燃料電池堆的製作方法
2023-04-24 11:43:56 1
本發明涉及一種燃料電池堆，其具有將隔板和在電解質膜的兩面設有電極的電解質膜-電極結構體層疊而成的發電單元，且將多個所述發電單元層疊並在層疊方向兩端配設有端板。
背景技術：
例如，固體高分子型燃料電池具備電解質膜-電極結構體(mea)，該電解質膜-電極結構體在由高分子離子交換膜構成的電解質膜的一面配設有陽極電極，且在另一面配設有陰極電極。電解質膜-電極結構體通過由隔板夾持而構成發電單元(單位單元)。通常，將規定數目的發電單元層疊，從而例如作為車載用燃料電池堆而裝入燃料電池車輛(燃料電池電動機動車等)。
在燃料電池堆中，在隔板的面內設有用於使燃料氣體向陽極電極流動的燃料氣體流路和用於使氧化劑氣體向陰極電極流動的氧化劑氣體流路。另外，在彼此相鄰的發電單元的隔板之間，沿著所述隔板的面方向設有用於使冷卻介質流動的冷卻介質流路。
而且，採用內部歧管型燃料電池堆，該內部歧管型燃料電池堆設有沿層疊方向貫通而使燃料氣體流通的燃料氣體連通孔、使氧化劑氣體流通的氧化劑氣體連通孔、以及使冷卻介質流通的冷卻介質連通孔。燃料氣體連通孔(流體連通孔)具有燃料氣體供給連通孔及燃料氣體排出連通孔，氧化劑氣體連通孔(流體連通孔)具有氧化劑氣體供給連通孔及氧化劑氣體排出連通孔。冷卻介質連通孔(流體連通孔)具有冷卻介質供給連通孔及冷卻介質排出連通孔。
在上述的燃料電池堆中，至少在一方的端板上設有與各流體連通孔相連而將燃料氣體、氧化劑氣體或冷卻介質即流體供給或排出的流體歧管。例如，在專利文獻1公開的燃料電池堆中，在一方的端板上設有樹脂制歧管，並且在所述樹脂制歧管的端部設有保持於所述一方的端板的加強部。
另外，在專利文獻2公開的燃料電池堆中，流體歧管具有橡膠製主體部。在橡膠製主體部上，在與端板接合的接合部上一體地設有橡膠製凸緣部，並且所述橡膠製凸緣部通過固定於所述端板的金屬制止動構件而被按壓保持於該端板。
在先技術文獻
專利文獻1：日本特開2009-224195號公報
專利文獻2：日本特開2015-60716號公報
技術實現要素：
發明要解決的課題
本發明與此種技術相關聯而完成，其目的在於提供一種能夠良好地確保樹脂制流體歧管自身的強度且實現輕量化的燃料電池堆。
用於解決課題的方案
本發明的燃料電池堆具有將隔板和在電解質膜的兩側設有電極的電解質膜-電極結構體層疊而成的發電單元，且將多個所述發電單元層疊並在層疊方向兩端配設有端板。在一方的端板上設有使冷卻介質、燃料氣體或氧化劑氣體即流體流通的樹脂制流體歧管。
在燃料電池堆中，樹脂制流體歧管在與一方的端板抵接的抵接面上藉助肋部而設有多個凹陷部。
另外，在該燃料電池堆中，優選樹脂制流體歧管具備：與一方的端板抵接的歧管基座構件；以及重疊並固定於所述歧管基座構件的歧管罩構件。此時，優選在歧管基座構件的與一方的端板抵接的抵接面上藉助肋部而設有多個凹陷部。
而且，在該燃料電池堆中，優選在歧管基座構件的兩端分別設有使流體沿層疊方向流通的流體連通孔。此時，優選在歧管基座構件上，在流體連通孔之間的區域藉助肋部而設有多個凹陷部。
發明效果
根據本發明，在樹脂制流體歧管的抵接面上藉助肋部而設有多個凹陷部。因此，通過多個凹陷部能夠實現樹脂制流體歧管的薄壁化，且能夠可靠地實現所述樹脂制流體歧管自身的輕量化。並且，在各凹陷部之間設有肋部。因此，通過肋部能夠得到加強功能，能夠良好地確保樹脂制流體歧管自身的強度。
附圖說明
