CN202423478U

CN202423478U - 燃料电池堆

Info

Publication number: CN202423478U
Application number: CN2011205046732U
Authority: CN
Inventors: 入月桂太
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2021-12-07
Also published as: JP5703737B2; JP2012129108A

Abstract

本实用新型涉及一种燃料电池堆，其解决现有的燃料电池堆中膜电极构造体容易受到反应用气体压差等负载的影响，在电解质·电极接合体上产生的应力变大的问题。具有膜电极构造体和一对隔膜的单元电池作为发电要素，具有将多个该单元电池进行层叠的构造，在膜电极构造体和任一个隔膜之间、相邻的单元电池之间中的至少一处，夹装具有导电性且在基板的一面上排列多个细微的弹簧功能部的位移吸收部件，位移吸收部件形成为，弹簧功能部以基板侧作为固定端且以前端侧作为自由端，并且构成为使基板位于膜电极构造体侧而夹装在膜电极构造体和隔膜之间，确保将单元电池的厚度方向的位移充分吸收的功能，同时降低在膜电极构造体上产生的应力。

Description

燃料电池堆

技术领域

本实用新型涉及一种例如作为车辆的驱动用电源而使用的燃料电池堆，更具体地说，涉及一种具有将多个单元电池进行层叠的构造的燃料电池堆，该单元电池具有膜电极构造体及隔膜。

背景技术

当前，作为具有将单元电池进行层叠的构造的燃料电池堆，已有一种例如在专利文献1中记载的燃料电池堆。专利文献1记载的燃料电池堆为下述构造，即，在电解质层的两面设置由催化剂层及气体扩散层构成的电极层，将其作为电解质·电极接合体(膜电极构造体)，利用金属制隔膜夹持该电解质·电极接合体而构成单元电池，并且将多个单元电池层叠而成。

上述的燃料电池堆，在位于相邻的单元电池之间彼此相对的两片隔膜上，分别形成向彼此相反的方向凸出的第1及第2压纹部，并且在一片隔膜上，在第1或第2压纹部之间的位置上形成朝向另一片隔膜凸出的第3压纹部。第1及第2压纹部与各自的电解质·电极接合体接触，另外，第3压纹部与另一片隔膜接触。

上述的燃料电池堆，由于第1至第3压纹部使隔膜的剖面形成波浪状，在电解质·电极接合体和隔膜之间形成反应用气体的流路，并且在相邻的隔膜之间形成冷却气的流路。并且，燃料电池堆利用一片隔膜的第3压纹部与另一片隔膜的接触部分，构成在其剖面上如两端支撑梁这样的弹簧功能部，在产生单元电池内部的热膨胀及电解质·电极接合体的膨胀时，利用弹簧功能部将其位移吸收。

专利文献1：日本特开2003-249242号公报

实用新型内容

但是，在上述的现有燃料电池堆中，作为一般的技术，利用冲压加工形成隔膜的压纹部，但此时，由于金属制隔膜的刚性较高，因此，为了在该隔膜上具有如两端支撑梁这样的弹簧功能部，必须增大相邻的弹簧功能部之间的间距。

由此，在现有的燃料电池堆中，弹簧功能部的分布成为稀疏的状态，由于正极侧和负极侧的压差及隔膜的肋部错位(凸出部分的错位)，存在在电解质·电极接合体上产生的剪切·弯曲应力增大，电解质·电极接合体可能损坏的问题，解决该问题是本实用新型的课题。

本实用新型就是着眼于上述现有的课题而形成的，其目的在于提供一种燃料电池堆，该燃料电池堆具有将多个由膜电极构造体及隔膜构成的单元电池层叠的构造，其通过取消具有弹簧功能的隔膜，并且采用位移吸收部件，确保将单元电池厚度方向的位移充分吸收的功能，同时可以减小在膜电极构造体上产生的应力。

本实用新型的燃料电池堆以单元电池作为发电要素，具有将多个该单元电池层叠的构造，该单元电池具有：膜电极构造体，其在电解质层的两面设置电极催化剂层；以及隔膜，其配置于膜电极构造体的两面。

另外，燃料电池堆，在膜电极构造体和一片隔膜之间、膜电极构造体和另一片隔膜之间、以层叠状态相邻的单元电池之间中的至少一处，夹装具有导电性且在基板的一面上排列多个细微的弹簧功能部而成的位移吸收部件。

