CN100544091C - 燃料电池堆栈 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池堆栈，可抑制与燃料电池堆栈连接的配管等的金属部分的腐蚀。燃料电池堆栈(10)具有采用甲醇水溶液和空气进行发电的多个单体电池(30)。多个单体电池(30)在铅直方向上叠层。用于向各单体电池(30)分配甲醇水溶液的燃料供给用歧管(100)的入口部分和用于回收从各单体电池(30)排出的废燃料的燃料排出用歧管(110)的出口部分设置在共用的具有导电性的端板(80a)上。由此，在使从燃料电池堆栈(10)排出的废燃料循环并向燃料电池堆栈(10)供给的情况下，可使从燃料电池堆栈(10)排出的废燃料的电位和向燃料电池堆栈(10)供给的液体燃料的电位相同，从而抑制配管等的金属部分的腐蚀。

Description

燃料电池堆栈
技术领域
本发明涉及燃料电池堆栈。更具体地，本发明涉及适合于循环使用液体燃料的燃料电池堆栈。
背景技术
燃料电池是从燃料及氧化剂产生电能的装置，能够得到高的发电效率。作为燃料电池的主要特征，如以往的发电方式所述可列举不经过热能或动能的过程的直接发电。因此，燃料电池即使是小规模也能期待高的发电效率。此外，由于氮化化合物等的排出少，噪声或振动也小，因此环境性提高。如此，燃料电池由于能够有效地利用燃料所具有的化学能，具有环境性优异的特性，所以作为担负21世纪的能源供给系统而受到期待，作为能够在从宇宙用到汽车用、便携式设备用、从大规模发电到小规模发电的各种用途中使用的有前途的新的发电系统而受到注目，正式开始面向实用化的技术开发。
尤其近年来，作为燃料电池的一方式，直接甲醇燃料电池(DirectMethanol Fuel Cell：DMFC)备受注目。DMFC在不改质燃料即甲醇的情况下直接向阳极供给，通过甲醇和氧的电化学反应得到电力。甲醇与氢相比，由于每单位体积的能量高，此外，由于适合于贮存，爆炸等危险性也低，所以在汽车或便携式设备等的电源中的应用受到期待。
专利文献1公开了叠层多个电池，经由集电体等用一对端板夹持了电池的叠层体的燃料电池堆栈。在专利文献1的燃料电池堆栈中，在不同的端板上设置有用于向各电池分配液体燃料的歧管(manifold)的入口、和用于回收从电池排出的未反应的液体燃料的歧管的出口。
专利文献1：特开2005-108850号公报
由于燃料电池的电位随着在燃料电池堆栈内流通而变化，因此在向燃料电池堆栈供给前的液体燃料和从燃料电池堆栈排出的废燃料之间产生电位差。因此，如果使从燃料电池堆栈排出的废燃料循环，向燃料电池堆栈供给，则会对液体燃料所接触的配管或罐等金属部分施加电压。如果在该状态下液体燃料或副生成物的蚁酸等干预金属部分，则金属部分的腐蚀加剧。因腐蚀而产生的金属离子如果通过配管进入燃料电池堆栈，则吸附在电解质膜上使离子传导性降低等，从而燃料电池堆栈的性能劣化。
发明内容
本发明正是鉴于如此的问题而提出的，其目的在于提供一种能够抑制与燃料电池堆栈连接的燃料供给用的配管等的金属部分的腐蚀的技术。
本发明的一方式提供一种燃料电池堆栈，其叠层有采用液体燃料和氧化剂进行发电的多个电池，其特征在于，用于向各电池分配液体燃料的燃料供给用歧管的入口部分和用于排出从各电池排出的废燃料的燃料排出用歧管的出口部分电连接。
根据该方式，从燃料电池堆栈排出的废燃料的电位和向燃料电池堆栈供给的液体燃料的电位变得相同。由此，在使从燃料电池堆栈排出的废燃料循环并向燃料电池堆栈供给的情况下，可抑制液体燃料所接触的配管或罐等金属部分的腐蚀的进行。
在所述方式的燃料电池堆栈中，燃料供给用歧管的入口部分及燃料排出用歧管的出口部分可以设置在隔着集电体及绝缘体夹持多个电池的叠层体的一对端板中具有导电性的任一个端板上。
