燃料电池堆的制作方法

燃料电池堆的制作方法
【专利摘要】一种燃料电池堆(FS)，其是在具有凹部(2B)和凸部(2A)的一对隔膜(2、2)之间夹持膜电极接合体(1)而形成单电池(C)、并且层叠该单电池(C)而形成的，其中，该燃料电池堆(FS)设为如下结构：在单电池(2、2)彼此之间形成有冷却液的流通空间(F)，在流通空间(F)内配置有用于吸收单电池(C)之间的位移的位移吸收构件(10)，位移吸收构件(10)包括具有自由端(J)和固定端(K)的弹簧功能部(10B)，该位移吸收构件(10)具有用于防止弹簧功能部(10B)的自由端(J)进入凹部(2A)内的防止进入部件(2A、5)，在良好地维持单电池(C)之间的位移吸收功能的同时实现了小型化。
【专利说明】燃料电池堆

【技术领域】
[0001]本发明涉及固体高分子型燃料电池(PEFC)等燃料电池，特别是涉及具有使冷却液在层叠后的单电池彼此之间流通的结构的燃料电池堆。

【背景技术】
[0002]以往，作为如上所述的燃料电池堆，有例如在专利文献I中记载为燃料电池的燃料电池堆。专利文献I所记载的燃料电池是层叠了多片燃料电池单元而成的燃料电池。燃料电池单元在MEA(膜电极接合体)的两侧包括具有凹凸形状截面的氢极和包含相同的凹凸形状截面的排水层的氧极，并且，在氢极和氧极之间具有分别形成氢流路和氧流路的平板隔膜。另外，燃料电池在氧极侧具有冷媒流路部。
[0003]冷媒流路部包括两片平板隔膜和被夹在这两片平板隔膜之间的预压板，将两片平板隔膜之间作为冷却水的流路。预压板形成为波形状截面，通过使因燃料电池的各个构成元件的形状误差而局部产生的载荷分散，从而对各个构成元件施加均匀的载荷。
_4] 现有技术文献_5] 专利文献
[0006]专利文献1:日本特许第4432518号公报


【发明内容】

_7] 发明要解决的问题
[0008]可是，这种燃料电池堆在作为汽车等车辆的电源进行使用的情况下，搭载空间被限制得较窄，因此小型化也非常重要。然而，在如上所述的以往的燃料电池堆(燃料电池)中，由于单电池(燃料电池单元)是具有凹凸形状截面的电极、平板隔膜以及预压板的组合，因此难以在维持位移吸收功能的同时将单电池设为薄型，难以实现燃料电池堆的小型化。
[0009]本发明是鉴于上述以往的状况而做成的，其目的在于提供一种具有使冷却液在层叠后的单电池彼此之间流通的结构、且能够在良好地维持单电池之间的位移吸收功能的同时实现小型化的燃料电池堆。
[0010]用于解决问题的方案
[0011]本发明的燃料电池堆具有如下结构:在具有凹部和凸部的一对隔膜之间夹持膜电极接合体而形成单电池，并且层叠该单电池而形成。
[0012]而且，燃料电池堆设为如下结构:在单电池彼此之间形成有冷却液的流通空间，在流通空间内配置有用于吸收单电池之间的位移的位移吸收构件，位移吸收构件包括具有自由端和固定端的弹簧功能部，该位移吸收构件具有用于防止弹簧功能部的自由端进入凹部内的防止进入部件，将燃料电池堆的上述结构作为用于解决以往的问题的方案。
[0013]发明的效果
[0014]本发明的燃料电池堆具有使冷却液在层叠后的单电池彼此之间流通的结构，能够在良好地维持单电池之间的位移吸收功能的同时实现小型化。

【专利附图】

【附图说明】
[0015]图1是说明本发明的燃料电池堆的第I实施方式的分解状态的立体图㈧和表示组装后的立体图(B)。
[0016]图2是说明单电池的结构的分解状态的俯视图㈧和表示组装后的俯视图⑶。
[0017]图3是燃料电池堆的凹凸宽度方向的剖视图(A)和凹凸形状的连续方向的剖视图⑶。
[0018]图4是说明位移吸收构件的立体图(A)和说明弹簧功能部的动作的侧视图(B)。
[0019]图5是说明本发明的燃料电池堆的第2实施方式的各个剖视图㈧⑶。
[0020]图6是说明本发明的燃料电池堆的第3实施方式的各个剖视图㈧⑶。
[0021]图7是说明本发明的燃料电池堆的第4实施方式的立体图。
[0022]图8是说明本发明的燃料电池堆的第5实施方式的凹凸形状的连续方向的剖视图(A)和立体图⑶。
[0023]图9是说明本发明的燃料电池堆的第6实施方式的剖视图㈧和位移吸收构件的立体图⑶。
[0024]图10是与图9 一起说明燃料电池堆的第6实施方式的立体图。
[0025]图11是说明本发明的燃料电池堆的第7实施方式的立体图。
[0026]图12是说明本发明的燃料电池堆的第8实施方式的立体图(A)和主要部分的放大立体图(B)。
[0027]图13是说明本发明的燃料电池堆的第9实施方式的立体图。
[0028]图14是说明本发明的燃料电池堆的第10实施方式的立体图(A)和主要部分的放大剖视图(B)。
