燃料電池組的製作方法

2023-04-28 18:36:36 2

專利名稱：燃料電池組的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池組。
背景技術：
燃料電池組具有層疊了燃料電池單元(單電池)的結構。單電池由具有高分子 電解質膜和夾持高分子電解質膜的一對催化電極的膜電極接合體(membrane electrode assembly，以下也稱為「MEA」)、以及夾持膜電極接合體的一對分離器構成。高分子電解質膜由具有高分子離子交換膜等的電解質構成，所述高分子離子交換 膜為具有磺酸基的氟化樹脂類離子交換膜或者碳氫樹脂類離子交換膜等。催化電極由位於高分子電解質膜側的、促進催化電極內的氧化還原反應的催化層 和位於催化層外側的、具有通氣性以及導電性的氣體擴散層構成。另外，氣體擴散層由位於 催化層側的、用於提高與催化層的接觸性的碳塗層和用於使從外部供給的氣體擴散而提供 給催化層的氣體擴散基材層構成。燃料極的催化層例如包含鉬或鉬和釕的合金等，空氣極 的催化層例如包含鉬或鉬和鈷的合金等。分離器是用於使對燃料極供給的燃料氣體和對空氣極供給的氧化氣體不混合的 導電性部件。通過層疊這樣的單電池，能夠將燃料電池組串聯地電連接。燃料電池組還具有夾 持單元層疊體的端板(end plate)(例如，參照專利文獻1和專利文獻2)。另外，也存在以 下的情況，即為了對單元層疊體施加均勻的負荷，在單元層疊體和端板之間配置彈簧模塊 (spring module)(參照專利文獻3和專利文獻4)，或者在單元層疊體和端板之間配置彈性 部件(例如，參照專利文獻5和專利文獻6)。圖1是專利文獻6記載的燃料電池組1的剖面圖。如圖1所示，專利文獻6記載 的燃料電池組1具有單元層疊體12、夾持單元層疊體12的壓板(pressure plate) 2和壓 板8、以及端板20。在端板20和壓板2之間配置彈性部件19。對壓板的與單元層疊體12相對的面施加了導電處理，壓板的與單元層疊體12相 對的面以外的部分是絕緣體。另外，彈性部件19由端板20的凹部9和壓板2的凹部7保持。通過對具有這樣的結構的燃料電池組的各個單電池分別供給燃料氣體(含有 氫)、以及氧化氣體(含有氧)，能夠持續地獲得電能。以下，說明通過對單電池供給燃料氣 體和氧化氣體而產生的化學反應。對燃料極供給了的氫分子通過燃料極的催化層被分為氫離子和電子。氫離子通過 被加溼的高分子電解質膜而移動到空氣極側。另一方面，電子通過外部電路而移動到供給 氧化氣體的空氣極。此時，能夠將通過外部電路的電子利用為電能。在空氣極催化層中，通 過高分子電解質膜而移動來的氫離子、通過外部電路而移動來的電子以及供給到空氣極的 氧發生反應，生成水。另外，通過上述的化學反應，產生熱。這樣，通過對燃料電池供給燃料氣體和氧化氣體，能夠同時獲得電能和熱能。由此，燃料電池組被利用為要求發電和熱水供應的家庭用聯產系統(cogeneration system) (例如，參照專利文獻7)。在家庭用聯產系統中，利用在分離器上設置的流路流動的製冷 劑，依次回收發電中產生的熱。被回收的熱進而貯存在儲熱水罐等中，並根據需要，被利用 為熱能。另外，已知以下的技術，SP 為了在運轉時容易進行燃料電池組的溫度調節，在端 板的與單元層疊體相對的面上設置凹凸形狀(例如，參照專利文獻8)。現有技術文獻專利文獻專利文獻1 日本特開2005-123114號公報專利文獻2 日本特開平8-203553號公報專利文獻3 日本特開2004-288618號公報專利文獻4 美國專利申請公開第2005/0277012號說明書專利文獻5 日本特開2007-257865號公報專利文獻6 日本特開2006-179220號公報專利文獻7 日本特開2008-293996號公報專利文獻8 美國專利申請公開第2008/0090122號說明書但是，在發電中產生的熱除了通過製冷劑來回收以外，有時從單元層疊體傳導到 端板。存在以下的問題，即由於傳導到端板的熱從端板向外部釋放，所以無法將其作為熱 能回收，無法高效率地回收發電中產生的熱。例如，在圖1所示的專利文獻6的燃料電池組1中，發電中產生的單元層疊體12 的熱傳遞給壓板8，並從壓板8向外部釋放。另外，發電中產生的單元層疊體12的熱通過壓 板2和彈性部件19移動到端板20，並從端板20向外部釋放。

發明內容
