专利名称：燃料电池堆栈的制作方法
技术领域：
本发明涉及具备在电解质的两侧设有一对电极的电解质 电极结构体 和隔板的燃料电池所叠层的燃料电池堆栈。
背景技术：
例如，固体高分子型燃料电池中，由隔板夹持在由高分子离子交换膜 构成的固体高分子电解质膜的两侧分别配置了阳极侧电极及阴极侧电极 的电解质膜 电极结构体(电解质 电极结构体)。
燃料电池中，通常将数十 数百燃料电池叠层而构成燃料电池堆栈。 此时，需要将燃料电池自身及所述燃料电池彼此进行准确地定位，例如已
知特开2004-172094号公报中公开的燃料电池。
该燃料电池是由第一及第二隔板夹持在电解质两侧设置一对电极的 电解质 电极结构体的燃料电池，所述第一及第二隔板设有第一及第二定 位用孔部，且在所述第一及第二定位用孔部安装第一及第二绝缘性定位部 件，并且在所述第一绝缘性定位部件的内周壁部嵌合所述第二绝缘性定位 部件的外周壁部，由此以绝缘状态进行所述第一及第二隔板彼此的定位。
另外，在特开2004-241208号公报中公开有一种具备单电池的燃料电 池，所述单电池由第一及第二隔板夹持在电解质的两侧设置一对电极的电 解质，电极结构体。该燃料电池中，具备将第一及第二隔板的外周在多个 部位保持的多个金属夹片部件，所述金属夹片部件具有侧板部、和在所述 侧板部的端部弯曲而把持所述第一及第二隔板的外周的第一及第二舌片 部，所述第一及第二舌片部与所述侧板部相比构成为长尺寸，并且具有弹 性。
但是，燃料电池堆桟除了采用经由沿燃料电池的叠层方向延伸的拉杆 在所述叠层方向上赋予紧固负荷的结构之外，还采用将叠层的燃料电池收 容到箱状的壳体内而在所述叠层方向上赋予紧固负荷的结构等，通常作为
车载用而搭载于各种车辆上。
此时，当对车辆赋予外部负荷，例如壳体变形而与隔板接触时，所述 隔板经由所述壳体而短路，或所述隔板变形而导致燃料电池内的密封性降 低。
发明内容
本发明是为了解决所述问题而提出的，其目的在于，提供一种燃料电 池堆栈，该燃料电池堆栈能够可靠地阻止在来自外部的负荷的作用下所引 起的、隔板的变形所导致的密封性降低及所述隔板的短路。
本发明提供一种燃料电池堆栈，其通过叠层具备在电解质的两侧设有 一对电极的电解质 电极结构体和隔板的燃料电池而构成。该燃料电池堆 栈具备在叠层方向上一体保持多个隔板的连接部件；设于由所述连接部
件一体保持的所述隔板中至少一个隔板的外周部，比其它隔板的外周部向 外侧突出，用于承受来自外部的负荷的树脂制引导部。
根据本发明，当从与燃料电池的叠层方向交差的方向赋予外部负荷 时，在至少一个隔板的外周部向外侧突出而设置的树脂制引导部承受所述 外部负荷。此时，多个隔板由连接部件一体保持，赋予在树脂制引导部上 的外部负荷经由所述连接部件而分散在所述多个隔板上。
由此，能够良好地阻止燃料电池自身的错位所引起的密封性的降低， 而且不会引起隔板的短路。另外，在进行燃料电池的组装时，至少一个隔 板的外周部上设置的树脂制引导部在组装引导件上滑动，因此，与使所有 的隔板滑动的情况相比，滑动阻力降低，从而能够容易地完成组装作业。
图1是本发明第一实施方式的燃料电池堆栈的概略立体说明图； 图2是构成所述燃料电池堆栈的燃料电池组件的分解立体说明图； 图3是将所述燃料电池组件定位的定位机构的截面放大说明图； 图4是所述燃料电池堆栈的要部放大截面图5 (A) 图5 (D)是通过热化处理来制造构成所述燃料电池组件 的隔板时的说明图6是与所述隔板一体化的负荷承受部的说明图7 (A) 图7 (C)是通过注射成形处理来制造构成所述燃料电池
组件的隔板时的说明图8是本发明第二实施方式的燃料电池堆栈的要部放大截面图； 图9是本发明第三实施方式的燃料电池堆栈的要部放大截面图； 图10是与构成所述燃料电池组件的所述隔板一体化的负荷承受部的
