CN102576882A - 燃料电池组 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池组，具备：层叠体，经由隔板层叠多个发电体而构成，该发电体包含电解质膜和配置在电解质膜的两面的电极催化剂层，该隔板具备向电极催化剂层供给反应气体的流路；及集电板，配置在层叠体的两端，用于收集由层叠体发电的电力并向外部取出，在隔板及集电板上形成有阳极废气排出孔、阴极废气排出孔及介质供给孔中的至少一个孔，所述阳极废气排出孔用于排出阳极废气，所述阴极废气排出孔用于排出阴极废气，所述介质供给孔用于向层叠体内供给用以将层叠体的温度保持为大致一定的介质，在配置于层叠体的阳极侧的端部的阳极侧集电板处，用于将收集到的电力的至少一部分向外部取出的输出端子设置在阳极废气排出孔、阴极废气排出孔及介质供给孔中的至少一个孔的附近。

Description

燃料电池组

技术领域

本发明涉及具有将单电池层叠多个而成的结构的燃料电池组。

背景技术

燃料电池组通常作为将单电池层叠多个而成的层叠体而构成，该单电池包含发电体和隔板，该发电体包含电解质膜和配置在电解质膜的两面上的电极催化剂层。在该燃料电池组中，在层叠体的两端依次层叠集电板、绝缘板、端板，利用连结构件将一对端板连结，由此保持层叠状态。端板由于不发电，因此不会发热，而且大部分与大气接触，因此在燃料电池的运转中也会散热而自然地冷却。因此，位于层叠体的端部的几个单电池因热传导而冷却，会产生溢流这样的问题。

相对于此种问题，提出有一种在燃料电池组的运转中使用加热器而对燃料电池组的温度分布进行均衡化的技术(例如，参照专利文献1)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平8-306380号公报

专利文献2：日本特开2005-158431号公报

发明内容

然而，若形成为设有加热器的结构，则存在燃料电池组的整体尺寸变大这样的问题。因此，存在要抑制燃料电池组的大型化且抑制溢流这样的期望。

本发明为了解决上述课题的至少一部分而作出，可以作为以下的方式或适用例来实现。

[适用例1]一种燃料电池组，具备：

层叠体，经由隔板层叠多个发电体而构成，该发电体包含电解质膜和配置在所述电解质膜的两面的电极催化剂层，该隔板具备向所述电极催化剂层供给反应气体的流路；及

集电板，配置在所述层叠体的两端，用于收集由所述层叠体发电的电力并向外部取出，

在所述隔板及所述集电板上形成有阳极废气排出孔、阴极废气排出孔及介质供给孔中的至少一个孔，所述阳极废气排出孔用于排出阳极废气，所述阴极废气排出孔用于排出阴极废气，所述介质供给孔用于向所述层叠体内供给用以将所述层叠体的温度保持为大致一定的介质，

在配置于所述层叠体的阳极侧的端部的阳极侧集电板处，用于将所述收集到的电力的至少一部分向外部取出的输出端子设置在所述阳极废气排出孔、所述阴极废气排出孔及所述介质供给孔中的至少一个孔的附近。

在阴极废气排出孔、阳极废气排出孔、介质供给孔附近，容易产生溢流。尤其是在阳极侧产生溢流时，可能会发生催化剂的老化。输出端子由取出电力时的电阻而发热。因此，在阳极侧集电板中，通过在阴极废气排出孔、阳极废气排出孔、介质供给孔中的至少一个附近设置输出端子，而能够对容易产生溢流的部分进行加热，能够抑制溢流。如此，能够抑制燃料电池组的大型化，并抑制溢流。

