CN101971405B - 固体高分子型燃料电池组 - Google Patents

Abstract

公开了燃料电池组，包括：单元层叠体，其层叠了由膜电极接合体、以及夹持所述膜电极接合体的分离器构成的单电池，并且具有用于对所述层叠了的单电池供给流体或从所述层叠了的单电池排出流体的歧管；端板，其层叠在所述单元层叠体上，并且具有沿所述单元层叠体的层叠方向的贯穿孔；以及流体用管体，其可装卸地插入到所述端板的所述贯穿孔中，贯穿所述端板，并且与所述歧管连接，在所述流体用管体的外表面中的、与所述贯穿孔的内表面相对的面的一部分与所述贯穿孔的内表面分离。

Description

固体高分子型燃料电池组

技术领域

本发明涉及固体高分子型燃料电池(polymer electrolyte fuel cell)组。

背景技术

燃料电池组具有层叠了燃料电池单元(单电池)的结构。单电池(singlecell)由具有高分子电解质膜和夹持高分子电解质膜的一对催化电极的膜电极接合体(membrane electrode assembly，以下也称为“MEA”)、以及夹持膜电极接合体的一对分离器构成。

高分子电解质膜由具有高分子离子交换膜等的电解质构成，所述高分子离子交换膜为具有磺酸基的氟化树脂类离子交换膜或者碳氢树脂类离子交换膜等。

催化电极由位于高分子电解质膜侧的、促进催化电极内的氧化还原反应的催化层和位于催化层外侧的、具有通气性以及导电性的气体扩散层构成。另外，气体扩散层由位于催化层侧的、用于提高与催化层的接触性的碳涂层和用于使从外部供给的气体扩散而提供给催化层的气体扩散基材层构成。燃料极的催化层例如包含铂或铂和钌的合金等，空气极的催化层例如包含铂或铂和钴的合金等。

分离器是用于不使对燃料极供给的燃料气体和对空气极供给的氧化气体混合的导电性部件。

在通过层叠这样的单电池构成的燃料电池组中，各个单电池能够串联地电连接。燃料电池组还具有夹持单元层叠体的端板(end plate)(例如，参照专利文献1)。端板具有用于对燃料电池组供给气体或冷却介质，或者从燃料电池组排出气体或冷却介质的流体用管体。

图1是专利文献1中公开的燃料电池组10的剖面图。如图1所示，专利文献1中公开的燃料电池组10具有单元层叠体11、以及夹持单元层叠体11的端板13和15。端板13具有流体用管体17和19。

如图1所示，在专利文献1中公开的燃料电池组10中，端板13与流体用管体17和19无缝接触。另外，已知有以下技术，即，以热传导性较低的材料制作流体用管体，抑制流过流体用管体的流体的热量传导到端板(例如，参照专利文献2)。

通过对具有这样的结构的燃料电池组的各个单电池分别供给燃料气体(含有氢)、以及氧化气体(含有氧)，能够持续地取出电能。以下，说明对单电池供给燃料气体和氧化气体所产生的化学反应。

对燃料极供给了的氢分子通过燃料极的催化层被分为氢离子和电子。氢离子通过被加湿的高分子电解质膜而移动到空气极侧。另一方面，电子通过外部电路而移动到供给氧化气体的空气极。此时，能够将通过外部回路的电子利用为电能。在空气极催化层中，通过高分子电解质膜而移动来的氢离子、通过外部电路而移动来的电子以及供给到空气极的氧发生反应，生成水。另外，通过上述的化学反应，产生热。

这样，通过对燃料电池供给燃料气体和氧化气体，能够同时获得电能和热能。由此，燃料电池组被利用为用于发电和热水供应的家庭用热电联供系统(cogeneration system)(例如，参照专利文献3)。在家庭用热电联供系统中，利用从流体用管体排出的冷却介质等，逐次回收发电中产生了的热量。回收了的热量进一步贮存在储热水罐等中，并根据需要，被利用为热能。

另外，已知具有端板夹持的燃料电池组、制造对燃料电池组供给的燃料气体的燃料处理装置、以及连接端板和燃料处理装置的互联(interconnect)单元的燃料电池系统(例如，参照专利文献4)。在专利文献4中公开的燃料电池系统中，为了使燃料处理装置和燃料电池组之间的热迁移最小，在互联单元和端板之间设置一部分间隔(gap)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：(日本)特开2007-294330号公报

