CN1677734A - 燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

一种固体高分子形电池堆，将用于电池冷却的冷却水流入堆端部流路，该堆端部流路是将流经冷却水排出用总管的冷却水在端板及端板上部区域对应电池高温区域设计为大致连续S字形的流路。来自堆端部电池并流入冷却水排出用总管的冷却水通过流量控制元件保持在一定的温度。

Description

燃料电池堆
技术领域
本发明涉及燃料电池堆。更具体地说，本发明是涉及实现了电池温度最佳化的燃料电池堆。
背景技术
一般，固体高分子型燃料电池堆是通过下述方法构成的，即：将在固体高分子膜的一方的面上的阳极和在另一方的面上的阴极接合，构成膜电极接合体(以下表记为“MEA”)，并通过由与该MEA的阳极对向地设置了燃料流路的阳极侧极板、和与MEA的阴极侧对向地设置了氧化剂流路的阴极侧极板夹持来构成电池，进一步，通过在该电池间通过冷却极板并将其多个层叠形成层叠体，在该层叠体的两端添加端板并进行紧固。
在固体高分子型燃料电池堆中，使改质气体等燃料气体在阳极极板处流通，同时使空气等氧化剂气体在阴极侧极板流通，介于电解质膜使其发生电化学反应，由此发出直流电力。由于电化学是发热反应，所以通过将冷却水流过冷却极板将各电池冷却，实现维持固体高分子型燃料电池堆的正常运转温度(例如，大约70～80℃)。
在高分子型燃料电池堆中，邻接在端板两端部的电池容易受到外面空气的影响。因此，两端部的电池与其他部分的电池相比温度低。如果电池温度降低，在阳极侧极板或者阴极侧极板的流路流经的反应气体中的水蒸气在流路内就会容易凝结，比其他部分的电池在流路内产生更多的凝结水。其结果，造成两端部的电池比其他部分的电池流路阻力增大，由此反应气体流量降低，并引起电池性能降低。
基于这样的现状，在固体高分子型燃料电池堆中，希望有抑制两端部的电池温度降低的技术。作为这种技术，公知的有例如，在两端的极板上设置用以流过冷却水的流路，将其升温到接近运转温度的温度，把发电后被排出的冷却水流入设置在端板整面的流路，将两端部的电池加热的技术(例如专利文献1)。
一般的，电池由于内部的冷却水流通冷却极板而产生温度分布。也就是说，刚刚供给冷却极板的冷却水有效地冷却电池，但是随着流经冷却极板，冷却水的温度上升，电池的冷却效果减弱。因此，沿着冷却水流向，在电池产生温度梯度变化。另外、所谓“冷却水的流向”不是指沿着被设计在冷却极板上的冷却水流经的路径的方向本身，而是指从冷却水流路的入口到流向出口的方向。
但是、如原来一样，从冷却极板被排出的冷却水若流经被设置在端板全面的流路、两端部的电池就被均等地加温。由此在两端部的电池和其它部分的电池，温度分布产生差异。在两端部的电池和其它部分的电池中由于产生凝结水的部分不同，因而固体高分子型燃料电池所产生的电压不稳定，因此很难让固体高分子型燃料电池稳定地工作。
参考文献1：特开2001-68141号公报。
发明内容
本发明鉴于这样的课题而提出，其目的在于，提供为了使燃料电池稳定运转，能够对两端部的电池适度加温的燃料电池堆。
本发明的燃料电池堆的方式一，具有：层叠体，其层叠多个电池和冷却极板，其中所述冷却极板设置有冷却所述电池的热介质所流经的热介质流路，所述电池包括膜电极接合体、阳极侧极板和阴极侧极板，所述膜电极接合体具有电解质膜、设置在上述电解质膜的一方的面上的阳极和设置在所述电解质膜的另一方的面上的阴极膜，所述阳极侧极板具有与所述阳极对向的燃料流路，所述阴极侧极板具有与所述阴极对向的氧化剂流路；端板，其夹隔集电板及绝缘板设置在所述层叠体的两端，将所述层叠体紧固；和堆端部流路，其设置在所述端板的与所述电池的高温区域对应的区域，并且流经通过了所述冷却极板的热介质。
本发明燃料电池堆的方式二，具有：层叠体，其层叠多个电池和冷却极板，其中所述冷却极板设置有冷却所述电池的热介质所流经的热介质流路，所述电池包括膜电极接合体、阳极侧极板和阴极侧极板，所述膜电极接合体具有电解质膜、设置在上述电解质膜的一方的面上的阳极和设置在所述电解质膜的另一方的面上的阴极膜，所述阳极侧极板具有与所述阳极对向的燃料流路，所述阴极侧极板具有与所述阴极对向的氧化剂流路；端板，其夹隔集电板及绝缘板设置在所述层叠体的两端，将所述层叠体紧固；和堆端部流路，将所述端板分为第1区域和第2区域，所述第1区域对应所述电池的比较高温的区域，所述第2区域对应所述电池的比较低温的区域，该堆端部流路只设置在所述第1区域，并且流经通过了所述冷却极板的热介质。
