CN108258336B - 燃料电池堆和伪电池 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种燃料电池堆和一种伪电池。该燃料电池堆包括：彼此堆叠的多个发电电池；设置在多个发电电池的两端中的至少一端上的伪电池，该伪电池被配置成不生成电力；以及反应气体供应歧管，其延伸通过多个发电电池和伪电池。伪电池包括一个或更多个伪电池反应气体引入通道，作为将来自反应气体供应歧管的反应气体引入至伪电池的中心区域的反应气体引入通道。至少一个伪电池反应气体引入通道被设置成连接至在反应气体供应歧管的沿重力方向的下侧的底面。

Description

燃料电池堆和伪电池
技术领域
本发明涉及燃料电池堆和伪电池。
背景技术
例如，日本专利申请公布第2015-69737号(JP2015-069737A)描述了一种燃料电池堆。在该燃料电池堆中，多个发电电池彼此堆叠，并且在多个发电电池的沿堆叠方向的两侧分别设置有不生成电力的伪电池。
发明内容
当液态水流入至用于向燃料电池供应反应气体的供应歧管(manifold)时，液态水在供应歧管的沿重力方向的下侧流动。此时，由于液态水可以集中地进入伪电池之外的特定一个发电电池中，因此存在如下不便：在特定发电电池中不能供应反应气体并且不执行充分的发电。
本发明旨在解决以上描述的不便中的至少一部分，并且能够实现以下方面。
本发明的第一方面提供了一种燃料电池堆。该燃料电池堆包括：彼此堆叠的多个发电电池；设置在多个发电电池的两端中的至少一端上的伪电池，该伪电池被配置成不生成电力；以及反应气体供应歧管，其延伸通过多个发电电池和伪电池。伪电池包括一个或更多个伪电池反应气体引入通道，作为将来自反应气体供应歧管的反应气体引入至伪电池的中心区域的反应气体引入通道。至少一个伪电池反应气体引入通道被设置成连接至在反应气体供应歧管的沿重力方向的下侧的底面。当液态水进入反应气体供应歧管时，液态水沿着在反应气体供应歧管的沿重力方向的下侧的底面流动。根据这个方面，由于至少一个伪电池反应气体引入通道被设置成连接至在反应气体供应歧管的沿重力方向的下侧的底面，所以液态水容易移动至伪电池的中心区域，向与伪电池相邻的发电电池的发电区域的液态水的移动量减少，因此可以抑制液态水集中进入特定发电电池。
在上述方面中，每个发电电池可以包括一个或更多个发电电池反应气体引入通道，作为将来自反应气体供应歧管的反应气体引入至发电电池的发电区域的反应气体引入通道，并且在与伪电池相邻的一个或更多个发电电池中的每个中，发电电池反应气体引入通道可以不被设置成连接至在反应气体供应歧管的沿重力方向的下侧的底面，而是被设置成连接至沿重力方向在底面上方的侧面。根据这个方面，即使当液态水流向与伪电池相邻的一个或更多个发电电池时，由于发电电池反应气体引入通道不被设置成连接至反应气体供应歧管的底面而是被设置成连接至沿重力方向在底面上方的侧面，也可以抑制水进入发电电池的发电区域。
在上述方面中，伪电池可以包括第一树脂框架、第一阳极隔板和第一阴极隔板，第一树脂框架可以围绕伪电池的中心区域，第一阳极隔板和第一阴极隔板可以夹住第一树脂框架，每个发电电池可以包括第二树脂框架、第二阳极隔板和第二阴极隔板，第二树脂框架可以围绕发电电池的发电区域，并且第二阳极隔板和第二阴极隔板可以夹住第二树脂框架，第一阳极隔板和第一阴极隔板中的每个的形状可以与第二阳极隔板和第二阴极隔板中的每个的形状相同，并且伪电池反应气体引入通道可以通过第一树脂框架的槽来提供，而发电电池反应气体引入通道可以通过第二树脂框架的槽来提供。根据这个方面，由于伪电池仅在树脂框架方面与每个发电电池不同，所以第一阳极隔板和第一阴极隔板与第二阳极隔板和第二阴极隔板相同。
本发明的第二方面提供了一种伪电池。该伪电池设置在燃料电池堆的多个堆叠的发电电池的两端中的至少一端上，并且被配置成不生成电力。伪电池包括一个或更多个伪电池反应气体引入通道，其用作将来自反应气体供应歧管的反应气体引入至伪电池的中心区域的反应气体引入通道，反应气体供应歧管延伸通过多个发电电池和伪电池。至少一个伪电池反应气体引入通道被设置成连接至在反应气体供应歧管的沿重力方向的下侧的底面。