说明图11是本发明第四实施方式的燃料电池堆栈的要部放大截面图； 图12是构成所述燃料电池堆栈的燃料电池组件的分解立体说明图； 图13是构成本发明第五实施方式的燃料电池堆栈的燃料电池的分解 立体说明图。
具体实施例方式
图1是本发明第一实施方式的燃料电池堆栈10的概略立体说明图。
燃料电池堆栈10将多个燃料电池组件12沿箭头A方向叠层并收容到 壳体14内。壳体14具备在燃料电池组件12的叠层方向两端配置的端 板16a、 16b、在所述燃料电池组件12的侧部配置的四片侧部板18a 18d、 将所述端板16a、 16b及所述侧部板18a 18d相互连结的铰链机构20。
如图2所示，燃料电池组件12设有至少第一电解质膜(电解质)*电 极结构体22a及第二电解质膜，电极结构体22b、至少第一隔板24、第二 隔板26及第三隔板28。在第一隔板24及第二隔板26之间夹持第一电解 质膜 电极结构体22a，另一方面，在所述第二隔板26及第三隔板28之 间夹持第二电解质膜 电极结构体22b。第一隔板24 第三隔板28由金 属隔板构成，但例如也可以采用碳隔板。
在燃料电池组件12的长边方向(图2中箭头C方向)的一端缘部(上 端缘部)，沿箭头A方向相互连通而设置用于供给氧化剂气体例如含氧气 体的氧化剂气体入口连通孔30a、和用于供给可燃气体例如含氢气体的可 燃气体入口连通孔32a。
在燃料电池组件12的长边方向的另一端缘部(下端缘部)，沿箭头A 方向相互连通而设置用于排出可燃气体的可燃气体出口连通孔32b、和用
于排出氧化剂气体的氧化剂气体出口连通孔30b。
在燃料电池组件12的短边方向(箭头B方向)的一端缘部设置用于 供给冷却介质的两个冷却介质入口连通孔34a，并且在所述燃料电池组件 12的短边方向的另一端缘部设置用于排出冷却介质的两个冷却介质出口 连通孔34b 。
第一电解质膜 电极结构体22a及第二电解质膜 电极结构体22b例 如具备在全氟磺酸的薄膜中浸渍有水的固体高分子电解质膜(电解质)36、 和夹持所述固体高分子电解质膜36的阳极侧电极38及阴极侧电极40。
阳极侧电极28及阴极侧电极40具有由复写纸等构成的气体扩散层 .(未图示)、和将表面担载有铂合金的多孔质碳粒子均匀涂敷到所述气体 扩散层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36的两面。
在第一隔板24的朝第一电解质膜 电极结构体22a的面24a上形成 将可燃气体入口连通孔32a和可燃气体出口连通孔32b连通的第一可燃气 体流路42。该第一可燃气体流路42例如由沿箭头C方向延伸的多个槽部 构成。在第一隔板24的面24b上形成将冷却介质入口连通孔34a和冷却 介质出口连通孔34b连通的冷却介质流路44。
在第二隔板26的朝第一电解质膜 电极结构体22a的面26a上设置 例如由沿箭头C方向延伸的多个槽部构成的第一氧化剂气体流路46，并 且该第一氧化剂气体流路46与氧化剂气体入口连通孔30a和氧化剂气体 出口连通孔30b连通。在第二隔板26的朝第二电解质膜 电极结构体22b 的面26b上形成将燃料电池入口连通孔32a和燃料电池出口连通孔32b连 通的第二可燃气体流路48。
在第三隔板28的朝第二电解质膜 电极结构体22b的面28a上设置 将氧化剂气体入口连通孔30a和氧化剂气体出口连通孔30b连通的第二氧 化剂气体流路50。在第三隔板28的面28b上，与第一隔板24的面24b 重合而一体形成冷却介质流路44。
在第一隔板24的面24a、 24b上，绕该第一隔板24的外周端缘部而 一体形成第一密封部件52。在第二隔板26的面26a、 26b上，绕该第二隔 板26的外周端缘部而一体形成第二密封部件54，并且，在第三隔板28
的面28a、 28b上，绕该第三隔板28的外周端缘部而一体形成第三密封部 件56。