[适用例2]在适用例1记载的燃料电池中，

所述阳极侧集电板中，所述输出端子的附近的每单位长度的电阻局部地比剩余部分大。

如此，容易产生溢流的部分的发热量增大，因此能够更良好地抑制溢流。

[适用例3]在适用例2记载的燃料电池中，

通过将所述输出端子的附近的板厚形成为局部地比剩余部分薄，从而增大每单位长度的电阻。

如此，能够容易地增大电阻。

需要说明的是，本发明能够以各种形态实现，例如，能够以具备上述燃料电池组的燃料电池系统、具备该燃料电池系统的车辆等的形态来实现。

附图说明

图1是表示作为本发明的第一实施例的燃料电池组的简要结构的俯视图。

图2是简要表示单电池的剖面结构的说明图。

图3是表示阳极侧集电板的简要平面结构的俯视图。

图4是表示燃料电池组中的电池的位置与温度的关系的图形。

图5是表示燃料电池组的温度的时间变化的图形。

图6是简要表示第二实施例中的阳极侧集电板的结构的图。

图7是表示变形例1的阳极侧集电板的简要结构的俯视图。

图8是表示变形例2的阳极侧集电板的简要结构的俯视图。

具体实施方式

A.第一实施例：

A1.燃料电池组的结构：

图1是表示作为本发明的第一实施例的燃料电池组100的简要结构的俯视图。燃料电池组100是使用作为氧化气体的空气和作为燃料气体的氢进行发电的固体高分子型的燃料电池。燃料电池组100具有将单电池40层叠多个而成的层叠体400，该单电池40利用隔板夹持密封构件一体型MEA而构成。并且，在层叠体的阳极侧的一端层叠阳极侧集电板30、绝缘板20、端板10，在阴极侧的一端同样地层叠阴极侧集电板50、绝缘板60、端板70。燃料电池组100虽然省略了图示，但通过张力板等以沿着层叠方向施加了规定的按压力的状态连结而被保持。单电池40的层叠数量根据燃料电池组100所要求的输出而能够任意设定。需要说明的是，在图1中，配置在阳极侧集电板30与阴极侧集电板50之间的多个单电池40中，一部分记载了标号，其他部分省略。

在燃料电池组100设有沿着燃料电池组100的层叠方向贯通的阳极气体供给岐管、阳极废气排出岐管、阴极气体供给岐管、阴极废气排出岐管、冷却水供给岐管、及冷却水排出岐管。通过层叠上述的密封构件一体型MEA、隔板、端板10、70、绝缘板20、60、阳极侧集电板30、阴极侧集电板50，而利用设置在它们上的贯通孔来构成这些岐管。在本实施例中，作为冷却介质，使用冷却水，但也可以使用乙二醇、丙二醇等其他的冷却介质。

端板10、70为了确保刚性而由钢等金属形成。阳极侧集电板30、阴极侧集电板50使用不锈钢，但也可以取代不锈钢而使用钛、铝等其他的金属、致密碳等气体不透过的导电性构件。绝缘板20、60由橡胶、树脂等绝缘性构件形成。在阳极侧集电板30、50分别设有输出端子39、59，能够输出由燃料电池组100发电的电力。

图2是简要表示单电池40的剖面结构的说明图。单电池40在密封构件一体型MEA42的两面分别配置有阳极侧隔板44及阴极侧隔板46。

密封构件一体型MEA42，在外形为大致矩形的MEA421的外周与MEA421一体地形成有框状的密封构件422。MEA421构成为在电解质膜423的一个面上依次层叠阳极424、阳极侧扩散层425，且在另一个面上依次层叠阴极426、阴极侧扩散层427。

在本实施例中，作为电解质膜423，使用由氟系树脂形成的高分子电解质膜。作为阳极424及阴极426，使用由载持有铂及铂合金作为催化剂的碳载体形成的电极。作为阳极侧扩散层425及阴极侧扩散层427，使用实施了防水加工的碳毡。在本实施例中，为了提高排水性，对阳极侧扩散层425、216c实施防水加工，但也可以是未实施防水加工的结构。密封构件422使用硅橡胶通过注塑成型而形成。构成密封构件一体型MEA42的各部分的材料并未限定于本实施例，也可以使用周知的各种材料。

在阳极侧隔板44的与阳极侧扩散层425抵接的面上形成有用于将阳极气体沿着阳极侧扩散层425的面方向分配而流动的阳极气体流路441，在另一个面上形成有用于使冷却水流动的冷却水流路442。另一方面，在阴极侧隔板46的与阴极侧扩散层427抵接的面上形成有用于将阴极气体沿着阴极侧扩散层427的面方向分配而流动的阴极气体流路461。在本实施例中，阳极侧隔板44及阴极侧隔板46使用不锈钢。隔板的材料并未限定于本实施例，也可以使用钛、铝等其他的金属或致密碳等气体不透过的导电性构件。

