CN115020773A - 燃料电池模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种燃料电池模块。燃料电池模块具有：层叠体，由层叠的多个燃料电池单体构成；至少一个虚设单体，在所述层叠体的层叠方向的端部与所述层叠体相接；反应气体供给路，构成为向各所述燃料电池单体和所述虚设单体供给作为燃料气体和氧化气体中的任一者的反应气体；反应气体排出路，连接于各所述燃料电池单体和所述虚设单体。各所述燃料电池单体和所述虚设单体在内部具有反应气体流路，该反应气体流路构成为使所述反应气体从所述反应气体供给路朝向所述反应气体排出路流动。所述虚设单体的所述反应气体流路的压力损失比各所述燃料电池单体的所述反应气体流路的压力损失小。
Description
技术领域
本说明书公开的技术涉及燃料电池模块。
背景技术
日本特开2018-107071公开的燃料电池模块具有燃料电池单体的层叠体和与层叠体的端部相接的虚设单体。在各燃料电池单体和虚设单体连接有反应气体供给路。从反应气体供给路向各燃料电池单体和虚设单体供给反应气体(例如，阳极气体)。反应气体在燃料电池单体的内部发生反应，由此进行发电。
发明内容
在日本特开2018-107071的燃料电池模块中，有时在反应气体供给路内产生液体。例如，在向燃料电池模块施加了加速度时，存在水从处于反应气体供给路的上游的装置流入反应气体供给路内的情况。而且，例如，在燃料电池模块长时间暴露于低温环境的情况下，有时在反应气体供给路内会产生结露水。当液体从反应气体供给路向燃料电池单体流入时，燃料电池单体的内部的反应气体流路被液体闭塞，通过燃料电池单体无法适当地进行发电。其结果是，燃料电池模块的发电效率下降。在本说明书中，提出一种液体难以从反应气体供给路向燃料电池单体流入的燃料电池模块。
本说明书的一方式的燃料电池模块具有：层叠体，由层叠的多个燃料电池单体构成；至少一个虚设单体，在所述层叠体的层叠方向的端部与所述层叠体相接；反应气体供给路，构成为向各所述燃料电池单体和所述虚设单体供给作为燃料气体和氧化气体中的任一者的反应气体；反应气体排出路，连接于各所述燃料电池单体和所述虚设单体。各所述燃料电池单体和所述虚设单体在内部具有反应气体流路，该反应气体流路构成为使所述反应气体从所述反应气体供给路朝向所述反应气体排出路流动。所述虚设单体的所述反应气体流路的压力损失比各所述燃料电池单体的所述反应气体流路的压力损失小。
在该燃料电池模块中，虚设单体的反应气体流路的压力损失比各燃料电池单体的反应气体流路的压力损失小。因此，从反应气体供给路向虚设单体的反应气体流路流入的反应气体的流量比从反应气体供给路向各燃料电池单体的反应气体流路流入的反应气体的流量多。如果在反应气体供给路内存在液体，则通过反应气体将液体向下游搬运。由于向虚设单体的反应气体流路流入的反应气体的流量比向各燃料电池单体的反应气体流路流入的反应气体的流量多，因此反应气体供给路内存在的液体的大部分向虚设单体的反应气体流路内流入。由此，能抑制液体向各燃料电池单体的反应气体流路流入的情况。这样，在该燃料电池模块中，液体难以流入燃料电池单体。
在上述燃料电池模块中，所述虚设单体可以具有第一隔板、第二隔板及夹在所述第一隔板与所述第二隔板之间且具有透气性的间隔件。所述间隔件可以构成所述虚设单体的所述反应气体流路的一部分。
根据该结构，能够减小虚设单体的反应气体流路的压力损失。
在上述燃料电池模块中，各所述燃料电池单体可以具有第三隔板、第四隔板及夹在所述第三隔板与所述第四隔板之间的膜电极接合体。所述膜电极接合体可以包括具有透气性的气体扩散层。所述气体扩散层可以构成各所述燃料电池单体的所述反应气体流路的一部分。所述间隔件的透气度可以比所述气体扩散层的透气度高。
根据该结构，能够减小虚设单体的反应气体流路的压力损失。
在上述燃料电池模块中，所述虚设单体的所述反应气体流路的截面积可以比各所述燃料电池单体的所述反应气体流路的截面积大。
在上述燃料电池模块中，所述间隔件的厚度可以比所述气体扩散层的厚度厚。
