燃料電池堆的制作方法
【專利摘要】一種燃料電池堆(FS)，其是在具有凹部(2B)和凸部(2A)的一對隔膜(2、2)之間夾持膜電極接合體(1)而形成單電池(C)、并且層疊該單電池(C)而形成的，其中，該燃料電池堆(FS)設(shè)為如下結(jié)構(gòu)：在單電池(2、2)彼此之間形成有冷卻液的流通空間(F)，在流通空間(F)內(nèi)配置有用于吸收單電池(C)之間的位移的位移吸收構(gòu)件(10)，位移吸收構(gòu)件(10)包括具有自由端(J)和固定端(K)的彈簧功能部(10B)，該位移吸收構(gòu)件(10)具有用于防止彈簧功能部(10B)的自由端(J)進(jìn)入凹部(2A)內(nèi)的防止進(jìn)入部件(2A、5)，在良好地維持單電池(C)之間的位移吸收功能的同時實現(xiàn)了小型化。
【專利說明】燃料電池堆

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及固體高分子型燃料電池(PEFC)等燃料電池，特別是涉及具有使冷卻液在層疊后的單電池彼此之間流通的結(jié)構(gòu)的燃料電池堆。

【背景技術(shù)】
[0002]以往，作為如上所述的燃料電池堆，有例如在專利文獻(xiàn)I中記載為燃料電池的燃料電池堆。專利文獻(xiàn)I所記載的燃料電池是層疊了多片燃料電池單元而成的燃料電池。燃料電池單元在MEA(膜電極接合體)的兩側(cè)包括具有凹凸形狀截面的氫極和包含相同的凹凸形狀截面的排水層的氧極，并且，在氫極和氧極之間具有分別形成氫流路和氧流路的平板隔膜。另外，燃料電池在氧極側(cè)具有冷媒流路部。
[0003]冷媒流路部包括兩片平板隔膜和被夾在這兩片平板隔膜之間的預(yù)壓板，將兩片平板隔膜之間作為冷卻水的流路。預(yù)壓板形成為波形狀截面，通過使因燃料電池的各個構(gòu)成元件的形狀誤差而局部產(chǎn)生的載荷分散，從而對各個構(gòu)成元件施加均勻的載荷。
_4] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)_5] 專利文獻(xiàn)
[0006]專利文獻(xiàn)1:日本特許第4432518號公報


【發(fā)明內(nèi)容】

_7] 發(fā)明要解決的問題
[0008]可是，這種燃料電池堆在作為汽車等車輛的電源進(jìn)行使用的情況下，搭載空間被限制得較窄，因此小型化也非常重要。然而，在如上所述的以往的燃料電池堆(燃料電池)中，由于單電池(燃料電池單元)是具有凹凸形狀截面的電極、平板隔膜以及預(yù)壓板的組合，因此難以在維持位移吸收功能的同時將單電池設(shè)為薄型，難以實現(xiàn)燃料電池堆的小型化。
[0009]本發(fā)明是鑒于上述以往的狀況而做成的，其目的在于提供一種具有使冷卻液在層疊后的單電池彼此之間流通的結(jié)構(gòu)、且能夠在良好地維持單電池之間的位移吸收功能的同時實現(xiàn)小型化的燃料電池堆。
[0010]用于解決問題的方案
[0011]本發(fā)明的燃料電池堆具有如下結(jié)構(gòu):在具有凹部和凸部的一對隔膜之間夾持膜電極接合體而形成單電池，并且層疊該單電池而形成。
[0012]而且，燃料電池堆設(shè)為如下結(jié)構(gòu):在單電池彼此之間形成有冷卻液的流通空間，在流通空間內(nèi)配置有用于吸收單電池之間的位移的位移吸收構(gòu)件，位移吸收構(gòu)件包括具有自由端和固定端的彈簧功能部，該位移吸收構(gòu)件具有用于防止彈簧功能部的自由端進(jìn)入凹部內(nèi)的防止進(jìn)入部件，將燃料電池堆的上述結(jié)構(gòu)作為用于解決以往的問題的方案。
[0013]發(fā)明的效果
[0014]本發(fā)明的燃料電池堆具有使冷卻液在層疊后的單電池彼此之間流通的結(jié)構(gòu)，能夠在良好地維持單電池之間的位移吸收功能的同時實現(xiàn)小型化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是說明本發(fā)明的燃料電池堆的第I實施方式的分解狀態(tài)的立體圖㈧和表示組裝后的立體圖(B)。
[0016]圖2是說明單電池的結(jié)構(gòu)的分解狀態(tài)的俯視圖㈧和表示組裝后的俯視圖⑶。
[0017]圖3是燃料電池堆的凹凸寬度方向的剖視圖(A)和凹凸形狀的連續(xù)方向的剖視圖⑶。
[0018]圖4是說明位移吸收構(gòu)件的立體圖(A)和說明彈簧功能部的動作的側(cè)視圖(B)。
[0019]圖5是說明本發(fā)明的燃料電池堆的第2實施方式的各個剖視圖㈧⑶。
[0020]圖6是說明本發(fā)明的燃料電池堆的第3實施方式的各個剖視圖㈧⑶。
[0021]圖7是說明本發(fā)明的燃料電池堆的第4實施方式的立體圖。
[0022]圖8是說明本發(fā)明的燃料電池堆的第5實施方式的凹凸形狀的連續(xù)方向的剖視圖(A)和立體圖⑶。
[0023]圖9是說明本發(fā)明的燃料電池堆的第6實施方式的剖視圖㈧和位移吸收構(gòu)件的立體圖⑶。
[0024]圖10是與圖9 一起說明燃料電池堆的第6實施方式的立體圖。
[0025]圖11是說明本發(fā)明的燃料電池堆的第7實施方式的立體圖。
[0026]圖12是說明本發(fā)明的燃料電池堆的第8實施方式的立體圖(A)和主要部分的放大立體圖(B)。