[0029]图15是说明本发明的燃料电池堆的第11实施方式的立体图。
[0030]图16是说明本发明的燃料电池堆的第12实施方式的立体图。
[0031]图17是表示本发明的燃料电池堆的第13实施方式的说明图。
[0032]图18是说明本发明的燃料电池堆的第14实施方式的剖视图。
[0033]图19是说明本发明的燃料电池堆的第15实施方式的剖视图。

【具体实施方式】
[0034]〈第I实施方式〉
[0035]图1所示的燃料电池堆FS以图1的(A)所示的单电池C为发电要素，并在相对于层叠该单电池C而成的层叠体A而言的层叠方向的一端部(在图1中为右侧端部)隔着集电板54A和隔板55设有端板56A，并且在另一端部隔着集电板54B设有端板56B。另外，燃料电池堆FS在相对于层叠体A而言成为单电池C的长边侧的两个面(在图1中为上下表面)上设有连结板57A、57B，并且在成为短边侧的两面上设有增强板58A、58B。
[0036]而且，燃料电池堆FS利用螺栓B将各个连结板57A、57B和增强板58A、58B连结于两个端板56A、56B。这样，燃料电池堆FS成为如图1的(B)所示的壳体一体型结构，将层叠体A沿其层叠方向进行约束、加压而对各个单电池C施加预定的接触表面压力，良好地维持气体密封性、导电性等。
[0037]如图2所示，燃料电池单元C具有由一对隔膜2、2夹持着膜电极接合体I的结构。另外，图示例的膜电极接合体I在其外周部一体地具有树脂制的框架51。
[0038]膜电极接合体I 一般被称作MEA (Membrane Electrode Assembly),例如具有由成对的电极层即空气极层(阴极)和燃料极层(阳极)夹持着由固体高分子构成的电解质层而成的结构。该膜电极接合体I向空气极层供给另一方的反应用气体即阴极气体(含氧气体/空气)，并且向燃料极层供给一方的反应用气体即阳极气体(含氢气体)，通过电化学反应进行发电。另外，作为膜电极接合体1，也包括在空气极层与燃料极层的表面具有由碳纸、多孔质体等构成的气体扩散层的膜电极接合体。
[0039]框架51通过树脂成形(例如注塑成形)而与膜电极接合体I 一体化，在该实施方式中，将膜电极接合体I设于中央而使框架51形成为长方形状。另外，框架51在两端部分别排列有各三个的歧管孔Hl?歧管孔H6，各个从歧管孔组到膜电极接合体I为止的区域成为扩散部D。该框架51和两个隔膜2、2均是具有大致相等的纵横尺寸的长方形状。
[0040]而且，框架51在扩散部D纵横排列有圆形状的多个突部52。在因膜电极接合体I的时效变化等而在单电池C上产生了厚度方向的位移时，这些突部52与隔膜2、2接触而维持反应用气体的流通空间。
[0041]各个隔膜2例如是不锈钢制，至少与膜电极接合体I对应的中央部分形成为凹凸形状截面。该隔膜2在长边方向、即冷却液的流通方向(在图2中为左右方向)上连续地具有凹凸形状截面，在与膜电极接合体I之间，由波形的凹部形成阳极气体和阴极气体的气体流路(图3中的附图标记3)。另外，各个隔膜2在两个端部具有与框架51的各个歧管孔Hl?歧管孔H6相同的歧管孔Hl?歧管孔H6。
[0042]上述框架51及膜电极接合体I与两个隔膜2、2重叠而构成单电池C。此时，特别是如图2的(B)所示，单电池C在中央具有膜电极接合体I的区域即发电部G。而且，在发电部G的两侧具有用于进行反应用气体的供给及排出的歧管部M和作为反应用气体的从各个歧管部M到发电部G的流通区域的扩散部D。
[0043]在图2的⑶的左侧所示的一个歧管部M中，各个歧管孔Hl?歧管孔H3为阴极气体供给用(Hl)、冷却流体供给用(H2)以及阳极气体供给用(H3)，在层叠方向上相互连通而形成各个流路。另外，在图2的(B)的右侧所示的另一个歧管部M中，各个歧管孔H4?歧管孔H6为阳极气体排出用(H4)、冷却流体排出用(H5)以及阴极气体排出用(H6)，在层叠方向相互连通而形成各个流路。另外，供给用与排出用的歧管孔的位置关系也可以一部分或全部相反。
[0044]而且，如图2所示，单电池C在框架51与各个隔膜2的边缘部彼此之间、在歧管孔Hl?歧管孔H6的周围设有气体密封件SL。另外，在层叠了多片单电池C的状态下，在单电池C彼此之间、即相邻的隔膜2彼此之间也设置气体密封件SL。在该实施方式中，如后所述，是使冷却液在相邻的隔膜2、2之间流通的结构。
[0045]上述气体密封件SL在各个层之间气密地分离出阴极气体、阳极气体及冷却液各自的流通区域，并且为了供预定的流体在该层之间流动而在歧管孔Hl?歧管孔H6的周缘部的适当部位设置开口。
[0046]层叠多片具有上述结构的单电池C，构成图1所示的燃料电池堆FS。如图3的(A)所示，燃料电池堆FS在相邻的单电池C彼此之间形成冷却液的流通空间F，并且具有配置在上述流通空间F内而用于吸收单电池C之间的位移的位移吸收构件10。
