CN102077402B - 燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池堆，在具有偶数个电解质-电极结构体(MEA)和交替层叠的金属隔板的电池单元(12A、12B)之间形成有冷却介质流路(44)，由于没有将形成冷却介质流路的隔板彼此沿层叠方向支承的结构，因此存在各电池单元之间无法保持层叠时的载荷的问题。本发明在第一(12A)及第二(12B)各发电单元内，由隔板的缓冲部形成的凸部彼此隔着MEA沿层叠方向配置在相同位置，并且在第一发电单元与第二发电单元之间，通过将缓冲部的凸部配置成交错排列，而将冷却介质流路中的第一发电单元的凸部和第二发电单元的凸部沿层叠方向配置在相同位置，从而解决上述问题。

Description

燃料电池堆
技术领域
本发明涉及具备发电单元且第一发电单元和第二发电单元形成冷却介质流路而交替层叠的燃料电池堆，该发电单元具有：在电解质的两侧设有阳极侧电极和阴极侧电极的偶数个电解质-电极结构体；与各电解质-电极接合体交替层叠的金属隔板，其中，在向所述阳极侧电极供给燃料气体的燃料气体流路及向所述阴极侧电极供给氧化剂气体的氧化剂气体流路的各自的至少流路入口或流路出口设置凹凸形状的缓冲部。 
背景技术
例如，固体高分子型燃料电池具备单元电池，该单元电池将在由高分子离子交换膜构成的电解质膜的两侧分别配设有阳极侧电极及阴极侧电极的电解质膜-电极结构体(MEA)通过一对隔板夹持。此种燃料电池通常通过层叠规定数目的单元电池而作为燃料电池堆使用。 
在上述的燃料电池中，在一方的隔板的面内设置与阳极侧电极相对向而用于使燃料气体流动的燃料气体流路，并且在另一方的隔板的面内设置与阴极侧电极相对向而用于使氧化剂气体流动的氧化剂气体流路。而且，在隔板之间沿所述隔板的面方向设有根据需要而用于使冷却介质流动的冷却介质流路。 
此时，在使用金属隔板作为隔板的情况下，在阳极侧的金属隔板的一个面上设置燃料气体流路用的凹部时，所述金属隔板的另一个面上形成所述凹部的背面形状即凸部。而且，在阴极侧的金属隔板的一个面上设置氧化剂气体流路用的凹部时，在所述金属隔板的另一个面上形成所述凹部的背面形状即凸部。 
例如，如特开平8-222237号公报(日本)公开所示，在将固体电解质的两侧配设有电极的燃料电池单元层叠多个而成的燃料电池堆中，已知 有燃料电池用隔板，该燃料电池用隔板夹插在所述燃料电池单元之间使用，在一个侧面上具备用于向相邻的一方的燃料电池单元供给燃料气体的燃料气体流路槽，并且在另一个侧面上具备用于向相邻的另一方的燃料电池单元供给氧化剂气体的氧化剂气体流路槽。 
该隔板在加工性优良的金属材料的表背面涂敷导电性优良的材料，并且在其表背面分别隔开适当的间隔设置多个突起，所述突起在燃料电池堆中与燃料电池单元面相接设置，燃料气体流路槽及氧化剂气体流路槽分别在所述隔板与所述燃料电池单元之间连通形成在所述突起间。 
然而，在燃料电池堆中，存在采用一种在规定数目的单元电池间形成冷却介质流路的所谓间隔冷却结构的情况。在此种具有间隔冷却结构的燃料电池中采用上述的现有技术时，如图5所示，通过将具有两张MEA1a、1b和三张金属隔板2a、2b及2c的电池单元3层叠多个，而构成所述燃料电池。 
MEA1a、1b在固体电解质膜4a的两侧配设阳极侧电极4b和阴极侧电极4c。金属隔板2a具有多个凸部5a，所述凸部5a形成用于向MEA1a的阳极侧电极4b供给燃料气体的燃料气体流路5。另一方面，金属隔板2b交替具有多个凸部6a和多个凸部5a，所述凸部6a用于形成向MEA1a的阴极侧电极4c供给氧化剂气体的氧化剂气体流路6，所述凸部5a用于形成向MEA1b的阳极侧电极4b供给燃料气体的燃料气体流路5。 
