CN101814619A - 燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池堆，其能够使凝结水沿着反应气体连通孔直接沿重力方向可靠地落下，并能够尽可能地阻止发电电池间的液界电位差的产生。燃料电池(10)在重力方向层叠有多个发电电池(12)。构成发电电池(12)的阴极侧隔板(24)的氧化剂气体排出连通孔(28b)与氧化剂气体流路(36)连通，并且在所述氧化剂气体排出连通孔(28b)中配设有用于使凝结水沿着该氧化剂气体排出连通孔(28b)直接沿重力方向落下的水引导构件(52)。该水引导构件(52)是向氧化剂气体排出连通孔(28b)内突出且向重力方向倾斜的板构件。

Description

燃料电池堆
技术领域
本发明涉及一种燃料电池堆，所述燃料电池堆具有发电电池并在重力方向上层叠多个所述发电电池，该发电电池层叠有在电解质的两侧配设了一对电极的电解质-电极结构体和隔板，并且形成有反应气体流路及反应气体连通孔，所述反应气体流路使反应气体在所述隔板的面方向上流动，所述反应气体连通孔使所述反应气体在层叠方向上流通。
背景技术
例如，固体高分子型燃料电池具备用隔板夹持电解质膜-电极结构体(电解质·电极结构体)(MEA)的发电电池，其中所述电解质膜·电极结构体在由高分子离子交换膜形成的电解质膜(电解质)的两侧分别配设了阳极侧电极和阴极侧电极。
该种燃料电池通常在作为车载用而使用时，为了获得希望的发电力而使用层叠了规定数目(例如，数十～数百)的发电电池的燃料电池堆。此时，燃料电池堆通常采用设置了使反应气体在隔板面内沿发电面流动的反应气体流路和与所述反应气体流路连通且在所述发电电池的层叠方向上贯通的反应气体连通孔的所谓内部分流器。
在该种内部分流器型燃料电池堆中，尤其在出口侧分流器(出口侧反应气体连通孔)上可能滞留由发电反应生成的生成水。因此，为了避免由于溢流(flooding)引起的不稳定动作，例如，周知有专利文献1中公开的燃料电池。
上述的燃料电池具备层叠了单元电池的电池堆，其中所述单元电池具备：离子传导性电解质膜；在所述离子传导性电解质膜的两面分别配置的阳极和阴极；一对导电性的隔板，其具有分别在所述阳极将燃料气体供给/排出、在所述阴极将氧化剂气体供给/排出的燃料气体流路和氧化剂气体流路。
电池堆还具备：将燃料气体和氧化剂气体分别供给于燃料气体流路和氧化剂气体流路的燃料气体入口侧分流器和氧化剂气体入口侧分流器；从所述燃料气体流路和所述氧化剂气体流路排出所述燃料气体和所述氧化剂气体的燃料气体出口侧分流器和氧化剂气体出口侧分流器；与所述燃料气体入口侧分流器和氧化剂气体入口侧分流器连结的燃料气体入口部和氧化剂气体入口部；以及与所述燃料气体出口侧分流器和所述氧化剂气体出口侧分流器连结的燃料气体出口部和氧化剂气体出口部，在将所述各分流器以沿着所述导电性隔板的层叠方向贯通所述导电性隔板的方式形成的燃料电池中，将所述各分流器中的至少一个分流器以向气体前进方向形成低位的方式倾斜配置，并且使该分流器的贯通方向相对于水平形成的倾斜角为该分流器的水滴转落角以上45度以下。
[现有技术文献]
专利文献1：日本特开2004-146303号公报
在上述的专利文献1中，例如，在导电性隔板的氧化剂气体出口侧分流器排出使用完了的氧化剂气体和生成水时，所述生成水可能在所述氧化剂气体出口侧分流器的端面返回而附着在其它的导电性隔板上。因此，产生在单元电池(发电电池)间产生液界电位差(liquid junction)、导电性隔板的腐蚀和由该腐蚀引起的所述导电性隔板产生薄壁化的问题。
发明内容
本发明为了解决该种问题而提出，其目的在于提供一种能够使反应气体流路的凝结水沿着反应气体连通孔直接沿重力方向可靠地落下，且能够尽可能地阻止发电电池间的液界电位差的产生的燃料电池堆。
本发明涉及一种燃料电池堆，所述燃料电池堆具有发电电池并在重力方向上层叠多个所述发电电池，该发电电池层叠有在电解质的两侧配设了一对电极的电解质-电极结构体和隔板，并且形成有反应气体流路及反应气体供给连通孔和反应气体排出连通孔，所述反应气体流路使反应气体在所述隔板的面方向上流动，所述反应气体供给连通孔和反应气体排出连通孔使所述反应气体在层叠方向上流通。