专利文献2：(日本)特开平09-63623号公报

专利文献3：(日本)特开2008-293996号公报

专利文献4：美国专利申请公开第2006/0134470号说明书

然而，在以往的燃料电池组中，存在下述问题，即：在发电中产生了的热量除了通过冷却介质等回收之外，有时也传导到端板，由于传导到端板的热量从端板向外部释放，所以无法将其作为热能回收，无法高效率地回收发电中产生了的热。

尤其是，如图1所示的燃料电池组那样，在端板和流体用管体紧贴时，热能容易从流体用管体传导到端板。另外，如专利文献2所公开，即使在流体用管体由热传导性较低的材料构成时，在端板和流体用管体紧贴的情况下，热能也从流体用管体传导到端板。

发明内容

本发明的目的在于，提供减少从流体用管体传导到端板并向外部释放的热量，从而能够高效率地回收发电中产生了的热量的燃料电池组。

本发明人发现通过使流体用管体和端板在一部分分离而设置空隙，能够抑制热的释放，并加上进一步的研讨，完成了本发明。也就是说，本发明设计如下所示的燃料电池组。

[1]燃料电池组，包括：单元层叠体，其层叠了由膜电极接合体、以及夹持所述膜电极接合体的分离器构成的单电池，并且具有用于对所述层叠了的单电池供给流体或从所述层叠了的单电池排出流体的歧管；端板，其层叠在所述单元层叠体上，并且具有沿所述单元层叠体的层叠方向的贯穿孔；以及流体用管体，其可装卸地插入到所述端板的所述贯穿孔中，贯穿所述端板，并且与所述歧管连接，在所述流体用管体的外表面中的、与所述贯穿孔的内表面相对的面的一部分与所述贯穿孔的内表面分离。

[2]如[1]所述的燃料电池组，在所述流体用管体的外表面中的、与所述贯穿孔的内表面相对的面上具有凹凸形状。

[3]如[2]所述的燃料电池组，所述凸部包括肋，所述肋沿所述流体用管体内流过的流体的流向。

[4]如[1]～[3]中的任一个所述的燃料电池组，所述流体用管体与用于排出冷却介质的所述歧管连接。

根据本发明，由于流体用管体和端板之间形成空隙，所以空隙内的空气发挥作为隔热材料的功能。因此，从流过流体用管体内的流体传导到端板的热量较小，通过端板向外部释放的热量较少。因此，根据本发明的燃料电池组，能够高效率地回收发电时产生了的热量。

附图说明

图1是以往的燃料电池组的剖面图。

图2是实施方式1的燃料电池组的立体图。

图3是实施方式1的燃料电池组的剖面图。

图4是实施方式1的燃料电池组的放大剖面图。

图5是实施方式1的燃料电池组中的、冷却介质排出管的立体图。

图6是实施方式2的燃料电池组的剖面图。

图7是实施方式2的燃料电池组的放大剖面图。

符号说明

100、200  燃料电池组

101  单元层叠体

102  集电板与端板相对的区域

103  集电板

105、205  端板

106、206  端板的贯穿孔

109  环状带

111  氧化气体供给管

113、213  冷却介质供给管

115  燃料气体供给管

117  燃料气体排出管

119、219  冷却介质排出管

121  氧化气体排出管

131  流体用管体的贯穿孔相对面具有的凸部

133  流体用管体的贯穿孔相对面具有的凹部

135、235  空隙

231  贯穿孔内表面具有的凸部

233  贯穿孔内表面具有的凹部

具体实施方式

本发明的燃料电池组具有：1)单元层叠体、2)层叠在单元层叠体上的端板、以及3)可装卸地安装到端板的流体用管体。另外，燃料电池组也可以在单元层叠体和端板之间具有集电板。以下，说明各个构成要素。

1、关于单元层叠体

单元层叠体是指，由膜电极接合体(membrane electrode assembly；以下，也称为“MEA”)、以及夹持膜电极接合体的一对分离器构成的单电池的层叠体。另外，单元层叠体具有在单元的层叠方向上贯穿的歧管。歧管是用于对各个单电池进行燃料气体、氧化气体、或者冷却介质的供给或排出的流路。

MEA包括：高分子电解质膜、以及夹持高分子电解质膜的、由燃料极和空气极构成的一对催化电极。优选的是，催化电极分别具有与高分子电解质膜接触的催化层和层叠在催化层上的气体扩散层。