需要说明的是，隔板的结构并未限定于本实施例，可以使用各种结构的隔板。例如可以是在1张隔板的两面上分别形成阳极气体流路和阴极气体流路的结构。也可以使用多孔体作为气体流路，使用具备与多孔体相对的平滑面且在内部具备冷却水流路的三层结构的隔板。

图3是表示阳极侧集电板30的简要平面结构的俯视图。阳极侧集电板30具备集电部38和输出端子39。集电部38是外形呈与单电池40的外形相同的大致矩形形状的平板状，在其周缘部形成有构成上述的阳极气体供给岐管、阳极废气排出岐管、阴极废气排出岐管、阴极气体供给岐管、冷却水供给岐管、冷却水排出岐管的阳极气体供给用贯通孔33、阳极废气排出用贯通孔34、阴极气体供给用贯通孔31、阴极废气排出用贯通孔32、冷却水供给用贯通孔35、冷却水排出用贯通孔36。

输出端子39例如是与二次电池、用于使车辆行驶的驱动电动机等外部负载装置电连接且用于取出由燃料电池组100发电的电力而向外部负载供给的端子。输出端子39设置在阳极废气排出用贯通孔34的附近、且阴极废气排出用贯通孔32的附近、且冷却水供给用贯通孔35的附近。

输出端子39比集电部38的截面积小，因此取出由燃料电池组100发电的电力时发出的热量比集电部38大。因此，在本实施例的阳极侧集电板30中，在集电部38的平面内，输出端子39的附近比其他的区域的温度高。

在本实施例中，阴极侧集电板50的输出端子59也设置在与阳极侧集电板30同样的部位。

A2.实施例的效果：

将本实施例的效果与比较例相比并基于图4、5进行说明。在本实施例的燃料电池组100中，阳极侧集电板30的输出端子39设置在阳极废气排出用贯通孔34的附近，相对于此，在比较例的燃料电池组中，阳极侧集电板的输出端子设置在阳极气体供给用贯通孔33的附近。即，实施例的输出端子39配置在图3中的虚线包围所示的区域F的附近，相对于此，比较例的输出端子未配置在区域F的附近。比较例的阴极侧集电板的输出端子也配置在与阳极侧集电板对应的位置。比较例的燃料电池组除了输出端子的配置与本实施例的燃料电池组100不同以外，具有与本实施例的燃料电池组100的结构相同的结构。

图4是表示燃料电池组中的电池的位置与温度的关系的图形。图5是表示燃料电池组的温度的时间变化的图形。对于温度，在全部的单电池及集电板中在与区域F对应的区域进行测定。在图4、5中，本实施例的燃料电池组100的温度变化由实线表示，比较例的燃料电池组的温度变化由虚线表示。

在本实施例的燃料电池组100的运转中及刚运转之后，阳极侧集电板30及阴极侧集电板50的区域F的温度高于比较例，层叠体的端部附近的单电池的温度变高(图4、5)。因此，在本实施例的燃料电池组100中，与比较例相比，能够抑制溢流。

通常，在燃料电池组中，水(包含水蒸气、液体水)容易积存在阳极废气排出用贯通孔、阴极废气排出用贯通孔、冷却水供给用贯通孔的附近。即，在单电池内部，水容易积存在与区域F对应的区域。在本实施例的燃料电池组100中，输出端子39设置在水容易积存的区域F的附近(图3)，因此认为有效地抑制了溢流。

另外，根据本实施例的燃料电池组100，能够抑制配置在阳极侧集电板30附近的单电池40的阳极的催化剂的老化。其理由考虑为以下所述。

在单电池40的阳极侧发生溢流时，由于未向溢流产生的部分供给氢，因此会引起由催化剂中的碳和水生成质子的反应(C+2H₂O→CO₂+4H⁺+4e^-)，催化剂可能发生老化。通常，在燃料电池组中，在阳极侧集电板附近的单电池中，阳极侧比阴极侧的温度低(图4)，因此水从阴极侧向阳极侧移动，在阳极侧产生溢流。在阴极侧集电板附近的单电池中，阳极侧的溢流难以发生。