本發明的目的在於，提供減少從單元層疊體傳導到端板並向外部釋放的熱量，從 而能夠高效率地回收發電中產生的熱的燃料電池組。本發明人發現通過減少端板與集電板之間的接觸面積，並且減少端板與彈性部件 之間的接觸面積，能夠抑制熱的釋放，並通過進一步的研究而完成了本發明。也就是說，本 發明涉及如下所示的燃料電池組。[1]燃料電池組，包括單元層疊體，其層疊了由膜電極接合體、以及夾持所述膜 電極接合體的分離器構成的單電池；一對集電板，其夾持所述單元層疊體並且由集電板A 和集電板B構成；一對端板，其夾持所述單元層疊體和所述集電板並且由端板A和端板B構 成；以及彈性部件，其配置在所述端板A和所述集電板A之間，所述端板A的與所述集電板 A相對的面具有凹凸形狀，所述端板A的凹部保持所述彈性部件，所述凹部的底面具有第二 凸部和第二凹部。[2]如[1]所述的燃料電池組，所述彈性部件與所述第二凸部的頂面接觸。[3]如[1]或[2]所述的燃料電池組，所述集電板A具有保持所述彈性部件的凹 部，所述集電板A的凹部的底面具有第三凸部和第三凹部，所述彈性部件與所述第三凸部 的頂面接觸。
[4]如[1] [3]的任一項所述的燃料電池組，所述彈性部件是螺旋彈簧。[5]如[1] [4]的任一項所述的燃料電池組，所述端板B的與所述集電板B相對 的面具有凹凸形狀。[6]如[5]所述的燃料電池組，還包括彈性部件，其配置在所述端板B和所述集 電板B之間，所述端板B的凹部保持所述彈性部件，所述凹部的底面具有第二凸部和第二凹部。[7]如[5]所述的燃料電池組，在所述端板B和所述集電板B之間不具有彈性部 件，所述端板B的與所述集電板B相對的面是與所述集電板B的接觸面，所述端板B的凸部 的頂面與所述集電板B接觸。[8]如[7]所述的燃料電池組，與所述集電板B接觸的所述端板B的凸部的頂面的 面積的合計為，所述端板B與所述集電板B相對的區域的面積的10% 30%。[9]如[7]或[8]所述的燃料電池組，所述端板B的與所述集電板B相對的面的凸 部包含所述端板B的與所述集電板B相對的面上形成的肋，所述肋形成格子狀。[10]如[1] [9]的任一項所述的燃料電池組，所述端板由樹脂構成。在本發明的燃料電池組中，由於端板與集電板之間的接觸面積較小，所以從集電 板向端板傳導的熱量較小。另外，在本發明中，由於端板與彈性部件之間的接觸面積較小， 所以從集電板通過彈性部件向端板傳導的熱量較小，通過端板向外部釋放的熱量較小。因 此，能夠高效率地回收發電時產生的熱，並能夠提供熱回收效率較高的燃料電池組。另外，根據本發明的燃料電池組，即使在利用環狀帶保持了燃料電池組時，端板也 不容易變形。因此，在本發明的燃料電池組中，能夠對單元層疊體施加均勻的負荷，單電池 間的接觸電阻較低。因此，本發明的燃料電池組的發電效率較高。


圖1是以往的燃料電池組的剖面圖。圖2是本發明的燃料電池組的端板、彈性部件和集電板的剖面圖。圖3是實施方式1的燃料電池組的立體圖。圖4是實施方式1的燃料電池組的剖面圖。圖5是實施方式1的端板的從集電板相對面側所見的立體圖、以及保持凹部的放 大正視圖。圖6是實施方式1的端板的從環狀帶相對面側所見的立體圖。圖7是實施方式1的端板的剖面圖。圖8是實施方式1的集電板的從端板相對面側所見的立體圖、以及保持凹部的放 大正視圖。圖9是實施方式2的燃料電池組的剖面圖。圖10是實施方式2的端板的從集電板相對面側所見的立體圖。圖11是實施方式2的端板和集電板的剖面圖。圖12是實施方式2的端板的從環狀帶相對面側所見的立體圖。圖13是實施方式2的端板的從接地面側所見的立體圖。圖14是實施方式3的端板的從集電板相對面側所見的立體圖。
圖15是凸起區域的放大俯視圖。圖16是凸起的剖面圖。圖17是燃料電池組的部分放大剖面圖。標號的說明100、200燃料電池組101單元層疊體102集電板與端板相對的區域103、203 集電板105、205、305 端板107彈性部件108由單元層疊體、集電板和端板構成的層疊體109環狀帶111氧化氣體供給口113製冷劑供給口115燃料氣體供給口117燃料氣體排出口119製冷劑排出口121氧化氣體排出口131,231端板的集電板相對面的凸部133、233端板的集電板相對面的凹部141,241端板的環狀帶相對面的凸部143,243端板的環狀帶相對面的凹部151端板的接地面側的側面的凸部135 第二凸部137 第二凹部153集電板的凹部155第三凸部157第三凹部306 凸起區域307 凸起
