CN110277567A - 燃料电池组 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池组，能够抑制因气泡引起的冷却性能的降低。燃料电池组(1)通过层叠多个具有发电部(2A)与一对隔板(23、23)的燃料电池单元(2)而成。制冷剂入口歧管(27e)与制冷剂出口歧管(27b)被配置为沿水平方向(Y)分离。燃料电池组(1)具备：多个发电部内制冷剂流路(26)，设置在与发电部(2A)对应的区域，将制冷剂入口歧管(27e)与制冷剂出口歧管(27b)连通；和发电部外制冷剂流路(29)，设置于比发电部(2A)靠重力方向上方的区域，将制冷剂入口歧管(27e)与制冷剂出口歧管(27b)连通。发电部内制冷剂流路(26)与发电部外制冷剂流路(29)连通。

Description

燃料电池组
技术领域
本发明涉及燃料电池组。
背景技术
以往，作为这样的领域的技术，例如存在下述专利文献1所记载的技术。在该专利文献1所记载的燃料电池组中，层叠有多个燃料电池单元，该燃料电池单元具有膜电极接合体和夹持该膜电极接合体的一对隔板，上述燃料电池组分别形成有使反应气体沿隔板的一个面流通的反应气体流路、和使制冷剂沿隔板的另一个面流通的制冷剂流路。
专利文献1：日本特开2009-16070号公报
然而，在上述燃料电池组中，当在制冷剂中混入有气泡的情况下，由于气泡流入制冷剂流路，所以存在导致冷却性能降低的可能性。
发明内容
本发明是为了解决这种技术课题而完成的，其目的在于，提供一种能够抑制因气泡引起的冷却性能降低的燃料电池组。
本发明所涉及的燃料电池组层叠有多个燃料电池单元，该燃料电池单元具有发电部和夹持该发电部的一对隔板，所述燃料电池组的特征在于，具备：制冷剂入口歧管以及制冷剂出口歧管，被配置为相互分离；多个发电部内制冷剂流路，设置在与上述发电部对应的区域，将上述制冷剂入口歧管与上述制冷剂出口歧管连通；以及发电部外制冷剂流路，设置于比上述发电部靠重力方向上方的区域，将上述制冷剂入口歧管与上述制冷剂出口歧管连通，上述发电部内制冷剂流路与上述发电部外制冷剂流路连通。
在本发明所涉及的燃料电池组中，由于发电部内制冷剂流路与发电部外制冷剂流路连通，所以当在发电部内制冷剂流路流动的制冷剂中混入有气泡的情况下，混入的气泡能够向位于重力方向上方的发电部外制冷剂流路移动。因此，由于混入至在发电部内制冷剂流路流动的制冷剂中的气泡减少，所以能够抑制因气泡引起的冷却性能的降低。
在本发明所涉及的燃料电池组中，优选上述制冷剂入口歧管与上述制冷剂出口歧管沿与重力方向正交的方向配置。
在本发明所涉及的燃料电池组中，优选在上述隔板交替配置有多个构成上述发电部内制冷剂流路的凹部与构成反应气体流路的凸部，邻接的上述发电部内制冷剂流路彼此、上述发电部外制冷剂流路与邻接的上述发电部内制冷剂流路分别通过设置于上述凸部且突出高度比该凸部低的收缩部而连通。这样一来，能够通过简单的构造将邻接的发电部内制冷剂流路彼此、发电部外制冷剂流路与邻接的发电部内制冷剂流路容易地连通。
在本发明所涉及的燃料电池组中，优选在重力方向上，上述发电部外制冷剂流路的截面积大于上述发电部内制冷剂流路的截面积。这样一来，通过加快在发电部外制冷剂流路流动的制冷剂的流速，能够将向该发电部外制冷剂流路汇集来的气泡迅速地向外部排出。因此，即便在气泡的量多的情况下，也能够防止气泡扩张至发电部内制冷剂流路，能够进一步抑制因气泡的存在导致的发电部的散热不充分。
根据本发明，能够抑制因气泡引起的冷却性能的降低。
附图说明
图1是表示实施方式所涉及的燃料电池组的侧视图。
图2是表示实施方式所涉及的燃料电池组的主视图。
图3是沿着图2的A-A线的局部剖视图。
图4是用于对收缩部(constricted portion)的构造进行说明的主视图。
图5是沿着图4的B-B线的局部剖视图。