[0047]在此，如上所述，隔膜2、2在冷却液的流通方向(图3B中的箭头A方向)上连续地具有凹凸形状截面，在与膜电极接合体I之间，利用波形的凹部形成阳极气体和阴极气体的气体流路3、3。图示例的隔膜2是将四边形截面的凸部2A和凹部2B交替配置而形成凹凸形状截面。因此，凸部2A的上表面为平面。
[0048]而且，在燃料电池堆FS中，流通空间F内的冷却液的流通方向(图3中的箭头A方向)与各个气体流路3、3内的阳极气体的流通方向(图3中的箭头B方向)及阴极气体的流通方向(图3中的箭头C方向)成为同一方向。
[0049]上述隔膜2具有正反翻转的形状。因而，隔膜2的向流通空间F侧突出的凸部2A在与其相反的一侧成为凹部，向流路空间F侧开放的凹部2B在与其相反的一侧成为凸部。这种隔膜2例如能够通过冲压加工来进行制造，借助该凹凸形状，机械强度增加，而且能够在两面侧形成流路，因此能够实现膜电极接合体I的薄型化、单电池C的薄型化。
[0050]另外，膜电极接合体I与各个隔膜2之间、相邻的单电池C彼此之间、即流路空间F在外周部设有合适的气体密封件，在各个层之间，通过未图示的供给通路和排出通路，使阳极气体、阴极气体以及冷却液流通。
[0051]简单来说，位移吸收构件10是与隔膜2之间的接触部分伴随着厚度方向的变形而沿着面内方向(在图3B中为左右方向)移动的构件。该位移吸收构件10配置为接触部分的移动方向成为隔膜2的凹凸形状的连续方向。另外，凹凸形状的连续方向是指凹凸形状的截面连续的方向(凸部2A和凹部2B的长度方向)，不是凹凸交替相连的方向。
[0052]另外，如后所述，位移吸收构件10包括具有自由端J和固定端K的弹簧功能部1B0该位移吸收构件10配置为使弹簧功能部1B的自由端J的移动方向与隔膜2的凹部2B的连续方向(在图3B中为左右方向)一致、并且使自由端J与隔膜2的凸部2A接触。而且，位移吸收构件10具有用于防止弹簧功能部1B的自由端J进入凹部2B内的防止进入部件。
[0053]另外如图4的(A)所示，该实施方式的位移吸收构件10构成为:以薄金属板为原材料，具有导电性以兼用作单电池C之间的连接器，并在基板1A的单面上纵横排列有许多的弹簧功能部10B。由此，位移吸收构件10的基板1A与隔着流通空间F相对的一对隔膜
2、2中的一个隔膜2 (在图3中为单电池C的下侧的隔膜)相接触，弹簧功能部1B与另一个隔膜2 (在图3中为单电池C的上侧的隔膜)相接触。
[0054]弹簧功能部1B形成为将基端设为向基板1A固定的固定端K且将顶端侧设为自由端J的悬臂梁结构的舌片状。该弹簧功能部1B如图4的(B)所示，伴随着厚度方向的变形，与基板1A之间的角度发生变化，与隔膜2之间的接触部分即自由端J的顶端在箭头所示的面内方向即凹凸形状的连续方向上位移。
[0055]另外，位移吸收构件10形成为各个弹簧功能部1B自基板1A切开翘起的状态。由此，基板1A在各个弹簧功能部1B的下侧具有由于弹簧功能部1B的切开翘起而形成的开口部10C。而且，位移吸收构件10以使各个弹簧功能部1B中的至少一个弹簧功能部1B的自由端J朝向冷却液的流通方向下游侧的状态配置，在图示例中，所有的弹簧功能部1B为相同的朝向。
[0056]具有上述结构的燃料电池堆FS由于单电池C是具有凹凸形状截面的隔膜2与位移吸收构件10的组合，因此以预定的流路面积高效地配置气体流路3、冷却液的流通空间F，实现单电池C的薄型化。
[0057]另外，燃料电池堆FS利用位移吸收构件10吸收单电池C之间的位移。此时，燃料电池堆FS以使位移吸收构件10的弹簧功能部1B的朝向与隔膜2的凹凸形状的连续方向一致的方式配置，并且弹簧功能部1B所接触的隔膜2的凸部2A的上表面为平面。
[0058]由此，在燃料电池堆FS中，伴随着位移吸收构件10的厚度方向的变形，即使如图3的(B)所示那样弹簧功能部1B的自由端J与隔膜2之间的接触部分移动，弹簧功能部1B的自由端J也始终与凸部2A的上表面接触，而不会落入凹部2B，因此能够充分地发挥位移吸收构件10的位移吸收功能。即，在该实施方式中，隔膜2的凸部2A相当于用于防止弹簧功能部1B的自由端J进入凹部2B内的防止进入部件。而且，燃料电池堆FS由于弹簧功能部1B的自由端J与隔膜2的凸部2A面接触，因此还能够减少隔膜2与位移吸收构件10之间的接触电阻。
[0059]这样，燃料电池堆FS具有使冷却液在层叠后的单电池C彼此之间流通的结构，并且能够在良好地维持单电池C之间的位移吸收功能的同时实现小型化。