在本实施例的燃料电池组100中，通过将阳极侧集电板30的输出端子39设置在区域F的附近，与比较例相比，提高阳极侧集电板30的区域F的温度，阳极侧集电板30的附近的单电池中的电极间的温度差小于比较例(图4、5)。其结果是，在阳极侧集电板30的附近的单电池中，抑制水从阴极侧向阳极侧的移动，从而抑制阳极侧的溢流。因此，能够抑制阳极侧的氢的缺乏引起的催化剂的老化。

需要说明的是，在燃料电池组100中，在阴极侧集电板50的附近的单电池中，在阴极侧存在有较多的水。当阴极侧发生溢流时不供给空气，因此电池电压可能下降。相对于此，在本实施例中，即使在阴极侧集电板50中，也由于将输出端子59设置在容易产生溢流的区域的附近，因此能抑制阴极侧的溢流，从而能够抑制电池电压的下降。

此外，根据本实施例的燃料电池组100，未设置加热器等加热单元而能够抑制溢流，因此能够抑制燃料电池组的大型化，且能够抑制溢流。另外，例如，若形成为设有加热器的结构，则需要用于驱动加热器、控制加热器的控制装置的电力，存在由燃料电池组发电的电力的利用效率下降这样的问题，但根据本实施例的燃料电池组100，与设有加热器的情况相比，能够提高由燃料电池组发电的电力的利用效率。

B.第二实施例：

第二实施例的燃料电池组除了阳极侧集电板的结构与第一实施例不同以外，与第一实施例相同，因此对阳极侧集电板进行说明，省略其他的结构的说明。图6是简要表示第二实施例中的阳极侧集电板的结构的图。图6(a)是俯视图，(b)是表示(a)中的A-A剖切面的剖视图。

本实施例的阳极侧集电板30A与第一实施例的阳极侧集电板30同样地，具备集电部38A和输出端子39。本实施例的集电部38A形成与第一实施例的集电部38同样的大致矩形的外形，阴极气体供给用贯通孔31、阴极废气排出用贯通孔32、阳极气体供给用贯通孔33、阳极废气排出用贯通孔34、冷却水供给用贯通孔35、冷却水排出用贯通孔36与第一实施例同样地配置。并且，输出端子39配置在与第一实施例同样的位置。

本实施例的集电部38A与第一实施例的集电部38不同之处是在输出端子39的附近设置高电阻区域37这一方面。如图6(B)所示，高电阻区域37比其余的区域的板厚薄。电阻与截面积成反比例。因此，在集电部38A中，高电阻区域37的每单位长度的电阻比其余的区域大。因此，经由输出端子39取出由燃料电池组发电的电力时，由于在高电阻区域37流动的电力而产生的热量比其余的区域大。因此，能够进一步对容易产生溢流的区域进行加热，因此能够抑制溢流的发生。

需要说明的是，在本实施例的燃料电池组中，绝缘板20A的与高电阻区域37相对的区域形成为突起状以与高电阻区域37嵌合(图6(B))。如此，能够抑制高电阻区域37中的燃料电池组的层叠方向的按压力的下降。

C.变形例：

需要说明的是，本发明并不局限于上述的实施例，在不脱离其宗旨的范围内能够以各种形态来实施，例如也能够进行如下的变形。

C 1.变形例1：

阳极侧集电板30的输出端子39的配置并未限定为上述实施例，只要设置在阳极废气排出孔、所述阴极废气排出孔及所述冷却介质供给孔中的至少一个附近即可。例如，也可以是以下的变形例1、2那样的配置。

图7是表示变形例1的阳极侧集电板30B的简要结构的俯视图。阳极侧集电板30B具备集电部38B和输出端子39。变形例1的集电部38B中，阴极气体供给用贯通孔31、阴极废气排出用贯通孔32、阳极气体供给用贯通孔33、阳极废气排出用贯通孔34、冷却水供给用贯通孔35的配置与第一实施例的集电部38不同。输出端子39设置在冷却水供给用贯通孔35及阴极废气排出用贯通孔32的附近。即便如此，也能够对容易产生溢流的冷却水供给用贯通孔35的附近、阴极废气排出用贯通孔32的附近进行加热，因此能够抑制溢流的发生。