并且，在燃料电池堆中，前述位移吸收部件的前述弹簧功能部是以基板侧作为固定端、且以前端侧作为自由端而形成的，并且位移吸收部件夹装在膜电极构造体和隔膜之间，其基板位于膜电极构造体侧，以上述结构作为用于解决现有课题的手段。

在上述结构中，位移吸收部件的弹簧功能部，作为更优选的方式，可以以从一片基板上翘起的状态形成，通过利用如冲孔加工等剪切加工或翻边加工等伴随去除材料的加工，将切边部分弯曲，可以形成细微构造。

实用新型的效果

根据本实用新型的燃料电池堆，由于采用位移吸收材料，因此，确保将单元电池厚度方向的位移充分吸收的功能，同时可以减小在膜电极构造体上产生的应力。

附图说明

图1是说明本实用新型的燃料电池堆的一个实施方式的分解斜视图(A)及组装后的斜视图(B)。

图2是本实用新型的燃料电池堆的一个实施方式中的单元电池的剖面图。

图3是位移吸收部件的斜视图(A)及侧视图(B)。

图4是本实用新型的燃料电池堆的其他实施方式中的单元电池的剖面图。

图5是表示弹簧功能部的其他例子的各自斜视图(A)、(B)。

图6是本实用新型的燃料电池堆的其他实施方式中的位移吸收部件的斜视图(A)及位移吸收部件的端部的放大俯视图(B)。

图7是位移吸收部件的端部的放大斜视图。

图8是本实用新型的燃料电池堆的其他实施方式中的单元电池的剖面图。

具体实施方式

下面，基于附图，对本实用新型的燃料电池堆的一个实施方式进行说明。

图1所示的燃料电池堆FS形成下述构造，即，将具有膜电极构造体1和配置于膜电极构造体1的两面的一对隔膜2、2的单元电池C作为发电要素，将多个该单元电池C进行层叠。

膜电极构造体1一般称为MEA(Membrane Electrode Assembly)。膜电极构造体1具有在由固体高分子膜构成的电解质层的两面设置电极催化剂层的构造。因此，单元电池C是固体高分子型燃料电池的发电要素。图示例举的膜电极构造体1，在其周围一体地具有树脂制的框架1A，作为整体形成矩形。另外，在框架1A的两端部分处形成多个歧管M，其用于供给/排出正极气体(氢气)、负极气体(空气)及冷却用流体。

两片隔膜2例如为不锈钢制，形成具有与膜电极构造体1及框架1A大致相同长宽尺寸的矩形。两片隔膜2，在膜电极构造体1的正电极侧形成正极气体的流路，并且在膜电极构造体1的负电极侧形成负极气体的流路。另外，两片隔膜2，在其两端部分处形成多个与框架1A相同的歧管M。

上述膜电极构造体1及两片隔膜2，在周围部分实施密封而气密地接合，构成单元电池C。另外，在将多个单元电池层叠的状态下，将相邻的单元电池C的隔膜2气密地接合，在它们之间形成冷却用流体的流路。并且，在将单元电池C层叠的状态下，框架1A及隔膜2的各自歧管M彼此连通，形成电池层叠方向的流路。

作为燃料电池堆FS，相对于单元电池C的层叠体A，在电池层叠方向的一端部(在图1中为右侧端部)，经由集电板3A及隔板4设置端板5A，并且在另一端部，经由集电板3B设置端板5B。另外，作为燃料电池FS，相对于单元电池C的层叠体A，在作为单元电池C的长边侧的两面(在图1中为上下两面)设置紧固板6A、6B，并且在作为短边侧的两面设置加强板7A、7B。并且，作为燃料电池堆FS，利用螺栓B将各紧固板6A、6B及加强板7A、7B与两个端板5A、5B连结，成为箱式一体型构造，维持在电池层叠方向上对单元电池C的层叠体A加压的状态。

并且，燃料电池堆FS，在膜电极构造体1和一片隔膜2之间、膜电极构造体1和另一片隔膜2之间、处于层叠状态的相邻的单元电池C之间中的至少一处，夹装位移吸收部件11。在该实施方式中，在膜电极构造体1和两片隔膜2之间，即在正极气体及负极气体的各自流路内，夹装位移吸收部件11。

位移吸收部件11以薄金属板作为原料，具有导电性，如图2及图3所示，其是在基板11A的一面排列多个(大量)细微的弹簧功能部的构造。位移吸收部件11的弹簧功能部11B，以基板侧作为固定端，且以前端侧作为自由端，以从基板11A翘起的状态形成。也就是说，位移吸收部件11由一片金属板形成。