本发明的燃料电池堆的方式三，具有：层叠体，其层叠多个电池和冷却极板，其中所述冷却板设置有冷却所述电池的热介质所流经的热介质流路，所述电池包括膜电极接合体、阳极侧极板和阴极侧极板，所述膜电极接合体具有电解质膜、设置在上述电解质膜的一方的面上的阳极和设置在所述电解质膜的另一方的面上的阴极膜，所述阳极侧极板具有与所述阳极对向的燃料流路，所述阴极侧极板具有与所述阴极对向的氧化剂流路；端板，其夹隔集电体及绝缘板设置在所述层叠体的两端，将所述层叠体紧固；和堆端部流路，其设置在所述端板上，并且备有的入口和出口，并流经热介质，该入口将通过了所述冷却极板的热介质流入所述端板，该出口将热介质流出到所述端板的外部。其中，从所述入口到所述出口的流经所述热介质流路的热介质的流动方向的距离，为所述膜电极接合体的所述热介质的流动方向的距离的1/4以上1/2以下。
根据这些，堆两端部的电池的高温部分根据其他部分的电池温度分布被加温到适当温度，因此堆两端部的电池的高温部分与其他部分的电池温度分布近似。根据这样，由于减少在堆两端部的电池中所生成的凝结水量，抑制电池内反应气体流路的闭塞，在各电池内凝结水生成部分均一化，因此可抑制在各电池内所产生的电压偏差，可以使燃料电池稳定地运行。另外，作为热介质水比较适合，但也可以是水之外的流体。
在上述的各方式中，也可以具有第1流量控制元件，其根据所述热介质的温度控制流入所述堆端部流路中的所述热介质的流量。由此，即使在燃料电池堆的输出发生变动的时候，通过调节流过堆端部流路中的热介质的温度，能够保持两端部的电池温度梯度一定，因此可以提高燃料电池堆动作的稳定性。
另外，在所述各方式中，也可以具有第2流量控制元件，其根据通过了所述冷却极板的热介质的温度，控制热介质的流量，该热介质贯通所述层叠体，流入到与堆端部流路连通的冷却水排出用总管(manifold)，并且通过设置在所述层叠体的端部的冷却极板。由此，即使在燃料电池堆的输出发生变动的时候，通过调节流过层叠体端部的冷却极板的热介质的温度，可以保持两端部的元件的温度梯度一定，因此可以提高燃料电池堆的动作稳定性。
进一步，在上述各方式中，没有设置所述堆端部流路的所述端板的剩余部分，或者，与所述电池的比较低温的区域对应的第2区域中的流经所述热介质流路的热介质的流动方向的热传导性，可以比与流经所述热介质流路的热介质的流动方向垂直方向的热传导性小。由此，用流经所述堆端部流路的热介质加热堆端部的电池的高温区域，并且在没有设置堆端部流路的端板的部分也可付与根据电池温度分布的温度分布，因此可以使堆端部的电池温度分布更接近其他部分电池温度的分布。另外，所谓“热介质的流动方向”不是指沿着设置在冷却极板上的热介质流路的路径的方向本身，而是指从热介质流路的入口朝向出口的方向。
进一步，在上述各方式中，所述燃料流路、所述氧化剂流路及所述热介质流路分别由多个直线状的流路构成，将流经所述燃料流路的燃料和流经所述氧化剂流路的氧化剂形成为自下而上流动的并行流动，也可以将流经所述热介质流路的热介质形成为相对所述燃料及所述氧化剂并行流动或对向流动。燃料流路、氧化剂流路及热介质流路曲折的情况下，产生部分的不规则的温度分布，但是根据上述构成，由于形成沿着各流路的连续的温度分布所以可以改善燃料电池堆的稳定性。
进一步，在上述的各方式中，在所述集电板、所述绝缘板及所述端板中至少一个的堆端部构件中，流经所述热介质流路的热介质的流动方向的热传导性，可以比与所述热介质的流动方向垂直方向的热传导性小。
根据这样，在集电板、绝缘板及端板中至少一个端部构件中，由于流经热介质流路的热介质的流动方向的热传导性降低，因此在堆端部构件中保持根据电池温度分布的温度分布，使堆端部的电池温度与其他部分的电池温度近似。由此，由于减少在堆两端部的电池中所产生的凝结水的量，抑制电池内反应气体流路的闭塞，各电池内生成凝结水的部分均一化，所以抑制在各电池所产生的电压偏差，燃料电池可以稳定地运行。
进一步，在上述各方式中，在所述集电板、所述绝缘板及所述端板中至少一个的堆端构件中，可以在与流经所述热介质流路的热介质的流动方向垂直方向上设置多个切口。
