燃料电池堆的制作方法

本发明涉及将具有利用燃料极与空气极夹着固体电解质的构造的电池构造体与隔离件交替层叠的燃料电池堆的改良。

背景技术：

作为以往的燃料电池堆，有在发明名称为燃料电池的密封构造的专利文献1中记载的燃料电池堆。专利文献1所述的燃料电池堆是将多个电池层叠而成的燃料电池堆。电池具有电池板、负极集电体、电池框架以及隔离件。而且，对于燃料电池堆，在层叠方向上邻接的电池之间，在一侧的电池的电池框架形成密封槽，并且在另一侧的电池的隔离件形成有与密封槽相向的突起部。而且，燃料电池堆具有在密封槽与突起部之间配置了用于密封气体流路的密封构件的构造。密封构件具有在燃料电池的工作温度范围内软化的特性。

专利文献1：日本特开2015-109225号公报

技术实现要素：

发明要解决的问题

但是，在如上所述的以往的燃料电池堆中，若在隔离件产生负极侧与正极侧的差压、热变形，则形成于该隔离件的突起部也变形，由此，层叠方向的拉伸力、与此交叉的方向的剪切力直接施加于密封构件。因此，在以往的燃料电池堆中有如下问题点：有密封构件的耐久性降低的危险，而解决这样的问题点是课题。

本发明由于是着眼于上述以往的问题而成的，因此以提供一种即使在隔离件产生由负极侧与正极侧的差压、热变形导致的面内方向的负荷，也能够抑制由该负荷导致的隔离件的位移并维持密封功能的燃料电池堆为目的。

用于解决问题的方案

本发明涉及的燃料电池堆具有将电池构造体与隔离件交替层叠的构造，所述电池构造体在发电区域的周围具有框架。该燃料电池堆包括对配置于所述隔离件的两面侧的所述电池构造体中的一侧的电池构造体的框架的周缘部与所述隔离件的周缘部彼此之间进行密封的密封构件。

此外，对于燃料电池堆，其特征在于，在横切所述密封构件的剖面上，所述隔离件包括：第1抵接部，其抵接于所述密封构件；各个第2抵接部，其在所述第1抵接部的两侧抵接于另一侧的电池构造体的框架；以及各个连接部，其用于连接所述第1抵接部的两端与所述各个第2抵接部，所述隔离件形成以所述第1抵接部为顶部的凸形形状，并且各个所述第2抵接部具有与另一侧的电池构造体的框架相固定的固定部。

发明的效果

本发明涉及的燃料电池堆通过采用上述结构，第1抵接部、两侧的连接部以及具有固定部的两侧的第2抵接部在相邻的电池构造体的框架彼此之间维持凸形形状，防止层叠方向的拉伸力、与此交叉的方向的剪切力直接施加于密封构件。由此，即使在隔离件产生由负极侧与正极侧的差压、热变形导致的面内方向的负荷，燃料电池堆也能够抑制由该负荷导致的隔离件的位移并维持密封功能。

附图说明

图1是表示本发明涉及的燃料电池堆的第1实施方式的分解立体图。

图2是图1所示的燃料电池堆的周缘部的剖面图。

图3是说明在密封构件附近产生的力的传递的剖面图。

图4是说明在密封构件附近产生的反作用力的传递的剖面图。

图5是表示燃料电池堆的第2实施方式的主要部分的剖面图。

图6是对能够适用于框架和隔离件的材料的温度特性进行例示的曲线图。

图7是表示燃料电池堆的第3实施方式的主要部分的剖面图。

图8是表示燃料电池堆的第4实施方式的主要部分的剖面图。

图9是表示燃料电池堆的第5实施方式的主要部分的剖面图。

图10是表示燃料电池堆的第6实施方式的主要部分的剖面图。

具体实施方式

第1实施方式

图1是概略地表示本发明涉及的燃料电池堆的一例的图。图示的燃料电池堆fs有将在发电区域1的周围具有电池框架2的电池构造体3与隔离件4交替层叠的构造。

电池构造体3是形成为平面矩形的板状的多层构造体，如图2所示的一部分，在固体电解质5的一侧的面(在图2中的上面)具有空气极6，并且在另一侧的面具有燃料极7。此外，电池构造体3在燃料极7侧具有由发泡金属等的多孔材料形成的支承板8。该电池构造体3利用支承板8在维持向燃料极7的气体透过性的同时提高机械强度，例如，有被称为金属支承电池的情况。