金属隔板2c具有多个凸部6a，并且在相互相邻的金属隔板2c、2a之间形成用于供给冷却介质的冷却介质流路7，所述凸部6a用于形成向MEA1b的阴极侧电极4c供给氧化剂气体的氧化剂气体流路6。 
在金属隔板2a、2b中，各凸部5a、6a彼此隔着MEA1a相互相对于层叠方向设定在相同位置，并且在所述金属隔板2b、2c中，各个凸部5a、6a彼此隔着MEA1b相对于层叠方向设定在相同位置。 
然而，在各电池单元3之间形成冷却介质流路7时，在该冷却介质流路7中，没有将金属隔板2c、2a彼此沿层叠方向支承的结构。这是因为凸部和凹部相对于层叠方向相互相对向。因此，在各电池单元3之间无法保持燃料电池堆的层叠时的载荷，而且，存在经不起发电时的压力变动的问题。 
由此，存在引起MEA1a、1b或金属隔板2a～2c的变形产生的破损且电池单元3间的导电不良好的问题。 
发明内容
本发明的目的在于，提供一种在此种间隔冷却结构的燃料电池中，能够以简单且经济的结构可靠地进行形成冷却介质流路的发电单元间的结构性的保持，且能够良好地防止电解质-电极结构体或金属隔板的变形的燃料电池堆。 
本发明涉及具备发电单元且在第一发电单元与第二发电单元之间形成冷却介质流路而交替层叠的燃料电池堆，该发电单元具有：在电解质的两侧设有阳极侧电极和阴极侧电极的偶数个电解质-电极结构体；与各电解质-电极接合体交替层叠的金属隔板，其中，在向所述阳极侧电极供给燃料气体的燃料气体流路及向所述阴极侧电极供给氧化剂气体的氧化剂气体流路的各自的至少流路入口或流路出口设置凹凸形状的缓冲部。 
第一发电单元的缓冲部的燃料气体流路侧的凸部和氧化剂气体流路侧的凸部隔着各电解质-电极结构体沿层叠方向相互配置在相同位置，而第二发电单元的缓冲部的燃料气体流路侧的凸部和氧化剂气体流路侧的凸部隔着各电解质-电极结构体沿层叠方向相互配置在相同位置且与所述第一发电单元的所述缓冲部的所述凸部配置成交错排列。 
另外，优选，第一及第二发电单元至少具有第一及第二电解质-电极结构体，并按照第一金属隔板、所述第一电解质-电极结构体、第二金属隔板、所述第二电解质-电极结构体及第三金属隔板的顺序层叠。 
根据本发明，在第一发电单元内及第二发电单元内，与各电解质-电极结构体相接触的缓冲部的凸部彼此相互配置成相同相位。因此，不会对电解质-电极结构体施加剪切力，而能够良好地防止所述电解质-电极接合体的损伤。 
而且，第一发电单元的缓冲部和第二发电单元的缓冲部的冷却介质流路侧的相互相面对的凸部彼此沿层叠方向配置在相同位置。 
即，第一及第二发电单元分别具有偶数个电解质-电极结构体和奇数张金属隔板，在所述第一及第二发电单元内，分别对配置在层叠方向两端配置的各电解质-电极结构体进行夹持的各个凸部彼此相对于层叠方向成为交错状。因此，在第一发电单元和第二发电单元中，向相邻的各金属隔板的冷却介质流路侧突出的凸部相互配置成相同相位。 
因此，在冷却介质流路中，也能够具备凸部彼此能够沿层叠方向相对向且保持所述层叠方向的载荷及发电时的压力变动的结构。由此，仅将第一发电单元和第二发电单元交替层叠即可，能够简单且经济地构成燃料电池堆。 
附图说明
图1是本发明的实施方式的燃料电池堆的主要部分分解立体说明图。 
图2是构成所述燃料电池堆的第一发电单元的主要部分分解立体说明图。 
图3是所述燃料电池堆的图2中III-III线剖视说明图。 