根据这样，在所述集电板、所述绝缘板及所述端板中至少一个的堆端部构件中，流经热介质流路的热介质的流动方向的热传导性由设置在堆端部构件中的切口而阻碍，因此在堆端构件中可以保持根据电池温度分布的温度分布，使堆端部的电池温度分布近似于其他部分的电池温度分布。由此，由于在堆两端部的电池中所产生的凝结水的量降低，抑制电池内反应气体流路的闭塞，在各电池内凝结水生成部分均一化，所以能抑制在各电池中所发生的电压偏差，燃料电池可稳定地运行。
进一步，在上述各方式中，在所述集电板、所述绝缘板及所述端板中的至少一个的堆端部构件中，也可以沿流经所述热介质流路的热介质的流动方向设置多个孔。
由此，在所述集电板、所述绝缘板及所述端板中至少一个的堆端部构件中，流经热介质流路的热介质的流动方向的热传导性由设置在堆端部构件的孔阻碍，因此在堆端构件中保持根据电池温度分布的温度分布，使堆端构件的电池温度分布近似于其他部分的电池温度分布。由此，由于在堆两端部的电池中产生的凝结水的量降低，能抑制电池内的反应气体流路的闭塞，在各电池内产生凝结水的部分均一化，因此能够抑制在各电池中所产生的电压偏差，使燃料电池稳定运行。
进一步，在上述各方式中，也可以将所述集电板、所述绝缘板及所述端板中的至少一个的堆端部构件，沿流经所述热介质流路的热介质的流动方向分割为多块。
由此，在所述集电板、所述绝缘板及所述端板中的至少一个的堆端部构件中，由于流经热介质流路的热介质的流动方向的热传导性由被分割的堆端部构件阻碍，因此在堆端部构件中保持根据电池温度分布的温度分布，使堆端部构件的电池温度分布近似于其他部分的电池温度分布。由此，在堆两端部的电池中产生的凝结水的量降低，能抑制电池内的反应气体流路的闭塞，在各电池内产生凝结水的部分均一化，因此能够抑制在各电池中所产生的电压偏差，使燃料电池稳定运行。
另外，上述各要素的适当组合，也包含在本发明申请所申请的所要求保护的发明范围内。
附图说明：
图1是表示有关实施例1的固体高分子形燃料电池堆的构成的概略图。
图2是表示固体高分子形燃料电池堆的端板的构成的概略图。
图3A是表示设置在端板的流量制御元件的图面。
图3B是表示图3A所示的流量制御元件的B-B线处的剖视图。
图4是表示有关比较例1的固体高分子形燃料电池堆的概略图。
图5是表示有关比较例1的固体高分子形燃料电池堆的端板构成的图。
图6是表示有关比较例2的固体高分子形燃料电池堆的概略图。
图7是表示实施例1、比较例1以及比较例2的固体高分子形燃料电池堆的各电池的温度分布测定的试验结果的图表。
图8是表示有关实施例2的固体高分子形燃料电池堆的端板的构成的概略图。
图9是表示有关实施例3的固体高分子形燃料电池堆的端板的构成的概略图。
图10是表示有关实施例4的固体高分子形燃料电池堆的构成的概略图。
图11是表示有关实施例4的固体高分子形燃料电池堆的端板的构成的概略图。
图12是表示关于实施例5的固体高分子形燃料电池堆的端板的构成的图。
图13是表示有关实施例6的固体高分子形燃料电池堆的端板构成的图。
图14是表示有关实施例7的固体高分子形燃料电池堆的端板的构成的图。
具体实施方式
(实施例1)
图1是表示有关实施例1的固体高分子形燃料电池堆10的构成的概略图。固体高分子形燃料电池堆10备有层叠多个电池20及介于电池20之间的冷却极板30而成的层叠体40、及从层叠体40的两端夹隔集电板50及绝缘板60紧固层叠体40的端板70、80。
电池20具有MEA22、与MEA22的阳极对向地设置的燃料流路的阳极侧极板24及与MEA22的阴极对向地设置的氧化剂流路的阴极侧极板26。
冷却极板30，具有流过作为热介质使用的冷却水的冷却水流路32。在位于层叠体40两端的冷却极板30的冷却水流路32的出口附近，设置有用于调节自冷却流路32流入到后述的冷却水排出用的总管44的冷却水流量的流量控制元件34。对于该流量控制元件在后面进行描述。
另外，冷却水流路32，也可以设置在阳极侧极板24和/或阴极侧极板26的与MEA22相反的侧。在这种情况下，阳极侧极板24和/或阴极侧极板26兼作冷却极板30。另外，本发明还包括部分地使用在一张极板的一个面设置燃料流路、在另一面设置了氧化剂流路的、所谓的双向极板的情况。
在层叠体40的下部中，设有在电池20的层叠方向连通的冷却水供给用总管42。另外，在层叠体40的上部，设有在电池20的层叠方向连通冷却水排出用总管44。
图2是表示端板70的构成的概略图。端板70具有冷却水供给口71、堆端部流路72、流量控制元件73、冷却水排出口74、冷却水入口75、燃料入口76、燃料出口77、氧化剂入口78及氧化剂出口79。