在上述燃料电池模块中，在所述第一隔板、所述第二隔板、所述第三隔板、所述第四隔板各自的表面可以设置槽。在所述虚设单体中，可以通过所述槽和所述间隔件构成所述反应气体流路。在各所述燃料电池单体中，可以通过所述槽和所述气体扩散层构成所述反应气体流路。所述虚设单体的所述槽的深度可以比各所述燃料电池单体的所述槽的深度深。
附图说明
下面将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，附图中相似的标号表示相似的元件，其中：
图1是燃料电池模块10的立体图。
图2是燃料电池模块10的简易剖视图。
图3是燃料电池单体12的分解立体图。
图4是隔板40的俯视图。
图5是隔板50的俯视图。
图6是图4、5的VI-VI线的位置处的燃料电池单体12的剖视图。
图7是图4、5的VII-VII线的位置处的燃料电池单体12的剖视图。
图8是与图7对应的位置处的虚设单体112的剖视图。
具体实施方式
图1所示的燃料电池模块10搭载于燃料电池机动车。燃料电池模块10具有多个燃料电池单体12和两个虚设单体112(即，虚设单体112a、112b)。各燃料电池单体12和各虚设单体112具有板形形状。多个燃料电池单体12沿厚度方向层叠。在包含图1的各图中，将多个燃料电池单体12层叠的方向表示作为z方向，将与z方向正交的一方向表示作为x方向，将与x方向及z方向正交的方向表示作为y方向。虚设单体112配置在燃料电池单体12的层叠体13的两侧。虚设单体112a在z方向上的一方的端部处与层叠体13(即，该端部的燃料电池单体12)相接。虚设单体112b在z方向上的另一方的端部处与层叠体13(即，该端部的燃料电池单体12)相接。
如图1、2所示，在各燃料电池单体12和各虚设单体112设有贯通孔73a、74a。如图2所示，各贯通孔74a相互连通。在虚设单体112a的贯通孔74a连接有配管74b。通过各贯通孔74a和配管74b形成燃料气体供给路74。如图2所示，各贯通孔73a相互连通。在虚设单体112a的贯通孔73a连接有配管73b。通过各贯通孔73a和配管73b形成燃料气体排出路73。经由燃料气体供给路74向各燃料电池单体12和各虚设单体112供给燃料气体(在本实施方式中为氢(H2))。通过了各燃料电池单体12和各虚设单体112的燃料气体经由燃料气体排出路73向燃料电池模块10的外部排出。
如图1所示，在各燃料电池单体12和各虚设单体112设置有贯通孔71a、76a。虽然未图示，但是与各贯通孔74a同样，各贯通孔71a相互连通。虽然未图示，但是在虚设单体112a的贯通孔71a连接有配管。通过各贯通孔71a和配管形成氧化剂气体供给路71。虽然未图示，但是与各贯通孔74a同样，各贯通孔76a相互连通。虽然未图示，但是在虚设单体112a的贯通孔76a连接有配管。通过各贯通孔76a和配管形成氧化剂气体排出路76。经由氧化剂气体供给路71向各燃料电池单体12和各虚设单体112供给氧化剂气体(在本实施方式中为氧(O2))。通过了各燃料电池单体12和各虚设单体112的氧化剂气体经由氧化剂气体排出路76向燃料电池模块10的外部排出。
如图1所示，在各燃料电池单体12和各虚设单体112设置贯通孔72a、75a。虽然未图示，但是与各贯通孔74a同样，各贯通孔75a相互连通。虽然未图示，但是在虚设单体112a的贯通孔75a连接配管。通过各贯通孔75a和配管形成有冷却介质供给路75。虽然未图示，但是与各贯通孔74a同样，各贯通孔72a相互连通。虽然未图示，但是在虚设单体112a的贯通孔72a连接有配管。通过各贯通孔72a和配管形成冷却介质排出路72。经由冷却介质供给路75向各燃料电池单体12和各虚设单体112供给冷却介质。通过了各燃料电池单体12和各虚设单体112的冷却介质经由冷却介质排出路72向燃料电池模块10的外部排出。通过在燃料电池模块10内流动的冷却介质将各燃料电池单体12冷却。