[0060]另外，燃料电池堆FS在流通空间F内以使各个弹簧功能部1B的自由端J朝向冷却液的流通方向下游侧的状态配置有位移吸收构件10,因此冷却液变得易于流动，能够减少冷却液的压力损失。
[0061]而且，燃料电池堆FS由于流通空间F内的冷却液的流通方向(在图3中为箭头A方向)与气体流路3、3内的气体的流通方向(在图3中为箭头A、B方向)为同一方向，特别是将冷却液的流通方向(在图3中为箭头A方向)与阳极气体的流通方向(箭头B方向)设为同一方向，因此能够容易地进行膜电极接合体I的反应面的温度控制、即反应面的气体流动方向的温度场的控制。
[0062]图5?图8是说明本发明的燃料电池堆的第2?第5实施方式的图。另外，在以下各个实施方式中，对与第I实施方式相同的构成部位标注相同的附图标记并省略详细的说明。
[0063]〈第2实施方式〉
[0064]图5的(A)所示的燃料电池堆的位移吸收构件10成为弹簧功能部1B的自由端J的宽度Wa大于该弹簧功能部1B所接触的隔膜2的凸部2A的宽度Wb的构件。
[0065]具有上述结构的燃料电池堆能够获得与前面的实施方式相同的效果，而且弹簧功能部1B的自由端J必定会接触到凸部2A的上表面，其向凹部2B内的落入受到阻止，而且，能够较大地获得电接触面积。
[0066]图5的⑶所示的燃料电池堆的位移吸收构件10成为弹簧功能部1B的自由端J的宽度Wa大于该弹簧功能部1B所接触的隔膜2的凹部2B的宽度Wc的构件。
[0067]即使是具有上述结构的燃料电池堆，也能够获得与前面的实施方式相同的效果，而且弹簧功能部1B的自由端J必定会接触到凸部2A的上表面，其向凹部2B内的落入受到阻止，而且，能够较大地获得电接触面积。
[0068]〈第3实施方式〉
[0069]图6的(A)所示的燃料电池堆的位移吸收构件10的弹簧功能部1B的自由端J与该弹簧功能部1B所接触的隔膜2的多个凸部2A相接触。在图示例中，弹簧功能部1B的自由端J与相邻的两个凸部2A、2A相接触。
[0070]具有上述结构的燃料电池堆能够获得与前面的实施方式相同的效果，而且能够减少冷却液的压力损失。即，在燃料电池堆中，如上所述，将各个弹簧功能部1B的自由端J设为朝向冷却液的流通方向下游侧的状态，易于使冷却液流动，但是无法避免弹簧功能部1B自身干扰冷却液的流通。
[0071]因此，在燃料电池堆中，通过使弹簧功能部1B的自由端J与隔膜2的多个凸部2A接触，从而在弹簧功能部1B的配置部分确保由隔膜2的凹部2B形成的流路。即，将弹簧功能部1B所接触的多个凸部2A、2A之间的凹部2B确保为该弹簧功能部1B的配置部分的流路。由此，燃料电池堆能够针对弹簧功能部1B的配置部分分配冷却液，提高该配置部分处的流通性，从而整体上减少冷却液的压力损失。
[0072]图6的(B)所示的燃料电池堆的位移吸收构件10如基于图4的(A)的前述说明所示，位移吸收构件10的基板1A在各个弹簧功能部1B的下侧具有开口部10C。而且，燃料电池堆成为基板1A所接触的隔膜2的凹部2B与上述开口部1C相连通的构件。
[0073]上述燃料电池堆在基板1A所接触的隔膜2侧且在弹簧功能部1B的配置部分确保由凹部2B和开口部1C形成的流路。由此，燃料电池堆能够针对弹簧功能部1B的配置部分分配冷却液，提高该配置部分处的流通性，从而整体上减少冷却液的压力损失。
[0074]另外，如果组合图6的(A)⑶所示的实施方式，则在位移吸收构件10的上下两侧的隔膜2、2中，利用上下的凹部2B、2B和开口部1C来确保流路，能够进一步提高弹簧功能部1B的配置部分处的流通性。
[0075]〈第4实施方式〉
[0076]图7所示的燃料电池堆的位移吸收构件10在基板1A上将各个弹簧功能部1B沿隔膜2的凹凸形状的连续方向(在图中为向上方向)和与该连续方向交叉的宽度方向(在图中为左右方向)排列，并且在宽度方向上相邻的弹簧功能部1B沿凹凸形状的连续方向彼此错开(箭头OS)。图示例的错开量大致为一个弹簧功能部1B的大小。隔膜2的凹凸形状的连续方向与冷却液的流通方向相同。
[0077]在上述燃料电池堆中，在面内方向上，如图7中的箭头所示，冷却液以左右绕过弹簧功能部1B的方式流通，冷却液停滞的点减少，因此能够减少冷却液的压力损失。另外，如果上述燃料电池堆例如与图6所示的位移吸收构件10和隔膜2的结构相组合，则能够降低面内方向和厚度方向的流通性，能够整体上大幅度减少冷却液的压力损失。
[0078]〈第5实施方式〉
[0079]相对于在前面的实施方式中采用了在基板1A的单侧排列有许多个弹簧功能部1B的位移吸收构件10，图8的㈧⑶所示的燃料电池堆FS采用了波形状截面的位移吸收构件20。即使是该位移吸收构件20，与隔膜2之间的接触部分也伴随着厚度方向的变形而在面内方向(波形的行进方向)上移动。另外，在图8的(B)中仅示出了位移吸收构件20的波形状。即使是该位移吸收构件20，例如也可以将一端部或中央部固定于其他构件而将其设为固定端。此时，在将一端部设为固定端的情况下，另一端部成为自由端，或者在将中央部设为固定端的情况下，两个端部成为自由端。
