CN104106167A - 燃料电池堆和燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池堆，其具有通过层叠多个燃料电池而在层叠方向上延伸设置的、用于将在燃料电池中使用过的气体排出到外部的内部歧管，该燃料电池堆具有延伸设置构件，该延伸设置构件以与内部歧管的内壁面接触的状态在层叠方向上延伸设置。

Description

燃料电池堆和燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种由多个燃料电池层叠而构成的燃料电池堆和具有该燃料电池堆的燃料电池系统。
背景技术
燃料电池以电解质膜被阳极电极和阴极电极夹住的方式构成，使用含有被供给至阳极电极的氢的阳极气体和含有被供给至阴极电极的氧的阴极气体进行发电。在阳极电极和阴极电极这两个电极处进行的电化学反应如下所示。
阳极电极：2H2→4H++4e—···(1)
阴极电极：4H++4e—+O2→2H2O···(2)
通过上述(1)(2)的电化学反应，燃料电池将产生1V(伏特)程度的电动势。
在将这样的燃料电池作为汽车用电源来使用的情况下，因为需求的电力较大，需要使用将数百枚燃料电池层叠而成的燃料电池堆。而且，构成用于向燃料电池堆供给阳极气体和阴极气体的燃料电池系统，从而获得用于驱动车辆的电力。
在JP2006-66131A中公开一种具有作为用于供阳极气体、阴极气体流动的通路的内部歧管的燃料电池堆。这些内部歧管通过将形成于燃料电池的通孔沿着燃料电池的层叠方向连接起来而构成为通路状。
发电时等生成的生成水流入用于使阳极气体和阴极气体排出到燃料电池堆外的排出侧的内部歧管。当生成水停留在排出侧的内部歧管内并返回反应面(活性区域)时，燃料电池堆的发电性能就降低。因此，优选排出侧的内部歧管为容易将生成水排出的结构。
发明内容
发明要解决的问题
然而，JP2006-66131A所记载的燃料电池堆存在如下问题：在被层叠的各燃料电池不能准确对位的情况下，由于在构成燃料电池堆时，在内部歧管的内侧形成有凹凸部分，导致生成水向层叠方向的流动受到凹凸部分的阻碍。
本发明是鉴于上述的问题点而做成的，目的在于提供一种能够提高内部歧管的向层叠方向的生成水的排出性能。
用于解决问题的方案
采用本发明的某个方式，在具有内部歧管的燃料电池堆中，提供一种具有以与内部歧管的内壁面接触的状态在层叠方向上延伸设置的延伸设置构件的燃料电池堆，其中，内部歧管通过将多个燃料电池层叠起来而在层叠方向上延伸设置，用于将在燃料电池中使用后的气体向外部排出。
参照添附的附图，对本发明的实施方式、本发明的优点进行以下详细的说明。
附图说明
图1是具有本发明的第1实施方式的燃料电池堆的燃料电池系统的结构示意图。
图2是说明燃料电池系统的阳极脉动运转的时序图。
图3是燃料电池堆的分解图。
图4A是膜电极接合体的主视图。
图4B是阳极分隔件的主视图。
图4C是阴极分隔件的主视图。
图5是膜电极接合体的排出侧的内部歧管附近的放大图。
图6是设置于燃料电池堆的内部歧管内的延伸设置构件的立体图。
图7是燃料电池堆的侧面示意图。
图8是第4实施方式的燃料电池堆所具有的延伸设置构件的纵剖视图。
图9是第5实施方式的燃料电池堆所具有的延伸设置构件的俯视图。
图10是第6实施方式的燃料电池堆所具有的延伸设置构件的纵剖视图。
图11A是表示延伸设置构件的内壁上表面的变形例的图。
图11B是表示延伸设置构件的内壁上表面的变形例的图。
图11C是表示延伸设置构件的内壁上表面的变形例的图。
图11D是表示延伸设置构件的内壁上表面的变形例的图。
图11E是表示延伸设置构件的内壁上表面的变形例的图。
图12是表示形成于延伸设置构件的内壁底面的突出部的变形例的图。
图13是第7实施方式的燃料电池堆所具有的延伸设置构件的纵剖视图。
图14是说明第7实施方式的燃料电池堆的效果的图。
图15是第8实施方式的燃料电池堆所具有的延伸设置构件和缓冲材料的纵剖视图。
图16是第9实施方式的燃料电池堆所具有的延伸设置构件和滑动构件的纵剖视图。
图17是具有第10实施方式的延伸设置构件的燃料电池堆的横剖示意图。
图18A是第10实施方式的燃料电池堆所具有的延伸设置构件的纵剖视图。
图18B是第10实施方式的燃料电池堆所具有的延伸设置构件的纵剖视图。
图19是表示第10实施方式的变形例的图。
图20是第11实施方式的燃料电池堆的横剖示意图。
图21是沿着图20的XX-XX线的延伸设置构件的横剖视图。
图22是表示第7实施方式的变形例的延伸设置构件的图。
具体实施方式
(第1实施方式)
图1是具有本发明的第1实施方式的燃料电池堆10的燃料电池系统1的结构示意图。
燃料电池系统1具有：燃料电池堆10、阳极气体供给装置2、阴极气体供给装置3、冷却装置4、逆变器5、驱动马达6、蓄电池7、DC/DC变换器8以及控制器60。