本发明可以各种形式实现，并且可以除了燃料电池堆或伪电池之外的例如燃料电池系统的各种形式实现。
附图说明
下面将参照附图描述本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中相同的附图标记指代相同的元件，并且在附图中：
图1是燃料电池堆的透视图；
图2是示意性示出每个发电电池的平面图；
图3是沿着图2中的线III-III截取的横截面图，即，沿着每个发电电池的发电电池阳极气体引入通道截取的横截面图；
图4是示意性示出每个伪电池的平面图；
图5是沿着图4中的线V-V截取的横截面图，即，沿着每个伪电池的伪电池阳极气体引入通道截取的横截面图；
图6是示意性示出根据第二实施方式的伪电池的平面图；
图7是示意性示出根据第三实施方式的伪电池的平面图；
图8是示意性示出根据第四实施方式的每个发电电池的平面图；以及
图9是沿着根据第一替选实施方式的每个伪电池的伪电池阳极气体引入通道截取的横截面图。
具体实施方式
第一实施方式
图1是燃料电池堆10的透视图。燃料电池堆10包括多个发电电池100、伪电池200、集电器300、集电器310、电绝缘板320、电绝缘板330以及端板320、端板350。多个发电电池100沿y方向彼此堆叠以形成堆叠。在第一实施方式中，水平方向表示为x方向和y方向，并且竖直方向表示为z方向。沿竖直方向的向下方向是重力方向。伪电池200分别布置在多个发电电池100的堆叠的沿y方向的两侧以便夹住多个发电电池100。伪电池200仅需要被设置在多个发电电池100的两端中的至少一端上。集电器300、集电器310分别布置在伪电池200的沿y方向的外侧以便夹住多个发电电池100和伪电池200。电绝缘板320、电绝缘板330分别布置在集电器300、集电器310的沿y方向的外侧以便夹住多个发电电池100、伪电池200以及集电器300、集电器310。端板340、端板350分别布置在电绝缘板320、电绝缘板330的沿y方向的外侧以便夹住多个发电电池100、伪电池200、集电器300、集电器310以及电绝缘板320、电绝缘板330。
燃料电池堆10包括阴极气体供应歧管410、阴极气体排放歧管415、阳极气体供应歧管420、阳极气体排放歧管425、制冷剂供应歧管430和制冷剂排放歧管435。阴极气体供应歧管410、阴极气体排放歧管415、阳极气体供应歧管420、阳极气体排放歧管425、制冷剂供应歧管430和制冷剂排放歧管435延伸通过多个发电电池100、伪电池200、集电器300、集电器310、电绝缘板320、电绝缘板330以及端板340、端板350。歧管中的用于供应反应气体的歧管(其也称为反应气体供应歧管；具体是，阴极气体供应歧管410和阳极气体供应歧管420)设置在沿重力方向比用于排放反应气体的歧管(其也称为反应气体排放歧管；具体是，阴极气体排放歧管415和阳极气体排放歧管425)更高的位置处。
图2是示意性示出每个发电电池100的平面图。每个发电电池100的中心区域150是发电区域。在中心区域150中设置有膜电极组件。每个发电电池100包括发电电池阴极气体引入通道110、发电电池阴极气体传递通道115、发电电池阳极气体引入通道120和发电电池阳极气体传递通道125。发电电池阴极气体引入通道110用于将来自阴极气体供应歧管410的阴极气体引入至中心区域150。发电电池阴极气体传递通道115用于将来自中心区域150的阴极气体传递至阴极气体排放歧管415。发电电池阳极气体引入通道120用于将来自阳极气体供应歧管420的阳极气体引入至中心区域150。发电电池阳极气体传递通道125用于将来自中心区域150的阳极气体传递至阳极气体排放歧管425。
发电电池阳极气体引入通道120包括沿着重力方向布置的多个发电电池阳极气体引入通道120a至120f。发电电池阴极气体引入通道110也具有类似的配置。发电电池阳极气体传递通道125和发电电池阴极气体传递通道115中的每个也具有类似的配置。