并且，至少在反应气体排出连通孔中配设有用于使凝结水沿着所述反应气体排出连通孔直接沿重力方向落下的水引导构件。
另外优选水引导构件是向反应气体排出连通孔内突出且向重力方向倾斜的板构件。
还优选水引导构件是向反应气体排出连通孔内突出且向重力方向弯曲的板构件。
还优选水引导构件构成为围绕反应气体连通孔的环状。
另外优选水引导构件由树脂制构件构成。
还优选隔板是金属隔板，且在所述金属隔板上一体地形成有密封构件，并且水引导构件由所述密封构件构成。
还优选隔板是金属隔板，且水引导构件由所述金属隔板一体地构成，并且在所述水引导构件上施加有绝缘覆膜处理。
根据本发明，在向反应气体排出连通孔排出反应气体和凝结水时，该凝结水能够在水引导构件的作用下沿着所述反应气体排出连通孔直接沿重力方向落下。因此，能够尽可能地阻止由反应生成水引起的在发电电池间产生液界电位差的情况。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的燃料电池堆的简要立体说明图。
图2是所述燃料电池堆的局部剖面图。
图3是构成所述燃料电池堆的发电电池的分解立体说明图。
图4是构成所述燃料电池堆的阴极侧隔板的俯视说明图。
图5是构成所述燃料电池堆的阳极侧隔板的俯视说明图。
图6是构成本发明的第二实施方式的燃料电池堆的水引导构件的立体说明图。
图7是构成本发明的第三实施方式的燃料电池堆的水引导构件的立体说明图。
图8是构成本发明的第四实施方式的燃料电池堆的水引导构件的剖面说明图。
图9是构成本发明的第五实施方式的燃料电池堆的水引导构件的剖面说明图。
图10是构成本发明的第六实施方式的燃料电池堆的水引导构件的立体说明图。
图11是构成本发明的第七实施方式的燃料电池堆的水引导构件的立体说明图。
[符号说明]
10 燃料电池堆
12 发电电池
14 层叠体
16a、16b 接线板
18a、18b 绝缘板
20a、20b 端板
22 电解质膜·电极结构体
24、26 隔板
28a 氧化剂气体供给连通孔
28b 氧化剂气体排出连通孔
30a 冷却介质供给连通孔
30b 冷却介质排出连通孔
32a 燃料气体供给连通孔
32b 燃料气体排出连通孔
36 氧化剂气体流路
38 冷却介质流路
40 燃料气体流路
46 固体高分子电解质膜
48 阴极侧电极
50 阳极侧电极
52、54、70、80、90、100、110、120 水引导构件
52a、54a、70a、80a、110a、120a 引导面
82 流路槽
92 绝缘覆盖处理
具体实施方式
图1是本发明的第一实施方式的燃料电池堆10的简要立体说明图，图2是所述燃料电池堆10的局部剖面图。
燃料电池堆10中设置了在重力方向(箭头A方向)层叠有多个发电电池12的层叠体14。在层叠体14的层叠方向(箭头A方向)的一端(上端)接近上方配设有接线板16a、绝缘板18a及端板20a，在层叠体14的层叠方向的另一端(下端)接近下方配设有接线板16b、绝缘板18b及端板20b。端板20a、20b通过未图示的拉杆在层叠方向付与紧固载荷。此外，也可以代替拉杆而采用盒状的壳。
如图3所示，各发电电池12具备电解质膜·电极结构体(电解质·电极结构体)22和夹持所述电解质膜·电极结构体22的阴极侧隔板24及阳极侧隔板26。阴极侧隔板24及阳极侧隔板26由金属隔板构成，但是例如也可以由碳隔板构成。
在发电电池12的箭头B方向(水平方向)的一端缘部设置有在箭头A方向互相连通的用于供给氧化剂气体例如含氧气体的氧化剂气体供给连通孔28a、用于供给冷却介质的冷却介质供给连通孔30a、以及用于排出燃料气体例如含氢气体的燃料气体排出连通孔(反应气体排出连通孔)32b。
在发电电池12的箭头B方向的另一端缘部设置有在箭头A方向互相连通的用于供给燃料气体的燃料气体供给连通孔32a、用于排出冷却介质的冷却介质排出连通孔30b以及用于排出氧化剂气体的氧化剂气体排出连通孔(反应气体排出连通孔)28b。