燃料电池堆10是通过层叠规定数量的、作为单位单元的燃料电池100而构成的。燃料电池堆10被横置，燃料电池100成为在水平方向层叠的状态。燃料电池堆10接受作为阳极气体的氢和作为阴极气体的空气的供给而发电，并且向用于驱动车辆的驱动马达6等各种电气零件供给电力。燃料电池堆10具有作为用于获得电力的输出端子的阳极侧端子11和阴极侧端子12。
阳极气体供给装置2具有：高压罐21、阳极气体供给通路22、调压阀23、压力传感器24、阳极气体排出通路25、缓冲罐26、清洗通路27以及清洗阀28。
高压罐21是用于将向燃料电池堆10供给的阳极气体保持在高压状态地进行贮藏的容器。
阳极气体供给通路22是用于将自高压罐21排出的阳极气体向燃料电池堆10供给的通路。阳极气体供给通路22的一端与高压罐21连接，另一端与燃料电池堆10的阳极气体入口部连接。
调压阀23是能够连续地或者阶段性地调节开度的电磁阀，且设置于阳极气体供给通路22。调压阀23用于将自高压罐21排出的高压状态的阳极气体调节到规定的压力。调压阀23的开度由控制器60控制。
压力传感器24设置于阳极气体供给通路22的比调压阀23靠下游侧的位置。压力传感器24用于检测流经阳极气体供给通路22的阳极气体的压力。由压力传感器24检测出来的阳极气体的压力代表包含缓冲罐26、燃料电池堆10内的阳极气体流路等在内的阳极系统整体的压力。
阳极气体排出通路25是将燃料电池堆10和缓冲罐26连通的通路。阳极气体排出通路25的一端与燃料电池堆10的阳极气体出口部连接、另一端与缓冲罐26的上部连接。阳极气体排出通路25用于将未使用于电化学反应的剩余的阳极气体和包含在燃料电池堆10内自阴极侧向阳极气体流路泄露出来的氮气、水蒸气等的不纯气体的混合气体(以下称为“阳极废气”。)排出。
缓冲罐26是用于将从阳极气体排出通路25流过来的阳极废气临时储存起来的容器。阳极废气所含有的水蒸气的一部分在缓冲罐26内冷凝而形成冷凝水，从而自阳极废气分离出来。
清洗通路27是使缓冲罐26与外部连通的排出通路。清洗通路27的一端与缓冲罐26的下部连接、清洗通路27的另一端形成为开口端。储存在缓冲罐26的阳极废气被自后述的阴极气体排出通路35流入清洗通路27的阴极废气稀释，从而与冷凝水一起自清洗通路27的开口端向外部排出。
清洗阀28是能够连续地或者阶段性地调节开度的电磁阀，且设置于清洗通路27。通过调节清洗阀28开度来调整自清洗通路27向外部排出的阳极废气的流量。清洗阀28的开度由控制器60控制。
阴极气体供给装置3具有：阴极气体供给通路31、过滤器32、压缩机33、压力传感器34、阴极气体排出通路35以及调压阀36。
阴极气体供给通路31是供向燃料电池堆10供给的阴极气体流动的通路。阴极气体供给通路31的一端与过滤器32连接、另一端与燃料电池堆10的阴极气体入口部连接。
过滤器32是用于将自外部引入的空气所含有的尘土、灰尘等异物除去的装置。被过滤器32除去了异物的空气成为向燃料电池堆10供给的阴极气体。
压缩机33设置于阴极气体供给通路31的位于过滤器32和燃料电池堆10之间的部分。压缩机33用于将经过过滤器32引入的阴极气体向燃料电池堆10加压输送。
压力传感器34设置于阴极气体供给通路31的比压缩机33靠下游侧的部分。压力传感器34用于检测流经阴极气体供给通路31的阴极气体的压力。由压力传感器34检测出来的阴极气体的压力代表包含燃料电池堆10内的阴极气体流路等在内的阴极系统整体的压力。
阴极气体排出通路35是连通燃料电池堆10和阳极气体供给装置2的清洗通路27的通路。阴极气体排出通路35的一端与燃料电池堆10的阴极气体出口部连接、另一端与清洗通路27的比清洗阀28靠下游侧的部分连接。在燃料电池堆10的电化学反应中未使用的阴极气体作为阴极废气、经由阴极气体排出通路35向清洗通路27排出。
调压阀36是能够连续地或者阶段性地调节开度的电磁阀，且设置于阴极气体排出通路35。调压阀36通过控制器60来控制开度，从而调整向燃料电池堆10供给的阴极气体的压力。
冷却装置4是用于利用冷却水冷却燃料电池堆10的装置。冷却装置4具有：冷却水循环通路41、冷却水循环泵42、散热器43以及冷却水温度传感器44、45。
冷却水循环通路41是供用于冷却燃料电池堆10的冷却水流动的通路。冷却水循环通路41的一端与燃料电池堆10的冷却水入口部连接、另一端与燃料电池堆10的冷却水出口部连接。
冷却水循环泵42作为使冷却水循环的加压输送装置，设置于冷却水循环通路41。
散热器43作为用于使自燃料电池堆10排出的冷却水冷却的放热器，设置于冷却水循环通路41的比冷却水循环泵42靠上游侧的部分。
冷却水温度传感器44、45是用于检测冷却水的温度的传感器。冷却水温度传感器44设置于冷却水循环通路41的靠近燃料电池堆10的冷却水入口部的部分，用于检测流入燃料电池堆10的冷却水的温度。与此相对，冷却水温度传感器45设置于冷却水循环通路41的靠近燃料电池堆10的冷却水出口部的部分，用于检测自燃料电池堆10排出的冷却水的温度。
逆变器5具有开关部51和平滑电容器52，并且借助阳极侧端子11和阴极侧端子12与燃料电池堆10电连接。开关部51由多个转换元件构成，能将直流转换为交流或者将交流转换为直流。平滑电容器52与燃料电池堆10并联连接，抑制由于开关部51的转换等而产生的波动。