[0027]圖13是說明本發(fā)明的燃料電池堆的第9實施方式的立體圖。
[0028]圖14是說明本發(fā)明的燃料電池堆的第10實施方式的立體圖(A)和主要部分的放大剖視圖(B)。
[0029]圖15是說明本發(fā)明的燃料電池堆的第11實施方式的立體圖。
[0030]圖16是說明本發(fā)明的燃料電池堆的第12實施方式的立體圖。
[0031]圖17是表示本發(fā)明的燃料電池堆的第13實施方式的說明圖。
[0032]圖18是說明本發(fā)明的燃料電池堆的第14實施方式的剖視圖。
[0033]圖19是說明本發(fā)明的燃料電池堆的第15實施方式的剖視圖。

【具體實施方式】
[0034]〈第I實施方式〉
[0035]圖1所示的燃料電池堆FS以圖1的(A)所示的單電池C為發(fā)電要素，并在相對于層疊該單電池C而成的層疊體A而言的層疊方向的一端部(在圖1中為右側(cè)端部)隔著集電板54A和隔板55設(shè)有端板56A，并且在另一端部隔著集電板54B設(shè)有端板56B。另外，燃料電池堆FS在相對于層疊體A而言成為單電池C的長邊側(cè)的兩個面(在圖1中為上下表面)上設(shè)有連結(jié)板57A、57B，并且在成為短邊側(cè)的兩面上設(shè)有增強(qiáng)板58A、58B。
[0036]而且，燃料電池堆FS利用螺栓B將各個連結(jié)板57A、57B和增強(qiáng)板58A、58B連結(jié)于兩個端板56A、56B。這樣，燃料電池堆FS成為如圖1的(B)所示的殼體一體型結(jié)構(gòu)，將層疊體A沿其層疊方向進(jìn)行約束、加壓而對各個單電池C施加預(yù)定的接觸表面壓力，良好地維持氣體密封性、導(dǎo)電性等。
[0037]如圖2所示，燃料電池單元C具有由一對隔膜2、2夾持著膜電極接合體I的結(jié)構(gòu)。另外，圖示例的膜電極接合體I在其外周部一體地具有樹脂制的框架51。
[0038]膜電極接合體I 一般被稱作MEA (Membrane Electrode Assembly),例如具有由成對的電極層即空氣極層(陰極)和燃料極層(陽極)夾持著由固體高分子構(gòu)成的電解質(zhì)層而成的結(jié)構(gòu)。該膜電極接合體I向空氣極層供給另一方的反應(yīng)用氣體即陰極氣體(含氧氣體/空氣)，并且向燃料極層供給一方的反應(yīng)用氣體即陽極氣體(含氫氣體)，通過電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行發(fā)電。另外，作為膜電極接合體1，也包括在空氣極層與燃料極層的表面具有由碳紙、多孔質(zhì)體等構(gòu)成的氣體擴(kuò)散層的膜電極接合體。
[0039]框架51通過樹脂成形(例如注塑成形)而與膜電極接合體I 一體化，在該實施方式中，將膜電極接合體I設(shè)于中央而使框架51形成為長方形狀。另外，框架51在兩端部分別排列有各三個的歧管孔Hl?歧管孔H6，各個從歧管孔組到膜電極接合體I為止的區(qū)域成為擴(kuò)散部D。該框架51和兩個隔膜2、2均是具有大致相等的縱橫尺寸的長方形狀。
[0040]而且，框架51在擴(kuò)散部D縱橫排列有圓形狀的多個突部52。在因膜電極接合體I的時效變化等而在單電池C上產(chǎn)生了厚度方向的位移時，這些突部52與隔膜2、2接觸而維持反應(yīng)用氣體的流通空間。
[0041]各個隔膜2例如是不銹鋼制，至少與膜電極接合體I對應(yīng)的中央部分形成為凹凸形狀截面。該隔膜2在長邊方向、即冷卻液的流通方向(在圖2中為左右方向)上連續(xù)地具有凹凸形狀截面，在與膜電極接合體I之間，由波形的凹部形成陽極氣體和陰極氣體的氣體流路(圖3中的附圖標(biāo)記3)。另外，各個隔膜2在兩個端部具有與框架51的各個歧管孔Hl?歧管孔H6相同的歧管孔Hl?歧管孔H6。
[0042]上述框架51及膜電極接合體I與兩個隔膜2、2重疊而構(gòu)成單電池C。此時，特別是如圖2的(B)所示，單電池C在中央具有膜電極接合體I的區(qū)域即發(fā)電部G。而且，在發(fā)電部G的兩側(cè)具有用于進(jìn)行反應(yīng)用氣體的供給及排出的歧管部M和作為反應(yīng)用氣體的從各個歧管部M到發(fā)電部G的流通區(qū)域的擴(kuò)散部D。
[0043]在圖2的⑶的左側(cè)所示的一個歧管部M中，各個歧管孔Hl?歧管孔H3為陰極氣體供給用(Hl)、冷卻流體供給用(H2)以及陽極氣體供給用(H3)，在層疊方向上相互連通而形成各個流路。另外，在圖2的(B)的右側(cè)所示的另一個歧管部M中，各個歧管孔H4?歧管孔H6為陽極氣體排出用(H4)、冷卻流體排出用(H5)以及陰極氣體排出用(H6)，在層疊方向相互連通而形成各個流路。另外，供給用與排出用的歧管孔的位置關(guān)系也可以一部分或全部相反。
[0044]而且，如圖2所示，單電池C在框架51與各個隔膜2的邊緣部彼此之間、在歧管孔Hl?歧管孔H6的周圍設(shè)有氣體密封件SL。另外，在層疊了多片單電池C的狀態(tài)下，在單電池C彼此之間、即相鄰的隔膜2彼此之間也設(shè)置氣體密封件SL。在該實施方式中，如后所述，是使冷卻液在相鄰的隔膜2、2之間流通的結(jié)構(gòu)。
[0045]上述氣體密封件SL在各個層之間氣密地分離出陰極氣體、陽極氣體及冷卻液各自的流通區(qū)域，并且為了供預(yù)定的流體在該層之間流動而在歧管孔Hl?歧管孔H6的周緣部的適當(dāng)部位設(shè)置開口。