图3是沿着图2中的线III-III截取的横截面图，即，沿着每个发电电池100的发电电池阳极气体引入通道120a截取的横截面图。每个发电电池100包括树脂框架160、阳极隔板170和阴极隔板180。树脂框架160由例如树脂制成，并且保持膜电极组件154以便围绕膜电极组件154。膜电极组件154包括电解质151、阳极催化剂层152和阴极催化剂层153。电解质151由离子交换树脂膜构成。离子交换树脂膜在湿的状态下呈现出良好的质子传导性。更具体地，电解质151由具有作为离子交换基的磺酸基的氟树脂基离子交换树脂膜构成，也就是说，电解质151由全氟磺酸(Nafion)(商标)等构成。阳极催化剂层152和阴极催化剂层153中的每个具有支承催化剂(例如铂)的碳和具有例如磺酸基(-SO3H)的离聚物。在阳极催化剂层152上布置有阳极气体扩散层155。在阴极催化剂层153上布置有阴极气体扩散层156。阳极气体扩散层155和阴极气体扩散层156中的每个由例如碳纸或碳的非纺织物形成。除了碳纸或碳的非纺织物之外，阳极气体扩散层155和阴极气体扩散层156中的每个可以由金属网(expanded metal)或金属多孔材料形成。
阴极隔板180具有朝向相邻的发电电池100的阳极隔板170突出的突出部181。阳极隔板170在阳极隔板170面向突出部181的位置处具有接纳部171。当突出部181被接纳部171压靠时，在相邻的发电电池100之间建立密封。在突出部181与接纳部171之间布置有粘合剂或密封构件(未示出)。即使当相邻电池是伪电池200时，也建立具有类似配置的密封。
树脂框架160具有连接至阳极气体供应歧管420的槽161。槽161的在阳极气体供应歧管420对面的一侧连接至中心区域150中的膜电极组件154的阳极侧，以形成发电电池阳极气体引入通道120a。其他发电电池阳极气体引入通道120b至120f、发电电池阴极气体引入通道110、发电电池阴极气体传递通道115和发电电池阳极气体传递通道125也类似地由设置在树脂框架160中的槽161形成。
图4是示意性示出每个伪电池200的平面图。伪电池200与发电电池100的不同之处在于在中心区域250中没有设置膜电极组件154。伪电池200的其他配置类似于发电电池100的配置。每个伪电池200包括伪电池阴极气体引入通道210、伪电池阴极气体传递通道215、伪电池阳极气体引入通道220和伪电池阳极气体传递通道225。伪电池阴极气体引入通道210用于将来自阴极气体供应歧管410的阴极气体引入至中心区域250。伪电池阴极气体传递通道215用于将来自中心区域250的阴极气体传递至阴极气体排放歧管415。伪电池阳极气体引入通道220用于将来自阳极气体供应歧管420的阳极气体引入至中心区域250。伪电池阳极气体传递通道225用于将来自中心区域250的阳极气体传递至阳极气体排放歧管425。
伪电池阳极气体引入通道220包括沿着重力方向布置的多个伪电池阳极气体引入通道220a至220f。伪电池阳极气体引入通道220a至220f中的至少一个，即图4中的伪电池阳极气体引入通道220a，被设置成连接至在阳极气体供应歧管420的沿重力方向的下侧的底面420b。伪电池阴极气体引入通道210也具有类似的配置。伪电池阳极气体传递通道225也具有多个传递通道。这些传递通道中的至少一个被设置成连接至歧管415的沿重力方向的上面415u。伪电池阴极气体传递通道215也具有多个传递通道。这些传递通道中的至少一个被设置成连接至歧管425的沿重力方向的上面425u。
图5是沿着图4中的线V-V截取的横截面图，即，沿着每个伪电池200的伪电池阳极气体引入通道220a截取的横截面图。图5与图3的不同之处在于每个伪电池200在树脂框架260中不包括膜电极组件154并且也不包括阳极气体扩散层155和阴极气体扩散层156。其他配置是相同的。因此，每个伪电池200的阳极隔板270的形状与每个发电电池100的阳极隔板170的形状相同，并且每个伪电池200的阴极隔板280的形状与每个发电电池100的阴极隔板180的形状相同。通过将每个发电电池100的部件的附图标记加上100而获得的附图标记表示每个伪电池200的部件。集电器300布置在伪电池200的在发电电池100对面的一侧(图5中的上侧)；然而，在图5中未示出集电器300。
