CN105591145A - 燃料电池组 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够抑制单电池层叠体中的温度差而获得良好的发电效率的燃料电池组。燃料电池组(11)具备层叠多个单电池(20)而成的单电池层叠体(21)，从单电池层叠体(21)的阳极端部(21a)导入空气，单电池层叠体(21)通过在阴极端部(21b)侧具备两个末端单电池(24)而使得阴极端部(21b)的绝热性较高。

Description

燃料电池组
技术领域
本发明涉及一种构成燃料电池的燃料电池组。
背景技术
燃料电池组具备层叠多个单电池而成的单电池层叠体。对于单电池层叠体的各单电池，从单电池层叠体的一端侧供给氢气和空气，从而通过氢气与空气所含有的氧之间的电化学反应来进行发电(例如，参照专利文献1)。
专利文献1：日本特开2009-158349号公报
发明内容
发明所要解决的课题
然而，在远离向单电池层叠体导入包含氧气的空气的氧气入口侧的单电池中，与氧气入口侧的单电池相比，由于压力损失(以下为压损)而氧气量减少。另外，由于单电池层叠体的两端的单电池与中央部的单电池相比容易散热，因此容易冷却，从而发电时所生成的水容易残留于单电池。因此，尤其是在由于压损而氧气量减少的远离氧气入口侧的单电池中，存在如下担忧：由于在发电时生成的水而阻碍流路内的氧气的流动，从而导致氧气不足，发电效率下降。
本发明鉴于上述情况而作出，其目的在于提供一种能够抑制单电池层叠体的温度差而获得良好的发电效率的燃料电池组。
用于解决课题的方案
为了实现上述目的，本发明的燃料电池组具备层叠多个单电池而成的单电池层叠体，从上述单电池层叠体的一端侧的气体导入侧端部导入氧气，上述单电池层叠体的至少远离上述气体导入侧端部的端部的绝热性与靠近上述气体导入侧端部的上述气体导入侧端部侧相比相对较高。
根据该结构的燃料电池组，与靠近气体导入侧端部的气体导入侧端部侧相比相对提高远离气体导入侧端部的端部的绝热性，由此能够防止该端部侧的单电池的温度的相对降低，而能够防止气体对生成水的带走量比其他单电池少。其结果是，能够抑制残留于远离单电池层叠体的气体导入侧端部的端部的单电池的生成水的量。
由此，能够抑制生成水对氧气的流动的阻碍，能够抑制远离气体导入侧端部的一侧的单电池中的氧气不足。因此，能够抑制单电池层叠体中的氧气供给的不均，能够获得良好的发电效率。
在本发明的燃料电池组中，也可以是，上述单电池层叠体至少在远离上述气体导入侧端部的端部具备不发电的末端单电池，上述末端单电池的绝热性高于其他上述单电池。
根据该结构的燃料电池组，通过在单电池层叠体的远离气体导入侧端部的端部具备末端单电池，抑制了远离气体导入侧端部的端部的散热，其结果是绝热性变高。由此，能够抑制残留于单电池层叠体的远离气体导入侧端部的端部的单电池的生成水的量，能够抑制生成水对氧气的流动的阻碍，从而能够抑制远离气体导入侧端部的单电池中的氧气不足。
在本发明的燃料电池组中，也可以是，上述单电池层叠体在两端具备上述末端单电池，设于远离上述气体导入侧端部的端部的上述末端单电池的数量多于设于上述气体导入侧端部的上述末端单电池的数量。
根据该结构的燃料电池组，通过在单电池层叠体的气体导入侧端部及远离气体导入侧端部的端部具备末端单电池，而抑制了气体导入侧端部及远离气体导入侧端部的端部的散热，其结果是提高了绝热性。由此，能够抑制残留于单电池层叠体的气体导入侧端部及远离气体导入侧端部的端部的单电池的生成水的量，能够抑制生成水对氧气的流动的阻碍，从而能够抑制氧气不足。
并且，末端单电池的数量较多的远离气体导入侧端部的端部的绝热性高于气体导入侧端部。由此，尤其是能够抑制残留于远离单电池层叠体的气体导入侧端部的端部的单电池的生成水的量，能够抑制生成水对氧气的流动的阻碍，从而能够抑制氧气不足。然后，由于通过作为共用部分的末端单电池来实现以上的作用效果，因此与通过加热器、冷却系统元件等来实现的情况相比，能够抑制成本上升和大型化。
发明效果
根据本发明的燃料电池组，能够抑制单电池层叠体的温度差，从而能够获得良好的发电效率。
附图说明
图1是本实施方式的燃料电池的侧视图。
图2是构成本实施方式的燃料电池的燃料电池组的概略分解立体图。