圖1是本發明的實施方式的燃料電池堆的從第二端板側觀察到的立體說明圖。
圖2是所述燃料電池堆的從第一端板側觀察到的局部分解立體說明圖。
圖3是構成所述燃料電池堆的發電單元的主要部分分解立體說明圖。
圖4是構成所述燃料電池堆的冷卻介質供給歧管的分解立體說明圖。
圖5是構成所述冷卻介質供給歧管的歧管基座構件的主視說明圖。
圖6是構成所述冷卻介質供給歧管的歧管罩構件的外表面說明圖。
圖7是所述歧管罩構件的內表面說明圖。
符號說明：
10…燃料電池堆12…發電單元
12as…層疊體18a、18b…端板
26…殼體40…電解質膜-電極結構體
42…陰極隔板44…陽極隔板
46a…氧化劑氣體供給連通孔46b…氧化劑氣體排出連通孔
48a…燃料氣體供給連通孔48b…燃料氣體排出連通孔
50a…冷卻介質供給連通孔50b…冷卻介質排出連通孔
52…固體高分子電解質膜54…陰極電極
56…陽極電極58…氧化劑氣體流路
60…燃料氣體流路62…冷卻介質流路
68a…氧化劑氣體供給歧管68b…氧化劑氣體排出歧管
70a…燃料氣體供給歧管70b…燃料氣體排出歧管
72a…冷卻介質供給歧管72b…冷卻介質排出歧管
74a…歧管基座構件76a…歧管罩構件
77a、77b…螺紋孔78a…冷卻介質入口
81a…密封構件82a、98a…凹陷部
83a、100a…肋部84a、94a、96a…孔部
86a…內螺紋構件88a、88b…主體部
89a…冷卻介質流通路92a…凸緣部
106a、110a…圓筒狀套管構件
具體實施方式
如圖1及圖2所示，本發明的實施方式的燃料電池堆10例如搭載於未圖示的燃料電池電動機動車。燃料電池堆10具備將多個發電單元12以電極面成為立位姿態的方式沿水平方向(箭頭b方向)層疊而成的層疊體12as(參照圖2)。需要說明的是，燃料電池堆10也可以使多個發電單元12沿重力方向(箭頭c方向)層疊。
如圖2所示，在發電單元12的層疊方向一端(層疊體12as的一端)，朝向外側而依次配設有第一接線板14a、第一絕緣板16a及第一端板18a。在發電單元12的層疊方向另一端(層疊體12as的另一端)，朝向外側而依次配設有第二接線板14b、第二絕緣板16b及第二端板18b。
與第一接線板14a連接的第一電力輸出端子20a從橫長形狀(長方形形狀)的第一端板18a的大致中央部(也可以從中央部偏心)朝向外側延伸。與第二接線板14b連接的第二電力輸出端子20b從橫長形狀(長方形形狀)的第二端板18b的大致中央部(也可以從中央部偏心)朝向外側延伸。
在第一端板18a與第二端板18b的各邊之間，通過螺釘24固定連結杆22的兩端，對多個層疊的發電單元12施加層疊方向(箭頭b方向)的緊固載荷。
燃料電池堆10根據需要而具備殼體26。殼體26的箭頭b方向兩端的兩邊(面)由第一端板18a及第二端板18b構成。殼體26的箭頭a方向兩端的兩邊(面)由橫長板形狀的第一側板28a及第二側板28b構成。殼體26的高度方向(箭頭c方向)兩端的兩邊(面)由上方側板30a及下方側板30b構成。上方側板30a及下方側板30b具有橫長板形狀。
如圖2所示，在第一端板18a及第二端板18b的各邊上設有螺紋孔32。在第一側板28a、第二側板28b、上方側板30a及下方側板30b上，與各螺紋孔32對置而形成有孔部34。通過使插入到各孔部34中的螺釘36與各螺紋孔32螺合，由此將殼體26固定為一體。
