。
在使用第二方式涉及的定位构件120的情况下，定位构件120与第一弹性密封构件82一体化，因此能够削减部件数量，提高组装性。另外，定位构件120与第二弹性密封构件92一体化，因此能够削减部件数量，提高组装性。
如图14A所示，第三方式涉及的定位构件130具有在弹性压缩状态下分别被保持在第一金属板80的内周端80e1与凹部84b的侧壁面84bs1之间以及第一金属板80的外周端80e2与凹部84b的侧壁面84bs2之间的一对橡胶构件132。沿着第一金属板80的内周和外周的形状相互隔开间隔地配置多个定位构件130。第一金属板80被保持在一方的橡胶构件132与另一方的橡胶构件132之间。橡胶构件132被收于凹部84b的深度的范围内。橡胶构件132具有沿着第一金属板80的内周端80e1和外周端80e2延伸的棒形状(参照图14B)。
在使用第三方式涉及的定位构件130的情况下，能够以简单并且经济性的结构来实现对第一金属板80的位置限制、防止第一金属板80脱落。此外，在收容第二金属板90的凹部94b也同样地配置定位构件130，因此能够利用定位构件130来实现对第二金属板90的位置限制、防止第二金属板90脱落。
如图15A所示，第四方式涉及的定位构件140具有分别被保持在第一金属板80的内周端80e1与凹部84b之间以及第一金属板80的外周端80e2与凹部84b之间的一对波形弹簧142(也参照图15B)。沿着第一金属板80的内周和外周的形状相互隔开间隔地配置多个定位构件140。作为波形弹簧142的结构材料，例如能够举出金属、树脂等。第一金属板80被保持在一方的波形弹簧142与另一方的波形弹簧142之间。波形弹簧142具有在凹部84b的宽度方向具有振幅的波纹形状。定位构件140被收于凹部84b的深度的范围内。
在使用第四方式涉及的定位构件140的情况下，能够以简单并且经济性的结构来实现对第一金属板80的位置限制、防止第一金属板80脱落。此外，在收容第二金属板90的凹部94b也同样地配置定位构件140，因此能够利用定位构件140来实现对第二金属板90的位置限制、防止第二金属板90脱落。
在上述的实施方式中，在第一金属隔板30形成第一凸起密封件52，该第一凸起密封件52以与树脂膜46接触的方式朝向单电池层叠体14的层叠方向突出。另外，在第二金属隔板32形成第二凸起密封件62，该第二凸起密封件62以与树脂膜46接触的方式朝向单电池层叠体14的层叠方向突出。但是，在本发明中，在电解质膜-电极结构体28a的外周部也可以不设置树脂膜46，也可以是第一凸起密封件52和第二凸起密封件62与电解质膜-电极结构体28a的外周部接触。
在本实施方式中，采用了构成在第一金属隔板30与第二金属隔板32之间夹持了带树脂膜的MEA 28的发电单电池12并且在各个发电单电池12之间形成冷却介质流路66的所谓各个单电池冷却结构。与此相对，例如也可以构成如下的单电池单元：具备三个以上的金属隔板和两个以上的电解质膜-电极结构体(MEA)，将金属隔板与电解质膜-电极结构体交替地层叠。此时，在各个单电池单元之间，形成冷却介质流路，构成所谓的间隔减少冷却结构。
在间隔减少冷却结构中，在单一的金属隔板的一方的面形成燃料气体流路并且在另一方的面形成氧化剂气体流路。因而，在电解质膜-电极结构体之间配置一个金属隔板。
第一弹性密封构件82和第二弹性密封构件92以与第一凸起密封件52和第二凸起密封件62相同的方式，在从层叠方向俯视观察时呈波状地延伸。
本发明涉及的燃料电池堆不限定于上述的实施方式，当然能够在不脱离本发明的主旨的情况下采用各种的结构。
将上述实施方式总结如下。
上述实施方式公开了燃料电池堆，具备层叠多个发电单电池而成的单电池层叠体(14)，所述发电单电池具有电解质膜-电极结构体(28a)和在所述电解质膜-电极结构体的两侧分别配设的金属隔板(30、32)，所述单电池层叠体具有位于所述发电单电池的层叠方向的两端的端部金属隔板(30e、32e)，为了防止流体的泄露，在各个所述端部金属隔板一体地形成朝向所述层叠方向的外侧突出的凸起密封件(52、62)，该燃料电池堆中，在与所述凸起密封件相向的位置，将金属板(80、90)与弹性密封构件(82、92)重叠地配置，所述金属板具有框形状，被树脂制的支承构件(84、94)支承并且配置在所述凸起密封件与所述弹性密封构件之间，所述支承构件具有收容所述金属板的凹部(84b、94b)，在所述金属板的内周端与所述凹部之间或者在所述金属板的外周端与所述凹部之间，设置吸收所述金属板与所述支承构件的热膨胀差的间隙(G)。