图4是构成所述第一发电单元的第三金属隔板和构成第二发电单元的第一金属隔板的分解立体说明图。 
图5是现有的燃料电池堆的说明图。 
具体实施方式
图1是本发明的实施方式的燃料电池堆10的主要部分分解立体说明图。 
燃料电池堆10将第一发电单元12A和第二发电单元12B沿水平方向(箭头A方向)交替层叠而构成。如图2所示，第一发电单元12A设有第一金属隔板14A、第一电解质膜-电极结构体(MEA)(电解质-电极结构体)16a、第二金属隔板18A、第二电解质膜-电极结构体16b及第三金属隔板20A。此外，第一发电单元12A能够包含4个以上的偶数个MEA。 
第一金属隔板14A、第二金属隔板18A及第三金属隔板20A通过例如钢板、不锈钢板、铝板、镀敷处理钢板或在其金属表面实施了防蚀用的表面处理的金属板构成。第一金属隔板14A、第二金属隔板18A及第三金属隔板20A通过将金属制薄板冲压加工成波形状而具有截面凹凸形状。 
第一及第二电解质膜-电极结构体16a、16b具备：在例如全氟磺酸的薄膜中浸渍水的固体高分子电解质膜22；夹持所述固体高分子电解质膜22的阳极侧电极24及阴极侧电极26。 
阳极侧电极24及阴极侧电极26具有：由碳纸等构成的气体扩散层(未图示)；将在表面担载有铂合金的多孔碳粒子均匀地涂敷在所述气体扩散层的表面而形成的电极催化剂层(未图示)。电极催化剂层形成在固体高分子电解质膜22的两面。 
在第一发电单元12A的长边方向的(箭头B方向)一端缘部设有沿箭头A方向相互连通，用于供给燃料气体例如含氢气体的燃料气体入口连通孔30a、用于供给冷却介质的冷却介质入口连通孔32a、以及用于排出氧化剂气体例如含氧气体的氧化剂气体出口连通孔34b。 
在第一发电单元12A的长边方向的(箭头B方向)另一端缘部设有沿箭头A方向相互连通，用于供给氧化剂气体的氧化剂气体入口连通孔34a、用于排出冷却介质的冷却介质出口连通孔32b、以及用于排出燃料气体的燃料气体出口连通孔30b。 
第一金属隔板14A的面向第一电解质膜-电极结构体16a的面14a上形成有将氧化剂气体入口连通孔34a和氧化剂气体出口连通孔34b连通的第一氧化剂气体流路36。第一氧化剂气体流路36具有沿箭头B方向延伸的多个流路槽36a。 
在第一氧化剂气体流路36的入口及出口附近(也可以在至少一方)设置入口缓冲部38及出口缓冲部40。入口缓冲部38和出口缓冲部40从中间高度沿表背具有凸形状，且具有向面14a侧(第一电解质膜-电极结构体16a侧)突出的多个凸部(压花)38a、40a和向面14b侧突出的多个凸部(压花)38b、40b。凸部38a、38b、40a及40b能够设定为圆形、长圆形或矩形等各种形状。此外，关于以下的压花也同样。 
在第一金属隔板14A的面14b上形成有将冷却介质入口连通孔32a和冷却介质出口连通孔32b连通的冷却介质流路44的一部分。在面14b上形成有构成第一氧化剂气体流路36的多个流路槽36a的背面形状即多个流路槽(凹部)44a。在流路槽44a的入口及出口附近设置具有多个凸部40b、38b的缓冲部背面形状。 
在第二金属隔板18A的面向第一电解质膜-电极结构体16a的面18a上形成有将燃料气体入口连通孔30a和燃料气体出口连通孔30b连通的第一燃料气体流路46。第一燃料气体流路46具有沿箭头B方向延伸的多个流路槽(凹部)46a，并且在所述第一燃料气体流路46的入口及出口附近分别设有入口缓冲部48及出口缓冲部50。 
入口缓冲部48和出口缓冲部50从中间高度沿表背具有凸形状，具有向面18a侧(第一电解质膜-电极结构体16a侧)突出的多个凸部(压花)48a、50a和向面18b侧(第二电解质膜-电极结构体16b侧)突出的多个凸部(压花)48b、50b。 