如圖3所示，發電單元12具備電解質膜-電極結構體40和夾持所述電解質膜-電極結構體40的陰極隔板42及陽極隔板44。
陰極隔板42及陽極隔板44例如由鋼板、不鏽鋼板、鋁板、鍍敷處理鋼板、或對其金屬表面實施了防腐蝕用的表面處理的金屬板構成。陰極隔板42及陽極隔板44的平面具有矩形形狀，並通過將金屬制薄板衝壓加工成波形形狀而成形為截面凹凸形狀。需要說明的是，陰極隔板42及陽極隔板44也可以代替金屬隔板而例如使用碳隔板。
在發電單元12的長邊方向(箭頭a方向)的一端緣部，沿箭頭b方向相互連通而設有氧化劑氣體供給連通孔46a及燃料氣體排出連通孔48b。氧化劑氣體供給連通孔46a供給氧化劑氣體(流體)、例如含氧氣體，另一方面，燃料氣體排出連通孔48b排出燃料氣體(流體)、例如含氫氣體。
在發電單元12的長邊方向的另一端緣部，沿箭頭b方向相互連通而設有用於供給燃料氣體的燃料氣體供給連通孔48a和用於排出氧化劑氣體的氧化劑氣體排出連通孔46b。
在發電單元12的短邊方向(箭頭c方向)的兩端緣部一側(水平方向一端側)，即、在氧化劑氣體供給連通孔46a及燃料氣體排出連通孔48b側，上下地設有冷卻介質供給連通孔50a。為了供給冷卻介質(流體)，冷卻介質供給連通孔50a沿箭頭b方向分別連通，且在對置的邊上下地各設有一個(也可以各設有兩個)。
在發電單元12的短邊方向的兩端緣部另一側(水平方向另一端側)，即、在燃料氣體供給連通孔48a及氧化劑氣體排出連通孔46b側，上下地設有冷卻介質排出連通孔50b。為了排出冷卻介質(流體)，冷卻介質排出連通孔50b沿箭頭b方向分別連通，且在對置的邊上下地各設有一個(也可以各設有兩個)。
電解質膜-電極結構體40具備例如在全氟磺酸的薄膜中浸漬水而成的固體高分子電解質膜52和夾持所述固體高分子電解質膜52的陰極電極54及陽極電極56。
陰極電極54及陽極電極56具有由碳紙等構成的氣體擴散層(未圖示)。將表面擔載有鉑合金的多孔碳粒子均勻地塗敷於氣體擴散層的表面，由此形成電極催化劑層(未圖示)。電極催化劑層形成在固體高分子電解質膜52的兩面。
在陰極隔板42的朝向電解質膜-電極結構體40的面42a上形成有將氧化劑氣體供給連通孔46a和氧化劑氣體排出連通孔46b連通的氧化劑氣體流路58。氧化劑氣體流路58由沿箭頭a方向延伸的多根波狀流路槽(或直線狀流路槽)形成。
在陽極隔板44的朝向電解質膜-電極結構體40的面44a上形成有將燃料氣體供給連通孔48a和燃料氣體排出連通孔48b連通的燃料氣體流路60。燃料氣體流路60由沿箭頭a方向延伸的多根波狀流路槽(或直線狀流路槽)形成。
在彼此相鄰的陽極隔板44的面44b與陰極隔板42的面42b之間形成有與冷卻介質供給連通孔50a、50a和冷卻介質排出連通孔50b、50b連通的冷卻介質流路62。冷卻介質流路62沿水平方向延伸，使冷卻介質在電解質膜-電極結構體40的電極範圍內流通。
在陰極隔板42的面42a、42b上，環繞該陰極隔板42的外周端緣部而一體成形有第一密封構件64。在陽極隔板44的面44a、44b上，環繞該陽極隔板44的外周端緣部而一體成形有第二密封構件66。
作為第一密封構件64及第二密封構件66，例如使用epdm、nbr、氟橡膠、矽酮橡膠、氟矽酮橡膠、丁基橡膠、天然橡膠、丁苯橡膠、氯丁二烯或丙烯酸橡膠等密封件、緩衝件、或填密件等具有彈性的密封構件。