驱动马达6是三相交流马达。驱动马达6利用自逆变器5供给的交流电流工作，并产生驱动车辆的转矩。
蓄电池7借助DC/DC变换器8与驱动马达6和燃料电池堆10电连接。蓄电池7是锂离子二次电池等能充放电的二次电池。
DC/DC变换器8与燃料电池堆10电连接。DC/DC变换器8是使燃料电池堆10电压升降的双方向性的电压转换机，自直流输入而得到直流输出，并且，将输入电压转换为任意的输出电压。
控制器60由具有中央运算装置(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)以及输入输出接口(I/O接口)的微型计算机构成。
除了压力传感器24、34、冷却水温度传感器44、45以外，来自用于检测燃料电池堆10的输出电流的电流传感器61、用于检测燃料电池堆10的输出电压的电压传感器62、用于检测安装于车辆的加速踏板的踏下量的加速踏板传感器63以及用于检测蓄电池7的充电量的SOC传感器64的检测信号作为用于检测燃料电池系统1的运转状态的信号而被输入到控制器60。控制器60基于这些输入信号周期性地开闭调压阀23，从而执行使阳极压力周期性增减的阳极脉动运转。
在阳极废气不在阳极气体供给通路22循环的阳极闭端(日文：アノードデッドエンド)型的燃料电池系统1的情况下，当一直打开调压阀23而自高压罐21持续向燃料电池堆10供给阳极气体时，阳极废气持续向外部排出，因此，阳极废气所含有的阳极气体被浪费掉。因此，在燃料电池系统1中，通过周期性开闭调压阀23而执行阳极脉动运转，从而使积存在缓冲罐26的阳极废气在阳极压力降低时向燃料电池堆10倒流。由此，能够将阳极废气中的阳极气体再利用，从而能够减少向外部排出的阳极气体量。
图2是说明燃料电池系统1的稳定运转时的阳极脉动运转的时序图。
如图2的(A)所示，控制器60根据车辆行驶状态计算出燃料电池堆10的目标输出，并基于目标输出设定阳极气体供给压力(阳极压力)的上限值和下限值。而且，使阳极压力在设定好的阳极压力的上限值和下限值之间周期性地增减。
具体而言，在时刻t1，阳极压力达到下限值，则如图2的(B)所示，将调压阀23打开到至少能使阳极压力增压到上限值的开度为止。在该状态时，阳极气体自高压罐21向燃料电池堆10供给，而阳极废气向缓冲罐26排出。
在时刻t2，阳极压力达到上限值，则如图2的(B)所示，完全关闭调压阀23，从而停止自高压罐21向燃料电池堆10供给阳极气体。通过上述的电化学反应，残留在燃料电池堆10内的阳极气体流路的阳极气体随着时间的推移而被消耗，阳极压力与阳极气体的被消耗量相对应地降低。
当燃料电池堆10内的阳极气体被消耗一定程度时，缓冲罐26的压力暂时变得比燃料电池堆10的阳极气体流路的压力高，因此，阳极废气自缓冲罐26向燃料电池堆10倒流。其结果，残留在燃料电池堆10的阳极气体流路的阳极气体与自缓冲罐26倒流的阳极废气中的阳极气体随着时间的推移而被消耗。
在时刻t3，阳极压力达到下限值，则与时刻t1时同样地打开调压阀23。而且，在时刻t4，阳极压力再一次达到上限值，则调压阀23完全关闭。这样一来，通过周期性地开闭调压阀23来进行阳极脉动运转，阳极废气中的阳极气体能够被再利用。
接着，参照图3、图4A～图4C以及图5，说明燃料电池堆10的结构。图3是燃料电池堆10的分解图。图4A是膜电极接合体(MEA)110的主视图、图4B是阳极分隔件120的主视图、图4C是阴极分隔件130的主视图。图5是MEA110的排出侧的内部歧管144～146附近的放大图。
如图3所示，燃料电池堆10是通过层叠多个由MEA 110、阳极分隔件120以及阴极分隔件130构成的燃料电池100而构成的。燃料电池100的构造为在MEA 110的一侧的面上配置有阳极分隔件120、在另一侧的面上配置有阴极分隔件130。
如图4A所示，MEA 110具有在电解质膜的一侧的面上配置有阳极电极、在另一侧的面上配置有阴极电极的层叠体111和形成于层叠体111的外周端部的框部112。
MEA 110的框部112作为由合成树脂等构成的框构件，与层叠体111的外缘一体形成。在一端侧(图中右侧)的框部112上，从上而下依次形成有阳极气体供给孔113A、冷却水供给孔114A以及阴极气体供给孔115A。另外，在另一端侧(图中左侧)的框部112上，从上而下依次形成有阴极气体排出孔115B、冷却水排出孔114B以及阳极气体排出孔113B。
如图4B所示，阳极分隔件120是由金属等导电性材料形成的板状构件。阳极分隔件120在MEA 110侧的面上形成有供阳极气体流动的阳极气体流路121，并且在与MEA 110侧相反的一侧的面上形成有供冷却水流动的冷却水流路(省略图示)。
在阳极分隔件120的一端侧，从上而下依次形成有阳极气体供给孔123A、冷却水供给孔124A以及阴极气体供给孔125A。另外，在阳极分隔件120的另一端侧，从上而下依次形成有阴极气体排出孔125B、冷却水排出孔124B以及阳极气体排出孔123B。