冷却水供给口71与冷却水排出用总管44连通，经由冷却水供给口71，从冷却水排出用总管44将升温到接近运行温度的冷却水流入堆端部流路72中。即，冷却水供给口71是流经了冷却板30的冷却水流入端板70的入口。通过将闭塞极板80安装到设置在端板70上的凹槽状之上，堆端部流路72形成为隧道状。闭塞极板81优选用热传导性良好的材料形成。堆端部流路72，对应电池20的高温区域，在端板70的上部区域形成大致连续S字形的路径。
即，将端板70分为与电池20的比较高的高温区域对应的第1区域和与比较低的低温区域对应的第2区域，只在所述第1区域中设置堆端部流路72。另外，为了固体高分子形燃料电池堆10的结构上的情况，也可以在第2区域中设置比第1区域相当少的堆端部流路。
流量控制元件73设置在堆端部流路72的冷却水排出口74附近，调节流入到堆端部流路74中的冷却水流量，维持堆端部流路72内的冷却水的水温为规定温度。流量控制元件73，例如由根据流过堆端部流路72进行热交换后的冷却水温度进行变形的感温式流量控制元件构成，具有根据堆端部流路72内的冷却水温度进行开闭的阀功能。作为感温式流量控制元件的具体例，可以例举双金属、形状记忆合金、热赛璐珞等。另外，除使用感温式流量控制元件之外，还可以设有检测冷却水的水温、端板70的温度、或两端部的电池20的温度的温度传感器及开闭驱动可控制的阀门，根据温度传感器检测出的堆端部流路72内的冷却水的水温控制阀门的开闭。在这种情况下，阀门位置也可以在堆端部流路72附近。
图3A是表示将双金属用于流量控制元件73的情况的构成，图3B是表示在图3A的B-B线处的剖视图。流量控制元件73，感知流过堆端部流路72进行热交换之后的冷却水的温度，调节流经堆端部流路72内的冷却水的流量。具体地说，流量控制元件73在冷却水温度在规定温度以上时，处于流过规定流量的基准状态，但是在冷却水温度在规定温度以上时，由基准状态向图3B的箭头H方向变形，堆端部流路72的截面面积变小减少流经堆端部流路72的冷却水的流量。另外，在冷却水的温度在规定温度以下时，由基准状态向图3B的箭头L方向变形，增大堆端部流路72的截面面积，增加流经堆端部流路72的冷却水的流量。
根据这样，固体高分子形燃料电池堆10的输出发生变动，在电池20的温度变动的时候，通过将堆端部流路72内的冷却水的水温保持一定，可以将两端部的电池20的温度分布保持为一定，可以稳定固体高分子形燃料电池堆10的动作。
冷却水排出口74，与堆端部流路72的出口部分连通，排出流过堆端部流路72的冷却水。冷却水入口75，与冷却水供给用总管42连通。即冷却水排出口74是冷却水向端板70的外部流出的出口。对于燃料入口76、燃料出口77、氧化剂入口78及氧化剂出口79在后面描述。
另外，冷却水供给口71向固体高分子形燃料电池堆10的外部连通，可以排出未流入堆端部流路72中的剩余部分的冷却水。
另一方端板80的构成也同端板70基本构成一样。但是，没有设置冷却水入口75、燃料入口76、燃料出口77、氧化剂入口78及氧化剂出口79。
另外，从冷却水供给口71到冷却水排出口74的冷却水的流动方向的距离优选为MEA22的冷却水的流动方向的距离的1/4以上1/2以下，更优选为1/3以上1/2以下。
(反应气体的流动)
改质气体等燃料气体，自燃料入口76供给，通过与固体高分子形燃料电池堆10的层叠方向连通设置的燃料供给用总管(图中未示出)，分配供给到各电池20。供给到各电池20的燃料气体，流过燃料流路。另一方面，空气等氧化剂气体，自氧化剂入口78供给，通过与固体高分子形燃料电池堆10的层叠方向连通设置的氧化剂气体供给用总管(图中未示出)，分配供给到电池20。供给到各电池20的氧化剂气体，流过氧化剂流路。
在流过燃料气体及氧化剂气体的各电池20中，由通过电解质膜发生电化学反应进行发电。自各电池20排出的未反应的燃料气体，在与固体高分子形燃料电池堆10的层叠方向上连通设置的燃料排出总管(图中未示出)合流，通过燃料排出总管自燃料出口77排出到外部。自燃料出口77排出的未反应的燃料气体，一般导入图中未示出的燃料改质装置的改质器燃烧室，进行燃烧。
发电后自各电池20排出的未反应的氧化剂气体，在与固体高分子形燃料电池堆10的层叠方向连通地设置的氧化剂排出总管(图中未示出)合流，通过氧化剂排出总管自氧化剂出口79排出到外部。