该实施方式的电池构造体3在空气极6侧具有由金属板网、金属网等具有气体透过性的材料形成的加强板9，在维持向空气极6的气体透过性的同时进一步提高机械强度。此外，电池构造体3在电解质5、燃料极6以及空气极7的周围，一体地具有金属制的第1框架2a，并且在支承板8的周围，一体地具有第2框架2b。该第2框架是将由多孔材料形成的支承板8的周缘部加压并致密化而成的。

由此，电池构造体3成为将配置有电解质5、空气极6以及燃料极7的中央部作为发电区域1，并在该发电区域1的周围具有由第1以及第2框架2a、2b形成的框架2的构造。

隔离件4是由不锈钢等的金属材料形成，并且是与电池构造体3相对应的平面矩形的构件，利用冲压加工成形为具有凹凸的表背反转形状(日文：表裏反転形状)。该隔离件4夹装在相邻的电池构造体3、3之间，在图2中，在与上侧的一侧的电池构造体3之间形成燃料气体(含氢气体或者氢气)的气体流路g1，在与另一侧的电池构造体3之间形成空气(氧化剂气体)的气体流路g2。

在此，对于电池构造体3的框架2、以及隔离件4，在其一侧的短边部分分别形成有燃料气体的供给用歧管孔h1以及空气的排出用歧管孔h2。此外，在其另一侧的短边部分分别形成有燃料气体的排出用歧管孔h3以及空气的供给用歧管孔h4。在电池构造体3以及隔离件4的层叠状态下，这些歧管孔h1～h4分别相互连通而形成使燃料气体、空气流通的歧管。

如图1所示，燃料电池堆fs将上述的电池构造体3与隔离件4交替层叠，在该层叠体的上下隔着集电板10a、10b配置端板e1、e2。而且，燃料电池堆fs将两侧的端板e1、e2利用螺栓·螺母类连结来约束层叠体。在端板e1、e2的连接中，根据需要配置用于施加层叠载荷的弹簧。

另外，虽然在图1中示出了两张电池构造体3，但是实际上将更多张的电池构造体3层叠，此外，在各个电池构造体3的两面形成气体流路g1、g2，因此隔离件4的数量变得比电池构造体3的数量多1张。另外，在集电板10a、10b以及一侧的端板e2形成有与电池构造体3同样的歧管孔h1～h4。

在上述的燃料电池堆fs中，在各构件之间配置有在图1中利用虚线表示的密封构件s。作为主要的密封构件s，有在电池构造体3的周缘部与隔离件4的周缘部彼此之间配置的密封构件，也有在歧管孔h1～h4的周围配置的密封构件。

在电池构造体3的周缘部与隔离件4的周缘部彼此之间配置的密封构件s在其整周上呈环状地设置，气密地密封气体流路g1、g2。此外，在歧管孔h1～h4的周围配置的密封构件s为了使燃料气体、空气在气体流路g1、g2中分别流通而至少一部分开放，在除此以外的部分将层间密封并将燃料气体、空气的流通区域气密地分离开。

换言之，如图2所示，上述的燃料电池堆fs成为具有对配置于隔离件4的两面侧的电池构造体3、3中的一侧的电池构造体3的框架2(2b)的周缘部与隔离件4的周缘部彼此之间进行密封的密封构件s的构造。

密封构件s虽然不特别限定其材料，但是更加优选的是能够使用低结晶化玻璃等玻璃材料，不仅具有气体密封功能，也具有构件彼此之间的粘接功能以及电绝缘功能。另外，在以下的说明中，将图2中的上侧的电池构造体3作为一侧的电池构造体3，将下侧的电池构造体3作为另一侧的电池构造体3。