附图标记说明：
1…燃料电池组；2…燃料电池单元；2A…发电部；21…MEGA；22…密封部；23…隔板；23a…凹部；23b…凸部；23c…收缩部；24…燃料气体流路；25…氧化剂气体流路；26…发电部内制冷剂流路；27a…燃料气体入口歧管；27b…制冷剂出口歧管；27c…氧化剂气体出口歧管；27d…氧化剂气体入口歧管；27e…制冷剂入口歧管；27f…燃料气体出口歧管；28…密封垫；29…发电部外制冷剂流路。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明所涉及的燃料电池组的实施方式进行说明。本发明所涉及的燃料电池组可以搭载于车辆、船舶、航空器、电车等而作为驱动源使用，也可以作为建筑物的发电设备而使用。
图1是表示实施方式所涉及的燃料电池组的侧视图，图2是表示实施方式所涉及的燃料电池组的主视图，图3是表示沿着图2的A-A线的局部剖视图。在各图中，将燃料电池单元的层叠方向设为层叠方向X，将重力方向设为重力方向Z，将与层叠方向X以及重力方向Z正交的水平方向设为水平方向Y。另外，在图2中，为了更容易了解燃料电池单元的内部构造，示出省略了端板、绝缘板以及集电板的结构。
如图1所示，本实施方式的燃料电池组1具有依次层叠有端板3A、绝缘板4A、集电板5A、多个燃料电池单元2、集电板5B、绝缘板4B以及端板3B的堆叠构造。多个燃料电池单元2被位于层叠方向X的两侧的端板3A、3B以规定的压缩载荷紧固固定。
燃料电池单元2是构成固体高分子电解质型燃料电池的单电池，形成为薄板状。该燃料电池单元2具备：MEGA(膜电极气体扩散层接合体Membrane Electrode&Gas DiffusionLayer Assembly)21，被配置于中央位置；框状的密封部22，以包围MEGA21的方式配置于该MEGA21的外周；以及一对隔板(即阳极隔板以及阴极隔板)23、23，夹持MEGA21以及密封部22。固体高分子电解质型燃料电池通过沿层叠方向X以在重力方向Z上立起的状态层叠多个具有这样的构造的燃料电池单元2而形成。
MEGA21从层叠方向X观察时呈矩形状，是将MEA(膜电极接合体MembraneElectrode Assembly)211与沿层叠方向X配置于MEA211的两侧的气体扩散层212、212一体化的结构。MEA211由电解质膜211a与以夹着电解质膜211a的方式接合的一对电极催化剂层211b、211b构成。电解质膜211a由通过固体高分子材料形成的质子传导性的离子交换膜构成。电极催化剂层211b例如由担载了铂等催化剂的例如多孔质的碳材料形成。配置于电解质膜211a的一侧的电极催化剂层211b成为阳极电极催化剂层，另一侧的电极催化剂层211b成为阴极电极催化剂层。气体扩散层212例如由碳纸或碳布等碳多孔质体、或者金属网或发泡金属等金属多孔质体等具有透气性的导电性部件形成。而且，在燃料电池单元2中，阳极电极催化剂层211b与阴极电极催化剂层211b对置的区域成为燃料电池单元2的发电部2A。
隔板23被配置为与MEGA21的气体扩散层212接触。隔板23例如由压缩碳粒子而成为不透气的致密质碳等碳制部件、冲压成型的不锈钢、钛钢等金属部件形成。
另外，本实施方式的燃料电池组1分别具备多个向燃料电池单元2供给燃料气体的燃料气体流路24、向燃料电池单元2供给氧化剂气体的氧化剂气体流路25、以及向燃料电池单元2供给制冷剂的发电部内制冷剂流路26。
具体如图3所示，隔板23中的与发电部2A对应的部分通过交替地重复凹部23a与凸部23b而形成为波形。凹部23a的底部呈平面状，与MEGA21的气体扩散层212面接触。另一方面，凸部23b的顶部也呈平面状，与邻接的隔板23中的凸部23b的顶部面接触。
