CN117276590A - 燃料电池堆 - Google Patents
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Abstract
燃料电池堆包括在垂直方向上堆叠的发电电池和在垂直方向上延伸的排出通道限定构件。各发电电池均包括气孔。发电电池的气孔限定在垂直方向上延伸并且供气体流过的气体歧管。气体歧管的上壁面的一部分包括水收集部，该水收集部构造为从上壁面收集水。排出通道限定构件位于气体歧管的水收集部的下方并且限定排出通道，从水收集部落下的水从该排出通道排出。
Description
技术领域
本公开涉及一种燃料电池堆。
背景技术
日本特开2019-121562号公报公开了燃料电池堆的常规已知示例。这种燃料电池堆是通过水平堆叠矩形发电电池而形成的。各发电电池包括具有树脂框架的电解质膜电极组件、第一金属分隔件和第二金属分隔件。第一金属分隔件和第二金属分隔件将具有树脂框架的电解质膜电极组件夹在中间。电解质膜电极组件包括固体聚合物电解质膜、阳极电极和阴极电极。阳极电极和阴极电极将固体聚合物电解质膜夹在中间。
燃料电池堆包括水平延伸的气体歧管和在气体歧管下方水平延伸的排水管(通道)。气体歧管和排水管延伸穿过发电电池。气体歧管和排水管在水平方向上的一个端部处彼此连接。排水管使在燃料电池堆的操作期间产生的生成水被排出。
在燃料电池堆中，气体歧管和排水管水平延伸，在端部处彼此连接。此外，气体歧管位于排水管上方。因此，即使燃料电池堆被操作使得其温度变得较高，气体歧管中的气体中含有的大多数水蒸气也不会流入排水管。
当燃料电池堆的操作被停止使得其温度变得较低时，水蒸气在气体歧管中凝结。这在气体歧管中产生液态水。当在气体歧管中产生液态水时，液态水流入连接到气体歧管的管道等中。流入管道等中的液态水可能在例如寒冷气候区中被冻结。因此，布置在管道中的阀等可能发生故障。因此，期望通过水蒸气在气体歧管中的凝结产生的液态水能够被排出。
发明内容
提供本发明内容是为了以简化的形式介绍下文在具体实施方式中进一步说明的构思的选择。本发明内容不旨在识别所要求保护的主题的关键特征或本质特征，也不旨在用作辅助确定所要求保护的主题的范围。
解决上述问题的燃料电池堆包括发电电池，其构造为使用气体发电并且在垂直方向上堆叠；和排出通道限定构件，其在所述垂直方向上延伸并且具有环形的截面形状。各所述发电电池均包括：支撑框架，其支撑膜电极组件；和两个分隔件，其将所述支撑框架夹在中间。各所述发电电池均包括气孔。所述发电电池的所述气孔限定在所述垂直方向上延伸并且供所述气体流过的气体歧管。所述气体歧管的上壁面的一部分包括水收集部，所述水收集部构造为从所述上壁面收集水。所述排出通道限定构件位于所述气体歧管的所述水收集部的下方，并且所述排出通道限定构件限定排出通道，从所述水收集部落下的水从所述排出通道排出。
通过以下具体实施方式、附图和权利要求，其它特征和方面将变得明显。
附图说明
图1是根据实施方式的燃料电池堆的截面图。
图2是发电电池的分解立体图。
图3是伪电池的分解立体图。
图4是图1所示的燃料电池堆的主要部分的放大图。
图5是示出根据变型方案的燃料电池堆的主要部分的放大截面图。
图6是示出根据另一变型方案的燃料电池堆的主要部分的放大截面图。
图7是示出根据又一变型方案的燃料电池堆的主要部分的放大截面图。
在整个附图和具体实施方式中，相同的附图标记指代相同的要素。附图可能不是按比例绘制的，并且为了清楚、图示和方便，附图中要素的相对大小、比例和描绘可能被放大。
具体实施方式