而且，对于燃料电池堆fs，如图2以及图3所示，在横切密封构件s的剖面上，隔离件4包括：第1抵接部11；第1抵接部11两侧的第2抵接部12；以及同样在第1抵接部11两侧的连接部13，隔离件4形成以第1抵接部11为顶部的凸形形状。这些各部分11～13的图示的剖面形状在沿着密封构件s的方向(图2以及图3的纸面垂直方向)上连续。

第1抵接部11是抵接于密封构件s的平坦部分，在与一侧的电池构造体3的框架2(第2框架2b)之间夹持密封构件s。第2抵接部12是在第1抵接部11的两侧抵接于另一侧的电池构造体3的框架2(第1框架)的平坦部分，具有向框架2固定的固定部14。该实施方式的固定部14是与框架2焊接的焊接部。

连接部13是用于将第1抵接部11的两端与第2抵接部12、12各自连接的部分。由此，在横切密封构件s的剖面上，隔离件4在与框架2之间形成有以第1抵接部11为顶部(顶边)，并且以两连接部13、13为斜边的梯形形状的凸形形状。

该实施方式的隔离件4设为使各第2抵接部12、12与连接部13、13形成的角度α1比90度大的构造。此外，隔离件4设为使各个第2抵接部12、12与连接部13、13形成的角度α1彼此相等的构造。

另外，由于隔离件4的第1抵接部11以及第2抵接部12是相互平行(实质上平行)的，因此，第1抵接部11与各连接部13形成的角度α2当然也是比90度大，且是在第1抵接部11的两侧彼此相等的角度。虽然这些角度α1、α2没有被特别限定，但是对于比90度大的情况，优选能够将施加在第1抵接部11的向下方的力良好地转换为第2抵接部12的面内方向的力而进行传递的范围。

对于具有上述结构的燃料电池堆fs，向气体流路g1、g2导入燃料气体以及空气，将这些气体分别向空气极6以及燃料极7供给，利用电池构造体3的发电区域1中的电化学反应来产生电能。

此外，在上述的燃料电池堆fs中，在工作中，在隔离件4产生由负极侧与正极侧的差压、面内方向(沿着面的方向)的热变形导致的负荷。对此，在燃料电池堆fs的隔离件4中，第1抵接部11、两连接部13、13以及具有固定部14的两第2抵接部12、12在相邻的电池构造体3、3的框架2、2彼此之间维持凸形形状。换言之，对于燃料电池堆fs，在相邻的电池构造体3、3彼此之间，隔离件4的凸形形状抵抗负荷。

更具体来说，对于燃料电池堆fs，如图3中粗箭头所示，在层间产生压缩方向的力的情况下，如细箭头所示，该力沿着连接部13传递，并在沿着第2抵接部12的方向上传递。此时，由于燃料电池堆fs的两第2抵接部12、12利用各自的固定部14、14固定于框架2，因此即使受到压缩方向的力，凸形形状也不被压坏地被维持。

此外，对于燃料电池堆fs，如图4所示，对于上述的力传递而产生反作用力(抗力)，该反作用力自两侧的第2抵接部12、12向各自的连接部13传递，作用在压缩密封构件s的方向上。此时，沿着各连接部13的反作用力也向第1抵接部11传递，并在第1抵接部11相抵消。

这样一来，燃料电池堆fs通过采用上述实施方式的结构，第1抵接部11、两连接部13、13以及具有固定部14的两第2抵接部12、12在相邻的电池构造体3的框架2、2彼此之间维持以第1抵接部11为顶部的凸形形状，防止层叠方向的拉伸力、与此交叉的方向的剪切力直接施加于密封构件s。

由此，对于燃料电池堆fs，即使在隔离件4产生由负极侧与正极侧的差压、热变形导致的面内方向(沿着主面的方向)负荷，也能够抑制由于该负荷导致的隔离件4的位移，维持密封构件s的密封功能。