[0080]上述燃料电池堆FS在相邻的单电池C彼此之间形成冷却液的流通空间F，并且在该流通空间F内具有上述位移吸收构件20，隔膜2在冷却液的流通方向(在图3A中为左右方向)上连续地具有凹凸形状截面。而且，位移吸收构件20配置为使接触部分的移动方向(自由端的移动方向)成为隔膜2的凹凸形状的连续方向，S卩、使图8的(A)中示出的波形的行进方向成为隔膜2的凹凸形状的连续方向，且位移吸收构件20分别与上下两片隔膜2的凸部2A接触。
[0081]即使是具有上述位移吸收构件20的燃料电池堆，也与前面的实施方式相同地具有使冷却液在层叠后的单电池C彼此之间流通的结构，并且能够在良好地维持单电池C之间的位移吸收功能的同时实现小型化。
[0082]图9?图19是分别说明本发明的燃料电池堆的第6?第15实施方式的图。另外，对与前面的实施方式相同的构成部位标注相同的附图标记并省略详细的说明。另外，在图10?图16中，仅示出了位移吸收构件10的弹簧功能部10B。
[0083]〈第6实施方式〉
[0084]在图9所示的燃料电池堆中，位移吸收构件10简单来说是与隔膜2之间的接触部分伴随着厚度方向的变形而在面内方向(在图9A中为左右方向)上移动的构件。该位移吸收构件10配置为接触部分的移动方向成为隔膜2的凹凸的排列方向。
[0085]另外，位移吸收构件10包括具有自由端J和固定端K的弹簧功能部10B。该位移吸收构件10以使弹簧功能部1B的自由端J的移动方向与同隔膜2的凹部2B的连续方向正交的方向(在图9中为左右方向)一致、并且使自由端J与隔膜2的凸部2A接触的方式配置。而且，位移吸收构件10具有用于防止弹簧功能部1B的自由端J进入凹部2B内的防止进入部件。
[0086]如后所述，该实施方式的防止进入部件是形成于从隔膜2的流通空间F侧的各个凹部2B中选择的凹部2B内、并且向流通空间F侧突出以抑制位移吸收构件10落入的保持部。
[0087]如图9的⑶所示，位移吸收构件10构成为:以薄金属板为原材料，具有导电性以兼用作单电池C之间的连接器，并在基板1A的单面上纵横排列有许多个弹簧功能部10B。弹簧功能部1B形成为将基端设为向基板1A固定的固定端K且将顶端侧设为自由端J的悬臂梁结构的舌片状，形成为自基板1A上切开翘起的状态。
[0088]图示例的位移吸收构件10在将图9的⑶中箭头所示的冷却液的流通方向设为纵向的情况下，沿纵向交替地配置将自由端J设于右侧的横排弹簧功能部1B和将自由端J设于左侧的横排弹簧功能部10B。该位移吸收构件10若在厚度方向上变形，则弹簧功能部10的角度发生变化，因此自由端J的接触部分沿隔膜2的凹凸的排列方向移动。
[0089]可是，在如上所述的凹凸形状截面的隔膜2与位移吸收构件10的组合中，如图9的(A)中箭头P所示，出现了弹簧功能部1B的自由端J落入隔膜2的凹部2B内的部位。在该情况下，如果使隔膜2的凸部2A与位移吸收构件10的弹簧功能部1B的位置对齐，则可以解决自由端J落入的问题，但要在满足全部的阳极气体或阴极气体的合适的流量、冷却液的合适的流量以及位移吸收构件10的合适的弹簧特性的基础上使凸部2A与弹簧功能部1B的配置相匹配，这在设计上是非常难的。
[0090]因此，燃料电池堆FS如图10所示，隔膜2在从流通空间F侧的各个凹部2B中选择的凹部2B内具有向流通空间F侧突出以抑制位移吸收构件10落入的保持部(防止进入部件)5。另外，图10为了易于理解而使图9所示的隔膜2与位移吸收构件10之间的位置关系上下颠倒，并仅示出了位移吸收构件10的弹簧功能部10B。
[0091]图示例的保持部5是立方体型，但是其形状并不特别限定，与位移吸收构件10的弹簧功能部1B的配置相对应地形成于所选择的凹部2B的局部。这种保持部5能够在例如冲压成形隔膜2时同时成形。因而，保持部5的背侧成为凹状。
[0092]该实施方式的保持部5由于是抑制位移吸收构件10的弹簧功能部1B落入的部件，因此在相邻的两片隔膜2中，设于配置在弹簧功能部1B的自由端J侧的隔膜2的凹部2B内。另外，更优选的是保持部5设于膜电极接合体I的阳极侧的隔膜2。
[0093]对于具有上述结构的燃料电池堆FS，由于单电池C是具有凹凸形状截面和保持部5的隔膜2与位移吸收构件10的组合，因此以预定的流路面积高效地配置气体流路3、冷却液的流通空间F，实现单电池C的薄型化。另外，利用位移吸收构件10吸收单电池C之间的位移，并在此时利用隔膜2的保持部5抑制位移吸收构件10的弹簧功能部1B的自由端J落入隔膜2的凹部2B内，因此能够充分地发挥位移吸收构件10的位移吸收功能。