具體實施例方式本發明的燃料電池組包括1)單元層疊體；2) —對集電板，其夾持單元層疊體；3) 一對端板，其夾持單元層疊體和集電板；以及4)彈性部件，其配置在端板和集電板之間。以 下，說明各個構成部件。1)單元層疊體單元層疊體是指，由膜電極接合體(membrane electrode assembly ；以下，也稱為 「MEA」)、以及夾持所述膜電極接合體的分離器構成的單電池的層疊體。MEA包括高分子電解質膜、以及夾持高分子電解質膜並由燃料極和空氣極構成的一對催化電極。優選的是，催化電極分別具有與高分子電解質膜相接的催化層和層疊在催化層上的氣體擴散層。高分子電解質膜是在溼潤狀態下具有選擇性輸送質子的功能的高分子膜。高分子 電解質膜的材料只要是選擇性地使氫離子移動的材料即可，並無特別限定。作為這樣的材 料的例子包括氟素類的高分子電解質膜或碳氫類的高分子電解質膜等。作為氟素類的高分 子電解質膜的具體的例子包括杜邦公司的Nafion膜、旭硝子公司的Flemion膜、旭化成株 式會社的Aciplex膜或Japan Gore-Tex公司的GORE-SELECT膜等。催化層是含有促進氫或氧的氧化還原反應的催化劑的層。只要催化層是具有導電 性且具有促進氫及氧的氧化還原反應的催化作用的層，並不特別限定。空氣極側的催化層 例如包含鉬、鉬和鈷的合金或鉬和鈷和鎳的合金等作為催化劑。燃料極側的催化層包含鉬 或鉬和釕的合金等作為催化劑。例如，在承載這些催化劑的乙炔黑、科琴黑或炭黑(vulcan)等的碳微粒子中，混 合具有質子導電性的電解質和具有憎水性的PTFE等樹脂，並將其塗敷在高分子電解質膜 上，由此形成催化層。氣體擴散層為具有導電性的多孔質層。氣體擴散層的材料只要是具有導電性且反 應氣體能夠擴散的材料即可，並無特別限定。氣體擴散層也可以由使從分離器側供給的氣 體向催化層擴散的氣體擴散基材層和提高氣體擴散基材層與催化層之間的接觸性的碳塗 層構成。分離器是在與燃料極相接的面上具有燃料氣體流路、而在與空氣極相接的面上具 有氧化氣體流路的導電性的板。作為分離器材料的例子，包含碳或金屬等。分離器的具有 氣體流路的面上包括凹部和凸部，凹部形成氣體流路。分離器具有用於供給製冷劑的製冷劑入口歧管、以及用於排出製冷劑的製冷劑 出口歧管。另外，分離器具有用於供給/排出燃料氣體的歧管和用於供給/排出氧化氣體 的歧管。進而，分離器也可以具有橡膠狀的密封單元，該密封單元防止製冷劑、氧化氣體或 燃料氣體等漏出。2) 一對集電板一對集電板由集電板A和集電板B構成，並且是在層疊方向上夾持單元層疊體的 導電性部件。集電板具有獲得從單元層疊體產生的直流電流的功能。集電板還具有功率獲 得部。燃料電池組的功率通過功率獲得部獲得。作為集電板的材料的例子，包括不鏽鋼或 銅等的金屬材料或碳素材料等。另外，集電板也可以是鍍金的不鏽鋼或銅等的金屬板。3) 一對端板一對端板由端板A和端板B構成，並在單元層疊體的層疊方向上夾持單元層疊體 和一對集電板。另外，端板構成燃料電池組的層疊方向的兩端部。具體而言，端板A構成集 電板A側的燃料電池組的端部，端板B構成集電板B側的燃料電池組的端部。因此，端板A 具有與集電板A相對的面，端板B具有與集電板B相對的面。端板具有燃料氣體供給口，其向燃料電池組供給燃料氣體；燃料氣體排出口，其 從燃料電池組排出燃料氣體；氧化氣體供給口，其向燃料電池組供給氧化氣體；氧化氣體 排出口，其從燃料電池組排出氧化氣體；製冷劑供給口，其向燃料電池組供給製冷劑；以及 製冷劑排出口，其從燃料電池組排出製冷劑。
端板的材料優選是熱傳導性較低的樹脂。這是因為，若端板由熱傳導性較低的材 料構成，則能夠減少從集電板傳導到端板的熱量，並減少向外部釋放的熱量。作為這樣的材 料的例子，包含聚苯硫醚等的熱塑性樹脂或酚醛樹脂等的熱固性樹脂等。在本發明中，至少端板A的與集電板A相對的面(以下，也稱為「集電板相對面」) 具有凹凸形狀。也就是說，在本發明中，端板A的集電板相對面具有凸部和凹部。這裡，凸 部是指，包含端板的集電板相對面上形成的肋(rib)等，凹部是指，由凸部規定的區域。在 端板A的集電板相對面具有的多個凹部中，包含保持後述的彈性部件的凹部。另一方面，端板B的形狀並不特別限定，但優選的是，端板B的集電板相對面也具 有凹凸形狀。4)彈性部件本發明的燃料電池組至少在端板A和集電板A之間具有彈性部件。彈性部件是至 少配置在端板A和集電板A之間，並對單元層疊體施加均勻的負荷的部件。在端板A和集 電板A之間配置的彈性部件之數既可以是一個，也可以是多個。作為彈性部件的例子，包括 螺旋彈簧(coil spring)。另一方面，在端板B和集電板B之間，既可以配置彈性部件(參 照實施方式1)，也可以不配置彈性部件(參照實施方式2)。本發明的燃料電池組的特徵在於，端板A的集電板相對面的凹部和凸部的形狀。 以下，使用附圖，說明端板A的集電板相對面的凹部和凸部的形狀。圖2表示本發明的燃料電池組中的端板A、集電板A和彈性部件的剖面圖。如圖2 所示，在端板105A和集電板103A之間配置兩個以上的彈性部件107，所以端板105A和集電 板103A不直接接觸。