图3是一个燃料电池单体12的分解立体图。如图3所示，燃料电池单体12具有膜/电极接合体(以下，称为MEA(membrane electrode assembly))20、树脂框架30、隔板40、隔板50。树脂框架30、隔板40及隔板50分别具有在x方向上长的长方形的板形形状。树脂框架30、隔板40及隔板50沿z方向层叠。以下，将树脂框架30的接近隔板40一侧的表面称为表面30a，将其相反侧的树脂框架30的表面称为表面30b。而且，以下，将隔板40的接近树脂框架30一侧的表面称为表面40b，将其相反侧的隔板40的表面称为表面40a。而且，以下，将隔板50的接近树脂框架30一侧的表面称为表面50a，将其相反侧的隔板50的表面称为表面50b。树脂框架30由绝缘性的树脂构成。在树脂框架30的中央设置沿z方向贯通树脂框架30的贯通孔36。MEA20配置在贯通孔36内。隔板40为金属制的板构件。隔板40的表面40b粘结于树脂框架30的表面30a。通过隔板40覆盖贯通孔36。隔板50是金属制的板构件。隔板50的表面50a粘结于树脂框架30的表面30b。通过隔板50覆盖贯通孔36。这样，树脂框架30夹持在隔板40与隔板50之间。在树脂框架30、隔板40及隔板50分别设置上述的贯通孔71a～76a。
如图4、6、7所示，隔板40的一部分折弯，由此在隔板40的表面40b设置槽44。槽44从贯通孔74a延伸至贯通孔73a。图4的范围60表示隔板40与MEA20相对的范围(在沿z方向观察时隔板40与MEA20重复的范围)。槽44在范围60内蛇行地延伸。如图6、7所示，隔板40的表面40b在槽44以外的部分与树脂框架30和MEA20相接。通过由槽44和树脂框架30及槽44和MEA20围成的空间，构成燃料气体流路77。如图4所示，燃料气体流路77的上游端连接于燃料气体供给路74，燃料气体流路77的下游端连接于燃料气体排出路73。
如图5～7所示，隔板50的一部分折弯，由此在隔板50的表面50a设置槽54。槽54从贯通孔71a延伸至贯通孔76a。图5的范围62表示隔板50与MEA20相对的范围(在沿z方向观察时隔板50与MEA20重复的范围)。槽54在范围62内蛇行地延伸。如图6、7所示，隔板50的表面50a在槽54以外的部分与树脂框架30和MEA20相接。通过由槽54和树脂框架30及槽54和MEA20围成的空间，构成氧化剂气体流路78。氧化剂气体流路78的上游端连接于氧化剂气体供给路71，氧化剂气体流路78的下游端连接于氧化剂气体排出路76。
如图6、7所示，MEA20具有气体扩散层21(以下，称为GDL(gas diffusion layer))、阳极层22、电解质膜23、阴极层24及GDL25。电解质膜23由固体高分子材料构成。阳极层22和阴极层24由在电解质中扩散有包含铂等催化剂的导电性粒子的材料等构成。阳极层22将接近隔板40一侧的电解质膜23的表面覆盖。阴极层24将接近隔板50一侧的电解质膜23的表面覆盖。GDL21、25由导电性的多孔质材料(例如，碳布等)构成。GDL21将接近隔板40一侧的阳极层22的表面覆盖。GDL21与隔板40的表面40b相接。GDL25将接近隔板50一侧的阴极层24的表面覆盖。GDL25与隔板50的表面50a相接。
如图8所示，虚设单体112与燃料电池单体12同样，具有树脂框架30、隔板40及隔板50。虚设单体112的树脂框架30、隔板40及隔板50的结构与燃料电池单体12的树脂框架30、隔板40及隔板50的结构相等。而且，虚设单体112具有间隔件120。间隔件120配置在树脂框架30的贯通孔36内。即，将燃料电池单体12的MEA20置换为间隔件120的结构是虚设单体112。间隔件120由导电性的多孔质材料(例如，碳布等)构成。间隔件120的透气度比GDL21、25的透气度高。间隔件120与MEA20同样，在槽44以外的位置与隔板40的表面40b相接。通过由槽44和树脂框架30及槽44和间隔件120围成的空间，构成燃料气体流路77。间隔件120与MEA20同样，在槽54以外的位置与隔板50的表面50a相接。通过由槽54和树脂框架30及槽54和间隔件120围成的空间，构成氧化剂气体流路78。