如图4C所示，阴极分隔件130是由金属等导电性材料形成的板状构件。阴极分隔件130在MEA 110侧的面上形成有供阴极气体流动的阴极气体流路131，并且在与MEA 110侧相反的一侧的面上形成有供冷却水流动的冷却水流路(省略图示)。
在阴极分隔件130的一端侧，从上而下依次形成有阳极气体供给孔133A、冷却水供给孔134A以及阴极气体供给孔135A。另外，在阴极分隔件130的另一端侧，从上而下依次形成有阴极气体排出孔135B、冷却水排出孔134B以及阳极气体排出孔133B。
在层叠燃料电池100而形成燃料电池堆10时，将阳极气体供给孔113A、123A、133A沿着层叠方向连接起来而形成阳极气体供给用的内部歧管141，将冷却水供给孔114A、124A、134A沿着层叠方向连接起来而形成冷却水供给用的内部歧管142，将阴极气体供给孔115A、125A、135A沿着层叠方向连接起来而形成阴极气体供给用的内部歧管143。同样，将阳极气体排出孔113B、123B、133B沿着层叠方向连接起来而形成阳极气体排出用的内部歧管144，将冷却水排出孔114B、124B、134B沿着层叠方向连接起来而形成冷却水排出用的内部歧管145，将阴极气体排出孔115B、125B、135B沿着层叠方向连接起来而形成阴极气体排出用的内部歧管146。
如图5所示，在MEA 110的表面和背面，以包围MEA 110的外缘和各内部歧管141～146的方式设置有密封构件116。在密封构件116与各内部歧管141～146之间的区域填充有用于将MEA 110与阳极分隔件120和阴极分隔件130粘接起来的粘接剂117。密封构件116和粘接剂117设置在除了气体等相对于各内部歧管141～146出入的部分以外的部分。燃料电池堆10以利用密封构件116和粘接剂117使在各内部歧管141～146流动的气体、冷却水不泄露的方式构成。
这样一来，在燃料电池堆10的内部形成有在燃料电池100的层叠方向(水平)上延伸设置的内部歧管141～146，经由内部歧管141～143向各燃料电池100供给阳极气体、阴极气体以及冷却水，经由内部歧管144～146自各燃料电池100排出阳极气体、阴极气体以及冷却水。
然而，在燃料电池堆10中，在发电时等生成的生成水流入用于使阳极气体和阴极气体向外部排出的排出侧的内部歧管144、146。尤其是，在本实施方式这样的阳极闭端型的燃料电池堆10中，生成水容易在使阳极气体向外部排出的排出侧的内部歧管144中积存。当生成水积存在阳极气体排出用的内部歧管144中时，阳极气体流量的降低等将导致燃料电池堆10的发电性能恶化。
因此，在本实施方式的燃料电池堆10中，在使阳极气体向外部排出的排出侧的内部歧管144内配置有沿层叠方向延伸设置的延伸设置构件150，从而提高生成水的排出性能。
参照图5和图6说明延伸设置构件150。图5是MEA 110的排出侧的内部歧管144～146附近的放大图。图6是延伸设置构件150的立体图。
如图5和图6所示，延伸设置构件150是具有大致コ字截面的筒状构件，由绝缘性的树脂材料形成。延伸设置构件150也可以由金属材料形成，在该情况下，在构件表面进行绝缘涂敷。
在位于燃料电池堆10的宽度方向内侧的延伸设置构件150的侧部，形成有气体流入用的流入口151。另外，在延伸设置构件150的长度方向一侧的端部，形成有将自流入口151流入的气体向燃料电池堆10外排出的排出口152。延伸设置构件150的内壁面为了不阻碍气体、生成水的沿燃料电池100层叠方向的流动而平坦地形成。
延伸设置构件150以延伸设置构件150的外壁面与阳极气体排出用的内部歧管144的内壁面接触的状态配置于内部歧管144内。这样一来，使延伸设置构件150与内部歧管144的内壁面抵接地配置，因此，延伸设置构件150发挥在组装燃料电池堆10时用于进行各燃料电池100的定位的构件的功能。另外，在设置于内部歧管144内的状态下，延伸设置构件150的内壁底面153以比MEA 110的层叠体111(活性区域)的下端位置111A高的方式设定(参照图5)。
发电时生成的生成水的一部分和未使用于发电的阳极气体经由流入口151流入配设于内部歧管144内的延伸设置构件150的内侧。延伸设置构件150是在燃料电池100的层叠方向延伸设置的构件，因此，流入延伸设置构件150内侧的生成水伴随着阳极气体的流动顺畅地流动到下游侧，并穿过排出口152而排出到燃料电池堆10的外部。
另外，设置于内部歧管144内的延伸设置构件150也作为支承被层叠后的燃料电池100的支承构件发挥功能，因此，能够防止发生燃料电池堆10如图7中虚线所示的那样、由于自重而弯曲的情况。
采用上述第1实施方式的燃料电池堆10，能够获得以下的效果。
燃料电池堆10具有延伸设置构件150，该延伸设置构件150以与阳极气体排出用的内部歧管144的内壁面接触的状态在燃料电池100的层叠方向上延伸设置，因此，流入内部歧管144内的生成水沿着延伸设置构件150的内壁面顺畅地流动。由此，生成水借助延伸设置构件150容易被排出，从而能够提高内部歧管144的生成水的排出性能。另外，通过使延伸设置构件150与内部歧管144的内壁面抵接来进行配置，在组装燃料电池堆10时也能够进行各燃料电池100的定位。