如圖2所示，在第一端板18a上安裝有氧化劑氣體供給歧管68a、氧化劑氣體排出歧管68b、燃料氣體供給歧管70a及燃料氣體排出歧管70b。氧化劑氣體供給歧管68a、氧化劑氣體排出歧管68b、燃料氣體供給歧管70a及燃料氣體排出歧管70b由具有電絕緣性的樹脂構成。
氧化劑氣體供給歧管68a和氧化劑氣體排出歧管68b與氧化劑氣體供給連通孔46a和氧化劑氣體排出連通孔46b連通。燃料氣體供給歧管70a和燃料氣體排出歧管70b與燃料氣體供給連通孔48a和燃料氣體排出連通孔48b連通。
如圖1所示，在第二端板(一方的端板)18b上，安裝有與上下各一個的冷卻介質供給連通孔50a連通的樹脂制的冷卻介質供給歧管(樹脂制流體歧管)72a。在第二端板18b上，安裝有與上下各一個的冷卻介質排出連通孔50b連通的樹脂制的冷卻介質排出歧管(樹脂制流體歧管)72b。優選冷卻介質供給歧管72a及冷卻介質排出歧管72b具有電絕緣性。
如圖1及圖4所示，冷卻介質供給歧管72a具備與第二端板18b抵接的歧管基座構件74a。歧管基座構件74a與歧管罩構件76a固定，並且所述歧管罩構件76a安裝於第二端板18b。在第二端板18b上，與各冷卻介質供給連通孔50a接近而分別形成有四個螺紋孔77a，另一方面，與各冷卻介質排出連通孔50b接近而分別形成有四個螺紋孔77b(參照圖1)。
歧管基座構件74a具有大致平板形狀，在所述歧管基座構件74a的上部及下部分別設有與冷卻介質供給連通孔50a連通為一體的冷卻介質入口(流體連通孔)78a。在歧管基座構件74a的朝向歧管罩構件76a的面74a(in)上，形成有圍繞上下的冷卻介質入口78a的環形槽部80a。在環形槽部80a配置有密封構件81a。
如圖1及圖5所示，在歧管基座構件74a的與第二端板18b抵接的面74a(out)上，在一對冷卻介質入口78a之間的區域藉助肋部83a而設有多個凹陷部82a。肋部83a的高度比歧管基座構件74a的面74a(out)的高度低，即，肋部83a與所述面74a(out)相比向內側分離而形成，從而在肋部83a與第二端板18b的表面之間設有間隙。
凹陷部82a例如為蜂窩形狀，所述凹陷部82a彼此由正六邊形狀的肋部83a分隔。凹陷部82a的深度h相對於歧管基座構件74a的厚度t例如設定在h/t＝0.1～0.7程度的範圍內。需要說明的是，凹陷部82a除了蜂窩形狀以外，還能夠設定為三角形、四邊形等多邊形形狀、或圓形狀等各種形狀。
如圖4所示，在歧管基座構件74a的面74a(in)上，在各冷卻介質入口78a的周圍藉助肋部87a而設有多個凹陷部85a。肋部87a的高度比歧管基座構件74a的面74a(in)的高度低，即，肋部87a與所述面74a(in)相比向內側分離而形成，從而在肋部87a與歧管罩構件76a的表面之間設有間隙。凹陷部85a的深度h相對於歧管基座構件74a的厚度t例如設定在h/t＝0.1～0.7程度的範圍內。凹陷部85a除了蜂窩形狀以外，還能夠設定為三角形、四邊形等多邊形形狀、或圓形狀等各種形狀。
在歧管基座構件74a的上部，在兩角部分別上下地各形成有兩個孔部84a。在歧管基座構件74a的下部，在兩角部分別上下地各形成有兩個孔部84a。各孔部84a與第二端板18b的各螺紋孔77a配置在同軸上。在歧管基座構件74a的高度方向(箭頭c方向)大致中央部，在箭頭a方向兩側分別埋設有上下兩個金屬制的內螺紋構件86a。
如圖4及圖6所示，歧管罩構件76a設有框體狀的主體部88a，該主體部88a形成與歧管基座構件74a的上下的冷卻介質入口78a連通的冷卻介質流通路89a。在主體部88a的高度方向大致中央部，朝向水平方向(或從水平方向傾斜)設有作為冷卻介質供給口的入口管路部90a。在主體部88a的外周緣部設有凸緣部92a。
