CN107069067B - 燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池堆，其能够以简单的结构将在堆壳体内漏出的燃料气体可靠地向车辆外部排出，并且能够实现排水性的提高。燃料电池堆(10)具备层叠体(18as.)和堆壳体(20)。在堆壳体(20)的上部设有排气通道(82c)。层叠体(18as.)在从层叠方向观察时，在上部角部设有朝向下方倾斜的弯曲部(60a)。弯曲部(60a)的倾斜开始位置(KP)相对于在该弯曲部(60a)的上方配置的排气通道(82c)的开口部(82ch)，设定在堆壳体(20)的水平方向内侧。

Description

燃料电池堆
技术领域
本发明涉及一种燃料电池堆，其将多个发电单元层叠而成的层叠体收纳在堆壳体内，并且在所述堆壳体的上部设有排气通道。
背景技术
例如，固体高分子型燃料电池具备电解质膜-电极结构体(MEA)，该电解质膜-电极结构体在由高分子离子交换膜构成的电解质膜的一侧的面上配设有阳极电极，且在另一侧的面上配设有阴极电极。电解质膜-电极结构体通过由隔板夹持而构成发电单元(单位单元)。通常将规定个数的发电单元层叠，从而例如作为车载用燃料电池堆而搭载于燃料电池车辆。
在燃料电池车辆中，尤其是作为燃料气体的氢可能向搭载燃料电池堆的空间内漏出。因此，以将从燃料电池堆漏出的氢向外部效率良好地排出为目的，例如提出有专利文献1所公开的燃料电池机动车。
该燃料电池机动车在乘坐室的前方配置有搭载燃料电池的闭空间。而且，根据需要，在闭空间的上部设有第一开口部，并且在行驶时产生负压的位置设有第二开口部，将在所述闭空间内从燃料电池系统泄漏出的氢排出。
因此，在闭空间的上部设有开口部的情况下，尤其在车辆停止状态下，能够使在闭空间内从燃料电池系统漏出的氢可靠地向车外换气。另外，在负压的产生位置设有开口部的情况下，能够将在行驶时从燃料电池系统泄漏出的氢从闭空间排出。
在先技术文献
专利文献1：日本特开2004-040950号公报
发明要解决的课题
在上述的专利文献1中，在闭空间的上部设有开口部。因此，在车辆向前后倾斜时或向左右倾斜时，氢可能会残留于闭空间。因此，存在不能使漏出的氢可靠地向车外换气这样的问题。
发明内容
本发明用于解决这种问题，其目的在于提供一种燃料电池堆，其能够以简单的结构将在堆壳体内漏出的燃料气体可靠地向车辆外部排出，并且能够实现排水性的提高。
用于解决课题的方案
本发明的燃料电池堆具备将发电单元以发电面成为立位姿态的方式沿水平方向层叠多个而成的层叠体，该发电单元通过燃料气体与氧化剂气体的电化学反应进行发电。层叠体收纳在堆壳体内，并且在所述堆壳体的上部设有排气通道，该排气通道具有向该堆壳体内开口的开口部。
层叠体在从层叠方向观察时，在上部角部设有朝向下方倾斜的下方倾斜部。并且，下方倾斜部的倾斜开始位置相对于在该下方倾斜部的上方配置的排气通道的开口部，设定在堆壳体的水平方向内侧。
另外，在该燃料电池堆中，优选的是，在堆壳体的上部内表面上，朝向下方而设有位于开口部的铅垂下方与下方倾斜部的倾斜开始位置之间的突起部。
而且，在该燃料电池堆中，优选的是，在堆壳体内，在开口部的铅垂下方形成有曲柄部。
发明效果
根据本发明，在堆壳体的上部连接有排气通道，因此能够以简单的结构将在所述堆壳体内漏出的燃料气体可靠地向车辆外部排出。
并且，在层叠体的上部角部设置的下方倾斜部的倾斜开始位置相对于在该下方倾斜部的上方配置的排气通道的开口部，设定在堆壳体的水平方向内侧。因此，在排气通道内冷凝的水在从开口部向堆壳体内落下时与层叠体的下方倾斜部抵接，沿着所述下方倾斜部而向所述层叠体的外部顺畅地排出。由此，在层叠体上不会存积水，能够容易实现排水性的提高。
附图说明
图1是搭载有本发明的第一实施方式的燃料电池堆的燃料电池车辆的前方部分的简要立体说明图。
图2是所述燃料电池车辆的简要俯视说明图。
图3是所述燃料电池堆的分解立体说明图。
图4是构成所述燃料电池堆的发电单元的主要部分分解立体图。
图5是所述燃料电池堆的图1中的V-V线剖视图。
图6是本发明的第二实施方式的燃料电池堆的剖视说明图。