[0046]層疊多片具有上述結(jié)構(gòu)的單電池C，構(gòu)成圖1所示的燃料電池堆FS。如圖3的(A)所示，燃料電池堆FS在相鄰的單電池C彼此之間形成冷卻液的流通空間F，并且具有配置在上述流通空間F內(nèi)而用于吸收單電池C之間的位移的位移吸收構(gòu)件10。
[0047]在此，如上所述，隔膜2、2在冷卻液的流通方向(圖3B中的箭頭A方向)上連續(xù)地具有凹凸形狀截面，在與膜電極接合體I之間，利用波形的凹部形成陽極氣體和陰極氣體的氣體流路3、3。圖示例的隔膜2是將四邊形截面的凸部2A和凹部2B交替配置而形成凹凸形狀截面。因此，凸部2A的上表面為平面。
[0048]而且，在燃料電池堆FS中，流通空間F內(nèi)的冷卻液的流通方向(圖3中的箭頭A方向)與各個氣體流路3、3內(nèi)的陽極氣體的流通方向(圖3中的箭頭B方向)及陰極氣體的流通方向(圖3中的箭頭C方向)成為同一方向。
[0049]上述隔膜2具有正反翻轉(zhuǎn)的形狀。因而，隔膜2的向流通空間F側(cè)突出的凸部2A在與其相反的一側(cè)成為凹部，向流路空間F側(cè)開放的凹部2B在與其相反的一側(cè)成為凸部。這種隔膜2例如能夠通過沖壓加工來進(jìn)行制造，借助該凹凸形狀，機(jī)械強(qiáng)度增加，而且能夠在兩面?zhèn)刃纬闪髀罚虼四軌驅(qū)崿F(xiàn)膜電極接合體I的薄型化、單電池C的薄型化。
[0050]另外，膜電極接合體I與各個隔膜2之間、相鄰的單電池C彼此之間、即流路空間F在外周部設(shè)有合適的氣體密封件，在各個層之間，通過未圖示的供給通路和排出通路，使陽極氣體、陰極氣體以及冷卻液流通。
[0051]簡單來說，位移吸收構(gòu)件10是與隔膜2之間的接觸部分伴隨著厚度方向的變形而沿著面內(nèi)方向(在圖3B中為左右方向)移動的構(gòu)件。該位移吸收構(gòu)件10配置為接觸部分的移動方向成為隔膜2的凹凸形狀的連續(xù)方向。另外，凹凸形狀的連續(xù)方向是指凹凸形狀的截面連續(xù)的方向(凸部2A和凹部2B的長度方向)，不是凹凸交替相連的方向。
[0052]另外，如后所述，位移吸收構(gòu)件10包括具有自由端J和固定端K的彈簧功能部1B0該位移吸收構(gòu)件10配置為使彈簧功能部1B的自由端J的移動方向與隔膜2的凹部2B的連續(xù)方向(在圖3B中為左右方向)一致、并且使自由端J與隔膜2的凸部2A接觸。而且，位移吸收構(gòu)件10具有用于防止彈簧功能部1B的自由端J進(jìn)入凹部2B內(nèi)的防止進(jìn)入部件。
[0053]另外如圖4的(A)所示，該實施方式的位移吸收構(gòu)件10構(gòu)成為:以薄金屬板為原材料，具有導(dǎo)電性以兼用作單電池C之間的連接器，并在基板1A的單面上縱橫排列有許多的彈簧功能部10B。由此，位移吸收構(gòu)件10的基板1A與隔著流通空間F相對的一對隔膜
2、2中的一個隔膜2 (在圖3中為單電池C的下側(cè)的隔膜)相接觸，彈簧功能部1B與另一個隔膜2 (在圖3中為單電池C的上側(cè)的隔膜)相接觸。
[0054]彈簧功能部1B形成為將基端設(shè)為向基板1A固定的固定端K且將頂端側(cè)設(shè)為自由端J的懸臂梁結(jié)構(gòu)的舌片狀。該彈簧功能部1B如圖4的(B)所示，伴隨著厚度方向的變形，與基板1A之間的角度發(fā)生變化，與隔膜2之間的接觸部分即自由端J的頂端在箭頭所示的面內(nèi)方向即凹凸形狀的連續(xù)方向上位移。
[0055]另外，位移吸收構(gòu)件10形成為各個彈簧功能部1B自基板1A切開翹起的狀態(tài)。由此，基板1A在各個彈簧功能部1B的下側(cè)具有由于彈簧功能部1B的切開翹起而形成的開口部10C。而且，位移吸收構(gòu)件10以使各個彈簧功能部1B中的至少一個彈簧功能部1B的自由端J朝向冷卻液的流通方向下游側(cè)的狀態(tài)配置，在圖示例中，所有的彈簧功能部1B為相同的朝向。
[0056]具有上述結(jié)構(gòu)的燃料電池堆FS由于單電池C是具有凹凸形狀截面的隔膜2與位移吸收構(gòu)件10的組合，因此以預(yù)定的流路面積高效地配置氣體流路3、冷卻液的流通空間F，實現(xiàn)單電池C的薄型化。
[0057]另外，燃料電池堆FS利用位移吸收構(gòu)件10吸收單電池C之間的位移。此時，燃料電池堆FS以使位移吸收構(gòu)件10的彈簧功能部1B的朝向與隔膜2的凹凸形狀的連續(xù)方向一致的方式配置，并且彈簧功能部1B所接觸的隔膜2的凸部2A的上表面為平面。
[0058]由此，在燃料電池堆FS中，伴隨著位移吸收構(gòu)件10的厚度方向的變形，即使如圖3的(B)所示那樣彈簧功能部1B的自由端J與隔膜2之間的接觸部分移動，彈簧功能部1B的自由端J也始終與凸部2A的上表面接觸，而不會落入凹部2B，因此能夠充分地發(fā)揮位移吸收構(gòu)件10的位移吸收功能。即，在該實施方式中，隔膜2的凸部2A相當(dāng)于用于防止彈簧功能部1B的自由端J進(jìn)入凹部2B內(nèi)的防止進(jìn)入部件。而且，燃料電池堆FS由于彈簧功能部1B的自由端J與隔膜2的凸部2A面接觸，因此還能夠減少隔膜2與位移吸收構(gòu)件10之間的接觸電阻。