(冷却水的流动)
冷却水，自冷却水入口75供给，通过与固体高分子形燃料电池堆10层叠方向连通地设置的冷却水供给用总管42分配供给到各冷却水流路32中。流过各冷却水流路32的冷却水，通过冷却各电池20，将各电池20保持在适当的运行温度(例如，大约70～80℃)。
自冷却水流路32排出的冷却水，由在各电池20中产生的反应热升温，温度变为72～75℃。温度上升的冷却水，流入冷却水排出用总管44内，另外，在冷却水排出用总管44的固体高分子形燃料电池堆10层叠方向中央部附近，设置挡格(图中未示出)，以挡格为界将升温后的冷却水分为两个方向。
另外，在位于层叠体40的两端的冷却水流路32的出口附近设置的流量控制元件34，与在端板70中设置的流量控制元件72基本构成相同。但是，流量控制元件34，在流过位于端部的冷却水流路32的冷却水的温度为规定温度时，处于流过规定流量的基准状态，而在流过冷却水流路32的冷却水的水温在规定温度以上时，增大端部冷却水流路32的截面面积，使流过端部的冷却水流路32的冷却水的流量增加。另外，冷却水的温度在规定温度以下时，减小端部的冷却水流路32的截面面积使流过端部冷却水流路32的冷却水流量减少。
由此，在固体高分子形燃料电池堆10的输出发生变动使电池20的温度变动时，通过保持端部的冷却水流路32内的冷却水的水温一定，可以将两端部的电池20的温度分布保持为一定，可以稳定固体高分子形燃料电池堆10的动作。
经冷却水排出用总管44内流向端板70方的冷却水，自端板70的冷却水供给口71流入堆端部流路72，自端板70的上方部向下方部曲折流动。由堆端部流路72内的升温后的冷却水的流动，通过闭塞极板81、集电板50、及绝缘板60，可以使邻接在端板70上的端部电池20加温。而且，堆端部流路72对应电池20的高温区域在端板70的上部区域具有该路径，流过堆端部流路72的冷却水，随着进入堆端部流路72的下游温度缓慢降低。因此，可以有效地加热端板70的侧端部的电池20的高温区域，并且可使端板70的侧端部的电池20和其他部分的电池20的温度分布近似。
另一方面，经冷却水排出用总管44内流向端板80的冷却水，自端板80的冷却水供给口71流入堆端部流路72，自端板80的上方部向下方部曲折地流动。由堆端部流路72内的升温后的冷却水的流动，通过闭塞极板81、集电板50及绝缘板60，可以使与端板80邻接的端部电池20加温。而且，堆端部流路72对应电池20的高温区域在端板80的上部区域具有路径，流过堆端部流路72的冷却水，随着向堆端部流路72的下游流动，温度缓慢降低。因此可有效地加热端板80侧端部的电池20的高温区域，并且使端板80的侧端部的电池20和其他部分的电池20的温度分布近似。
作为两端部的电池20的高温区域加热的结果，在两端部的电池20生成的凝结水量降低，并且两端部的电池20的温度分布接近于其他部分的电池20的温度分布，因此在各电池20内凝结水生成的场所几乎一致，可以均等地提高各电池20的发电效率。
另外，在固体高分子形燃料电池堆10动作时，根据各电池20的温度分布适当化的观点，燃料流路、氧化剂流路及冷却水流路32分别以多条直线状的流路构成，优选流过燃料流路的燃料气体和流过氧化剂流路的氧化剂气体是自上而下流动的并行流动，流过冷却水流路32的冷却水与燃料气体及氧化剂气体为并行流动或对向流动，更为优选流过冷却水流路32的冷却水与燃料气体及氧化剂气体为对向流动，即冷却水自下方向上方流动。由此，由于形成沿着流路的连续的温度分布，所以可以改善固体高分子形燃料电池堆10的稳定性。
(比较例1)
图4表示有关为了与所述实施例1进行比较而构成的比较例1的固体高分子形燃料电池堆10A。固体高分子形燃料电池堆10A的基本构成，因为是和实施例1的固体高分子形燃料电池堆10同样，所以同一部件付与相同的符号，省略其详细说明。在固体高分子形燃料电池堆10A中，在两端部的冷却水流路32不设置流量控制元件34，并且设置在端板70A、80A中的水流路的方式与实施例1不同。即如果由端板70A和端板80A是几乎相同的构成而仅对端板70A进行说明，则如图5所示，在堆端部流路72A几乎遍及端板70A的整面形成大致连续S字形这一点上，以及不设置流量控制元件73、自冷却水供给口71供给的所有冷却水都流入堆端部流路72A这一点上，比较例1与实施例1不同。另外，比较例1的端板70A中，氧化剂入口78及氧化剂出口79的位置与实施例1相反。