此外，由于燃料电池堆fs使各个第2抵接部与连接部形成的角度α1比90度大，因此，良好地进行图3所示的自第1抵接部11向各第2抵接部12的力的传递、图4所示的自第2抵接部12向第1抵接部11的反作用力的传递和抵消，维持隔离件4的凸形形状。此外，对于隔离件4，通过将上述角度α1设为比90度大的钝角，能够易于利用冲压加工成形。

另外，由于燃料电池堆fs使各个第2抵接部12与连接部13、13形成的角度α1彼此相等，因此凸形形状的左右的平衡变得良好，能够更可靠地防止由于负荷导致的变形。

另外，由于燃料电池堆fs将第2抵接部12的向框架2固定的固定部14设为焊接部，因此设为极简单的构造，能够得到可靠的位移抑制的功能，在量产性上也变得优异。另外，固定部14不限定于焊接部，根据框架2的材料等，也可以采用钎焊、密封材料以及粘接剂等。

另外，对于燃料电池堆fs，由于在采用利用冲压加工成形的隔离件4的基础上还能够抑制其位移，因此在量产性上优异，能够对电池构造体3的低成本化、薄型化等做出贡献。

图5～图10是说明本发明涉及的燃料电池堆的第2～第6实施方式的图。在以下的各实施方式中，对于与第1实施方式同等的构成部位，附上同样的附图标记并省略详细的说明。

第2实施方式

在图5中示出主要部分的燃料电池堆fs具有与之前的实施方式同样的基本结构。该燃料电池堆fs适当地选择了配置于隔离件4的两面侧的一侧的电池构造体3以及另一侧的电池构造体3中的另一侧(在图中的下侧)的电池构造体3的框架2和隔离件4的材料，即第2抵接部12所抵接的电池构造体3的框架2和隔板4的材料。

燃料电池堆fs设为另一侧的电池构造体3的框架2的线膨胀系数比隔离件4的线膨胀系数大的结构。在此，如第1实施方式(参照图2)中所说明的，该实施方式的框架2是第1框架2a及第2框架2b上下重叠的结构。因此，至少使作为隔离件4侧的第1框架2a的线膨胀系数比隔离件4的线膨胀系数大。另外，该实施方式的密封构件s设为由玻璃材料形成。

图6是列举了适当的材料的一例的图，是表示用于第1框架2a的“crofer22h(注册商标)”和用于隔离件4的“aluchromyhf(注册商标)”的根据温度的线膨胀系数的变化的曲线图。两材料伴随着温度上升而线膨胀系数增大，此时，各自的近似线表现大致相互平行的关系。如此，对于相互固定的第1框架2a以及隔离件4的材料，优选近似线大致相互平行，换言之与温度变化无关线、膨胀系数的差的变化少的材料。另外，这些材料不限定于在图6中例示的材料。

上述的燃料电池堆fs在由于工作开始而变为高温的情况下，由玻璃材料形成的密封构件s软化。此时，第1框架2a由于具有比隔离件4的线膨胀系数大的线膨胀系数，因此如图5中黑色箭头所示，在面内方向上伸长。由此，同样地如黑色箭头所示，使得：凸形形状被压坏的方向的力作用于隔离件4，软化的密封构件s不被过度地压缩。换言之，燃料电池堆fs如果在高温时压缩密封构件s，则在工作停止而变成低温时，密封构件s以被压缩的状态硬化，有破坏密封功能的危险。因此，在燃料电池堆fs中，将处于高温时的密封构件s的过度的变形防止于未然，维持充分的密封功能。

此外，对于燃料电池堆fs，在由于工作停止而温度降低的情况下，如图5中白色箭头所示，隔离件4在面内方向上收缩。由此，同样地如白色箭头所示，使凸形形状的高度增加的方向的力作用于隔离件4，在第1抵接部11与一侧的框架2(第2框架2b)之间夹持密封构件s，维持充分的密封功能。