在使各燃料电池单体12动作时，使燃料气体向燃料气体供给路74流动，使氧化剂气体向氧化剂气体供给路71流动。燃料气体供给路74(即，贯通孔74a)内的燃料气体如图7的箭头所示，向各燃料电池单体12的燃料气体流路77流入。燃料气体在各燃料电池单体12的燃料气体流路77内从上游端流动至下游端之后，向燃料气体排出路73(即，贯通孔73a)排出。而且，氧化剂气体供给路71(即，贯通孔71a)内的氧化剂气体向各燃料电池单体12的氧化剂气体流路78流入。氧化剂气体在各燃料电池单体12的氧化剂气体流路78内从上游端流动至下游端之后，向氧化剂气体排出路76(即，贯通孔76a)排出。这样，在各燃料电池单体12内，燃料气体向燃料气体流路77流动，并且氧化剂气体向氧化剂气体流路78流动。由此，向MEA20供给燃料气体和氧化剂气体，通过MEA20进行发电。其结果是，在燃料电池模块10的层叠方向的两端部之间产生电压。
另外，燃料气体和氧化剂气体也向各虚设单体112内流动。即，燃料气体供给路74(即，贯通孔74a)内的燃料气体如图8的箭头所示向各虚设单体112的燃料气体流路77流入。燃料气体在各虚设单体112的燃料气体流路77内从上游端流动至下游端之后，向燃料气体排出路73(即，贯通孔73a)排出。而且，氧化剂气体供给路71(即，贯通孔71a)内的氧化剂气体向各虚设单体112的氧化剂气体流路78流入。氧化剂气体在各虚设单体112的氧化剂气体流路78内从上游端流动至下游端之后，向氧化剂气体排出路76(即，贯通孔76a)排出。在虚设单体112内未配置MEA，因此在虚设单体112未进行发电。
GDL21具有透气性，因此在各燃料电池单体12的燃料气体流路77内流动的燃料气体的一部分在GDL21内流动。即，GDL21构成燃料气体流路77的一部分。而且，间隔件120具有透气性，因此在各虚设单体112的燃料气体流路77内流动的燃料气体的一部分在间隔件120内流动。即，间隔件120构成燃料气体流路77的一部分。如上所述，间隔件120的透气度比GDL21的透气度高。而且，从图7、8可知，间隔件120的厚度比GDL21的厚度厚。因此，各虚设单体112的燃料气体流路77的截面积(更详细而言，具有间隔件120的部分的燃料气体流路77的截面积)比各燃料电池单体12的燃料气体流路77的截面积(更详细而言，具有GDL21的部分的燃料气体流路77的截面积)宽。因此，燃料气体向各虚设单体112的燃料气体流路77流动时产生的压力损失比燃料气体向各燃料电池单体12的燃料气体流路77流动时产生的压力损失小。因此，从燃料气体供给路74向各虚设单体112的燃料气体流路77内流入的燃料气体的流量比从燃料气体供给路74向各燃料电池单体12的燃料气体流路77内流入的燃料气体的流量多。
虽然未图示，但是在燃料气体供给路74的上游设有气液分离装置。因此，通常时，水不会进入燃料气体供给路74内。然而，如果由于燃料电池机动车的急加速或急减速而向燃料电池模块10施加高的加速度，则有时水会从气液分离装置流入燃料气体供给路74内。而且，如果燃料电池机动车长时间暴露于低温环境，则有时在燃料气体供给路74内产生结露水。如果在燃料气体供给路74内存在水的状态下燃料气体向燃料气体供给路74内流动，则水被燃料气体向下游搬运。如果这样向下游搬运的水流入任一燃料电池单体12的燃料气体流路77，则该燃料气体流路77被水闭塞，无法在该燃料电池单体12适当地进行发电。然而，在本实施方式的燃料电池模块10中，如以下说明那样，能抑制燃料气体供给路74内的水流入燃料电池单体12内的情况。即，如上所述，各虚设单体112的燃料气体流路77的压力损失比各燃料电池单体12的燃料气体流路77的压力损失小。因此，各虚设单体112的燃料气体流路77内的燃料气体的流量比各燃料电池单体12的燃料气体流路77内的燃料气体的流量多。因此，燃料气体供给路74内的水的大部分向燃料气体的流量多的各虚设单体112的燃料气体流路77流入。其结果是，能抑制水向各燃料电池单体12的燃料气体流路77流入的情况。由此，能抑制各燃料电池单体12的燃料气体流路77被水闭塞的情况，能够在各燃料电池单体12适当地进行发电。