在比较例1中，发电后自各电池20排出的升温后的冷却水，通过冷却水排出用总管44A后，流入堆端部流路72A，自其上方部向下方部曲折地流动，自设置在下端部的冷却水排出口74A排出到外部。
在比较例1中，由于堆端部流路72A遍及端板70A的几乎整面而设置，进一步，由于自供冷却水供给口供给的所有的冷却水都无限制地流入堆端部流路72A，所以在端板70A不产生温度分布变为一定的温度，并且固体高分子形燃料电池堆的输出发生变动，伴随该变动端板70A的温度变动。
(比较例2)
图6表示为了有关与上述实施例1比较而构成的比较例2的固体高分子形燃料电池堆10B。固体高分子形燃料电池堆10B的基本构成，因为同实施例1的固体高分子形燃料电池堆10同样，所以同一部件付与相同的符号省略其说明。在固体高分子形燃料电池堆10B的端板70B、80B不具有水流路这一点上，与实施例1的固体高分子形燃料电池堆10明显不同。但是在端板70B设置有与冷却水排出用总管44连通的冷却水排出口74B。
在比较例2中，发电后各电池20排出的升温后的冷却水，通过冷却水排出用总管44，自端板70B的冷却水排出口74B排到外部。因此，不进行使用升温后的冷却水对两端部的电池20的加热。
(实施例及比较例的评价)
制作实施例1、比较例1及比较例2这3种固体高分子形燃料电池堆(电池数目65个)，进行发电中的各电池的温度分布的测定试验。图7表示电池的温度分布测定的试验结果。各电池的温度，在电池最下部、电池中央部及电池最上部测定。如图7所示，实施例1，电池最下部的温度T10、电池中央部的温度T12、电池最上部的温度T14均与两端电池和其他电池之间的差异小，可以确认各电池的温度分布极为近似。
与此相对，在比较例2中，在两端电池中与其他的电池相比最下部的温度T20、电池中央部的温度T22、电池最上部的温度T24均低，特别是在电池上部的温度T24的两端电池中的温度降低显著。
在比较例1中，两端电池中的温度电池最下部的温度T30、电池中央的温度T32、电池最上部的温度T34均比比较例2有所改善，但可确认两端部电池和其他部分电池温度的温度分布依然不同。
根据以上的试验结果可以知道：实施例1的固体高分子形燃料电池堆，在对应电池高温区域的端板70及端板80的一部分中，通过流过控制温度的升温后的冷却水，可使各电池的温度分布近似。
另外，固体高分子形燃料电池堆的端板70、80中的堆端部流路72的路径，不局限于实施例1的方式。以下说明的实施例2及实施例3除了端板70、80的堆端部流路72的构成不同之外，与实施例1的基本构成相同，因此同一部件付与同样的符号省略其详细说明。
(实施例2)
图8表示有关实施例2的固体高分子形燃料电池堆端板70C的构成的概略图。在实施例2的端板70C中的堆端部流路72C，在对应电池20的高温区域在端板70C的上部区域设置为大致连续的S字形这一点上，与实施例1相同。但是，实施例2中的堆端部流路72C，越位于端板70C的上部截面面积越大。由此，堆端部的电池20的上部通过流过堆端部流路70C的冷却水能被更有效地加温，因此可使堆端部的电池20的温度分布接近于其他部分的电池20的温度分布。
(实施例3)
图9表示有关实施例3的固体高分子形燃料电池堆的端板70D的构成的概略图。在实施例3的端板70D中的堆端部流路72D，在对应电池20的高温区域在端板70D的上部区域设置为大致连续S字形这一点上，与实施例1相同。但是，实施例3的堆端部流路72D，越位于端板70D的上部折返的路径间的间隔越密。由此，堆端部的电池20的上部通过流过堆端部流路72D的冷却水能被更有效地加温，因此可使堆端部的电池20的温度分布接近于其他部分的电池20的温度分布。
另外，实施例1～3所示的堆端部流路形成在端板70、80上，但是不仅限于端板70、80，也可以形成在集电板50或绝缘板60中，进一步，也可以形成为端板70、80兼用于绝缘板60的构成。例如，可在端板70、80及绝缘板60的上形成槽，通过分别将端板70、80和绝缘板60粘合，形成堆端部流路。
以上说明过的实施例1～3，是利用因电池反应热使温度上升的冷却水，付与堆端部的电池适当的温度分布的方式。接着，以与实施例1～3不同的方式，使堆两端的电池温度分布适当化的构成进行说明。
(实施例4)