在第二金属隔板18A的面向第二电解质膜-电极结构体16b的面18b上形成有将氧化剂气体入口连通孔34a和氧化剂气体出口连通孔34b连通的第二氧化剂气体流路52。第二氧化剂气体流路52具有沿箭头B方向延伸的多个流路槽(凹部)52a，并且在所述第二氧化剂气体流路52的入口及出口附近设有入口缓冲部54及出口缓冲部56。第二氧化剂气体流路52是第一燃料气体流路46的背面形状，而入口缓冲部54及出口缓冲部56是出口缓冲部50及入口缓冲部48的背面形状。 
在第三金属隔板20A的面向第二电解质膜-电极结构体16b的面20a上形成有将燃料气体入口连通孔30a和燃料气体出口连通孔30b连通的第二燃料气体流路58。第二燃料气体流路58具有沿箭头B方向延伸的多个流路槽(凹部)58a。在第二燃料气体流路58的入口及出口附近设有入口缓冲部60及出口缓冲部62。 
入口缓冲部60和出口缓冲部62从中间高度沿表背具有凸形状，具有向面20a侧(第二电解质膜-电极结构体16b侧)突出的多个凸部(压花)60a、62a和向面20b侧(第二发电单元12B侧)突出的多个凸部(压花)60b、62b。 
在第三金属隔板20A的面20b上形成有冷却介质流路44的一部分。在面20b上形成有构成第二燃料气体流路58的多个流路槽58a的背面形状即多个流路槽(凹部)44b。 
在第一发电单元12A中，通过第一金属隔板14A和第二金属隔板18A夹持第一电解质膜-电极结构体16a时，相互相对向的第一氧化剂气体流路36和第一燃料气体流路46的各自的流路槽36a、46a间的凸部沿层叠方向配置在相同位置。同样地，通过第二金属隔板18A和第三金属隔板20A夹持第二电解质膜-电极结构体16b时，第二氧化剂气体流路52和第二燃料气体流路58的各自的流路槽52a、58a间的凸部彼此沿层叠方向配置在相同位置。 
在各压花中，如图3所示，在第一金属隔板14A和第二金属隔板18A中，相互向第一电解质膜-电极结构体16a侧突出的凸部40a和48a以及38a和50a沿层叠方向相互配置在相同的位置。 
在第二金属隔板18A和第三金属隔板20A中，向第二电解质膜-电极结构体16b侧突出的凸部48b和60a以及50b和62a沿层叠方向相互配置在相同的位置。 
如图2所示，在第一金属隔板14A的面14a、14b上围绕该第一金属隔板14A的外周端缘部一体成形有第一密封部件64。在第二金属隔板18A的面18a、18b上围绕该第二金属隔板18A的外周端缘部一体成形有第二密封部件66，并且在第三金属隔板20A的面20a、20b上围绕该第三金属隔板20A的外周端缘部一体成形有第三密封部件68。 
如图1所示，第二发电单元12B设有第一金属隔板14B、第一电解质膜-电极结构体16a、第二金属隔板18B、第二电解质膜-电极结构体16b及第三金属隔板20B。此外，对与第一发电单元12A相同的结构要素附加相同的参照符号，省略其详细说明。 
在第二发电单元12B中，入口缓冲部38、48、54及60和出口缓冲部40、50、56及62的压花形状构成为与第一发电单元12A不同的相位，即，构成为交错状(参照图3)。 
如图3及图4所示，在构成第一发电单元12A的第三金属隔板20A和构成第二发电单元12B的第一金属隔板14B之间形成有冷却介质流路44。在冷却介质流路44的两端部侧，从第三金属隔板20A及第一金属隔板14B相互相对向突出的凸部60b和40b以及凸部62b和38b沿层叠方向相互配置在相同位置。此外，流路槽44b、44a优选凸部彼此相互沿层叠方向配置在相同位置。 