本说明书提供了对所说明的方法、设备和/或系统的全面理解。所说明的方法、设备和/或系统的变型方案和等效方案对于本领域技术人员来说是明显的。操作顺序是示例性的并且可以改变为对于本领域技术人员而言是明显的那些，但操作必须以特定顺序发生的除外。可以省去对本领域技术人员而言公知的功能和构造的说明。
示例性实施方式可以具有不同的形式，并且不限于所说明的示例。然而，所说明的示例是全面且完整的，并且将本公开的全部范围传达给本领域技术人员。
在本说明书中，“A和B中的至少一者”应理解为是指“仅A、仅B或A和B两者”。
本说明书中使用的术语“环形”可以指代形成环状物或不具有端部的连续形状的任何结构。“环形”形状包括但不限于圆形、椭圆形和具有尖角或圆角的多边形。
将参照附图说明根据实施方式的燃料电池堆11。
燃料电池堆11
如图1所示，燃料电池堆11包括电池堆主体14。在电池堆主体14中，矩形发电电池(power generation cell)12和一个矩形伪电池13在它们的厚度方向上堆叠。各发电电池12均使用含有氢的燃气和含有氧的氧化剂气体来发电。伪电池13不发电。发电电池12和伪电池13在垂直方向(vertical direction)Z上堆叠。
伪电池13堆叠在位于堆叠的发电电池12的上端部的发电电池12上。也就是说，伪电池13位于电池堆主体14的上端部。在电池堆主体14的上端部和下端部分别布置了端板17。端板17堆叠在相应的绝缘板16上，绝缘板16堆叠在相应的端子板15上。
发电电池12
如图1和图2所示，各发电电池12均包括合成树脂支撑框架19和两个金属分隔件20，该支撑框架19支撑膜电极组件(MEA)18(矩形片材)。支撑框架19具有在支撑框架19的中间开口处支撑膜电极组件18的框架形状。两个分隔件20在垂直方向Z上将膜电极组件18和支撑框架19夹在中间。
当膜电极组件18的在垂直方向Z上的一个端部(阳极侧)处的一部分被供应有燃料气体，并且膜电极组件18的另一端部(阴极侧)处的一部分被供应有氧化剂气体时，各发电电池12通过膜电极组件18中的燃料气体和氧化剂气体的电化学反应发电。多个(在本示例中为六个)孔延伸穿过发电电池12在纵向上的相反两端部(即各支撑框架19和各分隔件20在纵向上的相反两端部)。
这六个孔是燃料气体供应孔21、燃料气体排出孔23、氧化剂气体供应孔24、氧化剂气体排出孔25、冷却介质供应孔26和冷却介质排出孔27。燃料气体供应孔21是气孔的示例。燃料气体供应孔21在发电电池12的纵向上比发电电池12的其它孔宽。发电电池12的燃料气体供应孔21限定了燃料气体供应通道28，该燃料气体供应通道28在垂直方向Z上延伸并且是气体歧管的示例。燃料气体供应通道28被供应有燃料气体，燃料气体是气体的示例。
发电电池12的燃料气体排出孔23限定了燃料气体排出通道30，该燃料气体排出通道30在垂直方向Z上延伸并且燃料气体从该燃料气体排出通道30排出。发电电池12的氧化剂气体供应孔24限定了氧化剂气体供应通道(未示出)，该氧化剂气体供应通道在垂直方向Z上延伸并被供应有氧化剂气体。发电电池12的氧化剂气体排出孔25限定了氧化剂气体排出通道(未示出)，该氧化剂气体排出通道在垂直方向Z上延伸并且氧化剂气体从该氧化剂气体排出通道排出。
发电电池12的冷却介质供应孔26限定了冷却介质供应通道(未示出)，该冷却介质供应通道在垂直方向Z上延伸并被供应有冷却介质(例如冷却剂)。发电电池12的冷却介质排出孔27限定了冷却介质排出通道(未示出)，该冷却介质排出通道在垂直方向Z上延伸并且冷却介质从该冷却介质排出通道排出。燃料气体排出通道30、氧化剂气体供应通道(未示出)、氧化剂气体排出通道(未示出)、冷却介质供应通道(未示出)和冷却介质排出通道(未示出)在发电电池12的纵向上比燃料气体供应通道28窄。