另外，图示例举的位移吸收部件11，弹簧功能部11B形成成为悬臂梁构造的舌片状，并且其自由端形成曲面状，以使得与隔膜2平滑接触。各弹簧功能部11B均为相同的方向，在长宽上以固定的间距排列。

并且，位移吸收部件11的弹簧功能部11B，可以通过利用如冲孔加工等剪切加工或翻边加工等这种伴随去除材料的加工，将切边部分弯曲而形成细微构造。由此，位移吸收部件11，在基板11A上形成与弹簧功能部11B相应的加工孔11C。

上述位移吸收部件11，以使基板11A位于膜电极构造体1侧且使弹簧功能部11B的自由端位于隔膜2侧的状态，夹装在膜电极构造体1和隔膜2之间。因此，正极气体和负极气体通过位移吸收部件11的加工孔11C而供给至膜电极构造体1。此外，在图2中，在相邻的隔膜2、2之间，设置形成在任意一片隔膜上的肋部或分体的衬垫等保持部8，形成冷却用流体的流路9。

具有上述结构的燃料电池堆FS，通过向各单元电池C供给正极气体及负极气体，利用电化学反应产生电能，在产生单元电池C内部的热膨胀及膜电极构造体1的膨胀时，利用位移吸收部件11将该位移吸收。由于该位移吸收部件11维持正极气体及负极气体的流路，并且具有导电性，因此还作为集电体而起作用。

并且，由于燃料电池堆FS形成为，位移吸收部件11的弹簧功能部11B以基板侧作为固定端且以前端侧作为自由端，因此可以确保将单元电池C厚度方向上的位移充分地吸收的功能，同时可以减小在膜电极构造体1上产生的应力。另外，位移吸收部件11还具有下述功能：即使产生单元电池厚度方向上的位移也将层叠体A的紧固负载保持规定的水平，以及减小膜电极构造体1以及隔膜2、端板5A、5B及张紧板等的应力。

在这里，上述燃料电池堆FS中的位移吸收部件11，可以通过利用例如切断加工或伴随去除材料的加工，以从基板11A翘起的状态形成弹簧功能部11B，使弹簧功能部11B成为细微的构造。

也就是说，如现有技术所示，为了通过在金属制的隔膜上形成凹凸以使该隔膜具有弹簧功能，必须将弹簧功能部间的间距增大(例如大于或等于7mm)。因此，弹簧功能部的分布成为稀疏的状态，由于正极侧和负极侧的压差及隔膜的肋部错位，在膜电极构造体上产生的剪切·弯曲应力增大，膜电极构造体可能损坏。

与之相对，在上述的燃料电池堆FS中，不在隔膜2上附加弹簧功能，而是采用以上述要领形成细微的弹簧功能部11B的位移吸收部件11，从而可以使弹簧功能部11B间的间距小于或等于例如1mm。由此，燃料电池堆FS，由于弹簧功能部11B相对于膜电极构造体1的分布成为密集的状态，因此可以整体均匀地保持膜电极构造体。

这样，作为燃料电池堆FS，相对于单元电池C内部的热膨胀及膜电极构造体1的膨胀等的位移，可以以适当的负载保持膜电极构造体1，即使在膜电极构造体1上作用正极侧和负极侧的压差等负载，也可以减小在膜电极构造体1上产生的应力。

另外，上述的燃料电池堆FS，也可以在相邻的隔膜2之间夹装位移吸收部件11，可以吸收膜电极构造体1的位移。

并且，上述的燃料电池堆FS，由于使位移吸收部件11的弹簧功能部11B为成为悬臂梁构造的舌片状，因此，形状简单且容易以小间距形成，另外，与现有的两端支撑梁构造的弹簧功能部相比，可以使弹簧刚性减小。这样，如果弹簧刚性变小，则成为负载相对于位移的变动较小的弹簧特性，即使产生运转时的单元电池压缩方向的位移及因经时恶化而引起的疲劳，由于表面压力变动较小，因此各部件的接触电阻稳定。

并且，上述的燃料电池堆FS，由于位移吸收部件11成为使基板11A位于膜电极构造体1侧且使弹簧功能部11B的自由端位于隔膜2侧的状态，夹装在膜电极构造体和隔膜之间，因此，基板11A以较大的范围与膜电极构造体1进行面接触。由此，作为燃料电池堆FS，可以使膜电极构造体1相对于反应用气体的压差等的保持功能更进一步地提高。