符号说明：
10、100…燃料电池堆 12…燃料电池车辆
12a…车辆主体 18…发电单元
18as.…层叠体 20…堆壳体
26A、26b…端板 32…电解质膜-电极结构体
34、36…隔板 38a…氧化剂气体入口连通孔
38b…氧化剂气体出口连通孔 40a…冷却介质入口连通孔
40b…冷却介质出口连通孔 42a…燃料气体入口连通孔
42b…燃料气体出口连通孔 44…氧化剂气体流路
46…燃料气体流路 48…冷却介质流路
54…固体高分子电解质膜 56…阴极电极
58…阳极电极
60a、60b、60c、60d…弯曲部
66…前方侧板 68…后方侧板
70…上板 72…下板
80a～80d、82ch…开口部 82a～82d…排气通道
84L…左侧排气通道 84R…右侧排气通道
86L、86Lr…左侧挡泥板部 86R、86Rr…右侧挡泥板部
88L…左侧排气构件 88R…右侧排气构件
92L…左侧排气口 92R…右侧排气口
98…突起部
具体实施方式
如图1及图2所示，本发明的第一实施方式的燃料电池堆10例如搭载于燃料电池电动机动车等燃料电池车辆12。燃料电池车辆12具有车辆主体12a，该车辆主体12a具备前轮11F及后轮11R(参照图2)。在车辆主体12a的前轮11F侧，搭载燃料电池堆10的前箱(电动机室)14形成在前围板16的前方。
如图3所示，燃料电池堆10具备将多个发电单元18层叠而成的层叠体18as.，所述层叠体18as.收纳于堆壳体20。多个发电单元18以使发电面成为立位姿态的方式沿水平方向即车辆宽度方向(箭头B方向)层叠。在发电单元18的层叠方向一端，朝向外侧而依次配设有第一接线板22a、第一绝缘板24a及第一端板26a。
在发电单元18的层叠方向另一端，朝向外侧而依次配设有第二接线板22b、第二绝缘板24b及第二端板26b。在燃料电池堆10的车辆宽度方向两端配置有第一端板26a和第二端板26b。
第一端板26a及第二端板26b设定为比发电单元18、第一绝缘板24a及第二绝缘板24b的外形尺寸大的外形尺寸。也可以将第一接线板22a收容于第一绝缘板24a的内部的凹部，另一方面，将第二接线板22b收容于第二绝缘板24b的内部的凹部。
与第一接线板22a连接的第一电力输出端子28a从横长形状的第一端板26a的中央部(或从中央部偏心的位置)朝向外侧延伸。与第二接线板22b连接的第二电力输出端子28b从横长形状的第二端板26b的中央部(或从中央部偏心的位置)朝向外侧延伸。
第一端板26a和第二端板26b的各角部由沿层叠方向延伸的横拉杆30固定，从而沿所述层叠方向施加紧固载荷。需要说明的是，也可以取代横拉杆30，而使用将第一端板26a和第二端板26b的各边的中央部彼此连结的长方形形状的连结杆。
如图4所示，发电单元18中，电解质膜-电极结构体32由第一隔板34及第二隔板36夹持。第一隔板34及第二隔板36由金属制隔板或碳制隔板构成。
在发电单元18的箭头A方向的一端缘部，在箭头C方向(铅垂方向)上排列而设有分别沿层叠方向(箭头B方向)独立地连通的氧化剂气体入口连通孔38a、冷却介质入口连通孔40a及燃料气体出口连通孔42b。氧化剂气体入口连通孔38a供给氧化剂气体、例如含氧气体。冷却介质入口连通孔40a供给冷却介质，另一方面，燃料气体出口连通孔42b排出燃料气体、例如含氢气体。
在发电单元18的箭头A方向的另一端缘部，在箭头C方向上排列而设有分别沿箭头B方向独立地连通的燃料气体入口连通孔42a、冷却介质出口连通孔40b及氧化剂气体出口连通孔38b。燃料气体入口连通孔42a供给燃料气体，冷却介质出口连通孔40b排出冷却介质，氧化剂气体出口连通孔38b排出氧化剂气体。
在第一隔板34的朝向电解质膜-电极结构体32的面设有与氧化剂气体入口连通孔38a和氧化剂气体出口连通孔38b连通的氧化剂气体流路44。在第二隔板36的朝向电解质膜-电极结构体32的面设有与燃料气体入口连通孔42a和燃料气体出口连通孔42b连通的燃料气体流路46。