对于上述实施方式的燃料电池堆fs，与之前的实施方式同样地，即使在隔离件4产生在面内方向上由负极侧与正极侧的差压、热变形导致的负荷，也能够维持凸形形状，抑制由于该负荷导致的隔离件4的位移并维持密封功能。此外，特别是通过使隔离件4的线膨胀系数比框架2(第1框架2a)的线膨胀系数大，燃料电池堆fs相对于伴随着工作的开始以及停止的温度变化，始终能够维持密封构件s的良好的密封功能。

第3实施方式

在图7中示出主要部分的燃料电池堆fs具有和之前的实施方式同样的基本结构，隔离件4在至少一侧的连接部13与第2抵接部12之间连续地具有支承相向的框架2、2彼此的弯折部15。在图示例中，在两侧的连接部13与第2抵接部12之间具有弯折部15。

换言之，本发明的燃料电池堆fs使各第2抵接部12与连接部13形成的角度α1比90度大。但是，由于在第2抵接部12与连接部13之间存在弯折部15，因此更严密来说，该实施方式的燃料电池堆fs使各第2抵接部12的延长线与连接部13形成的角度α1比90度大。这样一来，燃料电池堆fs既可以如第1实施方式(参照图2、图3)那样，连接部13与第2抵接部12直接地连续，也可以如此实施方式这样，连接部13与第2抵接部12借助弯折部15间接地连续。

在此实施方式的燃料电池堆fs中，由于第2抵接部12重叠于框架2上，因此实质上，各第2抵接部12与连接部13形成的角度α1也能够视为框架2与连接部13形成的角度α1。

在横切密封构件s的剖面上，弯折部15具有大致相同长度的第1以及第2倾斜边15a、15b。第1倾斜边15a自连接部13的下端到作为图中上侧的一侧的电池构造体3的框架2(第2框架2b)。第2倾斜边15b自第1倾斜边15a的上端到第2抵接部12的端部。由此，弯折部15与框架2之间形成等腰三角形。

上述实施方式的燃料电池堆fs与之前的实施方式同样地，在相邻的电池构造体3的框架2、2彼此之间维持隔离件4的凸形形状，抑制由于伴随着差压、热变形的负荷导致的隔离件4的位移。此外，对于燃料电池堆fs，隔离件4的弯折部15抵接于相向的框架2、2彼此并支承两框架2、2，且维持两框架2、2的间隔。

由此，上述的燃料电池堆fs在能够得到与之前的实施方式同样的作用效果的基础上，还能够在抑制隔离件4的位移的同时防止负荷直接施加于密封构件s，更可靠地维持良好的密封功能。

此外，对于燃料电池堆fs，由于第1抵接部11、连接部13、弯折部15以及第2抵接部12彼此弯折地连续，因此隔离件4中的密封构件s的配置部分的机械强度提高。由此，燃料电池堆fs能够更可靠地抑制密封线的位移，对密封功能的进一步提高做出贡献。

第4实施方式

在图8中示出主要部分的燃料电池堆fs具有与之前的实施方式同样的基本结构，并且在横切密封构件s的剖面上，第1抵接部11具有保持密封构件s的槽部16。因此，槽部16在沿着密封构件s的方向上连续。图示的槽部16在第1抵接部11的两端侧形成突起16a、16a，在两突起16a、16a之间形成为凹状。

此外，对于上述的燃料电池堆fs的隔离件4，在图中左侧那一侧，连接部13与第2抵接部12直接连续，在另一侧，连接部13与第2抵接部12借助弯折部15连续。

对于具有上述结构的燃料电池堆fs，在使用由例如玻璃材料、树脂等形成的密封构件s即在涂布后硬化来发挥密封功能的密封构件s的情况下，将该密封构件s涂布于槽部16。在该燃料电池堆fs中，在由于工作时的高温而密封构件s软化的情况下，能够防止其流出，并能够将密封构件s留在槽部16来维持密封功能。