在端板105A的集電板相對面上設置多個凸部131和凹部133。凹部133保持彈性 部件107。以下，將保持彈性部件107的凹部133也稱為「保持凹部133」。保持凹部133的形狀根據彈性部件107的形狀而適當地選擇。例如，如圖2所示， 在彈性部件107是螺旋彈簧時，優選的是，使保持凹部133的形狀與螺旋彈簧的形狀(例 如，圓柱狀)匹配。另外，如圖2所示，優選的是，在集電板103A的與端板105A相對的面上設置凹部 153。本發明的特徵在於，端板105A的保持凹部133的底面還具有凹凸形狀。也就是說，保持凹部133的底面具有第二凸部135和第二凹部137。第二凸部135的高度低於凸部 (肋)131的高度。第二凸部135的頂面與彈性部件107接觸。另一方面，彈性部件107的 一部分也配置在第二凹部137上。第二凹部137的底面不與彈性部件107接觸，所以彈性 部件107的一部分不與保持凹部133的底面接觸。由此，彈性部件107與端板105A之間的 接觸面積減少。另外，在本發明中，優選的是，彈性部件107與集電板103A之間的接觸面積也較 小。為了減少彈性部件107與集電板103A之間的接觸面積，如圖2所示，在集電板103A上 形成用於保持彈性部件107的凹部153 (以下，也稱為「保持凹部153」)，並在保持凹部153 的底面形成凹凸形狀即可。也就是說，保持凹部153的底面也可以具有第三凸部155和第 三凹部157。第三凸部155的頂面與彈性部件107接觸。另一方面，彈性部件107的一部分 也配置在第三凹部157上。第三凹部157的底面不與彈性部件107接觸，所以彈性部件107的一部分不與保持凹部153的底面接觸。由此，彈性部件與集電板之間的接觸面積減少。這樣，在端板A和集電板A之間配置彈性部件，由此，端板A與集電板A不直接接 觸。因此，在端板A和集電板A之間的空氣發揮作為隔熱材料的功能，從集電板A向端板A 傳導的熱量減少，從燃料電池組向外部釋放的熱量減少。另外，在本發明中，減小「彈性部件與端板A之間的接觸面積」，由此，從集電板A通 過彈性部件向端板A傳導的熱量減少，從燃料電池組向外部釋放的熱量減少。這樣，在本發明的燃料電池組中，向外部釋放的熱量較少，所以能夠高效率地回收 因燃料電池的發電而產生的熱。在這樣構成的燃料電池組中，優選對單元層疊體施加負荷。對單元層疊體施加負 荷的方法並不特別限定，例如，對由單元層疊體、集電板和端板構成的層疊體(以下，也簡 稱為「層疊體」)施加負荷，並通過具有剛性的環狀帶包卷並保持受到負荷的狀態的層疊體 即可。另外，例如，也可以對由單元層疊體、集電板和端板構成的層疊體施加負荷，並通過連 接杆固定受到負荷的狀態的層疊體。通過對單元層疊體施加負荷，能夠降低單元內以及單 元間的接觸電阻，並提高燃料電池組的輸出。另外，本發明也具有以下特徵，S卩由環狀帶保持燃料電池組時的端板的形狀。具 體而言，優選的是，在由環狀帶保持燃料電池組時，端板的與環狀帶相對的面(以下，也稱 為「環狀帶相對面」)具有凹凸形狀，並且其為凸曲面(參照圖6和圖7)。以下，將由環狀帶保持燃料電池組時的端板的形狀分為a)端板的環狀帶相對面、 以及b)端板的集電板相對面而進行說明。a)關於端板的環狀帶相對面的形狀在由環狀帶保持燃料電池組時，如上所述，端板的環狀帶相對面具有凹凸形狀 (參照圖6)。也就是說，端板的環狀帶相對面具有凸部和凹部。這裡，凸部是指，包含端板 的環狀帶相對面上形成的肋等，凹部是指，由凸部規定的區域。端板的環狀帶相對面的凸部的頂面與環狀帶接觸。另一方面，端板的環狀帶相對 面的凹部不與環狀帶接觸。這樣，環狀帶僅與端板的環狀帶相對面的凸部的頂面接觸而不 與凹部接觸，所以環狀帶與端板之間的接觸面積較少。這樣，通過減小環狀帶與端板之間的接觸面積，從端板向環狀帶傳導的熱量減少。 由此，從燃料電池組向外部釋放的熱量減少，能夠高效率地回收因燃料電池的發電而產生 的熱。另外，在本發明中，優選的是，在端板的環狀帶相對面上形成的肋沿環狀帶的包卷 方向設置(參照圖6)。環狀帶相對面的肋(凸部)沿環狀帶的包卷方向設置，由此，能夠進 一步提高端板的包卷方向上的強度，在由環狀帶保持電池組時，能夠防止端板的變形。若端 板變形，則無法對單元層疊體施加均勻的負荷，而單元內以及單元間的接觸面積增加，從而 發電效率下降。端板的環狀帶相對面當然也可以具有沿環狀帶的包卷方向的肋以外的肋。另外，優選的是，端板的環狀帶相對面是具有頂線(參照圖6的線Y)和底線(參 照圖6的線Z)的凸曲面。這裡，「底線」是指，端板的環狀帶相對面的邊緣中的、與頂線平 行的邊緣。