燃料电池堆栈10具备用于将构成燃料电池组件12的第一隔板24 第 三隔板28彼此相互进行定位的定位机构60。定位机构60具备在第二隔板 26的箭头C方向两端缘部一体成形的树脂材料制定位部件62、形成于第 一隔板24上的第一孔部64、和设于第三隔板28上且直径比所述第一孔部 64小的第二孔部66。
如图3所示，定位部件62具有大致环状，具有与第一隔板24的第一 孔部64嵌合的第一凸状部68、和与第三隔板28的第二孔部66嵌合的第 二凸状部70。定位部件62在第一凸状部68侧设置圆形状孔部72，另一 方面，在第二凸状部70侧设置与另一定位部件62的孔部72嵌合而将所 述定位部件62彼此进行定位的突起部74。
如图2所示，在第一隔板24的外周部，多个树脂制负荷承受部76如 后述那样，对应于构成所述第一隔板24的金属板的切口部而一体化。在 各负荷承受部76上，孔部78a、 78b相互并列设置。
在第二隔板26及第三隔板28上，分别对应于在箭头A方向上与第一 隔板24的各负荷承受部76重合的位置， 一体化形成多个树脂制负荷承受 部80、 82。在各负荷承受部80、 82上形成与负荷承受部76的孔部78a、 78b在箭头A方向上连通的孔部84a、 84b及86a、 86b。
如图4所示，孔部78a、 78b的直径设定为比孔部84a、 84b及86a、 86b的直径小，并且负荷承受部76、 80及82中至少所述负荷承受部80 比其它负荷承受部76、 82更向外侧突出。该负荷承受部80经由壳体14 承受从外部赋予的负荷(外部负荷)，并且构成在叠层各燃料电池组件12 时具有引导功能的树脂制引导部。另外，也可只在第二隔板26上设置负 荷承受部80,不在第一隔板24及第三隔板28上设置负荷承受部76、 82。
在相对于叠层方向交替配置的燃料电池组件12中，向孔部78a、 84a、 及86a插入连接部件、例如绝缘性树脂夹片88，并且在另一个交替配置的 燃料电池组件12中，向各孔部78b、 84b及86b同样插入作为连接部件的 树脂夹片88。
就各树脂夹片88而言，头部88a卡止于第一隔板24，另一方面，大
径的凸缘部88b与第三隔板28抵接，由此将第一隔板24、第二隔板26 及第三隔板28在叠层方向上一体保持。
负荷承受部76、 80及82通过如下所示的各方法与第一隔板24、第二 隔板26及第三隔板28 —体化。
例如图5 (A)所示，首先成形薄板状金属板90，并且预先成形与负 荷承受部76、 80及82对应的树脂部件92。
其次，在将树脂部件92的凸起部92a插入设于金属板90上的孔部90a 中后(参照图5 (B))，将所述凸起部92a热铆接。由此，树脂部件92和 金属板90—体化(参照图5 (C))。
进而如图5 (D)所示，通过在金属板90的外周缘部实施绝缘覆盖处 理，而成形第一密封部件52、第二密封部件54及第三密封部件56。由此 制作第一隔板24、第二隔板26及第三隔板28。
在此，如图6所示，负荷承受部76、 80及82对应于金属板90上设 置的切口部90b而一体化。因此，形成于负荷承受部76、 80及82上的孔 部78a、 78b、 84a、 84b及86a、 86b只是将该负荷承受部76、 80及82沿 叠层方向贯通，金属部分并不在所述孔部78a、 78b、 84a、 84b及86a、 86b 露出。
另外，除采用所述基于热铆接的制造方法之外，还采用基于注射成形 的制造方法。如图7 (A)所示，准备金属板90，在将该金属板90装填到 未图示的注射成形机中的状态下，使用熔融树脂注射成形负荷承受部76、 80及82 (参照图7 (B))。进而如图7 (C)所示，覆盖金属板卯的所希 望的部位而实施绝缘覆盖处理，由此成形第一密封部件52、第二密封部件 54及第三密封部件56。