另外，在第1实施方式中，延伸设置构件150形成为与内部歧管144的内壁上表面、内壁侧面以及内壁底面抵接的筒状构件，但也可以形成为与内部歧管144的内壁上表面、内壁侧面以及内壁底面中的至少一个面抵接的棒状构件(杆状构件)。在这样形成的情况下，附着在延伸设置构件150上的生成水也会沿着延伸设置构件150顺畅地在燃料电池100的层叠方向上流动。
(第2实施方式)
接着，说明本发明的第2实施方式的延伸设置构件150。第2实施方式的延伸设置构件150在由防水性构件构成方面与第1实施方式的燃料电池堆不同。
第2实施方式的延伸设置构件150由高防水性的树脂材料、例如聚四氟乙烯(PTFE)形成。这样一来，由防水性比构成内部歧管144的构件的防水性高的构件构成延伸设置构件150，从而能够提高沿着延伸设置构件150的内壁面移动的生成水的流动性。
由此，能够进一步提高阳极气体排出用的内部歧管144的生成水的排出性能。另外，在延伸设置构件150的表面进行高防水性涂敷的情况下，虽然在由时效劣化等导致涂层剥落时，生成水的流动性就恶化，但本实施方式的延伸设置构件150自身由PTFE形成，即使长期使用，延伸设置构件150的防水性能也几乎不降低。
(第3实施方式)
接着，说明本发明的第3实施方式的延伸设置构件150。第3实施方式的延伸设置构件150在由亲水性构件构成方面与第1实施方式的燃料电池堆不同。
第3实施方式的延伸设置构件150由高亲水性的树脂材料、例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯硫醚(PPS)等形成。另外，考虑到耐热性，更加优选聚苯硫醚(PPS)。这样一来，由亲水性比构成内部歧管144的构件的亲水性高的构件构成延伸设置构件150，因此，能够容易地将延伸设置构件150的流入口151附近的生成水引入延伸设置构件150的内侧。
由此，流入阳极气体排出用的内部歧管144内的生成水的量增加，能够高效地将生成水排出。另外，在延伸设置构件150的表面进行高亲水性涂敷的情况下，虽然在由时效劣化等导致涂层剥落时，生成水的引入性就恶化，但在本实施方式中，延伸设置构件150自身由PPS等形成，因此，即使长期使用，延伸设置构件150的亲水性能也几乎不降低。
(第4实施方式)
接着，说明本发明的第4实施方式的延伸设置构件150。第4实施方式的延伸设置构件150在由亲水性构件和防水性构件构成方面与第1实施方式的燃料电池堆不同。
图8是第4实施方式的延伸设置构件150的纵剖视图。
如图8所示，延伸设置构件150的靠近燃料电池100的中央的(靠近流入口151)的内侧部分150A由亲水性比构成内部歧管144的构件的亲水性高的PET构成，外侧部分150B由防水性比构成内部歧管144的构件的防水性高的PTFE构成。
这样一来，通过将延伸设置构件150的内侧部分150A形成为高亲水性，流入口151附近的生成水容易被引入延伸设置构件150的内侧。另外，通过将延伸设置构件150的外侧部分150B形成为高防水性，能够使被引入的生成水在燃料电池100的层叠方向上顺畅地流动。由此，能够提高内部歧管144的生成水的排出性能。
(第5实施方式)
接着，说明本发明的第5实施方式的延伸设置构件150。第5实施方式的延伸设置构件150在由亲水性构件和防水性构件构成方面与第1实施方式的燃料电池堆不同。
图9是第5实施方式的延伸设置构件150的俯视图。
如图9所示，延伸设置构件150的阳极气体排出方向的上游侧部分150C由亲水性比构成内部歧管144的构件的亲水性高的PET或者PPS构成，靠近排出口152的下游侧部分150D由防水性比构成内部歧管144的构件的防水性高的PTFE构成。
这样一来，延伸设置构件150的上游侧部分150C是高亲水性，并且下游侧部分150D是高防水性，从而能够使在上游侧引入的生成水顺畅地流动到下游侧，从而能够提高内部歧管144的生成水的排出性能。
另外，延伸设置构件150构成为上游侧部分150C是高亲水性而下游侧部分150D是高防水性，但也可以构成为自上游向下游从高亲水性逐渐变为高防水性。
(第6实施方式)
接着，说明本发明的第6实施方式的延伸设置构件150。第6实施方式的延伸设置构件150在内侧结构方面与第1～第5实施方式的燃料电池堆不同。
图10是第6实施方式的延伸设置构件150的纵剖视图。
如图10所示，延伸设置构件150的内壁上表面154形成为倾斜面。内壁上表面154以在与燃料电池100的层叠方向正交的方向(燃料电池堆10的宽度方向)上从内侧向外侧朝下倾斜的方式构成。这样一来，延伸设置构件150的内壁上表面154成为倾斜面，从而附着于内壁上表面154的生成水被引导向延伸设置构件150的内部里侧，从而能够防止自流入口151向外侧倒流。