高分子电解质膜是在湿润状态下具有选择性输送质子的功能的高分子膜。高分子电解质膜的材料只要是选择性地使氢离子移动的材料即可，并无特别限定。作为这样的材料的例子包括氟素类的高分子电解质膜或碳氢类的高分子电解质膜等。作为氟素类的高分子电解质膜的具体例子包括：杜邦公司的Nafion(注册商标)、旭硝子公司的Flemion(注册商标)、旭化成株式会社的Aciplex(注册商标)或Japan Gore-Tex公司的GORE-SELECT(注册商标)等。

催化层是含有促进氢或氧的氧化还原反应的催化剂的层。只要催化层是具有导电性且具有促进氢或氧的氧化还原反应的催化作用的层，并不特别限定。空气极侧的催化层例如包含铂、铂和钴的合金或铂和钴和镍的合金等作为催化剂。燃料极侧的催化层包含铂或铂和钌的合金等作为催化剂。

例如，在承载这些催化剂的乙炔黑、科琴黑或炭黑(vulcan)等的碳微粒子中，混合具有质子导电性的电解质和具有憎水性的PTFE等树脂，并将其涂敷在高分子电解质膜上，由此形成催化层。

气体扩散层为具有导电性的多孔质层。气体扩散层的材料只要是具有导电性且反应气体能够扩散的材料即可，并无特别限定。气体扩散层也可以由使从分离器侧供给的气体向催化层扩散的气体扩散基材层和提高气体扩散基材层与催化层之间的接触性的碳涂层构成。

分离器是在与燃料极接触的面上具有燃料气体流路、而在与空气极接触的面上具有氧化气体流路的导电性的部件。分离器的具有气体流路的面上包括凹部和凸部，凹部形成气体流路。

分离器具有用于供给冷却介质的冷却介质入口歧管孔以及用于排出冷却介质的冷却介质出口歧管孔。另外，分离器具有用于供给/排出燃料气体的歧管孔和用于供给/排出氧化气体的歧管孔。进而，分离器也可以具有橡胶状的密封单元，该密封单元防止冷却介质、氧化气体或燃料气体等漏出。

2、关于端板

端板是构成燃料电池组的层叠方向的端部的部件。燃料电池组通常具有一对端板，一对端板夹持单元层叠体。另外，为了支承对单元层叠体施加的负荷，端板优选具有较高的刚性。

在本发明的燃料电池组中，具有以下特征，即：端板具有沿单元层叠体的层叠方向的贯穿孔(参照图3)。贯穿孔被插入后述的流体用管体。端板也可以具有多个这样的贯穿孔(参照图3)。

端板的材料优选是热传导性较低的树脂。这是因为，若端板由热传导性较低的材料构成，则能够减少从后述的流体用管体传导到端板的热量，从而减少向外部释放的热量。作为这样的材料的例子，包含聚苯硫醚等的热塑性树脂或酚醛树脂等的热固性树脂等。

在这样构成的燃料电池组中，优选对单元层叠体施加负荷。对单元层叠体施加负荷的方法并不特别限定，例如，也可以通过对由单元层叠体、集电板和端板构成的层叠体(以下，也简称为“层叠体”)施加负荷，并通过具有刚性的环状带包围并保持受到负荷的状态的层叠体，从而对单元层叠体施加负荷。另外，也可以通过对层叠体施加负荷，并利用螺栓和螺母固定受到负荷的状态的层叠体，从而对单元层叠体施加负荷。通过对单元层叠体施加负荷，能够降低单元内和单元间的接触阻抗，并提高燃料电池组的输出。

3、关于流体用管体

流体用管体是指，与单元层叠体的歧管连接，并用于对歧管供给流体或从歧管排出流体的管体。如上所述，流体用管体可装卸地插入到端板的贯穿孔中，并贯穿端板(参照图4B)。这样，由于流体用管体贯穿端板，所以流体用管体内的流体不直接与端板接触。这里，“流体”是指燃料气体、氧化气体或冷却介质。

也就是说，流体用管体可以为：对燃料气体供给歧管供给燃料气体的燃料气体供给管；从燃料气体排出歧管排出燃料气体的燃料气体排出管；对氧化气体供给歧管供给氧化气体的氧化气体供给管；从氧化气体排出歧管排出氧化气体的氧化气体排出管；对冷却介质供给歧管供给冷却介质的冷却介质供给管；或者从冷却介质排出歧管排出冷却介质的冷却介质排出管。

本发明的特征在于，在流体用管体的外表面中的、与所述贯穿孔的内表面相对的面(以下，也简称为“贯穿孔相对面”)的一部分与所述贯穿孔的内表面分离。因此，在本发明中，在流体用管体的贯穿孔相对面和端板的贯穿孔内表面之间形成空隙。