伪电池13
如图1和图3所示，伪电池13是将发电电池12的膜电极组件18改变为导体31(矩形片材)并且将上部分隔件20改变为伪分隔件20a的电池。以与发电电池12相同的方式，伪电池13包括下部分隔件20。也就是说，伪电池13包括支撑导体31的支撑框架19、伪分隔件20a和分隔件20。支撑框架19在支撑框架19的中间开口处支撑导体31。伪电池13的支撑导体31的支撑框架19在垂直方向Z上被夹在伪分隔件20a与分隔件20之间。
伪分隔件20a不包括发电电池12的分隔件20中所包括的燃料气体供应孔21，但包括位于下表面33的一部分处的突起34。因此，除了这些部件之外，伪分隔件20a具有与分隔件20相同的部件。伪电池13不包括膜电极组件18。因此，即使被供应有燃料气体和氧化剂气体，伪电池13也不发电。伪分隔件20a的下表面33是燃料气体供应通道28的上壁面。
突起34和排出通道限定构件50
突起34包括收集来自下表面33的水的水收集部。突起34在燃料气体供应通道28中位于伪分隔件20a的下表面33的一部分处。燃料气体供应通道28的内侧部分的与膜电极组件18相反的端部设置有管状的排出通道限定构件50。排出通道限定构件50在大致整个燃料气体供应通道28上延垂直方向Z延伸。排出通道限定构件50通过固定部(未示出)固定到燃料气体供应通道28的内侧部分。
排出通道限定构件50在燃料气体供应通道28中位于突起34的下方。排出通道限定构件50限定了排出通道51，从突起34落下的水被排出到排出通道51中。突起34具有三角形截面并且包括朝向排出通道限定构件50下降的斜面35。斜面35的最低部分在垂直方向Z上对应于排出通道51。斜面35的最高部分对应于燃料气体供应通道28的靠近膜电极组件18的端部。在排出通道限定构件50的上端部与突起34的下端部之间存在微小间隙。
在燃料电池堆11中的管道的连接结构
如图1所示，燃料电池堆11包括垫片36，各垫片36均密封端子板15与分隔件20之间的区段、支撑框架19与分隔件20之间的区段、支撑框架19与伪分隔件20a之间的区段以及分隔件20之间的区段。
燃料气体供应口37和燃料气体排出口38延伸穿过位于燃料电池堆11的下端部的端子板15、绝缘板16和端板17中的每一者。排出通道限定构件50的下端部插入到燃料气体供应口37的一部分中。燃料气体供应口37和燃料气体排出口38分别连接到燃料气体供应通道28和燃料气体排出通道30。
燃料气体供应口37连接到气体供应管道41。气体供应管道41从容纳燃料气体的气罐40延伸。气体供应管道41包括压力调节阀42，该压力调节阀42调节从气罐40通过气体供应管道41供应到燃料气体供应口37的燃料气体的压力。
燃料气体排出口38连接到在垂直方向Z上延伸的第一排出管道43的上端部。含有水分的未反应燃料气体从燃料气体排出口38排出到第一排出管道43。第一排出管道43包括气液分离器44和第一开关阀45。气液分离器44使水分与从燃料气体排出口38排出的未反应燃料气体分离。
在第一排出管道43中，第一开关阀45位于气液分离器44的下方。第一开关阀45是常闭的，并且在通过气液分离器44排出从未反应燃料气体中分离的水时打开。在压力调节阀42与燃料气体供应口37之间，在水平方向上延伸的联接管道46将气液分离器44的侧部联接到气体供应管道41。