图3是构成燃料电池组的单电池层叠体的单电池的剖视图。
图4是对没有末端单电池的单电池层叠体的含水量及单电池温度进行说明的曲线图。
图5是表示单电池层叠体的单电池温度的曲线图。
图6是表示末端单电池的数量和阴极端部与中央部之间的温度差的关系的图表。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的燃料电池组的实施方式进行说明。
图1是本实施方式的燃料电池的侧视图。图2是构成本实施方式的燃料电池的燃料电池组的概略分解立体图。图3是构成燃料电池组的单电池层叠体的单电池的剖视图。
如图1所示，本实施方式的燃料电池组11在两端具备端板12。端板12彼此被紧固杆(省略图示)紧固并相互连接。燃料电池组11在端板12彼此的紧固力的作用下从两端侧以预定的负载被加压。燃料电池组11构成例如搭载于车辆等移动体而使用的燃料电池。
如图2所示，燃料电池组11具有：单电池层叠体21、集电板22及防锈板23。单电池层叠体21通过层叠多个单电池20而构成，在其两端具备末端单电池24。单电池层叠体21将其一端侧设为气体导入侧端部，将另一端侧设为气体折回侧端部。
如图3所示，单电池20具有在电解质膜1的两侧设有由催化剂层2和扩散层3构成的电极4的膜电极接合体(MEA：MembraneElectrodeAssembly(膜电极组件))5。在膜电极接合体5的两面设有隔板6。隔板6例如是将不锈钢形成为板状的部件。单电池20是燃料电池11中的进行发电的单位模块，通过氢气与空气所含有的氧之间的电化学反应而进行发电。
集电板22例如由铝、不锈钢等导电性金属材料形成。在集电板22上设有未图示的输出端子，经由输出端子而取出由燃料电池组11发电的电力。将单电池层叠体21的气体导入端部侧的集电板22设为阳极侧的电极，将单电池层叠体21的气体折回侧端部侧的集电板22设为阴极侧的电极。即，单电池层叠体21将气体导入侧端部设为阳极(An)端部21a，将气体折回侧端部设为阴极(Ca)端部21b。防锈板23设于单电池层叠体21的阴极端部21b侧的集电板22与单电池层叠体21之间。
从作为气体导入侧端部的阳极端部2la向单电池层叠体21供给包含氧气的空气。从阳极端部21a供给的空气在作为气体折回侧端部的阴极端部21b折回而从阳极端部21a排出。由此，空气在各单电池20中通过。氢气与空气相同地，从单电池层叠体21的阳极端部2la被供给，在阴极端部21b折回而从阳极端部21a排出。由此，在单电池层叠体21的各单电池20中，通过氢气与空气所包含的氧之间的电化学反应而进行发电。
单电池层叠体21在作为其两端的阳极端部21a及阴极端部21b分别具备末端单电池24。在阳极端部2la具备一个末端单电池24，在阴极端部2lb具备两个末端单电池24。上述末端单电池24的结构相同，具有与单电池20类似的结构。例如，末端单电池24虽然不具备电解质膜，但是具有催化剂层与扩散层接合而成的接合体，在该接合体的两面设有与单电池20的隔板6相同的隔板。
末端单电池24是由以上的结构形成的不发电的单电池。
通过在单电池层叠体21的阳极端部21a及阴极端部21b具备末端单电池24，而向单电池层叠体21供给的氢气、空气及冷却水在末端单电池24内的流路中通过。此时，即使供给有空气和氢气，空气中的氧气和氢气也不会有助于发电，而是维持未消耗的状态在该末端单电池24中旁通。另一方面，冷却水的热容较大，当冷却水在末端单电池24内流动时，末端单电池24整体的热容也相对增大，因此与单电池20相比绝热性也相对升高。由此，能够抑制或切断了与末端单电池24相邻的单电池20向外部的散热。
如图4所示，通常在从单电池层叠体21的阳极端部21a分配气体的构造的燃料电池组中，在发电、放电过程中，单电池层叠体21的阴极端部21b受到散热的影响，单电池温度容易低于中央部、阳极端部21a，容易产生与中央部的温度差△T。其结果是，尤其是在低温环境中的怠速时等低负荷时，在阴极端部21b侧，在空气的流路内由发电生成的水的含水量增多，而空气的流动容易被阻碍。并且，在阴极端部21b，与阳极端部21a相比，空气的流量因压损而减少。因此，在单电池层叠体21中，有可能产生阴极端部21b的空气的分配不良。