頂線和底線與環狀帶的包卷方向垂直。另外，環狀帶相對面(凸曲面)由包含 頂線的中央區域(參照圖6的105c)、以及夾持中央區域且包含底線的端部區域(參照圖6 的105e)構成。中央區域和端部區域都是曲面，但優選的是，中央區域的曲率半徑和端部區域的曲率半徑不同。具體而言，優選的是，中央區域的曲率半徑(參照圖7的α)大於端部 區域的曲率半徑(參照圖7的β)。這樣，通過使端板的環狀帶相對面為凸曲面，能夠對單元層疊體施加均勻的負荷。 對單元層疊體施加均勻的負荷，由此，單元內以及單元間的接觸電阻減少。另外，通過使中 央區域的曲率半徑大於端部區域的曲率半徑，能夠分散施加給端板的環狀帶的應力。因此， 若使中央區域的曲率半徑大於端部區域的曲率半徑，則即使使端板的厚度較薄，端板變形 的可能性也較少。另外，在本發明中，優選的是，端部區域內的和環狀帶接觸的區域的面積與端部區 域的面積的比例(以下，也簡稱為「端部區域的接觸面積的比例」)較高(參照圖6)。通過 提高端部區域的接觸面積的比例，能夠分散環狀帶對端板的應力，進一步提高防止端板的 變形的效果。更具體而言，優選的是，端部區域的接觸面積的比例比中央區域內的和環狀帶接 觸的區域的面積與中央區域的面積的比例(以下，也簡稱為「中央區域的接觸面積的比 例」)大。另外，具體而言，端部區域的接觸面積的比例優選為50% 100%。b)關於端板的集電板相對面的形狀優選的是，在由環狀帶保持燃料電池組時，在端板的集電板相對面上形成的肋沿 環狀帶的包卷方向設置(參照圖5)。集電板相對面的肋(凸部)沿環狀帶的包卷方向設 置，由此，能夠進一步提高端板的包卷方向上的強度。當然，端板的集電板相對面也可以具 有沿環狀帶的包卷方向的肋以外的肋。另外，在由環狀帶保持層疊體時，優選的是，端板的不由環狀帶覆蓋的側面中的接 地面側的側面(參照圖13的205s)具有凹凸形狀(參照圖13的151)。從燃料電池組的環 狀帶露出的側面也可以為接地面。若接地面具有凹凸形狀，則能夠抑制熱從接地面流出。這樣，根據本發明的燃料電池組，即使在利用環狀帶保持了燃料電池組時，端板也 不容易變形。因此，在本發明的燃料電池組中，能夠對單元層疊體施加均勻的負荷，單元內 以及單元間的接觸電阻降低。因此，能夠獲得較高的發電效率。以下，參照

本發明的燃料電池組的實施方式。(實施方式1)在實施方式1中，說明在端板A和集電板A之間具有兩個以上的彈性部件，並且在 端板B和集電板B之間也具有兩個以上的彈性部件的燃料電池組。圖3是實施方式1的燃料電池組100的立體圖。如圖3所示，燃料電池組100具 有單元層疊體101、一對集電板(103A和103B)、彈性部件107 (未圖示)、一對端板(105A 和105B)、以及環狀帶109。燃料電池組100具有氧化氣體供給口 111、製冷劑供給口 113、 燃料氣體供給口 115、燃料氣體排出口 117、製冷劑排出口 119、以及氧化氣體排出口 121。圖4是燃料電池組100的點劃線A處的剖面圖。如圖4所示，通過一對集電板(103A 和103B)夾持單元層疊體101，通過一對端板(105A和105B)夾持單元層疊體101和一對集 電板。另外，燃料電池組100在端板105A和集電板103A之間具有多個彈性部件107，並在 端板105B和集電板103B之間具有多個彈性部件107。因此，端板105A與集電板103A不直 接接觸，端板105B與集電板103B不直接接觸。環狀帶109通過包卷由單元層疊體101、一對集電板和一對端板構成的層疊體108來進行保持。以下，詳細地說明端板105A的形狀。端板105B的形狀與端板105A相同，所以省略說明。圖5A是端板105A的從集電板相對面側所見的立體圖。如圖5A所示，端板105A 的集電板相對面具有凸部131。凸部131包含肋，並規定凹部。在通過凸部131規定的凹部 中，包含保持彈性部件107的保持凹部133。另外，圖5A中的箭頭X表示環狀帶的包卷方向。如圖5A所示，端板105A的集電 板相對面具有沿環狀帶的包卷方向X的肋131L。圖5B是保持凹部133的正視圖。如圖5B所示，保持凹部133的底面具有第二凸 部135和第二凹部137。第二凸部135的高度低於端板105A的凸部131的高度。這樣，保持凹部133具有第二凸部135和第二凹部137，由此，彈性部件107不與保 持凹部133的底面的一部分接觸，彈性部件107與端板105A之間的接觸面積減少(參照圖 2)。圖6是端板105A的從環狀帶相對面側所見的立體圖。圖6中的箭頭X表示環狀 帶的包卷方向。如圖6所示，端板105A的環狀帶相對面的中央區域105c具有凸部141和 凹部143。