为了使流体用管体的贯穿孔相对面的一部分与端板的贯穿孔内表面分离，只要在流体用管体的贯穿孔相对面、或者在端板的贯穿孔内表面设置凹凸形状即可。

在流体用管体的贯穿孔相对面设置凹凸形状时，流体用管体的贯穿孔相对面的凸部的上表面与贯穿孔的内表面接触。另一方面，流体用管体的贯穿孔相对面的凹部与贯穿孔的内表面分离，并构成流体用管体的贯穿孔相对面和贯穿孔内表面之间的空隙(参照实施方式1)。

另外，在流体用管体的贯穿孔相对面设置凹凸形状时，流体用管体的贯穿孔相对面具有的凸部的数也可以是一个，但优选是多个。流体用管体的贯穿孔相对面具有与贯穿孔的内表面接触的多个凸部，由此能够防止插入到端板的贯穿孔的流体用管体松动。

流体用管体的贯穿孔相对面具有的凸部，包含形成在流体用管体的贯穿孔相对面的肋(rib)。形成在流体用管体的贯穿孔相对面的肋，优选沿流体用管体内流过的流体的流向(参照图5)。这是因为，肋沿流体的流向，由此能够确保流体用管体的强度。

另一方面，在端板的贯穿孔内表面设置凹凸形状时，贯穿孔内表面的凹部和凸部的形状并无特别限定，只要是流体用管体的贯穿孔相对面的一部分与贯穿孔内表面分离，能够在流体用管体的贯穿孔相对面和贯穿孔内表面之间形成空隙即可(参照实施方式2)。

另外，在端板的贯穿孔内表面设置凹凸形状时，贯穿孔内表面具有的凸部的数也可以是一个，但优选是多个。贯穿孔内表面具有与流体用管体的贯穿孔相对面接触的多个凸部，由此能够防止插入到端板的贯穿孔的流体用管体松动。

流体用管体的材料优选是热传导性较低的树脂。这是因为，若流体用管体由热传导性较低的材料构成，则能够减少从流体用管体传导到端板的热量，从而减少向外部释放的热量。作为这样的材料的例子，包含聚苯硫醚等的热塑性树脂或酚醛树脂等的热固性树脂等。

这样，在本发明中，由于流体用管体贯穿端板，所以流体用管体内流过的流体不直接与端板接触。因此，流过的流体的热量不易传导到端板。

另外，在本发明中，由于流体用管体的贯穿孔相对面和端板的贯穿孔内表面在一部分分离，并在流体用管体的贯穿孔相对面和端板的贯穿孔内表面之间设置空隙，所以空隙内的空气发挥作为隔热材料的功能。因此，在流体用管体是排出流体的管体(燃料气体排出管、氧化气体排出管或冷却介质排出管)时，流体用管体内流过的流体所存贮的热能不易传导到端板，通过端板向外部释放的热能较少。因此，能够高效率地回收流体所存贮的热能。尤其是，由于冷却介质排出管内的冷却介质存贮最多的热能，所以流体用管体优选为与冷却介质排出歧管连接的冷却介质排出管。

另一方面，在流体用管体是供给流体的管体(燃料气体供给管、氧化气体供给管或冷却介质供给管)时，若在流体用管体的贯穿孔相对面和端板的贯穿孔内表面之间设置空隙，则从端板传导到流体用管体的热能量较少。因此，能够不受到热所造成的影响，而通过流体用管体对歧管供给流体。

以下，参照附图说明本发明的燃料电池组的实施方式。

(实施方式1)

图2是实施方式1的燃料电池组100的立体图。如图2所示，燃料电池组100具有：单元层叠体101、集电板103、端板105和环状带109。通过环状带109包围由单元层叠体101、集电板103和端板105构成的层叠体来进行保持。燃料电池组100还具有：氧化气体供给管111、冷却介质供给管113、燃料气体供给管115、燃料气体排出管117、冷却介质排出管119、以及氧化气体排出管121。

图3是图2所示的燃料电池组100的点划线A处的剖面图。如图3所示，通过一对集电板103夹持单元层叠体101，通过一对端板105夹持单元层叠体101和集电板103。

如图3所示，端板105具有沿单元层叠体101的层叠方向的贯穿孔106。另外，冷却介质供给管113与单元层叠体101的冷却介质供给歧管102a连接，冷却介质排出管119与单元层叠体101的冷却介质排出歧管102b连接。冷却介质供给管113和冷却介质排出管119分别可装卸地插入到贯穿孔106中，并贯穿端板105。