[0059]這樣，燃料電池堆FS具有使冷卻液在層疊后的單電池C彼此之間流通的結(jié)構(gòu)，并且能夠在良好地維持單電池C之間的位移吸收功能的同時實現(xiàn)小型化。
[0060]另外，燃料電池堆FS在流通空間F內(nèi)以使各個彈簧功能部1B的自由端J朝向冷卻液的流通方向下游側(cè)的狀態(tài)配置有位移吸收構(gòu)件10,因此冷卻液變得易于流動，能夠減少冷卻液的壓力損失。
[0061]而且，燃料電池堆FS由于流通空間F內(nèi)的冷卻液的流通方向(在圖3中為箭頭A方向)與氣體流路3、3內(nèi)的氣體的流通方向(在圖3中為箭頭A、B方向)為同一方向，特別是將冷卻液的流通方向(在圖3中為箭頭A方向)與陽極氣體的流通方向(箭頭B方向)設(shè)為同一方向，因此能夠容易地進(jìn)行膜電極接合體I的反應(yīng)面的溫度控制、即反應(yīng)面的氣體流動方向的溫度場的控制。
[0062]圖5?圖8是說明本發(fā)明的燃料電池堆的第2?第5實施方式的圖。另外，在以下各個實施方式中，對與第I實施方式相同的構(gòu)成部位標(biāo)注相同的附圖標(biāo)記并省略詳細(xì)的說明。
[0063]〈第2實施方式〉
[0064]圖5的(A)所示的燃料電池堆的位移吸收構(gòu)件10成為彈簧功能部1B的自由端J的寬度Wa大于該彈簧功能部1B所接觸的隔膜2的凸部2A的寬度Wb的構(gòu)件。
[0065]具有上述結(jié)構(gòu)的燃料電池堆能夠獲得與前面的實施方式相同的效果，而且彈簧功能部1B的自由端J必定會接觸到凸部2A的上表面，其向凹部2B內(nèi)的落入受到阻止，而且，能夠較大地獲得電接觸面積。
[0066]圖5的⑶所示的燃料電池堆的位移吸收構(gòu)件10成為彈簧功能部1B的自由端J的寬度Wa大于該彈簧功能部1B所接觸的隔膜2的凹部2B的寬度Wc的構(gòu)件。
[0067]即使是具有上述結(jié)構(gòu)的燃料電池堆，也能夠獲得與前面的實施方式相同的效果，而且彈簧功能部1B的自由端J必定會接觸到凸部2A的上表面，其向凹部2B內(nèi)的落入受到阻止，而且，能夠較大地獲得電接觸面積。
[0068]〈第3實施方式〉
[0069]圖6的(A)所示的燃料電池堆的位移吸收構(gòu)件10的彈簧功能部1B的自由端J與該彈簧功能部1B所接觸的隔膜2的多個凸部2A相接觸。在圖示例中，彈簧功能部1B的自由端J與相鄰的兩個凸部2A、2A相接觸。
[0070]具有上述結(jié)構(gòu)的燃料電池堆能夠獲得與前面的實施方式相同的效果，而且能夠減少冷卻液的壓力損失。即，在燃料電池堆中，如上所述，將各個彈簧功能部1B的自由端J設(shè)為朝向冷卻液的流通方向下游側(cè)的狀態(tài)，易于使冷卻液流動，但是無法避免彈簧功能部1B自身干擾冷卻液的流通。
[0071]因此，在燃料電池堆中，通過使彈簧功能部1B的自由端J與隔膜2的多個凸部2A接觸，從而在彈簧功能部1B的配置部分確保由隔膜2的凹部2B形成的流路。即，將彈簧功能部1B所接觸的多個凸部2A、2A之間的凹部2B確保為該彈簧功能部1B的配置部分的流路。由此，燃料電池堆能夠針對彈簧功能部1B的配置部分分配冷卻液，提高該配置部分處的流通性，從而整體上減少冷卻液的壓力損失。
[0072]圖6的(B)所示的燃料電池堆的位移吸收構(gòu)件10如基于圖4的(A)的前述說明所示，位移吸收構(gòu)件10的基板1A在各個彈簧功能部1B的下側(cè)具有開口部10C。而且，燃料電池堆成為基板1A所接觸的隔膜2的凹部2B與上述開口部1C相連通的構(gòu)件。
[0073]上述燃料電池堆在基板1A所接觸的隔膜2側(cè)且在彈簧功能部1B的配置部分確保由凹部2B和開口部1C形成的流路。由此，燃料電池堆能夠針對彈簧功能部1B的配置部分分配冷卻液，提高該配置部分處的流通性，從而整體上減少冷卻液的壓力損失。
[0074]另外，如果組合圖6的(A)⑶所示的實施方式，則在位移吸收構(gòu)件10的上下兩側(cè)的隔膜2、2中，利用上下的凹部2B、2B和開口部1C來確保流路，能夠進(jìn)一步提高彈簧功能部1B的配置部分處的流通性。
[0075]〈第4實施方式〉
[0076]圖7所示的燃料電池堆的位移吸收構(gòu)件10在基板1A上將各個彈簧功能部1B沿隔膜2的凹凸形狀的連續(xù)方向(在圖中為向上方向)和與該連續(xù)方向交叉的寬度方向(在圖中為左右方向)排列，并且在寬度方向上相鄰的彈簧功能部1B沿凹凸形狀的連續(xù)方向彼此錯開(箭頭OS)。圖示例的錯開量大致為一個彈簧功能部1B的大小。隔膜2的凹凸形狀的連續(xù)方向與冷卻液的流通方向相同。
[0077]在上述燃料電池堆中，在面內(nèi)方向上，如圖7中的箭頭所示，冷卻液以左右繞過彈簧功能部1B的方式流通，冷卻液停滯的點減少，因此能夠減少冷卻液的壓力損失。另外，如果上述燃料電池堆例如與圖6所示的位移吸收構(gòu)件10和隔膜2的結(jié)構(gòu)相組合，則能夠降低面內(nèi)方向和厚度方向的流通性，能夠整體上大幅度減少冷卻液的壓力損失。
[0078]〈第5實施方式〉
[0079]相對于在前面的實施方式中采用了在基板1A的單側(cè)排列有許多個彈簧功能部1B的位移吸收構(gòu)件10，圖8的㈧⑶所示的燃料電池堆FS采用了波形狀截面的位移吸收構(gòu)件20。即使是該位移吸收構(gòu)件20，與隔膜2之間的接觸部分也伴隨著厚度方向的變形而在面內(nèi)方向(波形的行進(jìn)方向)上移動。另外，在圖8的(B)中僅示出了位移吸收構(gòu)件20的波形狀。即使是該位移吸收構(gòu)件20，例如也可以將一端部或中央部固定于其他構(gòu)件而將其設(shè)為固定端。此時，在將一端部設(shè)為固定端的情況下，另一端部成為自由端，或者在將中央部設(shè)為固定端的情況下，兩個端部成為自由端。