根据该方式，通过具有导电性的端板，除了燃料供给用歧管的入口部分及燃料排出用歧管的出口部分变为相等电位之外，还能够将与燃料供给用歧管及燃料排出用歧管分别连接的配管汇总在一侧。
在所述方式的燃料电池堆栈中，多个电池可以在铅直方向上叠层，燃料供给用歧管的入口部分及燃料排出用歧管的出口部分可以配置在相对多个电池设在上侧的端板上。
根据该方式，通过使燃料供给用歧管的入口部分及燃料排出用歧管的出口部分集中在燃料电池堆栈的上面，能够容易地将配管与燃料供给用歧管及燃料排出用歧管连接。
根据本发明，可抑制与燃料电池堆栈连接的燃料供给用的配管的金属部分的腐蚀。
附图说明
图1是表示采用了实施方式的燃料电池堆栈的燃料电池系统的整体结构的概略图。
图2是表示燃料电池系统的结构的分解侧视图。
图3是表示燃料电池系统的结构的分解侧视图(视线方向：从上方朝向下方)。
图4是表示燃料电池系统的结构的分解侧视图(视线方向：从下方朝向上方)。
图5是表示膜电极接合体的结构的图。
图6是表示在隔板的下面设置的液体燃料流路的立体图。该立体图的视线从隔板的下方朝向上方。
图7是表示在隔板的上面设置的液体燃料流路的立体图。该立体图的视线从隔板的上方朝向下方。
图中：10—燃料电池堆栈，20—燃料电池系统，30—单体电池，31—膜电极接合体，40—隔板，50a、50b—集电体，70a、70b、70c、70d—流路形成板，80a、80b—端板，100—燃料供给用歧管，110—燃料排出用歧管，120—氧化剂供给用歧管，130—氧化剂排出用歧管。
具体实施方式
图1是表示采用了实施方式的燃料电池堆栈10的燃料电池系统20的整体结构的概略图。燃料电池系统20具备燃料电池堆栈10、燃料存储部21、燃料补给用泵22、燃料用缓冲罐23、燃料供给用泵24及氧化剂供给用泵25。
燃料电池堆栈10采用甲醇水溶液及空气，通过电化学反应产生电力。关于燃料电池堆栈10的详细的结构，将在后面叙述。
燃料存储部21贮存高浓度的甲醇水溶液。在燃料用缓冲罐23内的甲醇水溶液的浓度下降时，通过燃料补给用泵22，向燃料用缓冲罐23适当供给贮存在燃料存储部21中的高浓度的甲醇水溶液。
燃料用缓冲罐23贮留向燃料电池堆栈10供给的甲醇水溶液。贮留在燃料用缓冲罐23中的甲醇水溶液被稀释到0.5～1.5mol/L。通过燃料供给用泵24，经由配管26从燃料用缓冲罐23向燃料电池堆栈10供给甲醇水溶液。在燃料电池堆栈10中的反应后残存的液体燃料及通过甲醇和空气的反应而生成的二氧化碳，经由配管27被回收到燃料用缓冲罐23中。回收到燃料用缓冲罐23中的二氧化碳被排出到燃料电池系统20的外部。如此，甲醇水溶液在包括燃料电池堆栈10及燃料用缓冲罐23的路径中循环。另外，也可以通过在配管27的途中设置热交换器，来冷却从燃料电池堆栈10排出的液体燃料，也可以利用来自所排出的液体燃料的热，来加温向燃料电池堆栈10供给的液体燃料或空气。
氧化剂供给用泵25向燃料电池堆栈10供给从外部取入的空气。未反应的空气或通过甲醇和空气的反应而生成的水等生成物的一部分被向外部排出。
图2是表示燃料电池10的结构的分解侧视图。图3是表示燃料电池10的结构的分解侧视图(视线方向：从上方朝向下方)。图4是表示燃料电池10的结构的分解侧视图(视线方向：从下方朝向上方)。
燃料电池堆栈10具有多个单体电池30、一对集电体50a和集电体50b、一对绝缘板60a和绝缘板60b、多个流路形成板70a、70b、70c、70d、及一对端板80a和端板80b。端板80a和端板80b通过螺栓82连结在一起。另外，螺栓82和端板80a之间被绝缘部件84绝缘。
各单体电池30具有通过隔板40隔开的、膜电极接合体31、阴极扩散层32及阳极扩散层33，通过甲醇和氧的电化学反应产生电力。多个单体电池30在铅直方向上叠层。多个单体电池30通过配线(未图示)串联地电连接。