图8是表示变形例2的阳极侧集电板30C的简要结构的俯视图。阳极侧集电板30C具备集电部38C和输出端子391、392。变形例2的集电部38C中，阴极气体供给用贯通孔31、阴极废气排出用贯通孔32、阳极气体供给用贯通孔33、阳极废气排出用贯通孔34、冷却水供给用贯通孔35的配置与第一实施例的集电部38不同。输出端子391设置在阳极废气排出用贯通孔34的附近，输出端子392设置在阴极废气排出用贯通孔32的附近。即便如此，利用各输出端子391、392的发热，也能够对容易产生溢流的阳极废气排出用贯通孔34、阴极废气排出用贯通孔32的附近进行加热，因此能够抑制溢流的发生。

C2.变形例2：

在上述实施例中，在阴极侧集电板50中的与阳极侧集电板30的输出端子39的位置对应的位置上设置输出端子59，但阴极侧集电板50中的输出端子59的位置也可以不是与输出端子39的位置对应的位置。例如，也可以设置在阳极气体供给用贯通孔33的附近。即便如此，能够抑制配置在阳极侧集电板30附近的单电池40的阳极侧的溢流，因此能够抑制催化剂的老化。

C3.变形例3：

在上述第二实施例中，在高电阻区域37使板厚比其余的区域薄，由此来增大每单位长度的电阻，但与其他的方法相比，也可以增大高电阻区域37的每单位长度的电阻。例如，也可以在高电阻区域37使用比其余的区域的比电阻(电阻率)大的材料。即便如此，通过对容易产生溢流的区域进行加热，也能够抑制溢流的发生。

C4.变形例4：

在上述实施例中，也可以使阳极侧集电板30的输出端子39的宽度比阴极侧集电板50的输出端子59的宽度窄。如此，阳极侧集电板30的输出端子39的电阻大于阴极侧集电板50的输出端子59的电阻。因此，在阳极侧集电板30中，输出端子39附近的温度比阴极侧集电板50的输出端子59附近的温度变高。其结果是，在燃料电池组100中，尤其是能够抑制阳极侧的端部的附近的单电池的阳极侧的溢流，从而能够抑制催化剂的老化。

标号说明：

10...端板

20、20A...绝缘板

30、30A、30B、30C...阳极侧集电板

31...阴极气体供给用贯通孔

32...阴极废气排出用贯通孔

33...阳极气体供给用贯通孔

34...阳极废气排出用贯通孔

35...冷却水供给用贯通孔

36...冷却水排出用贯通孔

37...高电阻区域

38、38A、38B、38C...集电部

39、391、392、59...输出端子

40...单电池

42...密封构件一体型MEA

44...阳极侧隔板

46...阴极侧隔板

50...阴极侧集电板

60...绝缘板

70...端板

100...燃料电池组

400...层叠体

421...MEA

422...密封构件

423...电解质膜

424...阳极

425...阳极侧扩散层

426...阴极

427...阴极侧扩散层

441...阳极气体流路

442...冷却水流路

461...阴极气体流路

Claims (3)

1.一种燃料电池组，具备：

层叠体，经由隔板层叠多个发电体而构成，该发电体包含电解质膜和配置在所述电解质膜的两面的电极催化剂层，该隔板具备向所述电极催化剂层供给反应气体的流路；及

集电板，配置在所述层叠体的两端，用于收集由所述层叠体发电的电力并向外部取出，

在所述隔板及所述集电板上形成有阳极废气排出孔、阴极废气排出孔及介质供给孔中的至少一个孔，所述阳极废气排出孔用于排出阳极废气，所述阴极废气排出孔用于排出阴极废气，所述介质供给孔用于向所述层叠体内供给用以将所述层叠体的温度保持为大致一定的介质，

在配置于所述层叠体的阳极侧的端部的阳极侧集电板处，用于将所述收集到的电力的至少一部分向外部取出的输出端子设置在所述阳极废气排出孔、所述阴极废气排出孔及所述介质供给孔中的至少一个孔的附近。

2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，

所述阳极侧集电板中，所述输出端子的附近的每单位长度的电阻局部地比剩余部分大。

3.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，

通过将所述输出端子的附近的板厚形成为局部地比剩余部分薄，从而增大每单位长度的电阻。

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