此外，上述的燃料电池堆fs在能够得到与之前的实施方式同样的作用效果的基础上，还由于隔离件4的第1抵接部11利用槽部16以及两侧的突起16a、16a而形成为表背反转的凹凸状，因此机械强度提高。由此，能够抑制密封线的位移，谋求密封功能的进一步提高。

第5实施方式

在前述的第1实施方式(参照图2、图3)中，举例说明了连接部13与第2抵接部12以形成角度α1的方式连续的结构。对此，对于在图9中示出主要部分的燃料电池堆fs，连接部13在下端侧弯曲，借助该曲线与第2抵接部12连续。

在此，对于本发明的燃料电池堆fs，各第2抵接部12与连接部13形成的角度α1比90度大。对于该实施方式的燃料电池堆fs，由于连接部13的下端弯曲，因此严密来说，连接部的直线部分的延长线(图9中在偏移的位置表示)与第2抵接部12形成的角度α1比90度大。

上述的燃料电池堆fs与之前的实施方式同样地，例如，如图9中粗箭头所示，在层间产生压缩方向的力的情况下，如右侧的细箭头所示，该力经由连接部13向第2抵接部12传递，此时，由于第2抵接部12利用固定部14固定于框架2，因此凸形形状不被压坏地被维持。此外，在燃料电池堆fs中，由于连接部13与第2抵接部12利用曲线连续，因此施加于第1抵接部11的力沿着曲线向第2抵接部12平滑地传递。

在上述的燃料电池堆fs中，也与之前的实施方式同样地，能够在抑制隔离件4的位移的同时防止负荷直接施加于密封构件s，更可靠地维持良好的密封功能。

第6实施方式

在图10中示出主要部分的燃料电池堆fs具有与之前的实施方式同样的基本结构，且是在隔离件4中使各个第2抵接部12、12与连接部13、13形成的角度α1比90度小的结构。由此，隔离件4形成以第1抵接部11为顶部的倒梯形的凸形形状。

对于上述隔离件4，由于第1抵接部11和第2抵接部12实质上平行，因此第1抵接部11与连接部13形成的角度α2也为比90度小的角度。此外，上述的各角度α1、α2是在第1抵接部11的两侧分别相等的角度。

在具有上述结构的燃料电池堆fs中，例如，如图10中的粗箭头所示，在受到层叠方向的压缩载荷的情况下，如该图中的细箭头所示，产生沿着连接部13倾斜的向下的力。该力成为向着凸形形状的垂直下方的力和向着凸形形状的中心的力。此外，反作用力(抗力)与各箭头反向。

此时，由于燃料电池堆fs利用固定部14将第2抵接部12固定于框架2，因此第2抵接部12的位置不改变，而且，自凸形形状的左右向着中心的力相抵消，作为结果维持隔离件4的凸形形状。由此，上述的燃料电池堆fs与之前的实施方式同样地，能够在抑制隔离件4的位移的同时防止负荷直接施加于密封构件s，更可靠地维持良好的密封功能。

另外，在第1～5的实施方式中，使第2抵接部12与连接部13形成的角度α1比90度大，在第6实施方式中，使第2抵接部12与连接部13形成的角度α1比90度小。本发明涉及的燃料电池堆fs也可以使第2抵接部12与连接部13形成的角度α1为90度。

对于该情况，对于燃料电池堆fs，使作用于连接部13的向下的力直接向框架2传递，并且利用固定部14阻止第2抵接部12的位移，因此维持隔离件4的凸形形状。由此，燃料电池堆fs在抑制隔离件4的位移的同时防止负荷直接施加于密封构件s，更可靠地维持良好的密封功能。

对于本发明涉及的燃料电池堆，其结构不仅限定于上述各实施方式，在不脱离本发明的要旨的范围内能够适当变更结构的细节或者将上述各实施方式的结构适当组合。

附图标记说明

fs、燃料电池堆；s、密封构件；1、发电区域；2、框架；3、电池构造体；4、隔离件；11、第1抵接部；12、第2抵接部；13、连接部；14、固定部；15、弯折部；16、槽部。