另外，在凸部141中，包含沿環狀帶的包卷方向X的肋(凸部)141L。凸部141 的頂面與環狀帶接觸。另一方面，凹部143不與環狀帶接觸。這樣，與環狀帶接觸的端板的 面積較小，所以從端板傳導到環狀帶的熱較少，向外部釋放的熱量較少。另外，端板105A的環狀帶相對面是具有與環狀帶的包卷方向X垂直的頂線Y和底 線Z的凸曲面。凸曲面由包含頂線的中央區域105c和包含底線Z的端部區域105e構成。 端部區域105e夾持中央區域105c。另外，如上所述，中央區域105c具有不與環狀帶接觸的凹部143，但端部區域105e 不具有凹部。因此，端部區域105e的接觸面積的比例大於中央區域105c的接觸面積的比例。圖7是圖6所示的端板105A的點劃線AA處的剖面圖。另外，在圖7中，省去凹部 133。如圖7所示，凸曲面由包含頂線Y的中央區域105c和包含底線Z的端部區域105e構 成。如圖7所示，中央區域105c的曲率半徑α大於端部區域105e的曲率半徑β。這樣，通過使端板105的環狀帶相對面為凸曲面，能夠對單元層疊體施加均勻的 負荷。另外，通過增大端部區域105e的接觸面積的比例，能夠因降低環狀帶109造成的 對端板105A的應力的集中。另外，通過使中央區域105c的曲率半徑大於端部區域105e的 曲率半徑，能夠降低對端板105A的應力的集中，能夠使端板105A的厚度變薄。接著，說明集電板103A的形狀。集電板103B的形狀與集電板103A相同，所以省 略說明。圖8A是集電板103A的從其與端板105A相對的面側所見的立體圖。如圖8A所示， 集電板103A具有保持彈性部件107的保持凹部153。圖8B是集電板103A的保持凹部153的正視圖。如圖8B所示，保持凹部153的底 面具有第三凸部155和第三凹部157。這樣，集電板103A的保持凹部153具有第三凸部155和第三凹部157，由此，彈性 部件107與集電板103A之間的接觸面積減少(參照圖2)。
這樣，根據本實施方式，端板與集電板不直接接觸。另外，根據本實施方式，彈性部 件與端板之間的接觸面積、以及彈性部件與集電板之間的接觸面積都小。因此，根據本實施 方式，從集電板傳導到端板而向外部釋放的熱量較少。因此，能夠高效率地回收發電時產生 的熱。另外，根據本實施方式，即使在利用環狀帶保持了燃料電池組時，端板也不容易變 形。因此，能夠對單元層疊體施加均勻的負荷，能夠獲得較高的發電效率。(實施方式2)在實施方式1中，說明了在端板B和集電板B之間也具有彈性部件的燃料電池組。 在實施方式2中，說明在端板B和集電板B之間不具有彈性部件的燃料電池組。圖9是實施方式2的燃料電池組200的剖面圖。如圖9所示，燃料電池組200在 端板105A和集電板103A之間具有彈性部件107，但在端板205B和集電板203B之間不具有 彈性部件107。因此，端板205B的集電板相對面是與集電板203B的接觸面。另外，在本實 施方式中，集電板203B與集電板103A不同，不具有凹部。除了端板205B以及集電板203B的形狀不同之外，實施方式2的燃料電池組200 與實施方式1的燃料電池組100相同。對與實施方式1的燃料電池組100相同的結構要素 附加相同的標號，並省略說明。圖10是端板205B的從集電板相對面側所見的立體圖。另外，圖10中的箭頭X表 示環狀帶的包卷方向。如圖10所示，端板205B的集電板相對面具有凸部231和凹部233。 凸部231包含肋，並規定凹部233。在端板205B的集電板相對面上，肋231形成格子狀。由於肋形成格子狀，即使端 板的集電板相對面具有凹凸形狀，也能夠保持端板的強度。另外，端板205B的集電板相對面具有沿環狀帶的包卷方向X的肋231L。另外，沿 環狀帶的包卷方向X的肋231L —直連續到端板205B與集電板203B相對的區域102的兩端。圖11表示端板205B與集電板203B接觸的情形。如圖11所示，端板205B的集電 板相對面的凸部231的頂面與集電板203B接觸。另一方面，端板205B的集電板相對面的 凹部233不與集電板203B接觸。優選的是，與集電板203B接觸的端板205B的凸部231頂面的面積的合計(端板 205B與集電板203B之間的接觸面積)為端板205B與集電板203B相對的區域102 (參照圖 10)的面積的10 30%。在凸部231的頂面的面積的合計為端板205B與集電板203B相 對的區域102的面積的10%以下時，有可能凸部231無法承受來自集電板203B的壓力而無 法維持端板205B的形狀。另一方面，在凸部131的頂面的面積的合計為端板205B與集電 板203B相對的區域102的面積的30%以上時，從集電板203B向端板205B傳導的熱量增 加，有可能無法高效率地回收發電時的熱。