[0080]上述燃料電池堆FS在相鄰的單電池C彼此之間形成冷卻液的流通空間F，并且在該流通空間F內(nèi)具有上述位移吸收構(gòu)件20，隔膜2在冷卻液的流通方向(在圖3A中為左右方向)上連續(xù)地具有凹凸形狀截面。而且，位移吸收構(gòu)件20配置為使接觸部分的移動方向(自由端的移動方向)成為隔膜2的凹凸形狀的連續(xù)方向，S卩、使圖8的(A)中示出的波形的行進(jìn)方向成為隔膜2的凹凸形狀的連續(xù)方向，且位移吸收構(gòu)件20分別與上下兩片隔膜2的凸部2A接觸。
[0081]即使是具有上述位移吸收構(gòu)件20的燃料電池堆，也與前面的實施方式相同地具有使冷卻液在層疊后的單電池C彼此之間流通的結(jié)構(gòu)，并且能夠在良好地維持單電池C之間的位移吸收功能的同時實現(xiàn)小型化。
[0082]圖9?圖19是分別說明本發(fā)明的燃料電池堆的第6?第15實施方式的圖。另外，對與前面的實施方式相同的構(gòu)成部位標(biāo)注相同的附圖標(biāo)記并省略詳細(xì)的說明。另外，在圖10?圖16中，僅示出了位移吸收構(gòu)件10的彈簧功能部10B。
[0083]〈第6實施方式〉
[0084]在圖9所示的燃料電池堆中，位移吸收構(gòu)件10簡單來說是與隔膜2之間的接觸部分伴隨著厚度方向的變形而在面內(nèi)方向(在圖9A中為左右方向)上移動的構(gòu)件。該位移吸收構(gòu)件10配置為接觸部分的移動方向成為隔膜2的凹凸的排列方向。
[0085]另外，位移吸收構(gòu)件10包括具有自由端J和固定端K的彈簧功能部10B。該位移吸收構(gòu)件10以使彈簧功能部1B的自由端J的移動方向與同隔膜2的凹部2B的連續(xù)方向正交的方向(在圖9中為左右方向)一致、并且使自由端J與隔膜2的凸部2A接觸的方式配置。而且，位移吸收構(gòu)件10具有用于防止彈簧功能部1B的自由端J進(jìn)入凹部2B內(nèi)的防止進(jìn)入部件。
[0086]如后所述，該實施方式的防止進(jìn)入部件是形成于從隔膜2的流通空間F側(cè)的各個凹部2B中選擇的凹部2B內(nèi)、并且向流通空間F側(cè)突出以抑制位移吸收構(gòu)件10落入的保持部。
[0087]如圖9的⑶所示，位移吸收構(gòu)件10構(gòu)成為:以薄金屬板為原材料，具有導(dǎo)電性以兼用作單電池C之間的連接器，并在基板1A的單面上縱橫排列有許多個彈簧功能部10B。彈簧功能部1B形成為將基端設(shè)為向基板1A固定的固定端K且將頂端側(cè)設(shè)為自由端J的懸臂梁結(jié)構(gòu)的舌片狀，形成為自基板1A上切開翹起的狀態(tài)。
[0088]圖示例的位移吸收構(gòu)件10在將圖9的⑶中箭頭所示的冷卻液的流通方向設(shè)為縱向的情況下，沿縱向交替地配置將自由端J設(shè)于右側(cè)的橫排彈簧功能部1B和將自由端J設(shè)于左側(cè)的橫排彈簧功能部10B。該位移吸收構(gòu)件10若在厚度方向上變形，則彈簧功能部10的角度發(fā)生變化，因此自由端J的接觸部分沿隔膜2的凹凸的排列方向移動。
[0089]可是，在如上所述的凹凸形狀截面的隔膜2與位移吸收構(gòu)件10的組合中，如圖9的(A)中箭頭P所示，出現(xiàn)了彈簧功能部1B的自由端J落入隔膜2的凹部2B內(nèi)的部位。在該情況下，如果使隔膜2的凸部2A與位移吸收構(gòu)件10的彈簧功能部1B的位置對齊，則可以解決自由端J落入的問題，但要在滿足全部的陽極氣體或陰極氣體的合適的流量、冷卻液的合適的流量以及位移吸收構(gòu)件10的合適的彈簧特性的基礎(chǔ)上使凸部2A與彈簧功能部1B的配置相匹配，這在設(shè)計上是非常難的。
[0090]因此，燃料電池堆FS如圖10所示，隔膜2在從流通空間F側(cè)的各個凹部2B中選擇的凹部2B內(nèi)具有向流通空間F側(cè)突出以抑制位移吸收構(gòu)件10落入的保持部(防止進(jìn)入部件)5。另外，圖10為了易于理解而使圖9所示的隔膜2與位移吸收構(gòu)件10之間的位置關(guān)系上下顛倒，并僅示出了位移吸收構(gòu)件10的彈簧功能部10B。
[0091]圖示例的保持部5是立方體型，但是其形狀并不特別限定，與位移吸收構(gòu)件10的彈簧功能部1B的配置相對應(yīng)地形成于所選擇的凹部2B的局部。這種保持部5能夠在例如沖壓成形隔膜2時同時成形。因而，保持部5的背側(cè)成為凹狀。
[0092]該實施方式的保持部5由于是抑制位移吸收構(gòu)件10的彈簧功能部1B落入的部件，因此在相鄰的兩片隔膜2中，設(shè)于配置在彈簧功能部1B的自由端J側(cè)的隔膜2的凹部2B內(nèi)。另外，更優(yōu)選的是保持部5設(shè)于膜電極接合體I的陽極側(cè)的隔膜2。