其次，对组装燃料电池堆栈10的作业进行如下说明。 首先，在燃料电池组件12中，在第一隔板24和第二隔板26之间配 置第一电解质膜 电极结构体22a，并且在所述第二隔板26和第三隔板 28之间配置第二电解质膜 电极结构体22b (参照图2)。在该状态下将第 一隔板24、第二隔板26及第三隔板28彼此向叠层方向(箭头A方向) 按压。
因此，如图3所示，在与第二隔板26—体成形的定位部件62上，第
一凸状部68与第一隔板24的第一孔部64嵌合。另一方面，定位部件62 的第二凸状部70与第三隔板28的第二孔部66嵌合。因此，第一隔板24 第三隔板28彼此经由定位机构60而定位，并且组装燃料电池组件12。
另外，在规定数的燃料电池组件12中，将树脂夹片88分别插入负荷 承受部76、 80及82的一方的孔部78a、 84a及86a中，经由该树脂夹片 88将第一隔板24、第二隔板26及第三隔板28彼此相互保持。
在其它规定数的燃料电池组件12中，将树脂夹片88分别插入负荷承 受部76、 80及82的另一方的孔部78b、 84b及86b中， 一体保持第一隔 板24、第二隔板26及第三隔板28。
这样组装的各燃料电池组件12按照插入孔部78a、 84a及86a中的树 脂夹片88、和插入孔部78b、 84b及86b中的树脂夹片88交替的方式沿未 图示的导轨相互叠层。
此时，在各燃料电池组件12中，与配置于大致中央的第二隔板26的 侧部一体化的负荷承受部80比第一隔板24的负荷承受部76及第三隔板 28的负荷承受部82更向外侧鼓出形成。
因此，只是负荷承受部80起到树脂性引导部的功能，只沿导轨引导 该负荷承受部80即可，从而可降低滑动阻力，并且可将燃料电池组件12 彼此容易且准确地叠层。
下面，对该燃料电池堆栈10的动作进行说明。
首先，如图1所示，在燃料电池堆栈10中，向氧化剂气体入口连通 孔30a供给含氧气体等氧化剂气体(空气)，并且向可燃气体入口连通孔 32a供给含氢气体等可燃气体。进而向两个冷却介质入口连通孔34a供给 纯水或甘醇、油等冷却介质。
如图2所示，氧化剂气体向燃料电池组件12的氧化剂气体入口连通 孔30a供给，沿箭头A方向移动，被导入第二隔板26的第一氧化剂气体 流路46及第三隔板28的第二氧化剂气体流路50。被导入第一氧化剂气体 流路46中的氧化剂气体沿第一电解质膜 电极结构体22a的阴极侧电极 40移动，另一方面，被导入第二氧化剂气体流路50的氧化剂气体沿第二 电解质膜 电极结构体22b的阴极侧电极40移动。
可燃气体被从燃料电池组件12的可燃气体入口连通孔32a导入第一
隔板24的第一可燃气体流路42及第二隔板26的第二可燃气体流路48。 因此，可燃气体沿第一电解质膜 电极结构体22a及第二电解质膜 电极 结构体22b的各阳极侧电极38移动。
因此，在第一电解质膜 电极结构体22a及第二电解质膜 电极结构 体22b中，向各阴极侧电极40供给的氧化剂气体、和向各阳极侧电极38 供给的可燃气体在未图示的电极催化剂层内因电化学反应而消耗，从而进 行发电。
其次，被向各阴极侧电极40供给而消耗的氧化剂气体在沿氧化剂气 体出口连通孔30b流动后，从可燃气体堆栈10排出。同样，被向各阳极 侧电极38供给而消耗的可燃气体向可燃气体出口连通孔32b排出并流动， 从燃料电池堆栈10排出。
另外，冷却介质在从冷却介质入口连通孔34a导入燃料电池组件12 间的冷却介质流路44后，沿箭头B方向流动。该冷却介质冷却第一电解 质膜 电极结构体22a及第二电解质膜 电极结构体22b后，在冷却介质 出口连通孔34b中移动，从燃料电池堆栈10排出。
另外，燃料电池堆栈10作为车载用而搭载于未图示的车辆上，其叠 层方向(箭头A方向)朝车长方向配置。而且，若从侧方对燃料电池堆桟 10赋予外部负荷F (参照图4)，则构成壳体14的侧部板18a (或18c)向 燃料电池组件12侧变形。