当液态水进入阳极气体供应歧管420时，液态水沿着在阳极气体供应歧管420的沿重力方向的下侧的底面420b(图4)流动。由于伪电池阳极气体引入通道220a被设置成连接至每个伪电池200的阳极气体供应歧管420的底面420b，因此液态水在重力下通过伪电池阳极气体引入通道220a流动至伪电池200的中心区域250。因此，可以减少向与伪电池200相邻的发电电池100的中心区域150的液态水的移动量。
根据第一实施方式，伪电池200设置在多个发电电池100的两端中的至少一端上。伪电池阳极气体引入通道220a至220f中的至少一个(伪电池阳极气体引入通道220a)被设置成连接至在阳极气体供应歧管420的沿重力方向的下侧的底面420b。结果是，液态水容易移动至伪电池200的中心区域250，向与伪电池200相邻的发电电池100的发电区域150的液态水的移动量减少，因此可以抑制液态水集中进入特定发电电池100。
第二实施方式
图6是示意性示出根据第二实施方式的伪电池201的平面图。第二实施方式与第一实施方式的不同之处在于，根据第二实施方式的伪电池201不包括图4中所示的根据第一实施方式的伪电池阳极气体引入通道220a至220f中的从沿重力方向的顶部起的三个伪电池阳极气体引入通道220d至220f。其他配置是相同的。
在第二实施方式中，由于伪电池201不包括伪电池阳极气体引入通道220a至220f中的从沿重力方向的顶部起的、其中阳极气体更容易移动的三个伪电池阳极气体引入通道220d至220f，因此阳极气体和液态水的移动路径仅通过伪电池阳极气体引入通道220a至220c。结果是，可以减少向伪电池201的中心区域250的阳极气体的移动量。已经移动至伪电池201的中心区域250的阳极气体对发电没有贡献。因此，在第二实施方式中，由于减少对发电没有贡献的阳极气体的量，因此可以减少阳极气体的浪费。
第三实施方式
图7是示意性示出根据第三实施方式的伪电池202的平面图。第三实施方式与第一实施方式的不同之处在于，伪电池202仅包括一个伪电池阳极气体引入通道220g作为阳极气体引入通道220，伪电池阳极气体引入通道220g被设置成连接至在阳极气体供应歧管420的沿重力方向的下侧的底面420b。在图7中所示的示例中，伪电池阳极气体引入通道220g是弯折的；然而，伪电池阳极气体引入通道220g可以如同图4中所示的第一实施方式中的伪电池阳极气体引入通道220a或图6中所示的第二实施方式中的伪电池阳极气体引入通道220a那样地形成为直的形状。
当液态水进入阳极气体供应歧管420时，液态水沿着在阳极气体供应歧管420的沿重力方向的下侧的底面420b流动。根据第三实施方式，当液态水进入阳极气体供应歧管420时，液态水关闭到达伪电池200的中心区域250的仅一个伪电池阳极气体引入通道220g的阳极气体供应歧管420侧入口。当阳极气体供应歧管420中的压力增加时，伪电池阳极气体引入通道220g的出口与入口之间的压力差增加，因此液态水容易移动至伪电池200的中心区域250。由于相较于第一实施方式或第二实施方式，液态水更容易移动至伪电池200的中心区域250，所以向与伪电池200相邻的发电电池100的发电区域150的液态水的移动量进一步减少，因此可以抑制液态水集中移动至特定发电电池100。由于进一步减小了伪电池阳极气体引入通道220的总通道横截面面积，所以阳极气体难以进入伪电池200的中心区域250，因此可以进一步减少阳极气体的浪费。
通过以伪电池阳极气体引入通道220为例描述了第一实施方式至第三实施方式。替代地，对于伪电池阴极气体引入通道210也可以采用类似的配置。