膜电极接合体31包括电解质膜34、设在电解质膜34的上面侧的阳极电极35、设在电解质膜34的下面侧的阴极电极36(参照图5)。电解质膜34由ナフイオン(注册商标)等质子传导性的聚合物形成。阳极电极35使用铂催化剂、或铂钌合金催化剂，阴极电极36例如使用铂催化剂。在阳极电极35上配置有多孔性的阳极扩散层37。此外，在阴极电极36下配置有由石墨毡(carbon felt)、复写纸(carbon paper)等构成的阴极扩散层38。
如图6所示，在隔板40的下面侧设置有液体燃料流路41。液体燃料流路41的入口与燃料供给用歧管100连通，液体燃料流路41的出口与燃料排出用歧管110连通。
此外，如图7所示，在隔板40的上面侧形成有氧化剂流路42。氧化剂流路42的入口与氧化剂供给用歧管120连通，氧化剂流路42的出口与氧化剂排出用歧管130连通。
另外，如图2所示，在膜电极接合体31的上面和设在膜电极接合体31的上面侧的隔板40之间、及膜电极接合体31的下面和设在膜电极接合体31的下面侧的隔板40之间，分别设置有填料等密封部件39。通过密封部件39，抑制了甲醇水溶液及空气从各单体电池30泄漏。在密封部件39横切液体燃料流路41或氧化剂流路42的部位，设置有保护板43。
一对集电体50a、50b分别设在由多个单体电池30构成的叠层体的两侧。一方的集电体50a用作负极，另一方的集电体50b用作正极。
绝缘板60a配置在集电体50a和流路形成板70b之间。此外，绝缘板60b配置在集电体50b和流路形成板70c之间。绝缘板60a及绝缘板60b除了电绝缘性之外优选还具有耐热性、机械强度、尺寸稳定性、耐水性等特性。作为具备如此特性的材料，可列举乙烯·丙烯橡胶等。
流路形成板70a和流路形成板70b设在绝缘板60a和端板80a之间。在流路形成板70a及流路形成板70b上形成有歧管用的贯通孔或槽。另一方面，流路形成板70c及流路形成板70d设在绝缘板60b和端板80b之间。在流路形成板70c上形成有歧管用的贯通孔或槽。在流路形成板70c上形成有歧管用的贯通孔或槽。在流路形成板70d上形成有歧管用的贯通孔或槽。作为流路形成板70a、70b、70c及70d所使用的材料，可列举树脂、碳等。
端板80a及端板80b由具有机械强度的材料形成。进而，端板80a具有导电性。例如，作为端板80a及端板80b，可采用不锈钢，在作为端板80a采用了不锈钢的情况下，通过实施金镀敷而对端板80a赋予导电性。
燃料供给用歧管100由液体燃料下降的部分(以下，称为第1分区)、接住下降的液体燃料并使液体燃料流动的方向折回的连接部分(以下，称为第2分区)、用于使在第2分区中流通的液体燃料向上方送出的部分(以下，称为第3分区)构成，在端板80a上具有其入口部分。在燃料供给用歧管100中流通的液体燃料在第3分区中被分配给各单体电池30。
燃料供给用歧管100的第1分区通过连结分别设在端板80a、流路形成板70a、流路形成板70b、绝缘板60a、各隔板40、各膜电极接合体31、绝缘板60b及流路形成板70c上的贯通孔而形成。燃料供给用歧管100的第2分区通过分别设在流路形成板70c及作流路形成板70d上的槽71、槽72而形成。燃料供给用歧管100的第3分区通过连结分别设在流路形成板70c、各隔板40及各膜电极接合体31上的贯通孔而形成。
燃料排出用歧管110在端板80a上具有其出口部分。燃料排出用歧管110通过连结分别设在各隔板40、各膜电极接合体31、绝缘板60a、流路形成板70b、流路形成板70a及端板80a上的贯通孔而形成。
氧化剂供给用歧管120在端板80a上具有其入口部分。氧化剂供给用歧管120通过连结分别设在端板80a、流路形成板70a、流路形成板70b、绝缘板60a、各隔板40及各膜电极接合体31上的贯通孔而形成。