也可以是，所述金属板借助由橡胶材料或者弹簧形成的定位构件(110、120、130、140)被保持于所述支承构件。
也可以是，所述定位构件(110)是将所述金属板和所述支承构件在厚度方向贯通并将所述金属板与所述支承构件卡定为一体的由橡胶材料形成的连结构件。
也可以是，所述定位构件(120)设置于所述弹性密封构件，并且分别被保持在所述金属板的内周端与所述凹部之间以及所述金属板的外周端与所述凹部之间。
也可以是，所述定位构件(120)是从所述弹性密封构件突出的L字型的突起，具有与所述弹性密封构件邻接的根基部、从所述根基部弯折的前端部。
也可以是，所述定位构件(130)具有在弹性压缩状态下分别被保持在所述金属板的内周端与所述凹部之间以及所述金属板的外周端与所述凹部之间的橡胶构件(132)。
也可以是，所述定位构件(140)具有分别被保持在所述金属板的内周端与所述凹部之间以及所述金属板的外周端与所述凹部之间的波形弹簧(142)。
也可以是，所述凸起密封件的凸部与所述弹性密封构件设置在从所述层叠方向观察时相互重叠的位置。
也可以是，在所述凸起密封件的凸部与所述金属板之间夹装树脂构件56。
也可以是，所述金属板由与所述端部金属隔板同系的金属材料形成。
也可以是，所述支承构件是在所述单电池层叠体的所述层叠方向的两侧配置的绝缘件18a、18b的一部分。

Claims (10)

1.一种燃料电池堆，具备层叠多个发电单电池而成的单电池层叠体(14)，所述发电单电池具有电解质膜-电极结构体(28a)和在所述电解质膜-电极结构体的两侧分别配设的金属隔板(30、32)，所述单电池层叠体具有位于所述发电单电池的层叠方向的两端的端部金属隔板(30e、32e)，为了防止流体的泄露，在各个所述端部金属隔板一体地形成朝向所述层叠方向的外侧突出的凸起密封件(52、62)，该燃料电池堆中，
在与所述凸起密封件相向的位置，将金属板(80、90)与弹性密封构件(82、92)重叠地配置，
所述金属板具有框形状，被树脂制的支承构件(84、94)支承并且配置在所述凸起密封件与所述弹性密封构件之间，
所述支承构件具有收容所述金属板的凹部(84b、94b)，
在所述金属板的内周端与所述凹部之间或者在所述金属板的外周端与所述凹部之间，设置吸收所述金属板与所述支承构件的热膨胀差的间隙(G)，
所述金属板借助由橡胶材料或者弹簧形成的定位构件(110、120、130、140)被保持于所述支承构件。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，
所述定位构件是将所述金属板和所述支承构件在厚度方向贯通并将所述金属板与所述支承构件卡定为一体的由橡胶材料形成的连结构件。
3.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，
所述定位构件设置于所述弹性密封构件，并且分别被保持在所述金属板的内周端与所述凹部之间以及所述金属板的外周端与所述凹部之间。
4.根据权利要求3所述的燃料电池堆，其特征在于，
所述定位构件是从所述弹性密封构件突出的L字型的突起，具有与所述弹性密封构件邻接的根基部、从所述根基部弯折的前端部。
5.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，
所述定位构件具有在弹性压缩状态下分别被保持在所述金属板的内周端与所述凹部之间以及所述金属板的外周端与所述凹部之间的橡胶构件(132)。
6.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，
所述定位构件具有分别被保持在所述金属板的内周端与所述凹部之间以及所述金属板的外周端与所述凹部之间的波形弹簧(142)。
7.根据权利要求1所述燃料电池堆，其特征在于，
所述凸起密封件的凸部与所述弹性密封构件设置在从所述层叠方向观察时相互重叠的位置。
8.根据权利要求1所述燃料电池堆，其特征在于，
在所述凸起密封件的凸部与所述金属板之间夹装树脂构件(56)。
9.根据权利要求1所述燃料电池堆，其特征在于，
所述金属板由与所述端部金属隔板同系的金属材料形成。
10.根据权利要求1所述燃料电池堆，其特征在于，
所述支承构件是在所述单电池层叠体的所述层叠方向的两侧配置的绝缘件(18a、18b)的一部分。
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