而且，延伸设置构件150具有自内壁底面153向上方突出的突出部153A。突出部153A在靠近流入口151的内侧部分上，在燃料电池100的层叠方向上延伸设置。突出部153A作为用于防止在内壁底面153上流动的生成水向延伸设置构件150的外侧流出的堤坝来发挥功能。
上述的第6实施方式的延伸设置构件150以内壁上表面154倾斜的方式构成，另外，内壁底面153具有突出部153A，因此，能够防止暂时流入延伸设置构件150内侧的生成水向燃料电池100侧倒流，从而能够使生成水稳定地排出到燃料电池堆10外。
此外，在第6实施方式中，延伸设置构件150的内壁上表面154形成为朝向外侧呈直线地向下倾斜的倾斜面，但并不限于此。如图11A～图11E所示，延伸设置构件150的内壁上表面154只要是使附着的生成水难以向燃料电池100侧倒流的结构即可。
例如，如图11A所示，延伸设置构件150的内壁上表面154可以是内侧部分为朝下倾斜的倾斜面，外侧部分为水平面。
另外，延伸设置构件150的内壁上表面154是可以是如图11B所示，在向上凸的状态下从内侧到外侧朝下倾斜的倾斜面，也可以是如图11C所示，在向下凸的状态下从内侧到外侧朝下倾斜的倾斜面。
而且，延伸设置构件150的内壁上表面154可以是如图11D所示那样圆滑的凹凸从内侧到外侧连续地形成的波状，也可以是如图11E所示那样倾斜部从内侧到外侧连续地形成的锯齿状。
在第6实施方式中，延伸设置构件150的突出部153A是如图10所示那样宽度较宽的构件，但并不限于此。如图12所示，突出部153A也可以是自靠近流入口151的内壁底面153竖起并且在燃料电池100的层叠方向上延伸设置的竖起壁。即使是这样的竖起壁，也能够防止在内壁底面153上流动的生成水向燃料电池100侧倒流。
(第7实施方式)
接着，说明本发明的第7实施方式的延伸设置构件150。第7实施方式的延伸设置构件150的形状与第1～第6实施方式的延伸设置构件150的形状不同。
图13是第7实施方式的延伸设置构件150的纵剖视图。
如图13所示，延伸设置构件150是具有大致梯形形状的截面的棒状构件，由高亲水性的树脂材料形成。
延伸设置构件150以其外周面中的上侧的侧面(以下称为“上侧侧面”)150E、外侧(图中左侧)的侧面(以下称为“外侧侧面”。)150F以及下侧的侧面(以下称为“下侧侧面”。)150G分别与内部歧管144的内壁上表面、内壁外侧面以及内壁底面抵接的方式配置于内部歧管144内。
而且，延伸设置构件150的内侧(图中右侧、即层叠体111侧)的侧面(以下称为“内侧侧面”。)150H以内侧侧面150H与内部歧管144的内壁底面所成的角θ为锐角的方式、且以从内侧向外侧朝下倾斜的方式形成。
图14是说明第7实施方式的燃料电池堆10的效果的图。
在本实施方式中，由亲水性比构成内部歧管144的构件的亲水性高的构件构成延伸设置构件150，而且使内侧侧面150H以内侧侧面150H与内部歧管144的内壁底面所成的角θ为锐角的方式倾斜。
由此，附着于内部歧管144的内壁上表面的生成水被引入延伸设置构件150的内侧侧面150H，而且，能够利用内侧侧面150H的倾斜引入图中虚线所示的锐角区域。
另外，高亲水性的构件具有将生成水引入到比周围狭窄的区域的特征。因此，在延伸设置构件150由亲水性较高的构件构成的情况下，将生成水引入到作为比周围狭窄的区域的锐角区域。其结果，除了附着于内部歧管144的内壁上表面的生成水以外，也能够将附着于内部歧管144的内壁底面的生成水引入锐角区域。
由此，能够在抑制流入到内部歧管144内的生成水的倒流的同时，使被引入到锐角区域的生成水沿着内侧侧面150H向层叠方向顺畅地移动。
另外，延伸设置构件150是棒状构件，减小了内部歧管144内的体积，因此，能够增大在内部歧管内流通的阳极废气的流速。
由此，能够使引入到锐角区域的生成水沿着内侧侧面150H向层叠方向更顺畅地移动。
另外，延伸设置构件150是棒状构件，以上侧侧面150E和下侧侧面150G分别与内部歧管144的内壁上表面和内壁底面抵接的方式将延伸设置构件150配置在了内部歧管144内。
由此，延伸设置构件150与第1实施方式那样具有大致コ字截面的筒状构件的情况下相比，进一步加强作为支承被层叠后的燃料电池100的支承构件的功能，能够更进一步防止发生燃料电池堆10如图7虚线所示的那样由于自重而弯曲的情况。
(第8实施方式)
接着，说明本发明的第8实施方式的延伸设置构件150。在第8实施方式中，在延伸设置构件150和内部歧管144之间设置有缓冲材料160方面与第7实施方式不同。
图15是第8实施方式的延伸设置构件150和缓冲材料160的纵剖视图。
如图15所示，缓冲材料160是具有大致コ字截面的筒状构件，由包含硅橡胶在内的合成橡胶等弹性体形成。
缓冲材料160以其内周面与延伸设置构件150的上侧侧面150E、外侧侧面150F以及下侧侧面150G抵接的方式、还以其外周面与内部歧管的内壁上表面、内壁外侧面以及内壁底面抵接的方式配置于内部歧管144内。