[0094]这样，燃料电池堆FS具有使冷却液在层叠后的单电池C彼此之间流通的结构，并且能够在良好地维持单电池C之间的位移吸收功能的同时实现小型化。另外，燃料电池堆FS由于不必使隔膜2的凸部2A与弹簧功能部1B的位置对齐，因此能够不受阳极气体或阴极气体、冷却液的流量设定左右地独立设计位移吸收构件10的弹簧功能。
[0095]而且，上述燃料电池堆FS配置为:位移吸收构件10以薄金属板为原材料，在基板1A的单面上具有悬臂梁结构的弹簧功能部10B，并且弹簧功能部1B相对于冷却液的流通方向成为横向。由此，只要在层叠时相邻的两片隔膜中的单侧的隔膜2上形成保持部5即可，而且，位移吸收构件10成为极力不妨碍冷却液流通的结构。另外，通过将保持部5设于阳极侧的隔膜2，从而能够极力减少对发电性能的影响。这是因为，与阴极侧相比，供活性较高的含氢气体流通的阳极侧在设计上的自由度较高(存在富裕空间)。
[0096]〈第7实施方式〉
[0097]图115所示的燃料电池堆的隔膜2的保持部(防止进入部件)5具有与流通空间F侧的凸部2A相同的突出高度，保持部5的上表面与凸部2A的上表面呈同一平面状连续。
[0098]具有上述隔膜2的燃料电池堆与前面的实施方式相同地能够在良好地维持单电池C之间的位移吸收功能的同时实现小型化，而且，即使在位移吸收构件10的弹簧功能部1B的可动范围较大的情况下，也能够容易地进行应对。
[0099]〈第8实施方式〉
[0100]图12的㈧⑶所示的燃料电池堆的隔膜2的保持部(防止进入部件)5具有比凹部2B的宽度Wl小的宽度W2。在图示例中，在凹部2B的剖面中央设有比凸部2A低的保持部5，在保持部5的两侧形成有恒定宽度W3的间隙。
[0101]具有上述隔膜2的燃料电池堆与前面的实施方式相同地能够在良好地维持单电池C之间的位移吸收功能的同时实现小型化，而且能够利用最小限度的保持部5抑制弹簧功能部1B向凹部2B落入，并且能够减少流通空间F内的冷却液的压力损失。
[0102]〈第9实施方式〉
[0103]图13所示的燃料电池堆的隔膜2的保持部(防止进入部件)5有规律地配置在各凹部2B内，并且均为相同形状。在图示例中，在凹部2B的截面中央设有具有与凸部2A相同的高度并且具有比凹部2B的宽度小的宽度的保持部5。
[0104]具有上述隔膜2的燃料电池堆与前面的实施方式相同地能够在良好地维持单电池C之间的位移吸收功能的同时实现小型化，而且能够使各个凹部2B内的冷却液的压力损失相等，从而改善各个凹部2B之间的流量分配。
[0105]〈第10实施方式〉
[0106]图14的㈧⑶所示的燃料电池堆的隔膜2的保持部(防止进入部件)5沿着凹部2B的连续方向(长度方向)以预定间隔左右交替地配置。图示例的隔膜2与前面的实施方式相比，凹部2B的宽度较大，且在其凹部2B内配置有多个保持部5。另外，在图示例中，示出了在凹部2B的宽度方向上配置了两列沿凹部2B的长度方向配置的保持部5的列的情况，也可以配置两列以上。在该情况下，保持部5以相邻的列左右交替的方式配置，SP、以相邻的列在凹部2B的连续方向上彼此错开的方式配置。
[0107]具有上述隔膜2的燃料电池堆与前面的实施方式相同地能够在良好地维持单电池C之间的位移吸收功能的同时实现小型化，而且在图中箭头所示的凹部2BA内的冷却液的流动中停滞的点减少，能够减少冷却液的压力损失。
[0108]〈第11实施方式〉
[0109]图15所示的燃料电池堆的隔膜2的保持部(防止进入部件)5在凹部2B的连续方向(长度方向)上分别设置在与位移吸收构件10的弹簧功能部1B的宽度方向两侧对应的位置。在图示例中，与前面的实施方式相比，弹簧功能部1B的宽度较大。
[0110]具有上述隔膜2的燃料电池堆与前面的实施方式相同地能够在良好地维持单电池C之间的位移吸收功能的同时实现小型化，而且在隔膜2为正反翻转形状的情况下，能够将对气体流路侧的影响设为最小限度，将气体流路3与冷却液的流通空间F之间的流路比例的降低设为最小限度，而且能够防止弹簧功能部1B向凹部2B内落入。
[0111]〈第12实施方式〉
[0112]图16所示的燃料电池堆的隔膜2的保持部(防止进入部件)5在凹部2B的连续方向(长度方向)上具有比位移吸收构件10的弹簧功能部1B的宽度Ws大的宽度Wh。
[0113]具有上述隔膜2的燃料电池堆与前面的实施方式相同地能够在良好地维持单电池C之间的位移吸收功能的同时实现小型化，而且能够可靠地阻止弹簧功能部1B向凹部2B内落入。
[0114]〈第13实施方式〉