在彼此相邻而构成燃料电池18的第一隔板34与第二隔板36之间设有将冷却介质入口连通孔40a和冷却介质出口连通孔40b连通的冷却介质流路48。在第一隔板34和第二隔板36上分别一体或独立地设有密封构件50、52。
电解质膜-电极结构体32例如具备含有水分的全氟磺酸的薄膜即固体高分子电解质膜(阳离子交换膜)54、和夹持所述固体高分子电解质膜54的阴极电极56及阳极电极58。阴极电极56及阳极电极58具有由碳纸等构成的气体扩散层、和将表面担载有铂合金的多孔质碳粒子均匀地涂敷于所述气体扩散层的表面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54的两面。
在各发电单元18的四角形成有具有圆角状的弯曲面的弯曲部60a、60b、60c及60d。弯曲部60a设置于与燃料气体入口连通孔42a接近的角部，另一方面，弯曲部60b设置于与氧化剂气体入口连通孔38a接近的角部。弯曲部60c设置于与燃料气体出口连通孔42b接近的角部，另一方面，弯曲部60d设置于与氧化剂气体出口连通孔38b接近的角部。
如图3所示，在第一端板26a的一方的对角位置，设有与氧化剂气体入口连通孔38a连通的氧化剂气体供给歧管61a和与氧化剂气体出口连通孔38b连通的氧化剂气体排出歧管61b。在第一端板26a的另一方的对角位置，设有与燃料气体入口连通孔42a连通的燃料气体供给歧管62a和与燃料气体出口连通孔42b连通的燃料气体排出歧管62b。
如图2所示，在第二端板26b上设有与冷却介质入口连通孔40a连通的冷却介质供给歧管64a和与冷却介质出口连通孔40b连通的冷却介质排出歧管64b。
如图3所示，燃料电池堆10具备收纳层叠体18as.的俯视矩形形状、例如俯视长方形形状的堆壳体20。堆壳体20具备前方侧板66、后方侧板68、上板70、下板72、第一端板26a及第二端板26b。构成堆壳体20的各部件彼此进一步通过穿过孔部74而与螺纹孔76螺合的螺钉78，相对于第一端板26a及第二端板26b固定。
在上板70上，在一方的对角位置形成有使堆壳体20内与外部连通的开口部80a、80b，在另一方的对角位置形成有使所述堆壳体20内与外部连通的开口部80c、80d。开口部80a、80c设置在堆壳体20的前方侧(箭头Af方向)两侧部，配置在燃料气体入口连通孔42a的铅垂方向上方。开口部80b、80d设置在堆壳体20的后方侧(箭头Ab方向)两侧部，但也可以设置在例如第一端板26a和第二端板26b上。
在开口部80a～80d上连接有排气通道82a～82d的一端部。如图1及图2所示，排气通道82a的另一端部和排气通道82d的另一端部合流而与右侧排气通道84R的一端连接。排气通道82b的另一端部和排气通道82c的另一端部合流而与左侧排气通道84L的一端连接。
如图2所示，右侧排气通道84R及左侧排气通道84L配置成，在车辆俯视观察下，朝向车辆前后方向的后方(箭头Ab方向)而向车宽方向外侧(箭头BR方向及箭头BL方向)倾斜。右侧排气通道84R向构成燃料电池车辆12的车辆主体12a的右侧挡泥板部86R开口，另一方面，左侧排气通道84L向所述车辆主体12a的左侧挡泥板部86L开口。右侧排气通道84R及左侧排气通道84L可以在中途连接具有弹性的软管。另外，右侧排气通道84R及左侧排气通道84L也可以在水平方向上形成为扁平形状。
如图1及图2所示，在左侧挡泥板部86L和右侧挡泥板部86R上分别设有位于前轮11F的上方且后方的左侧排气构件88L和右侧排气构件88R。左侧排气构件88L和右侧排气构件88R分别在内部设有空间，并且在表面设有网眼构件90L和网眼构件90R。由网眼构件90L、90R形成左侧排气口92L和右侧排气口92R。需要说明的是，左侧排气构件88L和右侧排气构件88R也可以是在借助网眼构件90L和网眼构件90R使外部气体流通的板上设有多个孔的构件。
在下板72上，在车辆前后方向前方(箭头Af方向)形成有吸气口94a、94b。在吸气口94a、94b上连接有吸气通道96a、96b的一端，并且所述吸气通道96a、96b的另一端向铅垂下方延伸。