[0093]對于具有上述結(jié)構(gòu)的燃料電池堆FS，由于單電池C是具有凹凸形狀截面和保持部5的隔膜2與位移吸收構(gòu)件10的組合，因此以預(yù)定的流路面積高效地配置氣體流路3、冷卻液的流通空間F，實現(xiàn)單電池C的薄型化。另外，利用位移吸收構(gòu)件10吸收單電池C之間的位移，并在此時利用隔膜2的保持部5抑制位移吸收構(gòu)件10的彈簧功能部1B的自由端J落入隔膜2的凹部2B內(nèi)，因此能夠充分地發(fā)揮位移吸收構(gòu)件10的位移吸收功能。
[0094]這樣，燃料電池堆FS具有使冷卻液在層疊后的單電池C彼此之間流通的結(jié)構(gòu)，并且能夠在良好地維持單電池C之間的位移吸收功能的同時實現(xiàn)小型化。另外，燃料電池堆FS由于不必使隔膜2的凸部2A與彈簧功能部1B的位置對齊，因此能夠不受陽極氣體或陰極氣體、冷卻液的流量設(shè)定左右地獨立設(shè)計位移吸收構(gòu)件10的彈簧功能。
[0095]而且，上述燃料電池堆FS配置為:位移吸收構(gòu)件10以薄金屬板為原材料，在基板1A的單面上具有懸臂梁結(jié)構(gòu)的彈簧功能部10B，并且彈簧功能部1B相對于冷卻液的流通方向成為橫向。由此，只要在層疊時相鄰的兩片隔膜中的單側(cè)的隔膜2上形成保持部5即可，而且，位移吸收構(gòu)件10成為極力不妨礙冷卻液流通的結(jié)構(gòu)。另外，通過將保持部5設(shè)于陽極側(cè)的隔膜2，從而能夠極力減少對發(fā)電性能的影響。這是因為，與陰極側(cè)相比，供活性較高的含氫氣體流通的陽極側(cè)在設(shè)計上的自由度較高(存在富?？臻g)。
[0096]〈第7實施方式〉
[0097]圖115所示的燃料電池堆的隔膜2的保持部(防止進(jìn)入部件)5具有與流通空間F側(cè)的凸部2A相同的突出高度，保持部5的上表面與凸部2A的上表面呈同一平面狀連續(xù)。
[0098]具有上述隔膜2的燃料電池堆與前面的實施方式相同地能夠在良好地維持單電池C之間的位移吸收功能的同時實現(xiàn)小型化，而且，即使在位移吸收構(gòu)件10的彈簧功能部1B的可動范圍較大的情況下，也能夠容易地進(jìn)行應(yīng)對。
[0099]〈第8實施方式〉
[0100]圖12的㈧⑶所示的燃料電池堆的隔膜2的保持部(防止進(jìn)入部件)5具有比凹部2B的寬度Wl小的寬度W2。在圖示例中，在凹部2B的剖面中央設(shè)有比凸部2A低的保持部5，在保持部5的兩側(cè)形成有恒定寬度W3的間隙。
[0101]具有上述隔膜2的燃料電池堆與前面的實施方式相同地能夠在良好地維持單電池C之間的位移吸收功能的同時實現(xiàn)小型化，而且能夠利用最小限度的保持部5抑制彈簧功能部1B向凹部2B落入，并且能夠減少流通空間F內(nèi)的冷卻液的壓力損失。
[0102]〈第9實施方式〉
[0103]圖13所示的燃料電池堆的隔膜2的保持部(防止進(jìn)入部件)5有規(guī)律地配置在各凹部2B內(nèi)，并且均為相同形狀。在圖示例中，在凹部2B的截面中央設(shè)有具有與凸部2A相同的高度并且具有比凹部2B的寬度小的寬度的保持部5。
[0104]具有上述隔膜2的燃料電池堆與前面的實施方式相同地能夠在良好地維持單電池C之間的位移吸收功能的同時實現(xiàn)小型化，而且能夠使各個凹部2B內(nèi)的冷卻液的壓力損失相等，從而改善各個凹部2B之間的流量分配。
[0105]〈第10實施方式〉
[0106]圖14的㈧⑶所示的燃料電池堆的隔膜2的保持部(防止進(jìn)入部件)5沿著凹部2B的連續(xù)方向(長度方向)以預(yù)定間隔左右交替地配置。圖示例的隔膜2與前面的實施方式相比，凹部2B的寬度較大，且在其凹部2B內(nèi)配置有多個保持部5。另外，在圖示例中，示出了在凹部2B的寬度方向上配置了兩列沿凹部2B的長度方向配置的保持部5的列的情況，也可以配置兩列以上。在該情況下，保持部5以相鄰的列左右交替的方式配置，SP、以相鄰的列在凹部2B的連續(xù)方向上彼此錯開的方式配置。
[0107]具有上述隔膜2的燃料電池堆與前面的實施方式相同地能夠在良好地維持單電池C之間的位移吸收功能的同時實現(xiàn)小型化，而且在圖中箭頭所示的凹部2BA內(nèi)的冷卻液的流動中停滯的點減少，能夠減少冷卻液的壓力損失。
[0108]〈第11實施方式〉
[0109]圖15所示的燃料電池堆的隔膜2的保持部(防止進(jìn)入部件)5在凹部2B的連續(xù)方向(長度方向)上分別設(shè)置在與位移吸收構(gòu)件10的彈簧功能部1B的寬度方向兩側(cè)對應(yīng)的位置。在圖示例中，與前面的實施方式相比，彈簧功能部1B的寬度較大。
[0110]具有上述隔膜2的燃料電池堆與前面的實施方式相同地能夠在良好地維持單電池C之間的位移吸收功能的同時實現(xiàn)小型化，而且在隔膜2為正反翻轉(zhuǎn)形狀的情況下，能夠?qū)怏w流路側(cè)的影響設(shè)為最小限度，將氣體流路3與冷卻液的流通空間F之間的流路比例的降低設(shè)為最小限度，而且能夠防止彈簧功能部1B向凹部2B內(nèi)落入。
[0111]〈第12實施方式〉
[0112]圖16所示的燃料電池堆的隔膜2的保持部(防止進(jìn)入部件)5在凹部2B的連續(xù)方向(長度方向)上具有比位移吸收構(gòu)件10的彈簧功能部1B的寬度Ws大的寬度Wh。
[0113]具有上述隔膜2的燃料電池堆與前面的實施方式相同地能夠在良好地維持單電池C之間的位移吸收功能的同時實現(xiàn)小型化，而且能夠可靠地阻止彈簧功能部1B向凹部2B內(nèi)落入。
[0114]〈第13實施方式〉