在燃料电池系统1的运转中，燃料电池堆10的内部温度上升。构成内部歧管144的构件、构成延伸设置构件150的构件是彼此不同的构件，与构成内部歧管144的构件的热膨胀率相比，构成延伸设置构件150的构件的热膨胀率较大。因此，由于延伸设置构件150膨胀，载荷自延伸设置构件150被输入到内部歧管144，从而成为使燃料电池堆10的耐久性降低的主要因素。
因此，如本实施方式那样，在延伸设置构件150和内部歧管144之间设置缓冲材料160，能够减小从延伸设置构件150输入到内部歧管144的载荷，因此，能够使燃料电池堆10的耐久性提高。
另外，在本实施方式中，延伸设置构件150和缓冲材料160各自单独形成，但也可以一体形成。另外，缓冲材料160设置在延伸设置构件150的上侧侧面150E、外侧侧面150F以及下侧侧面150G的整个区域，但也可以只设置在其局部区域。
(第9实施方式)
接着，说明本发明的第9实施方式的延伸设置构件150。在第9实施方式中，在延伸设置构件150和内部歧管144之间设置滑动构件170方面与第7实施方式不同。
图16是第9实施方式的延伸设置构件150和滑动构件170的纵剖视图。
如图16所示，滑动构件170是具有大致コ字截面的筒状构件，由包含聚酰亚胺在内的树脂构件等形成，但只要是摩擦系数相对较低的低摩擦材料，就并不限于此。
滑动构件170以其内周面与延伸设置构件150的上侧侧面150E、外侧侧面150F以及下侧侧面150G抵接的方式、还以其外周面与内部歧管的内壁上表面、内壁外侧面以及内壁底面抵接方式配置于内部歧管144内。
这样一来，通过在延伸设置构件150的外周面设置滑动构件170，能够提高将延伸设置构件150穿通内部歧管150时的组装性。另外，能够抑制由组装时的延伸设置构件150与内部歧管144的内壁面的滑动导致的零件磨损，从而能够使燃料电池堆10的耐久性提高。
另外，在本实施方式中，延伸设置构件150和滑动构件170各自单独形成，但也可以一体形成。另外，滑动构件170设置在延伸设置构件150的上侧侧面150E、外侧侧面150F以及下侧侧面150G的整个区域，但也可以只设置在其局部区域。
(第10实施方式)
接着，说明本发明的第10实施方式的延伸设置构件150。在第10实施方式中，在延伸设置构件150的纵截面的截面积越向燃料电池堆10的阳极气体出口部去越小这一方面与第7实施方式不同。
以下，参照图17、图18A以及图18B，说明具有本实施方式的延伸设置构件150的燃料电池堆10。
图17是具有本实施方式的延伸设置构件150的燃料电池堆10的横剖示意图。图18A是表示燃料电池堆10的一端侧的延伸设置构件150的纵剖视图，图18B是表示燃料电池堆10的另一端侧的延伸设置构件150的纵剖视图。
如图17所示，本实施方式的燃料电池堆10是阳极气体入口部和阳极气体出口部形成于燃料堆10的一端部侧的燃料电池堆。在这样的燃料电池堆10的情况下，对于在内部歧管144流动的阳极废气的流速，在燃料电池堆10的一端侧(形成有阳极气体出口部的一侧)比燃料电池堆10的另一端侧快。
因此，在本实施方式中，如图18A和图18B所示，以延伸设置构件150的纵截面的截面积越向燃料电池堆10的阳极气体出口部去越小的方式形成延伸设置构件150。换言之，本实施方式的延伸设置构件150以在内部歧管144内供阳极废气流动的空间越向燃料电池堆10的阳极气体出口部去越大的方式形成。
由此，能够使在内部歧管144内流动的阳极废气的流速均匀，因此，能够在实现配流到各燃料电池100的阳极气体的流量均匀化的同时，使排水性提高。
另外，在阳极气体出口部形成于燃料电池堆10的两端部的情况下，如图19所示，只要是位于燃料电池堆10的层叠方向中央部的延伸设置构件150的纵截面的截面积最大即可。
(第11实施方式)
接着，说明本发明的第11实施方式的延伸设置构件150。在第11实施方式中，在延伸设置构件150的端部设置用于防止延伸设置构件150在与延伸设置构件150的层叠方向正交的方向上的偏移的突起部150H方面与第7实施方式不同。
以下，参照图20和图21，说明具有本实施方式的燃料电池堆10的延伸设置构件150。
图20是燃料电池堆10的示意横剖视图。图21是沿着图20的XX-XX线的延伸设置构件150的横剖视图。
如图20所示，燃料电池堆10在层叠方向两端部具有用于夹持层叠后的燃料电池的板件13。另外，在上述各实施方式中也存在板件13，但省略了图示。
该板件13形成有与内部歧管144和阳极气体出口部连通的连通孔131。而且，在本实施方式中，如图20所示，延伸设置构件150延伸到板件13的连通孔131为止，而且，如图20和图21所示，在延伸设置构件150上设置有在连通孔131的内部与连通孔131的内侧侧面抵接的突起部150H。
由此，能够抑制延伸设置构件150在与层叠方向正交的方向上偏移。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但上述实施方式只不过表示本发明的适用例的一部分，主旨并不是将本发明的保护范围限定于上述实施方式的具体的结构。