图10表示有关实施例4的固体高分子形燃料电池堆10E的构成。固体高分子形燃料电池堆10E的基本构成，因为和实施例1的固体高分子形的燃料电池堆10同样，所以同一部件付与相同的符号省略其详细说明。由于端板70E和端板80E是几乎相同的构成，因此以下对端板70E进行说明。但是，在固体高分子形燃料电池堆10E中，端板70E中设有与冷却水排出用总管44连通的冷却水排出口74E。
图11是表示有关实施例4的固体高分子形燃料电池堆的端板70E的构成的概略图。端板70E在垂直于箭头T所示的电池20内的冷却水的流动方向的方向上设置多个切口90。
由切口90阻挡向端板70E的箭头T方向的热传导，电池20内的冷却水的流动方向的热传导量比与电池20内的冷却水流动方向垂直方向的热传导量低。因此，在端板70E的上部和下部之间保持温度差，抑制在端板70E上通过集电板50和绝缘板60邻接的电池20的上部的温度降低，使堆端部的电池20的温度分布近似于其他部分的电池20的温度分布。
在实施例4中，自端板70E的横方向的一方的边切入多个切口90，但是也可以自端板70E的横方向的双方的边互相不同地切入多个切口90。
另外，将固体高分子形燃料电池堆70E的热传导量在冷却水流动方向和与其垂直方向之间付与偏差的方式不局限于实施例4的构成。在以下说明的实施例5及实施例6，除了端板70E、80E的构成不同之外，和实施例4的基本构成同样，因此对同一部件付与同一符号省略其说明。
(实施例5)
图12表示有关实施例5的固体高分子形燃料电池堆的端板70F的构成。端板70F在沿着箭头T所示的冷却水流路32内的冷却水流动方向设置有多个孔92。孔92的形状，优选在与所述冷却水的流动方向垂直的方向向着长度的方向。
由孔92阻挡向端板70F的箭头T方向的热传导，电池20内的反应其他的流动方向的热传导量比与冷却水流路32内的冷却水流动方向垂直方向的热传导量低。因此，在端板70F的上部和下部之间保持温度差，抑制在端板70F上通过集电板50和绝缘板60邻接的电池20的上部的温度降低，使堆端部的电池20的温度分布近似于其他部分的电池20的温度分布。
(实施例6)
图13表示有关实施例6的固体高分子形燃料电池堆的端板70G的构成。端板70G在相对箭头T所示的冷却水流路32内的冷却水流动方向被分割为多块。端板70G在相对箭头T所示的冷却水流路32内的冷却水流动方向被分割为多块的结果，明显阻挡了被分割了的端板70G间的热传导，冷却水流路32内的冷却水流动方向的热传导量可比与冷却水流路32内的冷却水的流动方向垂直方向上的热传导量低。因此，在端板70G的上部和下部之间保持温度差，抑制在端板70F上通过集电板50和绝缘板60邻接的电池20的上部的温度降低，使堆端部的电池20的温度分布近似于其他部分的电池20的温度分布。
另外，在端板70G被分割为多块的情况下，每个端板70G的分割部分，用杆等捆紧固体高分子形燃料电池堆整体。
另外，实施例4～6所示的端板的板形状，不仅端板70、80，也可以使用在集电板50或绝缘板60上，进一步，也可以适用于端板70、80兼用于绝缘板60的构成。无论这样的哪一种构成，都阻挡集电板50或绝缘板60的冷却水流路32内的冷却水的流动方向的热传导，集电板50或绝缘板60的冷却水流路32内的冷却水的流动方向的热传导量可比与冷却水流路32内的冷却水的流动方向垂直方向上的热传导量低。因此，在集电板50或绝缘板60的上部和下部之间保持温度差，抑制堆端部的电池20的上部的温度降低，使堆端部的电池20的温度分布近似于其他部分的电池20的温度分布。
本发明并不局限于上述各实施例的方式，根据本领域技术人员的知识，可以添加各种设计变动等的变形，添加这些变形的实施方式也包含在本发明的范围内。另外，通过上述实施例1～3中的任一个的方式和上述实施例4～6的任一个方式的组合，能使堆端部的电池20的温度分布更近似于其之外的部分的电池20的温度分布。
(实施例7)
例如，图14表示有关实施例7的固体高分子形燃料电池堆的端板70H的构成。有关实施例7的固体高分子形燃料电池堆与实施例1的基本构成相同。在实施例7中，在端板70H上，对应电池20的高温区域，除了设置在其上部区域形成的大致连续S字形的路径的堆端部流路72H之外，还在其下部区域，在沿箭头T所示冷却水流路32内的冷却水的流动方向上设置有多个孔92H。
由此，由于端板70H的上部区域对应电池20的高温区域加热到适当温度，并且在端板70H的下部区域，生成伴随电池20内的冷却水的流动方向向下部则温度降低的温度梯度，因此，使堆端部的电池20的温度分布近似于其他部分的电池20的温度分布。