此外，与该实施方式的结构相反，也可以使弹簧功能部11B的自由端位于膜电极构造体1侧。但是，由于与隔膜2相比，膜电极构造体1的机械强度较低，因此，如果使接触面积较小的自由端与膜电极构造体1接触，则可能会损坏膜电极构造体1。因此，如上述实施方式所示，如果使接触面积较大的基板11A位于膜电极构造体1侧，则可以使膜电极构造体1的保护功能充分。

图4是说明本实用新型的燃料电池堆的其他实施方式中的单元电池的图。此外，在下面的各实施方式中，与前面的实施方式相同的结构部位标注相同的标号，省略详细的说明。

图示的单元电池C成为在膜电极构造体1和一片隔膜2之间夹装位移吸收部件的构造。此时，位移吸收部件11，优选设置在正极侧及负极侧之中的分压低且气体不易扩散的一侧。在图示的例子中，在膜电极构造体1的负极侧与一片隔膜2之间夹装位移吸收部件11。

另外，单元电池C的另一片隔膜2，具有交替地配置凹凸的剖面形状。该另一片隔膜2，在其与膜电极构造体1的正极侧之间，形成正极气体的流路，并且在其与相邻单元电池C的隔膜2之间，形成冷却用流体的流路9。此外，由于正极气体(氢气)的浓度较高且分子量较小，容易扩散，因此，即使正极侧使用上述隔膜2，对发电性能的影响也极小。

在具有将多个上述单元电池进行层叠的构造的燃料电池中，也可以获得与前面的实施方式相同的效果，特别地，由于在分压较低且气体不容易扩散的负极侧设置位移吸收部件11，因此，负极气体的扩散性(氧扩散性)变得良好，并且可以利用压差阻止膜电极构造体1向负极侧弯曲。

图5是说明本实用新型的燃料电池堆中的位移吸收部件11的弹簧功能部的其他例子的图。

位移吸收部件11的弹簧功能部，形成为以基板侧作为固定端，且以前端侧作为自由端。因此，弹簧功能部，除了形成如前面的实施方式所示的舌片状之外，可以采用例如如图5(A)所示，形成螺旋弹簧状的弹簧功能部11D，或如图5(B)所示，具有放射状窄缝的压纹状的弹簧功能部11E等。

对于这些弹簧功能部11E、11E，也以从一片基板11翘起的状态形成，可以通过利用如冲孔加工等切断加工或翻边加工等伴随去除材料的加工，将切边部分弯曲而形成细微的构造，由此也形成加工孔11C。

图6是说明本实用新型的燃料电池堆的另一实施方式中的位移吸收部件11的图。

图示的位移吸收部件11，在其与膜电极构造体1的接触面上具有多个细微开口部11，特别地，作为适合图2及图4所示的实施方式的结构，在位于膜电极构造体1侧的基板11A上具有多个细微开口部11H。

在图示例举的位移吸收部件11中，圆形的细微开口部11H以固定的间隔排列多个，作为更优选的实施方式，使相邻的细微开口部11H间的间隔P1小于或等于100μm。另外，使加工孔11C和细微开口部11H的间隔P2也小于或等于100μm。

在使用上述位移吸收部件11的燃料电池堆中，除了可以获得与前面的实施方式相同的效果外，还可以使膜电极构造体1中的反应用气体的扩散性提高，并且可以降低膜电极构造体1的面内方向(沿表面的方向)上的电阻。

在这里，如现有构造所示，对于在金属制的隔膜上形成凹凸的构造，由于隔膜相对于膜电极构造体的接触宽度较大，因此气体在电极催化剂层的扩散性因该隔膜而受到阻碍。另外，即使膜电极构造体具有气体扩散层，在隔膜的接触部分处的气体扩散性也变低。并且，对于在金属制的隔膜上形成凹凸的构造，如前述所示，由于必须将弹簧功能部间的间隔增大，因此反应用气体的流路宽度也变大。由此，从膜电极构造体中的流路中心至隔膜的面内方向的距离也变长，该分电阻(面内方向的移动电阻)增大。

与之相对，在本实用新型中，如果使膜电极构造体1和位移吸收部件11的接触部分的宽度小于或等于100μm，则发现即使没有气体扩散层，也充分地获得在电极催化剂层中的气体扩散性。因此，燃料电池堆FS中的位移吸收部件11，在作为与膜电极构造体1的接触面的基板11A上形成多个细微开口部11H，使相邻的细微开口部11H间的间隔P1小于或等于100μm。