如图3及图4所示，在阴极侧隔板24的电解质膜·电极结构体22侧的面24a上例如设置有沿箭头B方向延伸的氧化剂气体流路36。氧化剂气体流路36与氧化剂气体供给连通孔28a及氧化剂气体排出连通孔28b连通。在与阴极侧隔板24的面24a相反的面24b上形成有冷却介质流路38。冷却介质流路38与冷却介质供给连通孔30a及冷却介质排出连通孔30b连通。
在阳极侧隔板26的电解质膜·电极结构体22侧的面26a上如图5所示，形成有与燃料气体供给连通孔32a和燃料气体排出连通孔32b连通且沿箭头B方向延伸的燃料气体流路40。在与阳极侧隔板26的面26a相反的面26b上，通过与阳极侧隔板26的面26a相反的面26b和隔板24的面24b重合而形成有与冷却介质供给连通孔30a及冷却介质排出连通孔30b连通的冷却介质流路38。
阴极侧隔板24在金属薄板上将第一密封构件42一体地注射模塑成型，并且阳极侧隔板26在金属薄板上将第二密封构件44一体地注射模塑成型。
如图4所示，第一密封构件42在阴极侧隔板24的面24a侧具有使氧化剂气体供给连通孔28a及氧化剂气体排出连通孔28b与氧化剂气体流路36连通的突起部42a。第一密封构件42分别靠近氧化剂气体供给连通孔28a及氧化剂气体排出连通孔28b且构成橡胶桥的多个突起部42b和突起部42c与突起部42a一体地形成。
第二密封构件44如图5所示，在阴极侧隔板26的面26a侧具有使燃料气体供给连通孔32a及燃料气体排出连通孔32b与燃料气体流路40连通的突起部44a。第二密封构件44分别靠近燃料气体供给连通孔32a和燃料气体排出连通孔32b且构成橡胶桥的多个突起部44b和突起部44c与突起部44a一体地形成。
如图2及图3所示，电解质膜·电极结构体22例如具有水浸渍于全氟磺酸的薄膜的固体高分子电解质膜(电解质)46和夹持所述固体高分子电解质膜46的阴极侧电极48及阳极侧电极50。
阴极侧电极48及阳极侧电极50具有由碳素纸等构成的气体扩散层和将在表面担载有白金合金的多孔质碳粒子一样地涂敷于所述气体扩散层的表面上而形成的电极催化剂层。电极催化剂层形成于固体高分子电解质膜46的两面。
在阴极侧隔板24上如图2及图4所示，设置有向氧化剂气体排出连通孔28b内突出的水引导构件52。水引导构件52具有用于使从氧化剂气体流路36排出的使用完了的氧化剂气体中含有的生成水(凝结水)沿着氧化剂气体排出连通孔28b直接沿重力方向落下的引导面52a。
水引导构件52是向氧化剂气体排出连通孔28b内突出且向重力方向倾斜的板构件(参照图2)，由树脂制构件构成。此外，在树脂制构件的表面，例如可以涂敷含有氟的溶液来进行防水处理。该水引导构件52将一端部埋设于第一密封构件42内而与所述第一密封构件42一体化。
在阳极侧的隔板26上，同样设置有向燃料气体排出连通孔32b内突出的水引导构件54，该水引导构件54是向燃料气体排出连通孔32内突出且向重力方向倾斜的板构件，且一端部埋设于第二密封构件44内。水引导构件54由树脂制构件构成，且具有向燃料气体排出连通孔32b内突出的引导面54a。
如图1所示，在端板20a的箭头B方向的一端缘部设置有与氧化剂气体供给连通孔28a连通的氧化剂气体入口56a、与冷却介质供给连通孔30a连通的冷却介质入口58a、以及与燃料气体排出连通孔32b连通的燃料气体出口60b。
在端板20a的箭头B方向的另一端缘部设置有与燃料气体供给连通孔32a连通的燃料气体入口60a、与冷却介质排出连通孔30b连通的冷却介质出口58b、以及与氧化剂气体排出连通孔28b连通的氧化剂气体出口56b。
对这样构成的燃料电池堆10的动作进行以下说明。
首先，如图1所示，从端板22a的氧化剂入口56a向氧化剂气体供给连通孔28a供给含氧气体等氧化剂气体，并且从燃料气体入口60a向燃料气体供给连通孔32a供给含氢气体等燃料气体。然后，从冷却介质入口58a向冷却介质供给连通孔30a供给纯水或乙二醇、油等冷却介质。