除了以上描述的第一实施方式至第三实施方式之外，对于伪电池阴极气体引入通道210也可以采用类似的配置。因此，总而言之，伪电池200设置在多个发电电池100的两端中的至少一端上。伪电池200包括一个或更多个伪电池反应气体引入通道(第一实施方式和第二实施方式中的多个伪电池反应气体引入通道，以及第三实施方式中的一个伪电池反应气体引入通道)，作为用于将来自反应气体供应歧管的反应气体引入至伪电池200的中心区域250的反应气体引入通道。至少一个伪电池反应气体引入通道被设置成连接至在反应气体供应歧管的沿重力方向的下侧的底面。结果是，液态水容易移动至伪电池200的中心区域250。因此，向发电电池100的中心区域150的液态水的移动量减少，因此可以抑制液态水集中进入特定发电电池100，特别是与伪电池200相邻的发电电池100的中心区域150。
第四实施方式
图8是示意性示出根据第四实施方式的每个发电电池101的平面图。第四实施方式与第一实施方式至第三实施方式不同之处在于发电电池阳极气体引入通道120。具体而言，第四实施方式与第一实施方式至第三实施方式的不同之处在于，没有设置图2中所示的发电电池阳极气体引入通道120a至120f中的、包括被设置成连接至阳极气体供应歧管420的底面420b的发电电池阳极气体引入通道120a的设置在沿重力方向的下侧的发电电池阳极气体引入通道120a、120b，并且发电电池阳极气体引入通道120c至120f被设置成连接至沿重力方向在阳极气体供应歧管420的底面420b的上方的侧面420s。其他配置是相同的。
在第四实施方式中，没有发电电池阳极气体引入通道被设置成连接至阳极气体供应歧管420的底面420b，并且发电电池阳极气体引入通道120c至120f被设置成连接至阳极气体供应歧管420的侧面420s。由于液态水沿着阳极气体供应歧管420的底面420b移动，所以液态水没有到达发电电池阳极气体引入通道120c至120f的入口，因此液态水难以移动至发电电池100的发电区域150。结果是，在第一实施方式中描述的向发电电池100的中心区域150的液态水的移动量进一步减少，因此可以抑制液态水集中移动至特定发电电池100。流经阳极气体供应歧管420的液态水的量朝向反应气体的下游侧减少。因此，与伪电池200相邻的一个或更多个发电电池100仅需要具有根据第四实施方式的配置。第四实施方式的配置也适于发电电池阴极气体引入通道110。
第一替选实施方式
图9是沿着根据第一替选实施方式的每个伪电池200的伪电池阳极气体引入通道220a截取的横截面图。第一替选实施方式与第一实施方式至第四实施方式的不同之处在于，在第一实施方式至第四实施方式中，伪电池阳极气体引入通道220由树脂框架260中设置的槽261形成，而在替选实施方式中，伪电池阳极气体引入通道由阳极隔板270中设置的阳极气体引入通道形成部分273形成。尽管在图中未示出，但是伪电池阴极气体引入通道210由阴极隔板280中设置的阴极气体引入通道形成部分形成。这同样适用于伪电池阴极气体传递通道215和伪电池阳极气体传递通道225。这同样适用于发电电池100。通过这种方式，反应气体引入通道和反应气体传递通道可以通过不使用树脂框架260的槽261或树脂框架160的槽161而使用隔板来形成。然而，如在第一实施方式到第四实施方式的情况下那样，当通过使用树脂框架260的槽261或树脂框架160的槽161形成反应气体引入通道和反应气体传递通道时，每个发电电池100的隔板170、隔板180以及伪电池200的隔板270、隔板280可以具有相同的配置，并且不需要单独准备。结果是，用于阳极隔板170的模具(die)和用于阳极隔板270的模具共享，并且用于阴极隔板180的模具和用于阴极隔板280的模具共享，因此有利于降低制造成本。
第二替选实施方式
在以上描述的第一实施方式至第四实施方式中，槽261被设置在树脂框架260中以形成反应气体引入通道和反应气体传递通道。树脂框架可以通过注射成型来模制，或者可以通过使用基底材料和接合至基底材料的每个面的粘合片来形成。