此时，在各燃料电池组件12中，在第二隔板26的外周部，向外侧突 出而设有负荷承受部80，赋予在侧部板18a上的外部负荷F由与该侧部板 18a接触的负荷承受部80承受。因此，负荷承受部80因外部负荷而向内 侧变形或移动。
该情况下，在各燃料电池组件12中，将树脂夹片88插入负荷承受部 76、 80、 82的孔部78a、 84a及86a (或78b、 84b及86b)，经由该树脂夹 片88而一体保持第一隔板24、第二隔板26及第三隔板28。因此，赋予 在负荷承受部80上的外部负荷F经由树脂夹片88也被分散在负荷承受部 76、 82上，从而外部负荷F不会集中作用在第二隔板26上。
由此，燃料电池12内不会引起错位所造成的密封性的降低。而且， 由于负荷承受部80与侧部板18a接触，从而能够良好地阻止第二隔板26
的短路。
尤其负荷承受部80对应于金属板90的切口部90b而设置，并且，作 为将各负荷承受部76、 80及82—体化的连接部件，设置树脂夹片88。因 此，在赋予外部负荷F时，即使侧部板18a向内侧变形，也能够尽可能地 阻止该侧部板18a和第二隔板26的金属部分接触，从而可靠地阻止所述 第二隔板26的短路。
图8是本发明第二实施方式的燃料电池堆栈100的要部放大截面图。 需要说明的是，与第一实施方式的燃料电池堆栈IOO相同的构成要素使用 相同参照符号，省略其详细说明。另外，以下说明的第三 第五实施方式 也相同，省略其详细说明。
燃料电池堆栈IOO具备将构成各燃料电池组件12的负荷承受部76、 80及82 —体保持的连接部件、例如绝缘性树脂夹片102。该树脂夹片102 设有从头部88a侧延伸到凸缘部88b的途中的狭缝104。
在该第二实施方式中，通过在树脂夹片102上设置狭缝104，从而所 述树脂夹片102自身具有弹性体结构。因此，若对壳体14赋予外部负荷F， 并经由负荷承受部80对树脂夹片102赋予所述外部负荷F，则所述树脂夹 片102经由狭缝104而弹性变形，从而能吸收所述外部负荷F。
因此，树脂夹片102能具有负荷吸收功能、和向第一隔板24、第二隔 板26及第三隔板28的负荷分配功能，能进一步可靠地阻止燃料电池组件 12自身的错位及密封不良。
图9是本发明第三实施方式的燃料电池堆栈110的要部放大截面图。
负荷承受部U2、114及116与构成各燃料电池组件12的第一隔板24、 第二隔板26及第三隔板28—体化，并且所述负荷承受部114比所述负荷 承受部112、 116更向外侧突出。如图9及图10所示，在负荷承受部112、 114及116的前端侧形成多个小孔(孔部)118。
将树脂夹片102 (或88)插入负荷承受部112、 114及116， 一体保持 第一隔板24、第二隔板26及第三隔板28。
该第三实施方式中，如图9所示，当对壳体14赋予外部负荷F，侧部 板18a向内侧变形而与负荷承受部114的前端抵接时，该负荷承受部114 经由多个小孔118而优先破损。
因此，外部负荷F因负荷承受部114的破损而被良好地吸收，从而能
够尽可能地阻止第一隔板24、第二隔板26及第三隔板28的错位。由此， 可得到能够可靠地阻止密封不良及短路的产生等与第一及第二实施方式 相同的效果。需要说明的是，多个小孔118只要至少设于与第二隔板26 一体化的负荷承受部114上即可。
图11是本发明第四实施方式的燃料电池堆栈120的要部放大截面图， 图12是构成所述燃料电池堆栈120的燃料电池组件122的分解立体说明 图。
在第一隔板24上，设置第一孔部64的负荷承受部124 —体设置在上 下两端大致中央，并且，在第三隔板28上，设置第二孔部66的负荷承受 部126 —体设置在上下两端大致中央。第二隔板26在上下两端大致中央 设置一体设置定位部件62的负荷承受部128。负荷承受部128比负荷承受 部124、 126更向外侧突出。