因此，氧化剂气体如图3所示，从氧化剂气体供给连通孔28a被导入在阴极侧隔板24上设置的氧化剂气体流路36。由此，氧化剂气体在氧化剂气体流路36中沿箭头B方向移动，并且供给构成电解质膜·电极结构体22的阴极侧电极48。
另一方面，燃料气体被导入设置于阳极侧隔板26上的燃料气体流路40。被导入燃料气体流路40的燃料气体沿箭头B方向移动，并且供给构成电解质膜·电极结构体22的阳极侧电极50。
因此，在电解质膜·电极结构体22中，供给阴极侧电极48的氧化剂气体和供给阳极侧电极50的燃料气体在电极催化剂层内通过电化学反应被消耗，进行发电。
接下来，供给阴极侧电极48而被消耗的氧化剂气体向氧化剂气体排出连通孔28b排出，并经由氧化剂气体出口56b被排出到燃料电池堆10的外部(参照图1)。
另一方面，供给阳极侧电极50而被消耗使用完了的燃料气体向燃料气体排出连通孔32b导出后，经由燃料气体出口60b被排出到燃料电池堆10的外部(参照图1)。
另外，冷却介质如图3所示，从冷却介质供给连通孔30a导入冷却介质流路38后，沿箭头B方向流动。该冷却介质冷却电解质膜·电极结构体22后，向冷却介质排出连通孔30b排出。进而，冷却介质如图1所示，经由冷却介质58b被排出到燃料电池堆10的外部。
在该情况下，在第一实施方式中，如图2～图4所示，在阴极侧隔板24上设置有向氧化剂气体排出连通孔28b内突出的板状的水引导构件52。
在氧化剂气体流路36中，从氧化剂气体供给连通孔28a送来的氧化剂气体通过发电反应而被使用，并且生成水。该生成水与使用完了的氧化剂气体一同向氧化剂气体排出连通孔28b排出。
此时，设置有向氧化剂气体排出连通孔28b内突出的水引导构件52，生成水(凝结水)能够沿着所述水引导构件52的引导面52a向所述氧化剂气体排出连通孔28b直接落下。因此，能够阻止生成水返回氧化剂气体排出连通孔28b的内壁面而附着于在下方配置的发电电池12上。
因此，能够尽可能地阻止在发电电池12间产生液界电位差，尤其能够良好地抑制金属制的阴极侧隔板24和阳极侧隔板26发生腐蚀而贯通或薄壁化。由此，可以得到使各发电电池12能够长时期有效且良好地发电使用的效果。
此外，在阳极侧的隔板26上，同样设置有向燃料气体排出连通孔32b内突出的水引导构件54。因此，能够使燃料气体流路40中产生的生成水沿着燃料气体排出连通孔32b直接沿重力方向落下，能够得到与上述水引导构件52同样的效果。
图6是构成本发明的第二实施方式的燃料电池堆的水引导构件70的立体说明图。此外，对于与第一实施方式的燃料电池堆10同样的构成成分标注同样的参照符号并省略其详细说明。另外，在以下说明的第三实施方式以后也同样省略其详细说明。
水引导构件70由三角形状的板构件构成，具有向氧化剂气体排出连通孔28b内突出且向重力方向倾斜的三角形引导面70a。
在该第二实施方式中，将从氧化剂气体流路36排出的生成水沿着三角形引导面70a的形状及倾斜引导。因此，生成水能够从所述水引导构件70a的前端部向氧化剂气体排出连通孔28b内沿重力方向垂直落下。
图7是构成本发明的第三实施方式的燃料电池堆的水引导构件80的立体说明图。
水引导构件80与水引导构件52同样，具有四方板形状，并且在向氧化剂气体排出连通孔28b内突出的引导面80a上形成有多个流路槽82。
在这样构成的第三实施方式中，从氧化剂气体流路36向氧化剂气体排出连通孔28b侧排出的生成水能够沿着在水引导构件80的引导面80a上形成的多个流路槽82顺利且可靠地流动，并向氧化剂气体排出连通孔28b直接落下。
此外，在第一～第三实施方式中，水引导构件52、54、70以及80由树脂制材料构成，但是并非限定于此。例如可以通过第一密封构件42自身将水引导构件52、54、70以及80一体成形。在其表面也可以进行防水处理。
图8是构成本发明的第四实施方式的燃料电池堆的水引导构件90的剖面说明图。
水引导构件90由阴极侧隔板24一体构成，并且在所述水引导构件90上施加绝缘覆膜处理92。此外，水引导构件90的形状也可以构成为与第二实施例或第三实施例同样。
由此，在第四实施例中，除了能够得到与上述第一～第三实施方式同样的效果以外，还具有容易实现构件数目减少的优点。