在自第1到第11实施方式中，在阳极气体排出用的内部歧管144内设置了延伸设置有构件150，但也可以按照相同的方法在阴极气体排出用的内部歧管146内设置延伸设置构件150。在将延伸设置构件150设置在了内部歧管144、146的情况下，不仅能够提高内部歧管144、146这两个歧管的生成水的排出性能，也能够提高燃料电池100的对位精度。
另外，在从第1到第11实施方式中，在阳极非循环型的燃料电池系统中应用了具有延伸设置构件150的燃料电池堆10，但并不限于此。在使阳极废气可在阳极气体供给通路22循环的阳极循环型的燃料电池系统中也应用具有延伸设置构件150的燃料电池堆10。
另外，在第7实施方式中，延伸设置构件150是一根棒状构件，但如图22所示，为了提高组装性，也可以分割成比燃料电池100的总枚数少的数量。
本申请基于2012年2月9日向日本专利局申请的特愿2012-26272号以及2012年8月6日向日本专利局申请的特愿2012-174187号主张优先权，并将该申请的所有内容作为参照编入本说明书。

Claims (17)

1.一种燃料电池堆，其具有通过层叠多个燃料电池而在层叠方向上延伸设置的、用于将在上述燃料电池中使用过的气体排出到外部的内部歧管，其特征在于，
该燃料电池堆具有：
延伸设置构件，其以与上述内部歧管的内壁面接触的状态在层叠方向上延伸设置。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，
上述延伸设置构件是设置于与来自上述燃料电池的气体向上述内部歧管内流入的一侧相反的一侧的棒状构件。
3.根据权利要求2所述的燃料电池堆，其中，
上述延伸设置构件具有与上述内部歧管的内壁底面所成的角是锐角的倾斜面。
4.根据权利要求2或3所述的燃料电池堆，其中，
上述延伸设置构件由亲水性比构成上述内部歧管的构件的亲水性高的亲水构件构成。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的燃料电池堆，其中，
上述延伸设置构件在与上述内部歧管的内壁面接触的部分具有缓冲材料。
6.根据权利要求2至4中任一项所述的燃料电池堆，其中，
上述延伸设置构件在与上述内部歧管的内壁面接触的部分具有低摩擦材料。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的燃料电池堆，其中，
上述延伸设置构件以上述延伸设置构件在上述内部歧管内所占的比例越靠近上述内部歧管的出口越小的方式构成。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的燃料电池堆，其中，
上述燃料电池堆具有板件，该板件设置于层叠后的上述燃料电池的层叠方向外侧，且具有与上述内部歧管连通的连通孔，
在上述延伸设置构件延伸设置到上述板件的连通孔为止的同时，在上述板件的连通孔内具有用于抑制上述延伸设置构件在与层叠方向正交的方向上偏移的偏移抑制部。
9.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，
上述延伸设置构件是具有使来自上述燃料电池的气体能够流入的流入部的筒状构件。
10.根据权利要求1或9所述的燃料电池堆，其中，
上述延伸设置构件由防水性比构成上述内部歧管的构件的防水性高的防水构件构成。
11.根据权利要求1或9所述的燃料电池堆，其中，
上述延伸设置构件由亲水性比构成上述内部歧管的构件的亲水性高的亲水构件构成。
12.根据权利要求1或9中所述的燃料电池堆，其中，
上述延伸设置构件的靠燃料电池中央的内侧部分由亲水性比构成上述内部歧管的构件的亲水性高的亲水构件构成、外侧部分由防水性比构成上述内部歧管的构件的防水性高的防水构件构成。
13.根据权利要求1或9所述的燃料电池堆，其中，
上述延伸设置构件的气体排出方向的上游部分由亲水性比构成上述内部歧管的构件的亲水性高的亲水构件构成、下游部分由防水性比构成上述内部歧管的构件的防水性高的防水构件构成。
14.根据权利要求1以及权利要求9至13中的任一项所述的燃料电池堆，其中，
为了防止生成水向上述燃料电池侧的倒流，上述延伸设置构件的内壁上表面形成为倾斜面。
15.根据权利要求1以及权利要求9至14中的任一项所述的燃料电池堆，其特征在于，
为了防止生成水向上述燃料电池侧的倒流，在上述延伸设置构件的内壁底面形成有向上方突出的突出部。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的燃料电池堆，其中，
上述延伸设置构件分别设置于用于将阳极气体向外部排出的内部歧管和用于将阴极气体向外部排出的内部歧管内。
17.一种具有权利要求1至权利要求16中任一项所述的燃料电池堆的燃料电池系统，其特征在于，该燃料电池系统具有：
控制阀，其用于控制向上述燃料电池堆供给的阳极气体的压力；
缓冲罐，其用于储存自上述燃料电池堆排出的阳极废气；以及
控制部，其通过周期性地开闭上述控制阀而使阳极气体的供给压力增减，从而执行阳极脉动运转。
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