如图5所示，在层叠体18as.上，在从层叠方向(箭头B方向)观察时，在上部角部设有朝向下方倾斜的下方倾斜部即弯曲部60a。在弯曲部60a的上方配置的排气通道82c具有向堆壳体20内开口的开口部82ch。
需要说明的是，在弯曲部60a的上方配置有排气通道82a、82c。以下，仅对排气通道82c进行详细地说明，省略排气通道82a的说明。另外，在弯曲部60b的上方配置有排气通道82b、82d。排气通道82b、82d与以下说明的排气通道82c同样地构成，省略其说明。
弯曲部60a的倾斜开始位置KP相对于在该弯曲部60a的上方配置的排气通道82c的开口部82ch，设定在该堆壳体20的水平方向内侧。具体而言，形成排气通道82c的开口部82ch的内侧(层叠体18as.侧)的内壁面从倾斜开始位置KP向外侧(前方侧板66侧)分离距离S。需要说明的是，朝向下方倾斜的下方倾斜部除了弯曲部60a以外，例如也可以是倒角部(C面)、多边形形状部。
在上板70(堆壳体20的上表面部)的内表面70s上，设有位于开口部82ch的铅垂下方与弯曲部60a的倾斜开始位置KP之间的突起部98。突起部98具有朝向下方的尖细形状，并且能够设定为圆锥形状、三棱锥形状。另外，突起部98也可以是在层叠方向上具有规定的长度的三棱柱等形状。
燃料电池堆10借助在第一端板26a及第二端板26b上设置的未图示的安装构件而固定于车架。
以下，通过与燃料电池车辆12的关联，对这样构成的燃料电池堆10的动作进行说明。
首先，在燃料电池车辆12的运转时，如图3所示，从第一端板26a的燃料气体供给歧管62a向燃料气体入口连通孔42a供给燃料气体。另一方面，从第一端板26a的氧化剂气体供给歧管61a向氧化剂气体入口连通孔38a供给氧化剂气体。
如图4所示，燃料气体从燃料气体入口连通孔42a向第二隔板36的燃料气体流路46导入。该氢气沿着箭头A方向流通，由此向构成电解质膜-电极结构体32的阳极电极58供给。
氧化剂气体从氧化剂气体入口连通孔38a向第一隔板34的氧化剂气体流路44导入。氧化剂气体沿着箭头A方向(与燃料气体相反的方向)流通，由此向构成电解质膜-电极结构体32的阴极电极56供给。
因此，在电解质膜-电极结构体32中，向阳极电极58供给的氢气与向阴极电极56供给的空气在电极催化剂层内通过电化学反应被消耗，从而进行发电。
如图3所示，燃料气体从燃料气体出口连通孔42b向第一端板26a的燃料气体排出歧管62b排出。氧化剂气体从氧化剂气体出口连通孔38b向第一端板26a的氧化剂气体排出歧管61b排出。
另外，如图2所示，冷却介质从第二端板26b的冷却介质供给歧管64a向冷却介质入口连通孔40a供给。如图4所示，冷却介质向第一隔板34与第二隔板36之间的冷却介质流路48导入。冷却介质在将电解质膜-电极结构体32冷却之后，在冷却介质出口连通孔40b中流通而向冷却介质排出歧管64b排出。
在该情况下，在第一实施方式中，如图1所示，在构成堆壳体20的上表面部的上板70上形成有开口部80a～80d。在开口部80a～80d上连接有排气通道82a～82d的一端。而且，排气通道82a及82d的另一端与右侧排气通道84R的一端连接，并且排气通道82b及82c的另一端与左侧排气通道84L的一端连接。
而且，右侧排气通道84R向构成燃料电池车辆12的车辆主体12a的右侧挡泥板部86R开口，另一方面，左侧排气通道84L向所述车辆主体12a的左侧挡泥板部86L开口。
因此，从燃料电池堆10漏出的燃料气体、例如氢由于比空气轻，因此在堆壳体20内上升，并从各开口部80a～80d向外部排出。因此，在堆壳体20内不会滞留燃料气体。由此，能够以简单的结构将在堆壳体20内漏出的燃料气体容易且可靠地向车辆外部排出。
并且，如图5所示，在层叠体18as.上设置的弯曲部60a的倾斜开始位置KP相对于在该弯曲部60a的上方配置的排气通道82c的开口部82ch，设定在该堆壳体20的水平方向内侧。具体而言，形成排气通道82c的开口部82ch的内侧(层叠体18as.侧)的内壁面从倾斜开始位置KP向外侧(前方侧板66侧)分离距离S。
例如，当燃料电池车辆12的运转停止而被冷却时，水蒸气容易在排气通道82c内冷凝而生成水W(水滴)。该水W从开口部82ch向堆壳体20内落下。