一对气体扩散层212、212中的一个气体扩散层212和与之邻接的隔板23的凸部23b一同构成供燃料气体流通的燃料气体流路24。另一个气体扩散层212和与之邻接的隔板23的凸部23b一同构成供氧化剂气体流通的氧化剂气体流路25。其中，氧化剂气体与燃料气体相当于技术方案中记载的“反应气体”。燃料气体流路24与氧化剂气体流路25相当于技术方案中记载的“反应气体流路”，沿着水平方向Y成为直线状或平滑的曲线状。
另外，邻接的燃料电池单元2彼此以使一个燃料电池单元2的电极催化剂层(例如阳极电极催化剂层)211b和与之邻接的另一个燃料电池单元2的电极催化剂层(例如阴极电极催化剂层)211b面对的状态层叠。由此，在邻接的隔板23的凹部23a彼此之间形成空间，该空间成为供制冷剂流通的发电部内制冷剂流路26。发电部内制冷剂流路26设置在与发电部2A对应的区域并且沿水平方向Y延伸，将后述的制冷剂入口歧管27e与制冷剂出口歧管27b连通。其中，作为制冷剂，例如能够使用水、乙二醇等防冻液等。
如图2所示，在燃料电池单元2中，隔着发电部2A在一侧(在图2中为水平方向Y的右侧)，沿重力方向Z从上到下依次配置有燃料气体入口歧管27a、制冷剂出口歧管27b以及氧化剂气体出口歧管27c。另一方面，隔着发电部2A在另一侧(在图2中为水平方向Y的左侧)，沿重力方向Z从上到下依次配置有氧化剂气体入口歧管27d、制冷剂入口歧管27e以及燃料气体出口歧管27f。而且，制冷剂入口歧管27e与制冷剂出口歧管27b被配置为沿水平方向Y相互分离。
另一方面，密封部22具有配置于中间位置的芯层221和夹着该芯层221的一对隔板23、23(参照图3)。芯层221例如由热塑性树脂形成，通过未图示的树脂粘接层与隔板23固定。芯层221的下端部分经由粘接剂层222被固定于MEA211的上端部分。
夹持密封部22的隔板23、23是夹着MEGA21的隔板23、23中的延伸配置至密封部22为止的上端部分。如图3所示，在比发电部2A靠重力方向Z上方的区域，在邻接的燃料电池单元2彼此之间由一个燃料电池单元2的隔板23、另一个燃料电池单元2的隔板23以及后述的密封垫28形成空间，该空间成为发电部外制冷剂流路29。其中，这里的“发电部外”是指燃料电池单元2中除了发电部2A以外且包括密封部22的区域。
该发电部外制冷剂流路29沿水平方向Y延伸，将制冷剂入口歧管27e与制冷剂出口歧管27b连通。而且，发电部外制冷剂流路29中的制冷剂出口歧管27b侧的端部扩大形成为包围被配置于制冷剂出口歧管27b的上方的燃料气体入口歧管27a(参照图2)。
另外，燃料电池组1还具备配置于邻接的燃料电池单元2彼此之间的作为单元间密封部件的密封垫28。密封垫28由橡胶、热塑性弹性体等形成，被压入至邻接的两个燃料电池单元2的隔板23、23间，对邻接的隔板23、23彼此之间的空间进行密封。如图2所示，该密封垫28为了防止制冷剂向外部的漏出而以包围发电部2A以及各歧管27a～27f的方式形成为环状。另外，虽未图示，但为了防止反应气体的泄漏，燃料气体入口歧管27a、燃料气体出口歧管27f、氧化剂气体入口歧管27d、以及氧化剂气体出口歧管27c还分别被与密封垫28不同的密封垫围起。
在本实施方式中，邻接的发电部内制冷剂流路26彼此通过设置于隔板23的凸部23b且突出高度比该凸部23b低的收缩部23c分别连通。具体而言，例如如图4以及图5所示，在各凸部23b，沿水平方向Y设置有多个收缩部23c。而且，在层叠方向X上，收缩部23c相对于气体扩散层212的突出高度h2比凸部23b相对于气体扩散层212的突出高度h1低(参照图5)。这些收缩部23c沿水平方向Y按照规定的间隔配置。
通过这样设置收缩部23c，虽然使得在燃料气体流路24或氧化剂气体流路25流动的反应气体的流动被缩小，但邻接的发电部内制冷剂流路26彼此经由该收缩部23c在重力方向Z上容易连通。此外，收缩部23c可以设置于邻接的隔板23的凸部23b彼此的每一个，也可以设置于单个凸部23b。另外，收缩部23c的配置场所、配置间隔不特别限定，可以以不对反应气体的流动造成大的影响为前提适当地设定。