该第四实施方式中，在负荷承受部128上一体设有构成定位机构60 的定位部件62，并且在负荷承受部124、 126上一体设有第一孔部64及第 二孔部66。因此，定位机构60的结构被简化，从而有效地削减各燃料电 池组件112的制造成本。
另外，在第一 第四实施方式中，使用具备第一电解质膜 电极结构 体22a及第二电解质膜 电极结构体22b、和第一隔板24 第三隔板28 的燃料电池组件12、 122进行了说明，但不限于此。实质上具备一个以上 的电解质膜，电极结构体和两个以上的隔板即可，下面例示。
图13是构成本发明第五实施方式的燃料电池堆栈的燃料电池(单电 池)130的分解立体说明图。
燃料电池130具备夹持电解质膜 电极结构体132的第一隔板134及 第二隔板136。燃料电池堆栈是将所述燃料电池130沿箭头A方向叠层而 构成的。
该第五实施方式中，燃料电池130由第一隔板134和第二隔板136夹 持单一的电解质膜 电极结构体132。可将该结构适用于所述第一 第四 实施方式中，由此，在第五实施方式中，可得到与所述第一 第四实施方 式相同的效果。
权利要求
1.一种燃料电池堆栈，其通过叠层具备在电解质(36)的两侧设有一对电极(38、40)的电解质·电极结构体(22a)和隔板(24～28)的燃料电池(12)而构成，其特征在于，具备在叠层方向上一体保持多个所述隔板(24～28)的连接部件(88)；设于由所述连接部件(88)一体保持的所述隔板(24～28)中至少一个隔板(26)的外周部，比其它隔板(24～28)的外周部向外侧突出，用于承受来自外部的负荷的树脂制引导部(80)。
2. 如权利要求1所述的燃料电池堆栈，其特征在于，在所述树脂制 引导部(80)上，沿所述叠层方向形成有用于插入作为所述连接部件的绝 缘性夹片(88)的孔部(84a)。
3. 如权利要求2所述的燃料电池堆栈，其特征在于，在所述树脂制 引导部(80)上，相互并列形成有多个所述孔部(84a、 84b)。
4. 如权利要求2所述的燃料电池堆栈，其特征在于，所述绝缘性夹 片(88)具有大致圆柱状，并且在设于轴向一端侧的头部(88a)及设于 轴向另一端侧的凸缘部(88b)之间一体保持所述燃料电池(12)。
5. 如权利要求4所述的燃料电池堆栈，其特征在于，所述绝缘性夹 片(102)形成有沿轴向延伸的狭缝(104)。
6. 如权利要求1所述的燃料电池堆栈，其特征在于，在所述树脂制 引导部(114)上形成有在赋予来自外部的负荷时能使该树脂制引导部(114)破损的多个孔部(118)。
7. 如权利要求1所述的燃料电池堆桟，其特征在于，所述隔板(26) 由金属板(90)构成，并且，在所述金属板(90)的外周端部形成有切口部(90b)，所述树脂制引 导部(80)覆盖所述切口部(90b)而一体化。
8. 如权利要求1所述的燃料电池堆栈，其特征在于，具备收容所述 燃料电池(12)的壳体(14)，所述树脂制引导部(80)与所述壳体(14)的内面抵接。
全文摘要
本发明提供一种燃料电池堆栈(10)，其中，构成燃料电池堆栈(10)的各燃料电池组件(12)具备第一隔板(24)、第二隔板(26)及第三隔板(28)。在第一隔板(24)、第二隔板(26)及第三隔板(28)的外周部，分别在规定的位置将规定数的负荷承受部(76、80及82)一体化，并且，所述负荷承受部(80)比所述负荷承受部(76、82)更向壳体(14)侧突出。通过将树脂夹片(88)插入负荷承受部(76、80及82)，第一隔板(24)、第二隔板(26)及第三隔板(28)经由所述树脂夹片(88)被一体保持。
文档编号H01M8/02GK101110485SQ200710136838
公开日2008年1月23日 申请日期2007年7月17日 优先权日2006年7月21日
发明者坂野雅章, 安藤敬祐 申请人:本田技研工业株式会社