[0115]圖17所示的燃料電池堆的隔膜2在凹部2B的連續(xù)方向上以預(yù)定間隔配置的保持部(防止進(jìn)入部件)5的間距和以預(yù)定間隔配置的彈簧功能部1B的間距相等。其中，保持部5的間距是指保持部5的寬度加上相鄰的保持部5之間的寬度而得到的I個周期的長度。同樣地，彈簧功能部1B的間距是指彈簧功能部1B的寬度加上相鄰的彈簧功能部1B之間的寬度而得到的I個周期的長度。
[0116]具有上述隔膜2的燃料電池堆與前面的實施方式相同地能夠在良好地維持單電池C之間的位移吸收功能的同時實現(xiàn)小型化，而且在凹部2B的連續(xù)方向上，彈簧功能部1B必定會接觸到保持部5，從而能夠可靠地阻止彈簧功能部1B向凹部2B內(nèi)落入。
[0117]〈第14實施方式〉
[0118]圖18所示的燃料電池堆的隔膜2在凹凸的排列方向上以預(yù)定間隔配置的保持部(防止進(jìn)入部件)5的間距和以預(yù)定間隔配置的彈簧功能部1B的間距相等。前面的實施方式的間距是凹部2B的連續(xù)方向上的I個周期的長度，而該實施方式的間距是凹凸的排列方向上的I個周期的長度。
[0119]具有上述隔膜2的燃料電池堆與前面的實施方式相同地能夠在良好地維持單電池C之間的位移吸收功能的同時實現(xiàn)小型化，而且在凹凸的排列方向上，彈簧功能部1B必定會接觸到保持部5，從而能夠可靠地阻止彈簧功能部1B向凹部2B內(nèi)落入。
[0120]另外，燃料電池堆能夠組合上述的圖17和圖18所示的實施方式。S卩，在凹部2B的連續(xù)方向和凹部的排列方向這兩個方向上，如果使保持部5的間距與彈簧功能部1B的間距一致，則各個保持部5與各個彈簧功能部1B的配置彼此對應(yīng)，從而能夠可靠地阻止彈簧功能部1B向凹部2B內(nèi)落入。
[0121]〈第15實施方式〉
[0122]在前面的實施方式中采用了在基板1A的單側(cè)排列有許多個彈簧功能部1B的位移吸收構(gòu)件10，與此相對，圖19所示的燃料電池堆FS采用了波形狀截面的位移吸收構(gòu)件
20。即使是該位移吸收構(gòu)件20，與隔膜2接觸的接觸部分也伴隨著厚度方向的變形而在面內(nèi)方向上移動。即使是該位移吸收構(gòu)件20，例如也可以將一端部或中央部固定于其他構(gòu)件而將其設(shè)為固定端。此時，在將一端部設(shè)為固定端的情況下，另一端部成為自由端，或者在將中央部設(shè)為固定端的情況下，兩個端部成為自由端。
[0123]因此，對于燃料電池堆FS，在層疊時相鄰的單電池C之間的隔膜2中，在從流通空間F側(cè)的各個凹部2B中選擇的凹部2B內(nèi)具有向流通空間F側(cè)突出以抑制位移吸收構(gòu)件20落入的保持部(防止進(jìn)入部件)5。即使是該燃料電池堆FS，也具有使冷卻液在層疊后的單電池C彼此之間流通的結(jié)構(gòu)，并且能夠在良好地維持單電池C之間的位移吸收功能的同時實現(xiàn)小型化。
[0124]另外，本發(fā)明的燃料電池堆的結(jié)構(gòu)并不僅限定于上述實施方式，能夠在不脫離本發(fā)明主旨的范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)馗淖兘Y(jié)構(gòu)的具體部分，也能夠適當(dāng)?shù)亟M合各個實施方式的結(jié)構(gòu)。
[0125]附圖標(biāo)記說明
[0126]C單電池；F流通區(qū)域；FS燃料電池堆J自由端；K固定端；I膜電極接合體；2隔膜；2Α凸部(防止進(jìn)入部件)；2Β凹部；5保持部(防止進(jìn)入部件)；10位移吸收構(gòu)件；1A基板；10Β彈簧功能部；10C開口部；20位移吸收構(gòu)件。
【權(quán)利要求】
1.一種燃料電池堆，其是在具有凹部和凸部的一對隔膜之間夾持膜電極接合體而形成單電池、并且層疊該單電池而形成的，該燃料電池堆的特征在于， 在單電池彼此之間形成有冷卻液的流通空間， 在流通空間內(nèi)配置有用于吸收單電池之間的位移的位移吸收構(gòu)件， 位移吸收構(gòu)件包括具有自由端和固定端的彈簧功能部， 該位移吸收構(gòu)件具有用于防止彈簧功能部的自由端進(jìn)入凹部內(nèi)的防止進(jìn)入部件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，其特征在于， 前述位移吸收構(gòu)件以使彈簧功能部的自由端的移動方向與隔膜的凹部的連續(xù)方向一致、并且使自由端與隔膜的凸部接觸的方式配置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃料電池堆，其特征在于， 前述隔膜的凸部的上表面為平面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的燃料電池堆，其特征在于， 前述位移吸收構(gòu)件具有在與相對的隔膜中的一個隔膜接觸的基板的單面上排列有許多個與另一個隔膜接觸的彈簧功能部的結(jié)構(gòu)，并且彈簧功能部是將基端設(shè)為向基板固定的固定端且將頂端設(shè)為自由端的懸臂梁結(jié)構(gòu)， 彈簧功能部的自由端的寬度大于該彈簧功能部所接觸的隔膜的凸部的寬度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池堆，其特征在于， 前述彈簧功能部的自由端的寬度大于該彈簧功能部所接觸的隔膜的凹部的寬度。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的燃料電池堆，其特征在于， 前述彈簧功能部的自由端與該彈簧功能部所接觸的隔膜的多個凸部相接觸。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6中任一項所述的燃料電池堆，其特征在于， 前述位移吸收構(gòu)件的基板在各個彈簧功能部的下側(cè)具有開口部，基板所接觸的隔膜的凹部與前述開口部相連通。