以下说明如此构成的燃料电池堆10的动作。 
首先，如图1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，并且向燃料气体入口连通孔30a供给含氢气体等燃料气体。此外，向冷却介质入口连通孔32a供给纯水或乙二醇、润滑油等冷却介质。 
因此，在第一发电单元12A中，如图2所示，氧化剂气体从氧化剂气体入口连通孔34a被导入到第一金属隔板14A的第一氧化剂气体流路36及第二金属隔板18A的第二氧化剂气体流路52。该氧化剂气体沿第一氧化剂气体流路36向箭头B方向(水平方向)移动，向第一电解质膜-电极结构体16a的阴极侧电极26供给，并且沿第二氧化剂气体流路52向箭头B方向移动，向第二电解质膜-电极结构体16b的阴极侧电极26供给。 
另一方面，燃料气体从燃料气体入口连通孔30a沿第二金属隔板18A的第一燃料气体流路46向水平方向(箭头B方向)移动，向第一电解质膜-电极结构体16a的阳极侧电极24供给。而且，燃料气体沿第三金属隔板20A的第二燃料气体流路58向箭头B方向移动，向第二电解质膜-电极结构体16b的阳极侧电极24供给。 
因此，在第一及第二电解质膜-电极结构体16a、16b中，向阴极侧电极26供给的氧化剂气体和向阳极侧电极24供给的燃料气体在电极催化剂层内被电化学反应消耗而进行发电。 
接下来，向第一及第二电解质膜-电极结构体16a、16b的各阴极侧电极26供给而被消耗的氧化剂气体沿氧化剂气体出口连通孔34b向箭头A方向排出。同样地，向第一及第二电解质膜-电极结构体16a、16b的各阳极侧电极24供给而被消耗的燃料气体向燃料气体出口连通孔30b排出。 
另一方面，如图3及图4所示，向冷却介质入口连通孔32a供给的冷却介质被导入到构成第一发电单元12A的第三金属隔板20A和构成第二发电单元12B的第一金属隔板14A之间形成的冷却介质流路44后，沿箭头B方向流通。该冷却介质在对第一及第二电解质膜-电极结构体16a、16b进行冷却后，向冷却介质出口连通孔32b排出。 
另外，在第二发电单元12B中，与上述的第一发电单元12A同样地，通过第一及第二电解质膜-电极结构体16a、16b进行发电。 
这种情况下，在本实施方式中，如图3所示，在第一发电单元12A中，向第一电解质膜-电极结构体16a侧突出的第一金属隔板14A的凸部40a、38a和向所述第一电解质膜-电极结构体16a突出的第二金属隔板18A的凸部48a、50a相互沿层叠方向配置在相同位置。 
此外，向第二电解质膜-电极结构体16b侧突出的第二金属隔板18A的凸部48b、50b与第三金属隔板20A的凸部60a、62a沿层叠方向相互配置在相同位置。因此，不会对第一及第二电解质膜-电极结构体16a、16b施加剪切力，而具有能够良好地防止所述第一及第二电解质膜-电极结构体16a、16b损伤的效果。 
而且，在第一发电单元12A和第二发电单元12B中，各个凸部38a、38b、40a、40b、48a、48b、50a、50b、60a、60b、62a及62b相互呈交错状(错开相位)配置。 
第一发电单元12A和第二发电单元12B分别具备：偶数个，例如，2个MEA即第一及第二电解质膜-电极结构体16a、16b；奇数张，例如，3张隔板即第一金属隔板14A、14B、第二金属隔板18A、18B及第三金属隔板20A、20B。因此，凸部40a、38a和凸部48b、50b配置成交错排列，并且凸部48a、50a和凸部60a、62a配置成交错排列。 