這樣，通過減小集電板203B與端板205B之間的接觸面積，即使在集電板203B與 端板205B直接接觸時，從集電板203B向端板205B傳導的熱量也減少。由此，從燃料電池 組向外部釋放的熱量減少。圖12是端板205B的從環狀帶相對面側所見的立體圖。圖12中的箭頭X表示環 狀帶的包卷方向。如圖12所示，端板205B的環狀帶相對面是具有與環狀帶的包卷方向X垂直的頂線Y和底線Z的凸曲面。凸曲面由包含頂線的中央區域205c和包含底線Z的端 部區域205e構成。端部區域205e夾持中央區域205c。端板205B的環狀帶相對面具有凸部241和凹部243。在端板205B的環狀帶相對 面上，凸部241包含肋，肋241在中央區域205c內形成格子狀。另外，端板205B的環狀帶 相對面具有沿環狀帶的包卷方向X的肋(凸部)241L。凸部241的頂面與環狀帶接觸。另 一方面，凹部243不與環狀帶接觸。另外，在端部區域205e中，不與環狀帶接觸的凹部243的面積較小，而在中央區域 205c中，該面積較大。因此，端部區域205e的接觸面積的比例大於中央區域205c的接觸面 積。圖13是端板205B的從接地面205s側所見的立體圖。如圖13所示，端板205B的 接地面205s具有凸部151。能夠通過凸部151減小端板205B的接地面205s與地面之間的 接觸面積，所以能夠進一步減少向外部釋放的熱量。這樣，本實施方式的燃料電池組在端板B和集電板B之間不具有彈性部件，所以部 件數較少。因此，根據本實施方式，除了實施方式1的效果以外，還提供組裝容易的燃料電 池組。(實施方式3)在實施方式3中，說明在實施方式2的燃料電池組200的端板205B的集電板相對 面的中央處設置了包含凸起的區域的形態。本實施方式的燃料電池組與實施方式2的燃料 電池組200相同，在端板B和集電板B之間不具有彈性部件。除了端板B在集電板相對面的中央處具有包含凸起的區域以外，實施方式3的燃 料電池組300與實施方式2的燃料電池組200相同。因此，在實施方式3中，省略端板B以 外的說明。圖14是實施方式3的端板305B的從其與集電板相對的面側所見的立體圖。如圖 14所示，端板305B在其中央處具有包含從凸部231突出的凸起的區域306 (以下，也稱為 「凸起區域306」)。這裡，「凸起」是指，在端板305B的凸部231的頂面上形成的凸起。圖15是凸起區域306的放大俯視圖。如圖15所示，凸起區域306具有凸起307。 凸起的高度優選是0.05 0. 15mm。凸起區域306既可以如圖15A所示具有多個凸起307， 也可以如圖15B所示具有一個凸起307。如圖15B所示，在凸起區域306僅具有一個凸起 307時，凸起區域306內的凸部231本身形成為高於凸起區域306以外的凸部231。凸起區 域306優選具有長軸和短軸。另外，凸起區域306的短軸優選沿環狀帶的包卷方向X設置。圖16A是圖15A所示的凸起區域306的點劃線AA處的剖面圖。如圖16A所示，優 選的是，凸起區域306的中央的凸起307高於凸起區域306的端部的凸起307。圖16B是 圖15B所示的凸起區域306的點劃線AA處的剖面圖。如圖16B所示，優選的是，在凸起區 域306僅具有一個凸起時，凸起307是凸曲狀，並且凸起307的高度在凸起區域306的中央 處最高。這樣，優選的是，凸起區域306的中央部分的凸起307高於凸起區域306的周圍部 分的凸起307。以下，參照圖17A和圖17B，說明凸起區域306的效果。圖17A所示的燃料電池組 的端板205B不具有凸起區域306，圖17B所示的燃料電池組的端板305B具有凸起區域306。如圖17A所示，在通過環狀帶109保持單元層疊體101、集電板203B和端板205B時，有時端板變形，從而在端板205B和集電板203B之間產生間隙G。在這樣的情況下，不具 有凸起區域306的端板205B無法對集電板203B的中央部分傳遞負荷，從而無法對單元層 疊體101施加均勻的負荷。另一方面，如本實施方式所示，在端板305B具有凸起區域306時，即使在端板305B 變形了時，也能夠通過凸起區域306的凸起307，對集電板203B的中央部分傳遞負荷。因 此，即使在端板變形了時，也能夠對單元層疊體101施加均勻的負荷。另外，如圖17所示，因端板的變形而產生的間隙G在集電板的中央部分附近最大。 因此，如上所述，通過在端板305的集電板相對面的中央處設置凸起區域306，使凸起區域 306的中央部分的凸起307高於凸起區域306的周圍部分的凸起307 (參照圖16)，從而在 端板變形了時，與集電板203B抵接的凸起區域306變得更平坦，能夠對單元層疊體施加均 勻的負荷。