8.根據(jù)權(quán)利要求4至7中任一項所述的燃料電池堆，其特征在于， 前述位移吸收構(gòu)件在基板上將各個彈簧功能部沿隔膜的凹凸形狀的連續(xù)方向和與該連續(xù)方向交叉的寬度方向排列，并且在寬度方向上相鄰的彈簧功能部沿凹凸形狀的連續(xù)方向彼此錯開。
9.根據(jù)權(quán)利要求4至8中任一項所述的燃料電池堆，其特征在于， 前述位移吸收構(gòu)件的各個彈簧功能部中的至少一個彈簧功能部以使自由端朝向冷卻液的流通方向下游側(cè)的狀態(tài)進(jìn)行配置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的燃料電池堆，其特征在于， 前述流通空間內(nèi)的冷卻液的流通方向和形成于膜電極接合體與隔膜之間的氣體流路內(nèi)的氣體的流通方向是同一方向。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料電池堆，其特征在于， 前述氣體是陽極氣體。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆，其特征在于， 前述防止進(jìn)入部件是形成在從隔膜上的流通空間側(cè)的各個凹部中選擇的凹部內(nèi)、并且向流通空間側(cè)突出以抑制位移吸收構(gòu)件落入的保持部。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的燃料電池堆，其特征在于， 前述位移吸收構(gòu)件以使彈簧功能部的自由端的移動方向與同隔膜的凹部的連續(xù)方向正交的方向一致、并且使自由端與隔膜的凸部接觸的方式配置。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的燃料電池堆，其特征在于， 前述位移吸收構(gòu)件具有在基板的單面上排列有許多個彈簧功能部的結(jié)構(gòu)，并且彈簧功能部是將基端設(shè)為向基板固定的固定端且將頂端設(shè)為自由端的懸臂梁結(jié)構(gòu)，前述保持部設(shè)于在彈簧功能部的自由端側(cè)配置的隔膜的凹部內(nèi)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池堆，其特征在于， 設(shè)有前述保持部的隔膜是膜電極接合體的陽極側(cè)的隔膜。
16.根據(jù)權(quán)利要求12至15中任一項所述的燃料電池堆，其特征在于， 前述保持部具有與隔膜的流通空間側(cè)的凸部相同的突出高度。
17.根據(jù)權(quán)利要求12至16中任一項所述的燃料電池堆，其特征在于， 前述保持部具有比隔膜的凹部的寬度小的寬度。
18.根據(jù)權(quán)利要求12至17中任一項所述的燃料電池堆，其特征在于， 前述保持部有規(guī)律地配置于隔膜的各個凹部內(nèi)，并且都是相同的形狀。
19.根據(jù)權(quán)利要求12至18中任一項所述的燃料電池堆，其特征在于， 前述保持部沿著隔膜的凹部的連續(xù)方向以預(yù)定間隔左右交替地配置。
20.根據(jù)權(quán)利要求14至19中任一項所述的燃料電池堆，其特征在于， 前述保持部在隔膜的凹部的連續(xù)方向上分別設(shè)置在與位移吸收構(gòu)件的彈簧功能部的寬度方向兩側(cè)對應(yīng)的位置。
21.根據(jù)權(quán)利要求14至19中任一項所述的燃料電池堆，其特征在于， 前述保持部在隔膜的凹部的連續(xù)方向上的寬度大于位移吸收構(gòu)件的彈簧功能部在隔膜的凹部的連續(xù)方向上的寬度。
22.根據(jù)權(quán)利要求14至21中任一項所述的燃料電池堆，其特征在于， 在隔膜的凹部的連續(xù)方向上，以預(yù)定間隔配置的保持部的間距與以預(yù)定間隔配置的彈簧功能部的間距相同。
23.根據(jù)權(quán)利要求14至22中任一項所述的燃料電池堆，其特征在于， 在隔膜的凹凸的排列方向上，以預(yù)定間隔配置的保持部的間距與以預(yù)定間隔配置的彈簧功能部的間距相同。
24.根據(jù)權(quán)利要求1至23中任一項所述的燃料電池堆，其特征在于， 隔膜具有正反翻轉(zhuǎn)形狀。
【文檔編號】H01M8/02GK104247116SQ201280072678
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2012年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月25日
【發(fā)明者】福山陽介, 入月桂太 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社