[0115]图17所示的燃料电池堆的隔膜2在凹部2B的连续方向上以预定间隔配置的保持部(防止进入部件)5的间距和以预定间隔配置的弹簧功能部1B的间距相等。其中，保持部5的间距是指保持部5的宽度加上相邻的保持部5之间的宽度而得到的I个周期的长度。同样地，弹簧功能部1B的间距是指弹簧功能部1B的宽度加上相邻的弹簧功能部1B之间的宽度而得到的I个周期的长度。
[0116]具有上述隔膜2的燃料电池堆与前面的实施方式相同地能够在良好地维持单电池C之间的位移吸收功能的同时实现小型化，而且在凹部2B的连续方向上，弹簧功能部1B必定会接触到保持部5，从而能够可靠地阻止弹簧功能部1B向凹部2B内落入。
[0117]〈第14实施方式〉
[0118]图18所示的燃料电池堆的隔膜2在凹凸的排列方向上以预定间隔配置的保持部(防止进入部件)5的间距和以预定间隔配置的弹簧功能部1B的间距相等。前面的实施方式的间距是凹部2B的连续方向上的I个周期的长度，而该实施方式的间距是凹凸的排列方向上的I个周期的长度。
[0119]具有上述隔膜2的燃料电池堆与前面的实施方式相同地能够在良好地维持单电池C之间的位移吸收功能的同时实现小型化，而且在凹凸的排列方向上，弹簧功能部1B必定会接触到保持部5，从而能够可靠地阻止弹簧功能部1B向凹部2B内落入。
[0120]另外，燃料电池堆能够组合上述的图17和图18所示的实施方式。S卩，在凹部2B的连续方向和凹部的排列方向这两个方向上，如果使保持部5的间距与弹簧功能部1B的间距一致，则各个保持部5与各个弹簧功能部1B的配置彼此对应，从而能够可靠地阻止弹簧功能部1B向凹部2B内落入。
[0121]〈第15实施方式〉
[0122]在前面的实施方式中采用了在基板1A的单侧排列有许多个弹簧功能部1B的位移吸收构件10，与此相对，图19所示的燃料电池堆FS采用了波形状截面的位移吸收构件
20。即使是该位移吸收构件20，与隔膜2接触的接触部分也伴随着厚度方向的变形而在面内方向上移动。即使是该位移吸收构件20，例如也可以将一端部或中央部固定于其他构件而将其设为固定端。此时，在将一端部设为固定端的情况下，另一端部成为自由端，或者在将中央部设为固定端的情况下，两个端部成为自由端。
[0123]因此，对于燃料电池堆FS，在层叠时相邻的单电池C之间的隔膜2中，在从流通空间F侧的各个凹部2B中选择的凹部2B内具有向流通空间F侧突出以抑制位移吸收构件20落入的保持部(防止进入部件)5。即使是该燃料电池堆FS，也具有使冷却液在层叠后的单电池C彼此之间流通的结构，并且能够在良好地维持单电池C之间的位移吸收功能的同时实现小型化。
[0124]另外，本发明的燃料电池堆的结构并不仅限定于上述实施方式，能够在不脱离本发明主旨的范围内适当地改变结构的具体部分，也能够适当地组合各个实施方式的结构。
[0125]附图标记说明
[0126]C单电池；F流通区域；FS燃料电池堆J自由端；K固定端；I膜电极接合体；2隔膜；2Α凸部(防止进入部件)；2Β凹部；5保持部(防止进入部件)；10位移吸收构件；1A基板；10Β弹簧功能部；10C开口部；20位移吸收构件。
【权利要求】
1.一种燃料电池堆，其是在具有凹部和凸部的一对隔膜之间夹持膜电极接合体而形成单电池、并且层叠该单电池而形成的，该燃料电池堆的特征在于， 在单电池彼此之间形成有冷却液的流通空间， 在流通空间内配置有用于吸收单电池之间的位移的位移吸收构件， 位移吸收构件包括具有自由端和固定端的弹簧功能部， 该位移吸收构件具有用于防止弹簧功能部的自由端进入凹部内的防止进入部件。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于， 前述位移吸收构件以使弹簧功能部的自由端的移动方向与隔膜的凹部的连续方向一致、并且使自由端与隔膜的凸部接触的方式配置。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池堆，其特征在于， 前述隔膜的凸部的上表面为平面。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于， 前述位移吸收构件具有在与相对的隔膜中的一个隔膜接触的基板的单面上排列有许多个与另一个隔膜接触的弹簧功能部的结构，并且弹簧功能部是将基端设为向基板固定的固定端且将顶端设为自由端的悬臂梁结构， 弹簧功能部的自由端的宽度大于该弹簧功能部所接触的隔膜的凸部的宽度。
5.根据权利要求4所述的燃料电池堆，其特征在于， 前述弹簧功能部的自由端的宽度大于该弹簧功能部所接触的隔膜的凹部的宽度。