需要说明的是，在上述的实施方式中，通过间隔件120的透气度比GDL21的透气度大这一点、及间隔件120的厚度比GDL21的厚度厚这一点，虚设单体112的燃料气体流路77的压力损失比燃料电池单体12的燃料气体流路77的压力损失小。然而，也可以通过其他的结构使虚设单体112的燃料气体流路77的压力损失比燃料电池单体12的燃料气体流路77的压力损失小。例如，可以使虚设单体112的槽44的深度比燃料电池单体12的槽44的深度深而使虚设单体112的燃料气体流路77的截面积比燃料电池单体12的燃料气体流路77的截面积大。
另外，在上述的实施方式中，各虚设单体112的燃料气体流路77的压力损失比各燃料电池单体12的燃料气体流路77的压力损失小。然而，在其他的实施方式中，可以是各虚设单体112的氧化剂气体流路78的压力损失比各燃料电池单体12的氧化剂气体流路78的压力损失小。根据该结构，能够抑制水从氧化剂气体供给路71向各燃料电池单体12的氧化剂气体流路78流入的情况。而且，在其他的实施方式中，可以向燃料气体流路和氧化剂气体流路这两方适用本说明书公开的技术。
另外，在上述的实施方式中，在各虚设单体112内流动有燃料气体和氧化剂气体这两方，但是也可以在各虚设单体112内仅流动有燃料气体和氧化剂气体的任一方。
另外，在上述的实施方式中，在燃料电池单体12的层叠体13的两侧的端部配置了虚设单体112。然而，也可以仅在层叠体13的一方的端部配置虚设单体112。
下面说明上述的实施方式的结构要素的对应关系。实施方式的燃料气体是反应气体的一例。实施方式的燃料气体供给路74是反应气体供给路的一例。实施方式的燃料气体排出路73是反应气体排出路的一例。实施方式的燃料气体流路77是反应气体流路的一例。实施方式的虚设单体112的隔板40是第一隔板的一例。实施方式的虚设单体112的隔板50是第二隔板的一例。实施方式的燃料电池单体12的隔板40是第三隔板的一例。实施方式的燃料电池单体12的隔板50是第四隔板的一例。
以上，详细地说明了实施方式，但是这些只不过是例示，没有对权利要求书进行限定。权利要求书记载的技术包括对以上例示的具体例进行了各种变形、变更的技术。本说明书或附图说明的技术要素是单独或通过各种组合而发挥技术有用性的要素，没有限定为申请时权利要求记载的组合。
Claims (6)
1.一种燃料电池模块，其特征在于，包括：
层叠体，由层叠的多个燃料电池单体构成；
至少一个虚设单体，在所述层叠体的层叠方向的端部与所述层叠体相接；
反应气体供给路，构成为向各所述燃料电池单体和所述虚设单体供给作为燃料气体和氧化气体中的任一者的反应气体；及
反应气体排出路，连接于各所述燃料电池单体和所述虚设单体，其中，
各所述燃料电池单体和所述虚设单体在内部具有反应气体流路，该反应气体流路构成为使所述反应气体从所述反应气体供给路朝向所述反应气体排出路流动，
所述虚设单体的所述反应气体流路的压力损失比各所述燃料电池单体的所述反应气体流路的压力损失小。
2.根据权利要求1所述的燃料电池模块，其特征在于，
所述虚设单体具有第一隔板、第二隔板及夹在所述第一隔板与所述第二隔板之间且具有透气性的间隔件，
所述间隔件构成所述虚设单体的所述反应气体流路的一部分。
3.根据权利要求2所述的燃料电池模块，其特征在于，
各所述燃料电池单体具有第三隔板、第四隔板及夹在所述第三隔板与所述第四隔板之间的膜电极接合体，
所述膜电极接合体包括具有透气性的气体扩散层，所述气体扩散层构成各所述燃料电池单体的所述反应气体流路的一部分，
所述间隔件的透气度比所述气体扩散层的透气度高。
4.根据权利要求3所述的燃料电池模块，其特征在于，
所述虚设单体的所述反应气体流路的截面积比各所述燃料电池单体的所述反应气体流路的截面积大。
5.根据权利要求3或4所述的燃料电池模块，其特征在于，
所述间隔件的厚度比所述气体扩散层的厚度厚。
6.根据权利要求3～5中任一项所述的燃料电池模块，其特征在于，
在所述第一隔板、所述第二隔板、所述第三隔板及所述第四隔板各自的表面设有槽，
在所述虚设单体中，通过所述槽和所述间隔件构成所述反应气体流路，
在各所述燃料电池单体中，通过所述槽和所述气体扩散层构成所述反应气体流路，
所述虚设单体的所述槽的深度比各所述燃料电池单体的所述槽的深度深。
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