与此相对，在本实施方式的燃料电池组11中，在远离作为气体导入侧端部的阳极端部21a的阴极端部21b侧具备两个末端单电池24，其结果是，能够提高单电池层叠体21的阴极端部21b的绝热性。由此，能够尽可能地缩小单电池层叠体21的阴极端部21b与中央部的温度差△T，能够抑制单电池层叠体21的阴极端部21b的生成水的量，能够抑制生成水对空气流动的阻碍，从而能够抑制阴极端部21b的氧气不足。
另外，在作为单电池层叠体21的气体导入侧端部的阳极端部21a，虽然不存在压损引起的空气流量下降，但是由于与阴极端部21b相同地容易散热，因此单电池温度容易低于中央部。因此，在本实施方式中，在阳极端部21a侧具备一个末端单电池24，其结果是，能够提高单电池层叠体21的阳极端部21a的绝热性，从而能够尽可能地缩小单电池层叠体21的阳极端部21a与中央部的温度差△T。由此，也能够抑制单电池层叠体21的阳极端部21a的生成水的量，能够抑制生成水对空气流动的阻碍，从而能够抑制阳极端部21a的氧气不足。
如本实施方式那样，在阳极端部21a侧具备一个末端单电池24，在阴极端部21b侧具备两个末端单电池24，由此能够如图5所示地使如不具备末端单电池24的情况那样两端下降的单电池温度(图5中由虚线所示的温度)成为抑制了两端下降的单电池温度(图5中由实线所示的温度)。
这样，根据本实施方式的燃料电池组11，通过在不使用特别的绝热部件等的情况下在单电池层叠体21的阳极端部21a及阴极端部21b具备末端单电池24，能够尽可能地抑制单电池层叠体21的单电池温度的温度差△T，从而能够整体良好地对单电池层叠体21供给氧气而高效地进行发电。并且，由于使用作为共用元件的末端单电池24，因此能够抑制因使用用于抑制单电池温度的温度差△T的加热器、冷却系统元件等而导致的成本上升和大型化。
在此，测定由于在单电池层叠体21的阴极端部21b侧具备的末端单电池24的数量而不同的阴极端部21b与中央部的温度差△T。另外，温度差△T的测定在冷却水温度60℃、电流值15A、外界气温-20℃下进行。
其结果是，如图6所示，具备一个末端单电池24的情况下温度差△T依然较大，但是通过具备两个末端单电池24，而能够大幅度地缩小温度差△T。理论上，消除温度差△T对于消除空气的分配不良是最适合的，但已知通过具备两个末端单电池24，而能够发挥几乎消除空气的分配不良的效果。另外，通过具备更多数量的(三个、五个、七个)末端单电池24，而能够缩小温度差△T，但是会导致单电池层叠体21的大型化。
由此可知，为了在抑制单电池层叠体21的大型化的同时充分地缩小温度差△T，具备两个末端单电池24为佳。
另外，在单电池层叠体21的阳极端部21a及阴极端部21b具备的末端单电池24的数量并不限定于上述实施方式，而根据阳极端部21a及阴极端部21b相对于单电池层叠体21的中央部的温度差△T的必要减少量来选择。例如，优选的是，根据单电池层叠体21的形状、材质、气体、冷却水的流路的位置、收容在壳体等的燃料电池组11的设置环境等而适当地变更在单电池层叠体21的阳极端部21a及阴极端部21b具备的末端单电池24的数量。
附图标记说明
11燃料电池组
20单电池
21单电池层叠体
21a阳极端部(气体导入侧端部)
21b阴极端部(远离气体导入侧端部的端部)
24末端单电池。

Claims (3)

1.一种燃料电池组，具备层叠多个单电池而成的单电池层叠体，从所述单电池层叠体的一端侧的气体导入侧端部导入氧气，
所述单电池层叠体的至少远离所述气体导入侧端部的端部的绝热性与靠近所述气体导入侧端部的所述气体导入侧端部侧相比相对较高。
2.根据权利要求1所述的燃料电池组，其中，
所述单电池层叠体至少在所述远离所述气体导入侧端部的端部具备不发电的末端单电池，所述末端单电池的绝热性高于其他所述单电池的绝热性。
3.根据权利要求1所述的燃料电池组，其中，
所述单电池层叠体在两端具备所述末端单电池，设于所述远离所述气体导入侧端部的端部的所述末端单电池的数量多于设于所述气体导入侧端部的所述末端单电池的数量。
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