图4A是图3的方框X的放大图。如图4A所示，在冷却介质排出管119的外表面中的、与贯穿孔106的内表面相对的面上具有凸部131和凹部133。凸部131的上表面与贯穿孔106的内表面抵接。另一方面，凹部133与贯穿孔106的内表面分离。因此，在端板105和冷却介质排出管119之间形成空隙135。

这样，由于在冷却介质排出管119的贯穿孔相对面和端板105的贯穿孔106的内表面之间设置空隙135，所以空隙135内的空气发挥作为隔热材料的功能，降低从在冷却介质排出管119内流过的存贮了热能的冷却介质传导到端板105的热量。

图4B表示冷却介质排出管119安装到端板105的情形。如图4所示，通过冷却介质排出管119将可装卸地插入到端板105的贯穿孔106中，由此冷却介质排出管119被安装到端板105。

图5是冷却介质排出管119的立体图。如图5所示，冷却介质排出管119的外表面具有的凸部131是肋。另外，肋131沿冷却介质排出管119内流过的冷媒的流向。通过肋131沿冷媒的流向，能够通过更少的材料确保冷却介质排出管119的强度。冷却介质排出管119的直径Φ为5～15mm，约为8mm。

这样，根据本实施方式，传导到端板的冷却介质所存贮的热能量较少，降低通过端板向外部释放的热量。因此，能够高效率地回收发电时产生了的热量。

另外，在本实施方式中，主要说明了冷却介质排出管，但燃料气体供给管、燃料气体排出管、氧化气体供给管、氧化气体排出管、以及冷却介质供给管也可以具有相同的结构。

(实施方式2)

在实施方式1中，说明了流体用管体的贯穿孔相对面具有凹凸形状的形态。在实施方式2中，说明端板的贯穿孔内表面具有凹凸形状的例子。

图6是实施方式2的燃料电池组200的剖面图。除了冷却介质供给管、冷却介质排出管、以及端板的贯穿孔的形状不同之外，燃料电池组200与实施方式1的燃料电池组100相同。对与实施方式1相同的结构部件附加相同的标号，并省略说明。

如图6所示，燃料电池组200的端板205具有沿单元层叠体101的层叠方向的贯穿孔206。另外，冷却介质供给管213和冷却介质排出管219分别插入到贯穿孔206中，并贯穿端板205。

图7A是图6的方框X的放大图。如图7A所示，贯穿孔206的内表面具有凸部231和凹部233。凸部231的上表面与冷却介质排出管219抵接。另一方面，凹部233不与冷却介质排出管219抵接。因此，在端板205和冷却介质排出管219之间形成空隙235。

图7B表示冷却介质排出管219安装到端板205的情形。如图7B所示，通过冷却介质排出管219将可装卸地插入到端板205的贯穿孔206中，由此冷却介质排出管219被安装到端板205。

在本实施方式中，主要说明了冷却介质排出管，但燃料气体供给管、燃料气体排出管、氧化气体供给管、氧化气体排出管、以及冷却介质供给管也可以具有相同的结构。

本申请主张基于2009年3月27日提交的特愿第2009-080362号的日本专利申请的优先权。该申请说明书中所记载的内容全部被本申请引用。

工业实用性

在本发明的燃料电池组中，由于向外部释放的热量较少，所以作为用于家庭用热电联供系统的燃料电池组极为有用。

Claims (3)

1.燃料电池组，包括：

单元层叠体，其层叠了由膜电极接合体、以及夹持所述膜电极接合体的分离器构成的单电池，并且具有用于对所述层叠了的单电池供给流体或从所述层叠了的单电池排出流体的歧管；

端板，其层叠在所述单元层叠体上，并且具有沿所述单元层叠体的层叠方向的贯穿孔；以及

流体用管体，其可装卸地插入到所述端板的所述贯穿孔中，贯穿所述端板，并且与所述歧管连接，

在所述流体用管体的外表面中的、与所述贯穿孔的内表面相对的面的一部分与所述贯穿孔的内表面分离，

在所述流体用管体的外表面中的、与所述贯穿孔的内表面相对的面上具有凹凸形状，所述流体用管体的外表面的凸部的顶面与所述贯穿孔的内表面接触，或者，

在所述贯穿孔的内表面上具有凹凸形状，所述贯穿孔的内表面的凸部的顶面与所述流体用管体的外表面接触。

2.如权利要求1所述的燃料电池组，

所述凸部包括肋，

所述肋沿所述流体用管体内流过的流体的流向。

3.如权利要求1所述的燃料电池组，

所述流体用管体与用于排出冷却介质的所述歧管连接。

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