图9是构成本发明的第五实施方式的燃料电池堆的水引导构件100的剖面说明图。
水引导构件100由向氧化剂气体排出连通孔28b内突出且向重力方向弯曲的大致L字形状的板构件构成。
因此，在第五实施方式中，从氧化剂气体流路36排出的生成水沿着水引导构件100的水平面在氧化剂气体排出连通孔28b内移动，之后从向重力方向弯曲的弯曲部分沿重力方向落下。因此，生成水能够在氧化剂气体排出连通孔28b内可靠地落下。此外，水引导构件100的前端形状也可以构成为与第二实施例或第三实施例同样。
图10是构成本发明的第六实施方式的燃料电池堆的水引导构件110的立体说明图。
水引导构件110构成为围绕氧化剂气体排出连通孔28b的方形环状，且具有向着该氧化剂气体排出连通孔28b侧且向重力方向倾斜的大致圆锥形状的引导面110a。水引导构件110的引导面110a与第一实施方式的水引导构件52同样地进行倾斜。
由此，能够将氧化剂气体排出连通孔28b侧排出的生成水沿着方形环状的水引导构件110的引导面110a引导，并向氧化剂气体排出连通孔28b内沿重力方向直接落下。
图11是构成本发明的第七实施方式的燃料电池堆的水引导构件120的立体说明图。
水引导构件120具有构成为围绕氧化剂气体排出连通孔28b的方形环状的引导面120a。该引导面120a从氧化剂气体排出连通孔28b的内壁面侧沿水平方向延伸，之后向重力方向弯曲形成大致90°。
该水引导构件120的剖面形状与第五实施方式的水引导构件110同样，具有大致L字形状。因此，在第七实施方式中，能够得到与上述第五实施方式及第六实施方式同样的效果。
此外，上述的第二～第七实施方式适用于第一实施方式的燃料电池堆10，但是并非限定于此。例如，可以通过将设置有图1所示的反应气体及冷却介质的供给口和排出口的端板20a作为下端，并且将端板20b作为上端的方式将燃料电池堆10反转使用。

Claims (7)

1.一种燃料电池堆，其特征在于，所述燃料电池堆具有发电电池并在重力方向上层叠多个所述发电电池，该发电电池层叠有在电解质的两侧配设了一对电极的电解质-电极结构体和隔板，并且形成有反应气体流路及反应气体供给连通孔和反应气体排出连通孔，所述反应气体流路使反应气体在所述隔板的面方向上流动，所述反应气体供给连通孔和反应气体排出连通孔使所述反应气体在层叠方向上流通，其中，
至少在所述反应气体排出连通孔中配设有用于使凝结水沿着该反应气体排出连通孔直接沿重力方向落下的水引导构件。
2.如权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，
所述水引导构件是向所述反应气体排出连通孔内突出且向重力方向倾斜的板构件。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池堆，其特征在于，
所述水引导构件是向所述反应气体排出连通孔内突出且向重力方向弯曲的板构件。
4.如权利要求1～3中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于，
所述水引导构件构成为围绕所述反应气体排出连通孔的环状。
5.如权利要求1～4中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于，
所述水引导构件由所述树脂制构件构成。
6.如权利要求1～4中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于，
所述隔板是金属隔板，
在所述金属隔板上一体地形成有密封构件，并且所述水引导构件由所述密封构件构成。
7.如权利要求1～4中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于，
所述隔板是金属隔板，
所述水引导构件由所述金属隔板一体地构成，并且在所述水引导构件上施加有绝缘覆膜处理。
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