此时，在第一实施方式中，落下的水W与层叠体18as.的弯曲部(下方倾斜部)60a抵接，沿着所述弯曲部60a的形状而向所述层叠体18as.的外侧顺畅地排出。然后，水W通过吸气通道96a、96b向燃料电池车辆12的外部排出。因此，在层叠体18as.上不会存积水W，可以得到能够容易实现排水性的提高这样的效果。
而且，在上板70的内表面70s，设有位于开口部82ch的铅垂下方与弯曲部60a的倾斜开始位置KP之间的突起部98。因此，例如在燃料电池车辆12倾斜地停车时，即使水W从开口部82ch向层叠体18as.侧流动，所述水W也能够被突起部98阻止而向弯曲部60a落下。由此，能够尽可能地抑制水W在层叠体18as.上滞留的情况。
需要说明的是，如图2所示，收容燃料电池堆10的堆壳体20有时配置在车辆主体12a的后方。此时，能够在后轮11R的左侧挡泥板部86Lr及右侧挡泥板部86Rr上设置左侧排气构件88L及右侧排气构件88R。
另外，在堆壳体20上设有开口部80a～80d且在所述开口部80a～80d上连接有排气通道82a～82d，但并不限定于此。例如，也可以仅设置开口部80a、80b，在所述开口部80a、80b上连接排气通道82a、82b。
并且，第一端板26a及第二端板26b用作堆壳体20的构成构件，但并不限定于此，也可以在独立的长方体的壳体中收容燃料电池堆10。
图6是本发明的第二实施方式的燃料电池堆100的剖视说明图。需要说明的是，对与第一实施方式的燃料电池堆10相同的构成要素，标注相同的符号并省略其详细的说明。
燃料电池堆100具备将多个发电单元18层叠而成的层叠体18as.，所述层叠体18as.收纳于堆壳体102。在构成堆壳体102的上板70上形成有位于前方侧板66的上方的开口部80a、80c，并且在所述开口部80a、80c上连接有排气通道82a、82c。
在上板70上，在开口部80a、80c的铅垂下方形成有向水平方向突出的壁部104。壁部104配置在开口部80a、80c的下方，由此在堆壳体102内，在所述开口部80a、80c的铅垂下方形成有曲柄部106。曲柄部106具有在排气通道82a、82c内向铅垂下方向延伸后，折弯而沿水平方向延伸，进一步向铅垂下方向延伸的阶梯形状。在堆壳体102内，在吸气通道96a、96b侧也借助向水平方向突出的壁部108而形成有曲柄部110。
在这样构成的第二实施方式中，水W在从开口部82ch向堆壳体102内落下之前，与形成曲柄部106的壁部104抵接。因此，能够使水W向堆壳体102内导入时的水势衰减，从而能够进一步可靠地抑制所述水W附着于层叠体18as.而滞留的情况。
另外，在堆壳体102的下部侧也设有形成曲柄部110的壁部108。因此，能够抑制水W强力地向吸气通道96a、96b排出的情况。

Claims (3)

1.一种燃料电池堆，其具备将发电单元以发电面成为立位姿态的方式沿水平方向层叠多个而成的层叠体，该发电单元通过燃料气体与氧化剂气体的电化学反应进行发电，所述层叠体收纳在堆壳体内，并且在所述堆壳体的上部设有排气通道，该排气通道具有向该堆壳体内开口的开口部，所述燃料电池堆的特征在于，
所述层叠体在从层叠方向观察时，在上部角部设有朝向下方倾斜的下方倾斜部，
所述下方倾斜部的倾斜开始位置相对于在该下方倾斜部的上方配置的所述排气通道的所述开口部，设定在该堆壳体的水平方向内侧。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，
在所述堆壳体的上部内表面上，朝向下方而设有位于所述开口部的铅垂方向下方与所述下方倾斜部的倾斜开始位置之间的突起部。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池堆，其特征在于，
在所述堆壳体内，在所述开口部的铅垂方向下方形成有曲柄部，该曲柄部向铅垂方向下方延伸后，折弯而沿水平方向延伸，进一步向铅垂方向下方延伸。
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