由此，燃料电池堆FS，即使在膜电极构造体1和基板11A的接触部分处，也可以充分获得在电极催化剂层中的气体扩散性。另外，燃料电池堆FS，由于从细微开口部11H的中心至基板11A(细微开口部11H的边缘)的面内方向的距离也变得极短，因此膜电极构造体1的面内方向的电阻也变小，可以使浓度过电压降低而使电池电压升高。并且，燃料电池堆FS，由于即使没有如上所述的气体扩散层也可以充分获得气体扩散性，因此可以实现单元电池C的进一步薄形化。

这种燃料电池堆FS，例如作为车辆的驱动用电源而使用，在该情况下，由于将数百片单元电池进行层叠，因此上述单元电池的薄形化，在燃料电池整体的小型轻量化及提高车载性方面非常有效。

另外，位移吸收部件11的细微开口部11H，其形状并不特别限定，可以形成各种形状的孔或窄缝，例如将六边形孔排列为蜂窝状而构成，也可以使细微开口部间的间隔均匀。

并且，位移吸收部件11，作为更优选的实施方式，如图7所示，可以在位于膜电极构造体侧的基板11A上具有多个细微开口部11H，并且在弹簧功能部11B的固定端附近具有不形成细微开口部的区域N。

上述的位移吸收部件11，通过设置不形成细微开口部的区域N，弹簧功能部11B的固定端部分的刚性提高，并且使弹簧功能部11B在吸收位移时的应力降低。由此，可以将弹簧功能部11B的位移吸收行程扩大，伴随膜电极构造体1的保持功能的稳定化，可以使电池电压稳定。

图8是说明本实用新型的燃料电池堆的其他实施方式中的单元电池的图。

图示的单元电池C，膜电极构造体1形成在其两面具有保护层12、12的构造，该保护层12、12具有透气性和导电性。作为保护层12，例如，可以使用将纤维成型为无纺布状的物质，或多孔质体等。

具有将多个上述单元电池C进行层叠的构造的燃料电池堆，可以获得与前面的实施方式相同的效果，在此基础上，还阻止膜电极构造体1和位移吸收部件11直接接触。由此，可以获得膜电极构造体1的保护功能及位移吸收部件11相对于生成水的防蚀功能，从而可以长时间维持单元电池C的良好的发电功能。

本实用新型的燃料电池堆，其结构并不限于上述各实施方式，在不脱离本实用新型宗旨的范围内，可对各部件的材质、形状及个数等结构的细部进行适当变更。例如，在位移吸收部件中，可对弹簧功能部的大小、形状、方向、以及配置(分布)等进行变更。

Claims

1.一种燃料电池堆，其将单元电池作为发电要素，具有将该单元电池层叠多层的构造，该单元电池具有：膜电极构造体，其在电解质层的两面设置电极催化剂层；以及隔膜，其配置在膜电极构造体的两面上，

其特征在于，

在膜电极构造体和一片隔膜之间、膜电极构造体和另一片隔膜之间、以层叠状态相邻的单元电池之间中的至少一处，夹装具有导电性且在基板的一面上排列多个细微的弹簧功能部而成的位移吸收部件，

位移吸收部件的前述弹簧功能部是以基板侧作为固定端、且以前端侧作为自由端而形成的，并且位移吸收部件夹装在膜电极构造体和隔膜之间，其基板位于膜电极构造体侧。

2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，

在膜电极构造体和至少一片隔膜之间夹装位移吸收部件。

3.根据权利要求2所述的燃料电池堆，其特征在于，

膜电极构造体在其两面上具有保护层，该保护层具有透气性及导电性。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的燃料电池堆，其特征在于，

位移吸收部件的弹簧功能部，为成为悬臂梁构造的舌片状。

5.根据权利要求2所述的燃料电池堆，其特征在于，

位移吸收部件，在基板上具有多个细微开口部。

6.根据权利要求5所述的燃料电池堆，其特征在于，

位移吸收部件，在基板上的弹簧功能部的固定端附近，具有不形成细微开口部的区域。

7.根据权利要求5或6所述的燃料电池堆，其特征在于，

在位移吸收部件中，相邻的细微开口部之间的间隔小于或等于100μm。

8.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，

单元电池是固体高分子型燃料电池的发电要素。