如圖4所示，在凸緣部92a的上部，在兩角部分別上下地各形成有兩個孔部94a。在凸緣部92a的下部，在兩角部分別上下地各形成有兩個孔部94a。在凸緣部92a的高度方向(箭頭c方向)大致中央部，在箭頭a方向兩側分別上下地各形成有兩個孔部96a。
凸緣部92a的孔部94a與歧管基座構件74a的孔部84a配置在同軸上，另一方面，所述凸緣部92a的孔部96a與所述歧管基座構件74a的金屬制的內螺紋構件86a形成在同軸上。
如圖7所示，在歧管罩構件76a的內側(與歧管基座構件74a對置的一側)的面76a(in)上，環繞冷卻介質流通路89a而藉助肋部100a設有多個凹陷部98a。凹陷部98a與凹陷部82a同樣地具有蜂窩形狀，但還能夠設定為多邊形形狀或圓形狀等各種形狀。
如圖4及圖6所示，在歧管罩構件76a的外側的面76a(out)上，環繞主體部88a的外周而藉助肋部100a設有多個凹陷部98a。
如圖4所示，在各孔部94a中例如配設有金屬制的圓筒狀套管構件106a。圓筒狀套管構件106a以從孔部94a向孔部84a插入且前端與第二端板18b的板面抵接的方式設定軸向的長度。
向圓筒狀套管構件106a內插入緊固連結螺栓(六角螺栓)108a，並使所述緊固連結螺栓108a與螺紋孔77a螺合，由此將冷卻介質供給歧管72a固定於第二端板18b。
如圖4所示，在各孔部96a中例如配設有金屬制的圓筒狀套管構件110a。圓筒狀套管構件110a以向孔部96a插入且前端與歧管基座構件74a的內螺紋構件86a的端面抵接的方式設定軸向的長度。
向圓筒狀套管構件110a內插入緊固連結螺栓(六角螺栓)112a，並使所述緊固連結螺栓112a與內螺紋構件86a螺合，由此將歧管罩構件76a固定於歧管基座構件74a。
如圖1所示，冷卻介質排出歧管72b固定於第二端板18b。需要說明的是，在冷卻介質排出歧管72b中，對與冷卻介質供給歧管72a相同的構成要素，在同一參照數字後面代替a而標註b，並省略其詳細的說明。
在冷卻介質排出歧管72b的上部及下部，分別設有與冷卻介質排出連通孔50b連通為一體的冷卻介質出口(流體連通孔)78b。在冷卻介質排出歧管72b中，在構成歧管罩構件76b的主體部88b的高度方向大致中央部，朝向水平方向(或從水平方向傾斜)設有作為冷卻介質排出口的出口管路部90b。
以下，對這樣構成的燃料電池堆10的動作進行說明。
首先，如圖2所示，從第一端板18a的氧化劑氣體供給歧管68a向氧化劑氣體供給連通孔46a供給含氧氣體等氧化劑氣體。從第一端板18a的燃料氣體供給歧管70a向燃料氣體供給連通孔48a供給含氫氣體等燃料氣體。
並且，如圖1所示，在第二端板18b中，從冷卻介質供給歧管72a的入口管路部90a向主體部88a的冷卻介質流通路89a內供給純水、乙二醇、油等冷卻介質。冷卻介質向與冷卻介質流通路89a的上下連通的各冷卻介質供給連通孔50a分配。
因此，如圖3所示，氧化劑氣體從氧化劑氣體供給連通孔46a向陰極隔板42的氧化劑氣體流路58導入。氧化劑氣體沿著氧化劑氣體流路58向箭頭a方向移動，向電解質膜-電極結構體40的陰極電極54供給。
另一方面，燃料氣體從燃料氣體供給連通孔48a向陽極隔板44的燃料氣體流路60供給。燃料氣體沿著燃料氣體流路60向箭頭a方向移動，向電解質膜-電極結構體40的陽極電極56供給。