另外，发电部外制冷剂流路29与邻接的发电部内制冷剂流路26通过具有与上述的收缩部23c相同的构造的收缩部而连通。这里，省略其重复说明。
如上所述，发电部内制冷剂流路26以及发电部外制冷剂流路29分别将制冷剂入口歧管27e与制冷剂出口歧管27b连通。因此，如图2的箭头所示，从制冷剂入口歧管27e流动来的制冷剂经由在与发电部2A对应的区域设置的各发电部内制冷剂流路26流动至制冷剂出口歧管27b，从而对发电部2A进行冷却。另外，从制冷剂入口歧管27e流动来的制冷剂的一部分经由在比发电部2A靠重力方向Z上方的区域设置的发电部外制冷剂流路29流动至制冷剂出口歧管27b。
而且，当制冷剂在发电部内制冷剂流路26流动时，假设在制冷剂中混入了气泡的情况下，混入的气泡能够从重力方向Z的下方经由收缩部23c依次向上方移动至邻接的发电部内制冷剂流路26，进一步向位于重力方向Z的最上方的发电部外制冷剂流路29移动。因此，由于混入于在发电部内制冷剂流路26流动的制冷剂中的气泡减少，所以能够抑制因气泡引起的冷却性能降低。其结果是，能够防止因气泡的存在引起的发电部2A的散热不充分，可抑制因急剧的升温引起的电极催化剂层211b的劣化的产生。
另一方面，发电部外制冷剂流路29设置于比发电部2A靠重力方向Z上方的区域、换言之设置于发电部2A以外的区域，不是用于对发电部2A进行冷却的构造。因此，即便气泡向在该发电部外制冷剂流路29流动的制冷剂之中集中，也不会产生因气泡引起的冷却性能的降低。而且，集中到在该发电部外制冷剂流路29流动的制冷剂的气泡通过制冷剂的流动而被搬运至制冷剂出口歧管27b，向外部排出。
这里，优选在重力方向上发电部外制冷剂流路29的截面积大于各发电部内制冷剂流路26的截面积。这样一来，通过加快在发电部外制冷剂流路29流动的制冷剂的流速、使制冷剂猛烈流动，能够将向该发电部外制冷剂流路29集中而来的气泡迅速地向外部排出。因此，即便在气泡的量多的情况下，也能够防止气泡扩张至发电部内制冷剂流路26，能够进一步抑制因气泡的存在导致的发电部2A的散热不充分。
以上，对本发明的实施方式进行了详述，但本发明并不限定于上述实施方式，能够在不脱离技术方案所记载的本发明的精神范围内进行各种设计变更。

Claims (4)

1.一种燃料电池组，层叠有多个燃料电池单元，该燃料电池单元具有发电部和夹持该发电部的一对隔板，所述燃料电池组的特征在于，具备：
制冷剂入口歧管以及制冷剂出口歧管，被配置为相互分离；
多个发电部内制冷剂流路，设置在与所述发电部对应的区域，将所述制冷剂入口歧管与所述制冷剂出口歧管连通；以及
发电部外制冷剂流路，设置于比所述发电部靠重力方向上方的区域，将所述制冷剂入口歧管与所述制冷剂出口歧管连通，
所述发电部内制冷剂流路与所述发电部外制冷剂流路连通。
2.根据权利要求1所述的燃料电池组，其中，
所述制冷剂入口歧管与所述制冷剂出口歧管沿与重力方向正交的方向配置。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池组，其中，
构成所述发电部内制冷剂流路的凹部与构成反应气体流路的凸部在所述隔板交替地配置有多个，
邻接的所述发电部内制冷剂流路彼此、所述发电部外制冷剂流路与邻接的所述发电部内制冷剂流路分别通过设置于所述凸部且突出高度比该凸部低的收缩部而连通。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池组，其中，
在重力方向上，所述发电部外制冷剂流路的截面积大于所述发电部内制冷剂流路的截面积。
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