因此，在第一发电单元12A与第二发电单元12B之间形成的冷却介质流路44中，在其两端侧成为缓冲背面形状的凸部60b和凸部40b沿层叠方向配置在相同位置，并且凸部62b和凸部38b同样地沿层叠方向配置在相同位置。 
由此，通过冷却介质流路44能够设置凸部60b、40b彼此及凸部62b、38b彼此能够沿层叠方向抵接(参照图3)且可靠地保持所述层叠方向的载荷及发电时的压力变动的结构。因此，不会引起第一发电单元12A和第二发电单元12B之间的导电性的下降或MEA变形及隔板变形产生的破损等。因此，仅交替层叠第一发电单元12A和第二发电单元12B即可，从而得到能够简单且经济地构成燃料电池堆10的效果。 

Claims (2)

1.一种燃料电池堆，具备发电单元(12A、12B)，且在第一发电单元(12A)与第二发电单元(12B)之间形成冷却介质流路(44)而交替层叠，该发电单元(12A、12B)具有：在电解质(22)的两侧设有阳极侧电极(24)和阴极侧电极(26)的偶数个电解质-电极结构体(16a、16b)；与各电解质-电极接合体交替层叠的金属隔板(14A、18A、20A、14B、18B、20B)，其中，在向所述阳极侧电极供给燃料气体的燃料气体流路(46、58)及向所述阴极侧电极供给氧化剂气体的氧化剂气体流路(36、52)的各自的至少流路入口或流路出口设有凹凸形状的缓冲部(38、40、48、50、60、62)，所述燃料电池堆的特征在于，
所述第一发电单元的所述缓冲部的所述燃料气体流路侧的凸部(48a、50a、60a、62a)和所述氧化剂气体流路侧的凸部(40a、38a、48b、50b)隔着各电解质-电极结构体沿层叠方向相互配置在相同位置，
所述第二发电单元的所述缓冲部的所述燃料气体流路侧的凸部(48a、50a、60a、62a)和所述氧化剂气体流路侧的凸部(40a、38a、48b、50b)隔着各电解质-电极结构体沿层叠方向相互配置在相同位置且与所述第一发电单元的所述缓冲部的所述凸部配置成交错排列，
所述交错排列是指所述第二发电单元的所述缓冲部的所述燃料气体流路侧的凸部(48a、50a、60a、62a)和所述氧化剂气体流路侧的凸部(40a、38a、48b、50b)的形状构成为与所述第一发电单元的所述缓冲部的所述燃料气体流路侧的凸部(48a、50a、60a、62a)和所述氧化剂气体流路侧的凸部(40a、38a、48b、50b)的形状不同的相位，
所述金属隔板通过将金属制薄板冲压加工成波形状而设置具有从中间高度沿表背交替突出的凸部的所述缓冲部，
所述第一发电单元的所述缓冲部(60、62)和所述第二发电单元的所述缓冲部(40、38)的所述冷却介质流路侧的相互相面对的凸部(60b、62b、40b、38b)彼此沿层叠方向配置在相同位置。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，
所述第一及第二发电单元至少具有第一及第二电解质-电极结构体(16a、16b)，并分别地按照第一金属隔板(14A)、所述第一电解质-电极结构体(16a)、第二金属隔板(18A)、所述第二电解质-电极结构体(16b)及第三金属隔板(20A)的顺序、以及第一金属隔板(14B)、所述第一电解质-电极结构体(16a)、第二金属隔板(18B)、所述第二电解质-电极结构体(16b)及第三金属隔板(20B)的顺序层叠。
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