另外，因端板的變形而產生的間隙G通常具有長軸和短軸，短軸沿環狀帶的包卷 方向設置。因此，如上所述，通過構成為凸起區域306的短軸沿環狀帶的包卷方向X設置 (參照圖15)，從而在端板變形了時，與集電板203B相接的面變得更平坦，能夠對單元層疊 體施加均勻的負荷。這樣，根據本實施方式，即使在端板變形了時，也能夠對單元層疊體施加均勻的負 荷。本申請主張基於2009年3月17日提交的特願第2009-064152號的日本專利申請 的優先權。該申請說明書中所記載的內容全部被本申請引用。工業實用性在本發明的燃料電池組中，由於向外部釋放的熱量較少，所以作為用於家庭用聯 產系統的燃料電池組極為有用。
權利要求
燃料電池組，包括單元層疊體，其層疊了由膜電極接合體、以及夾持所述膜電極接合體的分離器構成的單電池；一對集電板，其夾持所述單元層疊體並且由集電板A和集電板B構成；一對端板，其夾持所述單元層疊體和所述集電板並且由端板A和端板B構成；以及彈性部件，其配置在所述端板A和所述集電板A之間，所述端板A的與所述集電板A相對的面具有凹凸形狀，所述端板A的凹部保持所述彈性部件，所述凹部的底面具有第二凸部和第二凹部。
2.如權利要求1所述的燃料電池組，所述彈性部件與所述第二凸部的頂面接觸。
3.如權利要求1所述的燃料電池組，所述集電板A具有保持所述彈性部件的凹部， 所述集電板A的凹部的底面具有第三凸部和第三凹部， 所述彈性部件與所述第三凸部的頂面接觸。
4.如權利要求1所述的燃料電池組， 所述彈性部件是螺旋彈簧。
5.如權利要求1所述的燃料電池組，所述端板B的與所述集電板B相對的面具有凹凸形狀。
6.如權利要求5所述的燃料電池組，還包括彈性部件，其配置在所述端板B和所述集電板B之間，所述端板B的凹部保持所述彈性部件，所述凹部的底面具有第二凸部和第二凹部。
7.如權利要求5所述的燃料電池組，在所述端板B和所述集電板B之間不具有彈性部件，所述端板B的與所述集電板B相對的面是與所述集電板B的接觸面，所述端板B的凸 部的頂面與所述集電板B接觸。
8.如權利要求7所述的燃料電池組，與所述集電板B接觸的所述端板B的凸部的頂面的面積的合計為，所述端板B與所述 集電板B相對的區域的面積的10% 30%。
9.如權利要求7所述的燃料電池組，所述端板B的與所述集電板B相對的面的凸部包含所述端板B的與所述集電板B相對 的面上形成的肋，所述肋形成格子狀。
10.如權利要求1所述的燃料電池組，還包括環狀帶，其通過包卷所述單元層疊體、所述一對集電板、以及所述一對端板來進行保持，所述端板的與所述環狀帶相對的面具有凹凸形狀， 所述端板的與所述環狀帶相對的面的凸部的頂面，與所述環狀帶接觸。
11.如權利要求10所述的燃料電池組，所述端板的與所述集電板相對的面具有凹凸形狀，所述端板的與所述集電板相對的面的凸部包含所述端板的與所述集電板相對的面上 形成的肋，所述肋沿所述環狀帶的包卷方向設置。
12.如權利要求10所述的燃料電池組，所述端板的與所述環狀帶相對的面的凸部包含所述端板的與所述環狀帶相對的面上 形成的肋，所述肋沿所述環狀帶的包卷方向設置。
13.如權利要求10所述的燃料電池組，所述端板的與所述環狀帶相對的面是具有與所述環狀帶的包卷方向垂直的頂線和底 線的凸曲面，所述凸曲面由包含所述頂線的中央區域、以及夾持所述中央區域且包含所述底線的端 部區域構成，所述中央區域的曲率半徑大於所述端部區域的曲率半徑。
14.如權利要求13所述的燃料電池組，所述端部區域內的和所述環狀帶接觸的區域的面積與所述端部區域的面積的比例大 於所述中央區域內的和所述環狀帶接觸的區域的面積與所述中央區域的面積的比例。
15.如權利要求1所述的燃料電池組，所述端板由樹脂構成。
全文摘要
本發明的燃料電池組包括單元層疊體，其層疊了由膜電極接合體、以及夾持所述膜電極接合體的分離器構成的單電池；一對集電板，其夾持所述單元層疊體並且由集電板A和集電板B構成；一對端板，其夾持所述單元層疊體和所述集電板並且由端板A和端板B構成；以及彈性部件，其配置在所述端板A和所述集電板A之間，所述端板A的與所述集電板A相對的面具有凹凸形狀，所述端板A的凹部保持所述彈性部件，所述凹部的底面具有第二凸部和第二凹部。
文檔編號H01M8/10GK101990720SQ20108000134
公開日2011年3月23日 申請日期2010年3月5日 優先權日2009年3月17日
發明者川畑德彥, 新井健二, 日下部弘樹, 松本敏宏, 長尾善輝 申請人:松下電器產業株式會社