氧化剂排出用歧管130由反应后的空气、通过反应而生成的水(以下，称为废液气)下降的部分(以下，称为第4分区)、接住下降的废液气并使废液气流动的方向折回的连接部分(以下，称为第5分区)、用于使在第5分区中流通的废液气向上方送出的部分(以下，称为第6分区)构成，在端板80a上具有其出口部分。
氧化剂排出用歧管130的第4分区通过连结分别设在各隔板40、各膜电极接合体31、绝缘板60b、流路形成板70c上的贯通孔而形成。氧化剂排出用歧管130的第5分区通过分别设在流路形成板70c及流路形成板70d上的槽73、槽74而形成。此外，氧化剂排出用歧管130的第6分区通过连结分别设在流路形成板70c、各隔板40、各膜电极接合体31、绝缘板60a、流路形成板70b、流路形成板70a及端板80a上的贯通孔而形成。
在本实施方式中，氧化剂排出用歧管130的第6分区的截面积比第4分区的截面积小。据此，由于在氧化剂排出用歧管130的第6分区中废液气的流速上升，所以能够从燃料电池堆栈10可靠且迅速地排出废液气所包含的生成水。
根据以上说明的本实施方式，通过端板80a电连接了燃料供给用歧管100的入口部分和燃料排出用歧管110的出口部分。由此，从燃料电池堆栈10排出的废燃料的电位和向燃料电池堆栈10供给的液体燃料的电位变得相同。其结果是，在使从燃料电池堆栈10排出的废燃料循环并向燃料电池堆栈10供给的情况下，可抑制液体燃料所接触的配管或罐等金属部分的腐蚀的进行。
此外，在本实施方式的燃料电池堆栈10中，将燃料供给用歧管100的入口部分、燃料排出用歧管110的出口部分、氧化剂供给用歧管120的入口部分及氧化剂排出用歧管130的出口部分都设在相同的端板80a上。由此，能够将与各歧管连接的配管的路径汇总在一处而简化，能够实现燃料电池系统20的小型化。此外，由于各歧管和配管的连接部分相互配置在附近，所以能够容易地进行配管的安装作业或连接状态的确认作业。
本发明并不限定于上述的实施方式，也可以基于本领域普通技术人员的知识而施加各种设计变更等变形，被施加了如此变形的实施方式也包含在本发明的范围内。
例如，在上述的实施方式中，通过端板80a电连接了燃料供给用歧管100的入口部分和燃料排出用歧管110的出口部分，但并不局限于此。例如，也可以将燃料供给用歧管100的入口部分和燃料排出用歧管110的出口部分形成于在燃料电池堆栈10的侧面配置的导电板上。

Claims (2)

1.一种燃料电池堆栈，其叠层有采用液体燃料和氧化剂进行发电的多个电池，其特征在于，
所述燃料电池堆栈包括多个电池的叠层体、配置在叠层体两侧的集电体、配置在集电体两侧的绝缘体和配置在绝缘体两侧的端板，
所述端板由不锈钢形成，在任一个端板上实施金镀敷并且设有用于向各电池分配所述液体燃料的燃料供给用歧管的入口部分和用于排出从各电池排出的废燃料的燃料排出用歧管的出口部分，
所述入口部分和出口部分电连接，使得被供给的液体燃料和被排出的废燃料的电位相等。
2.一种燃料电池堆栈，其叠层有采用液体燃料和氧化剂进行发电的多个电池，其特征在于，
所述燃料电池堆栈包括多个电池的叠层体、配置在叠层体两侧的集电体、配置在集电体两侧的绝缘体和配置在绝缘体两侧的导电性的端板，
在任一个绝缘体和端板之间设有使液体燃料流通的由碳构成的流路形成板，
在与流路形成板相接的端板上设有用于向各电池分配所述液体燃料的燃料供给用歧管的入口部分和用于排出从各电池排出的废燃料的燃料排出用歧管的出口部分，
所述入口部分和出口部分电连接，使得被供给的液体燃料和被排出的废燃料的电位相等。
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