联接管道46包括泵47，该泵47朝向气体供应管道41输送已经通过气液分离器44分离了水分的未反应燃料气体。排出通道限定构件50的下端部连接到在垂直方向Z上延伸的第二排出通道48的上端部。排出通道限定构件50中的排出通道51连接到第二排出管道48。第二排出管道48包括第二开关阀49。第二开关阀49是常闭的，并且在排出积聚在排出通道51和第二排出管道48中的水时打开。
氧化剂气体供应口(未示出)和氧化剂气体排出口(未示出)延伸穿过位于燃料电池堆11的下端部的端子板15、绝缘板16和端板17中的每一者。氧化剂气体供应口和氧化剂气体排出口分别连接到氧化剂气体供应通道(未示出)和氧化剂气体排出通道(未示出)。氧化剂气体供应口和氧化剂气体排出口均连接到管道(未示出)。
冷却介质供应口(未示出)和冷却介质排出口(未示出)延伸穿过位于燃料电池堆11的下端部的端子板15、绝缘板16和端板17中的每一者。冷却介质供应口和冷却介质排出口分别连接到冷却介质供应通道(未示出)和冷却介质排出通道(未示出)。冷却介质供应口和冷却介质排出口均连接到管道(未示出)。
燃料电池堆11的操作
如图1和图4所示，当燃料电池堆11发电时，燃料气体从气罐40通过气体供应管道41和燃料气体供应口37供应到燃料气体供应通道28。在这种情况下，供应到燃料气体供应通道28的燃料气体的压力由压力调节阀42调节。供应到燃料气体供应通道28的燃料气体被供应到位于伪电池13的下方的发电电池12的膜电极组件18的阳极侧表面。
氧化剂气体从氧化剂气体供应口(未示出)通过氧化剂气体供应通道(未示出)供应到发电电池12的膜电极组件18的阴极侧表面。然后，通过膜电极组件18中的在供应到发电电池12的膜电极组件18的阴极侧表面的氧化剂气体与供应到发电电池12的膜电极组件18的阳极侧表面的燃料气体之间的电化学反应发电。
膜电极组件18中的未反应燃料气体含有水分并通过燃料气体排出通道30和燃料气体排出口38排出到第一排出管道43。排出到第一排出管道43的含有水的未反应燃料气体的水分被气液分离器44分离。然后，泵47通过联接管道46将燃料气体输送到气体供应管道41。输送到气体供应管道41的未反应燃料气体与来自气罐40的燃料气体一起再次被供应到燃料气体供应通道28。膜电极组件18中的未反应氧化剂气体通过氧化剂气体排出通道(未示出)从氧化剂气体供应口(未示出)排出。
在燃料电池堆11的操作期间，燃料电池堆11具有相对高的温度。因此，燃料电池堆11中的水分处于水蒸气状态。尤其地，燃料气体供应通道28被供应含有水分的燃料气体，并因此包括水蒸气。在这种情况下，由于排出通道限定构件50的上端部的开口是敞开的，所以燃料气体供应通道28中的一些水蒸气从排出通道限定构件50的上端部的开口流入排出通道51中。
在燃料电池堆11的操作停止之后，燃料电池堆11的温度降低。因此，排出通道51中的水蒸气和燃料气体供应通道28中的水蒸气凝结成液态水W。燃料气体供应通道28中的水蒸气易于积聚在燃料气体供应通道28的上端部。因此，水蒸气在伪分隔件20a的斜面35和下表面33上凝结成液态水W。
然后，重力使液态水W沿着斜面35朝向排出通道限定构件50流下并落入排出通道51中。因此，通过燃料气体供应通道28中的水蒸气的凝结而生成的液态水W顺利地从排出通道51排出。这减少了从伪分隔件20a的下表面33落下到燃料气体供应通道28的排出通道限定构件50之外的液态水W的量。
如果燃料电池堆11不包括排出通道限定构件50(排出通道51)，则会通过燃料气体供应通道28中的水蒸气的凝结生成更大量的液态水W。结果，重力使液态水W从燃料气体供应通道28通过燃料气体供应口37流入气体供应管道41中。
因此，如果在温度低于冰点的地方(例如寒冷气候区)使用燃料电池堆11，则已经流入气体供应管道41的液态水W被冻结。这使气体供应管道41堵塞并且使压力调节阀42冻结。结果，燃料气体从气罐40到燃料气体供应通道28的供应受到限制。因此，很难启动燃料电池堆11。