因此，在電解質膜-電極結構體40中，向陰極電極54供給的氧化劑氣體與向陽極電極56供給的燃料氣體在電極催化劑層內通過電化學反應被消耗，從而進行發電。
接下來，向電解質膜-電極結構體40的陰極電極54供給而被消耗了一部分的氧化劑氣體沿著氧化劑氣體排出連通孔46b向箭頭b方向排出。另一方面，向電解質膜-電極結構體40的陽極電極56供給而被消耗了一部分的燃料氣體沿著燃料氣體排出連通孔48b向箭頭b方向排出。
另外，向上下的冷卻介質供給連通孔50a供給的冷卻介質向彼此相鄰的陰極隔板42與陽極隔板44之間的冷卻介質流路62導入。冷卻介質從上下的冷卻介質供給連通孔50a暫時向相互接近的方向流動之後、即沿箭頭c方向朝內側流動之後，向箭頭a方向移動而對電解質膜-電極結構體40進行冷卻。冷卻介質朝箭頭c方向外側向相互分離的方向移動後，沿著上下的冷卻介質排出連通孔50b向箭頭b方向排出。
如圖1所示，冷卻介質從上下各一個的冷卻介質排出連通孔50b向冷卻介質排出歧管72b的主體部88b內的冷卻介質流通路89b排出。冷卻介質向主體部88b的中央側流通之後，從出口管路部90b向外部排出。
在該情況下，在本實施方式中，如圖1及圖5所示，在歧管基座構件74a的面74a(out)上，在一對冷卻介質入口78a之間的區域藉助肋部83a而設有多個凹陷部82a。
因此，歧管基座構件74a通過多個凹陷部82a而能夠實現薄壁化，且能夠可靠地實現所述歧管基座構件74a自身的輕量化。並且，在各凹陷部82a之間設有肋部83a。因此，通過肋部83a能夠得到加強功能，能夠良好地確保歧管基座構件74a自身的強度。
並且，肋部83a的高度比歧管基座構件74a的面74a(out)的高度形成得低，在肋部83a與第二端板18b的表面之間設有間隙。由此，通過第二端板18b和肋部83a構成空氣室，能夠抑制從所述第二端板18b散熱。而且，歧管基座構件74a只要使肋部83a比外周面形成得低，僅使所述外周面確保平面度即可。因此，精度的管理變得容易。
另外，如圖4所示，在歧管基座構件74a的面74a(in)上，與各冷卻介質入口78a的周圍對應而藉助肋部87a設有多個凹陷部85a。由此，具有進一步促進歧管基座構件74a自身的輕量化這樣的優點。
另一方面，如圖7所示，在歧管罩構件76a的面76a(in)上，環繞冷卻介質流通路89a而藉助肋部100a設有多個凹陷部98a。因此，歧管罩構件76a通過多個凹陷部98a而能夠實現薄壁化，能夠可靠地實現所述歧管罩構件76a自身的輕量化。並且，在各凹陷部98a之間設有肋部100a。因此，通過肋部100a能夠得到加強功能，能夠良好地確保歧管罩構件76a自身的強度。
並且，如圖6所示，在歧管罩構件76a的面76a(out)上，環繞主體部88a的外周而藉助肋部100a設有多個凹陷部98a。由此，進一步促進歧管基座構件74a自身的輕量化，能夠良好地確保冷卻介質供給歧管72a整體的強度，並且能夠實現輕量化。另外，在冷卻介質排出歧管72b中，能夠得到與上述的冷卻介質供給歧管72a同樣的效果。
需要說明的是，在本實施方式中，冷卻介質供給歧管72a由歧管基座構件74a及歧管罩構件76a分體地構成，但並不限定於此。例如，也可以通過將歧管基座構件74a及歧管罩構件76a一體成形，從而將冷卻介質供給歧管72a構成為單一部件。另一方面，冷卻介質排出歧管72b也可以同樣地構成為單一部件。