6.根据权利要求4或5所述的燃料电池堆，其特征在于， 前述弹簧功能部的自由端与该弹簧功能部所接触的隔膜的多个凸部相接触。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于， 前述位移吸收构件的基板在各个弹簧功能部的下侧具有开口部，基板所接触的隔膜的凹部与前述开口部相连通。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于， 前述位移吸收构件在基板上将各个弹簧功能部沿隔膜的凹凸形状的连续方向和与该连续方向交叉的宽度方向排列，并且在宽度方向上相邻的弹簧功能部沿凹凸形状的连续方向彼此错开。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于， 前述位移吸收构件的各个弹簧功能部中的至少一个弹簧功能部以使自由端朝向冷却液的流通方向下游侧的状态进行配置。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于， 前述流通空间内的冷却液的流通方向和形成于膜电极接合体与隔膜之间的气体流路内的气体的流通方向是同一方向。
11.根据权利要求10所述的燃料电池堆，其特征在于， 前述气体是阳极气体。
12.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于， 前述防止进入部件是形成在从隔膜上的流通空间侧的各个凹部中选择的凹部内、并且向流通空间侧突出以抑制位移吸收构件落入的保持部。
13.根据权利要求12所述的燃料电池堆，其特征在于， 前述位移吸收构件以使弹簧功能部的自由端的移动方向与同隔膜的凹部的连续方向正交的方向一致、并且使自由端与隔膜的凸部接触的方式配置。
14.根据权利要求12或13所述的燃料电池堆，其特征在于， 前述位移吸收构件具有在基板的单面上排列有许多个弹簧功能部的结构，并且弹簧功能部是将基端设为向基板固定的固定端且将顶端设为自由端的悬臂梁结构，前述保持部设于在弹簧功能部的自由端侧配置的隔膜的凹部内。
15.根据权利要求14所述的燃料电池堆，其特征在于， 设有前述保持部的隔膜是膜电极接合体的阳极侧的隔膜。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于， 前述保持部具有与隔膜的流通空间侧的凸部相同的突出高度。
17.根据权利要求12至16中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于， 前述保持部具有比隔膜的凹部的宽度小的宽度。
18.根据权利要求12至17中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于， 前述保持部有规律地配置于隔膜的各个凹部内，并且都是相同的形状。
19.根据权利要求12至18中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于， 前述保持部沿着隔膜的凹部的连续方向以预定间隔左右交替地配置。
20.根据权利要求14至19中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于， 前述保持部在隔膜的凹部的连续方向上分别设置在与位移吸收构件的弹簧功能部的宽度方向两侧对应的位置。
21.根据权利要求14至19中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于， 前述保持部在隔膜的凹部的连续方向上的宽度大于位移吸收构件的弹簧功能部在隔膜的凹部的连续方向上的宽度。
22.根据权利要求14至21中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于， 在隔膜的凹部的连续方向上，以预定间隔配置的保持部的间距与以预定间隔配置的弹簧功能部的间距相同。
23.根据权利要求14至22中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于， 在隔膜的凹凸的排列方向上，以预定间隔配置的保持部的间距与以预定间隔配置的弹簧功能部的间距相同。
24.根据权利要求1至23中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于， 隔膜具有正反翻转形状。
【文档编号】H01M8/02GK104247116SQ201280072678
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2012年12月27日 优先权日:2012年4月25日
【发明者】福山阳介, 入月桂太 申请人:日产自动车株式会社