如上所述，本实施方式的燃料电池堆11使得通过燃料气体供应通道28中的水蒸气的凝结而产生的液态水W顺利地从排出通道51排出。当燃料电池堆11停止操作并且其温度降低时，这减少了在燃料气体供应通道28中的液态水W的量。因此，重力使较少量的液态水W从燃料气体供应通道28通过燃料气体供应口37流入气体供应管道41中。
因此，即使在温度低于冰点的地方(例如寒冷气候区)使用燃料电池堆11，也防止了由于液态水W的冻结而导致气体供应管道41堵塞并且压力调节阀42冻结的情况。这改进了燃料电池堆11在温度低于冰点的地方(例如寒冷气候区)的启动性能。
在使用燃料电池堆11的地方的温度不使液态水W冻结的情况下，当第二开关阀49打开时，积聚在排出通道51中的液态水W顺利地从第二排出管道48排出。
实施方式的优点
以上详细说明的实施方式具有以下优点。
(1)在燃料电池堆11中，使用燃料气体发电的发电电池12在垂直方向Z上堆叠。各发电电池12均包括支撑膜电极组件18的支撑框架19和将支撑框架19夹在中间的两个分隔件20。发电电池12分别包括限定了燃料气体供应通道28的燃料气体供应孔21，该燃料气体供应通道28在垂直方向Z上延伸并且供燃料气体流过。伪分隔件20a的下表面33的作为燃料气体供应通道28的上壁面的一部分包括从下表面33收集水的突起34。突起34包括朝向排出通道限定构件50下降的斜面35。在燃料气体供应通道28中，在垂直方向Z上延伸的管状的排出通道限定构件50位于突起34的下方。排出通道限定构件50限定了排出通道51，从突起34落下的液态水W从排出通道51排出。
通常，当燃料电池堆11的温度降低时，在燃料电池堆11具有相对高温度的情况下，燃料气体供应通道28中的一些水蒸气凝结成液态水W。在燃料气体供应通道28的下表面33上收集液态水W。燃料气体供应通道28的下表面33上的液态水W落下并积聚在连接到燃料气体供应通道28的气体供应管道41中。当在温度低于冰点的地方(例如寒冷气候区)使用燃料电池堆11时，积聚在气体供应管道41中的液态水W被冻结。这例如使气体供应管道41堵塞。在以上构造中，重力使燃料气体供应通道28的下表面33上的液态水W沿着突起34的斜面35朝向排出通道限定构件50流下。然后，液态水W落下到排出通道限定构件50的排出通道51中，然后被排出。因此，通过燃料气体供应通道28中的水蒸气的凝结而产生的液态水W被顺利排出。
变型方案
上述实施方式可以以如下方式变型。可以组合上述实施方式和下述变型方案，只要所组合的变型方案在技术上保持彼此一致即可。
如图5所示，排出通道限定构件50的上端部可以包括大直径部52，在该大直径部52中，排出通道限定构件50中的排出通道51的直径增大。这防止了从突起34落下的液态水W从排出通道51溢出。
如图6所示，突起34的下端部可以从排出通道限定构件50的上端部的开口插入排出通道51中。这进一步防止了从突起34落下的液态水W从排出通道51溢出。
如图7所示，燃料气体供应通道28的下表面33可以包括亲水部53，亲水部53是水收集部的示例，而不是突起34的示例。也就是说，水收集部可以是亲水部53。亲水部53比下表面33的除亲水部53之外的部分亲水。具体地，下表面33的限定了亲水部53的部分的材料可以比下表面33的除亲水部53之外的部分的材料亲水。替选地，可以通过将比伪分隔件20a的材料更亲水的涂层材料涂布到下表面33的一部分上来提供亲水部53。在该构造中，当水蒸气在下表面33的除亲水部53之外的部分上凝结成液态水W时，有利于液态水W朝向亲水部53流动。下表面33的除亲水部53之外的部分可以是拒水性的。