本发明不限于以上描述的实施方式或替选实施方式。在不脱离本发明的范围的情况下，可以各种形式实现本发明。例如，实施方式和替选实施方式中的与在发明内容中描述的方面中的技术特征对应的技术特征可以根据需要进行替换或组合，以解决以上描述的不便中的一部分或全部或者实现以上描述的有益效果中的一部分或全部。除非技术特征在说明书中被描述为不可或缺的技术特征，否则可以根据需要省略该技术特征。

Claims (6)

1.一种燃料电池堆，其特征在于，包括：
彼此堆叠的多个发电电池；
设置在所述多个发电电池的两端中的至少一端上的伪电池，所述伪电池被配置成不生成电力；以及
反应气体供应歧管，其延伸通过所述多个发电电池和所述伪电池，其中，
所述伪电池包括一个或更多个伪电池反应气体引入通道，作为将来自所述反应气体供应歧管的反应气体引入至所述伪电池的中心区域的反应气体引入通道，所述伪电池反应气体引入通道中的至少一个被设置成连接至在所述反应气体供应歧管的沿重力方向的下侧的底面，以及
所述伪电池反应气体引入通道中的至少一个被设置成连接至所述反应气体供应歧管的侧面。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，
被设置成连接至在所述反应气体供应歧管的沿重力方向的下侧的所述底面的伪电池反应气体引入通道的数目是一个。
3.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，
每个发电电池包括一个或更多个发电电池反应气体引入通道，作为将来自所述反应气体供应歧管的反应气体引入至所述发电电池的发电区域的反应气体引入通道，以及
在与所述伪电池相邻的一个或更多个发电电池中的每个中，所述发电电池反应气体引入通道不被设置成连接至在所述反应气体供应歧管的沿重力方向的下侧的所述底面，而是被设置成连接至沿重力方向在所述底面上方的所述侧面。
4.根据权利要求3所述的燃料电池堆，其特征在于，
所述伪电池包括第一树脂框架、第一阳极隔板和第一阴极隔板，所述第一树脂框架围绕所述伪电池的中心区域，并且所述第一阳极隔板和所述第一阴极隔板夹住所述第一树脂框架，
每个发电电池包括第二树脂框架、第二阳极隔板和第二阴极隔板，所述第二树脂框架围绕所述发电电池的发电区域，并且所述第二阳极隔板和所述第二阴极隔板夹住所述第二树脂框架，
所述第一阳极隔板和所述第一阴极隔板中的每个的形状与所述第二阳极隔板和所述第二阴极隔板中的每个的形状相同，以及
所述伪电池反应气体引入通道通过所述第一树脂框架的槽来提供，并且所述发电电池反应气体引入通道通过所述第二树脂框架的槽来提供。
5.根据权利要求3所述的燃料电池堆，其特征在于，
所述伪电池包括第一树脂框架、第一阳极隔板和第一阴极隔板，所述第一树脂框架围绕所述伪电池的中心区域，并且所述第一阳极隔板和所述第一阴极隔板夹住所述第一树脂框架，
每个发电电池包括第二树脂框架、第二阳极隔板和第二阴极隔板，所述第二树脂框架围绕所述发电电池的发电区域，并且所述第二阳极隔板和所述第二阴极隔板夹住所述第二树脂框架，以及
所述伪电池反应气体引入通道通过所述第一阳极隔板的阳极气体引入通道形成部分和所述第一阴极隔板的阴极气体引入通道形成部分来提供，以及
所述发电电池反应气体引入通道通过所述第二阳极隔板的阳极气体引入通道形成部分和所述第二阴极隔板的阴极气体引入通道形成部分来提供。
6.一种伪电池，其设置在燃料电池堆的多个堆叠的发电电池的两端中的至少一端上，所述伪电池被配置成不生成电力，所述伪电池的特征在于，包括：
一个或更多个伪电池反应气体引入通道，其用作将来自反应气体供应歧管的反应气体引入至所述伪电池的中心区域的反应气体引入通道，所述反应气体供应歧管延伸通过所述多个发电电池和所述伪电池，其中，
所述伪电池反应气体引入通道中的至少一个被设置成连接至在所述反应气体供应歧管的沿重力方向的下侧的底面，以及
所述伪电池反应气体引入通道中的至少一个被设置成连接至所述反应气体供应歧管的侧面。
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