突起34可以与伪分隔件20a的下表面33一体形成，或者突起34可以与伪分隔件20a以如下方式分离：突起34附接到伪分隔件20a的下表面33。
突起34可以是锥形或金字塔形。
在各发电电池12中，燃料气体供应孔21可以具有任何形状。
排出通道限定构件50的内径和外径可以改变。排出通道限定构件50的截面形状不必一定是圆形，可以例如是椭圆形或多边形。也就是说，排出通道限定构件50只需要具有环形的截面形状。
在燃料电池堆11中，所使用的气体可以是氧化剂气体，所使用的气孔可以是氧化剂气体供应孔24，并且所使用的气体歧管可以是在垂直方向Z上延伸并且用来供应氧化剂气体的氧化剂气体供应通道(未示出)。此外，突起34可以位于氧化剂气体供应通道的上壁面上，并且排出通道限定构件50可以在氧化剂气体供应通道中位于突起34的下方。也就是说，可以在作为气体歧管的氧化剂气体供应孔24中采用突起34和排出通道限定构件50。替选地，可以在作为气体歧管的燃料气体排出通道30或氧化剂气体排出通道(未示出)中采用突起34和排出通道限定构件50。
燃料电池堆11不必一定包括伪电池13。代替伪分隔件20a的下表面33，上端子板15的下表面可以用作燃料气体供应通道28(气体歧管)的上壁面。在这种情况下，突起34位于上端子板15的下表面上。
燃料电池堆11可以用于安装在例如电动车辆或混合电动车辆上的燃料电池系统。替选地，燃料电池堆11可以用于配置在室外的固定燃料电池系统。
在不脱离权利要求及其等效方案的精神和范围的情况下，可以对上述示例进行形式和细节上的各种改变。示例仅仅是出于说明目的，而不是出于限制目的。各示例中的特征的说明将被认为适用于其它示例中的类似特征或方面。如果以不同次序执行顺序和/或如果所说明的系统、架构、装置或电路中的部件以不同的方式组合和/或由其它部件或其等效方案替换或补充，也可以获得合适的结果。本公开的范围不是由具体实施方式限定，而是由权利要求及其等效方案限定。权利要求范围内的所有变化及其等效方案都包括在本公开中。
Claims (3)
1.一种燃料电池堆，包括：
发电电池，其构造为使用气体发电并且在垂直方向上堆叠；和
排出通道限定构件，其在所述垂直方向上延伸并且具有环形的截面形状，其中，
各所述发电电池均包括：
支撑框架，其支撑膜电极组件；和
两个分隔件，其将所述支撑框架夹在中间，
各所述发电电池均包括气孔，所述发电电池的所述气孔限定在所述垂直方向上延伸并且供所述气体流过的气体歧管，
所述气体歧管的上壁面的一部分包括水收集部，所述水收集部构造为从所述上壁面收集水，并且
所述排出通道限定构件位于所述气体歧管的所述水收集部的下方，并且所述排出通道限定构件限定排出通道，从所述水收集部落下的水从所述排出通道排出。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述水收集部包括斜面，所述斜面朝向所述排出通道限定构件下降。
3.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述水收集部包括亲水部，所述亲水部比所述上壁面的除所述水收集部之外的部分亲水。
Applications Claiming Priority (2)
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Also Published As
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