另外，也可以与实施例7的孔92H一起，或替代实施例7的孔92H，采用实施例4的切口90或实施例6的分割构造。
另外，在上述实施例中，堆端部流路由形成在端板上的槽构成，但是也可以将堆端部流路设置在端板外侧。此时，从保温的观点考虑，优选将堆端部流路用绝热材料覆盖。

Claims (28)

1、一种燃料电池堆，具有：
层叠体，其层叠多个电池和冷却极板，其中所述冷却板设置有冷却所述电池的热介质所流经的热介质流路，所述电池包括膜电极接合体、阳极侧极板和阴极侧极板，所述膜电极接合体具有电解质膜、设置在上述电解质膜的一方的面上的阳极和设置在所述电解质膜的另一方的面上的阴极膜，所述阳极侧极板具有与所述阳极对向的燃料流路，所述阴极侧极板具有与所述阴极对向的氧化剂流路；
端板，其夹隔集电板和绝缘板设置在所述层叠体的两端，紧固所述层叠体；和
堆端部流路，其设置在所述端板的与所述电池的高温区域对应的区域，并且流经通过了所述冷却极板的热介质。
2、根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，还具有：
第1流量控制元件，该第1流量控制元件根据所述热介质的温度控制流入所述堆端部流路的所述热介质的流量。
3、根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，还具有：
第2流量控制元件，该第2流量控制元件根据通过了所述冷却极板的热介质的温度，控制热介质的流量，该热介质贯通所述层叠体、流入与堆端部流路连通的冷却水排出用总管，并且通过设置在所述层叠体的端部的冷却极板。
4、根据权利要求2所述的燃料电池堆，其中，还具有：
第2流量控制元件，该第2流量控制元件根据通过了所述冷却极板的热介质的温度，控制热介质的流量，该热介质贯通所述层叠体、流入与堆端部流路连通的冷却水排出用总管，并且通过设置在所述层叠体的端部的冷却极板。
5、根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，
没有设置所述堆端部流路的所述端板的剩余部分中的流经所述热介质流路的热介质的流动方向的热传导性，比与流经所述热介质流路的热介质的流动方向垂直方向的热传导性小。
6、根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，
所述燃料流路、所述氧化剂流路及所述热介质流路，分别由多个直线状的流路构成，
流经所述燃料流路燃料和流经所述氧化剂流路的氧化剂形成为自上向下流动的并行流动，流经所述热介质流路的热介质相对所述燃料及所述氧化剂形成为并行流动或对向流动。
7、根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，
在所述集电板、所述绝缘板及所述端板中的至少一个堆端部构件中，流经所述热介质流路的热介质的流动方向的热传导性比与所述热介质的流动方向垂直方向的热传导性小。
8、根据权利要求7所述的燃料电池堆，其中，
在所述集电板、所述绝缘板及所述端板中的至少一个堆端部构件中，在与流经所述热介质流路的热介质的流动方向垂直方向上，设置多个切口。
9、根据权利要求7所述的燃料电池堆，其中，
在所述集电板、所述绝缘板及所述端板中的至少一个堆端部构件中，沿流经所述热介质流路的热介质的流动方向，设置多个孔。
10、根据权利要求7所述的燃料电池堆，其中，
所述集电板、所述绝缘板及所述端板中的至少一个堆端部构件，沿流经所述热介质流路的热介质的流动方向，被分割为多块。
11、一种燃料电池堆，具有：
层叠体，其层叠多个电池和冷却极板，其中所述冷却极板设置有冷却所述电池的热介质所流经的热介质流路，所述电池包括膜电极接合体、阳极侧极板和阴极侧极板，所述膜电极接合体具有电解质膜、设置在上述电解质膜的一方的面上的阳极和设置在所述电解质膜的另一方的面上的阴极膜，所述阳极侧极板具有与所述阳极对向的燃料流路，所述阴极侧极板具有与所述阴极对向的氧化剂流路；
端板，其夹隔集电板和绝缘板设置在所述层叠体的两端，紧固所述层叠体；和
第1堆端部流路，将所述端板分为第1区域和第2区域，所述第1区域对应所述电池的比较高温的区域，所述第2区域对应所述电池的比较低温的区域，该堆端部流路只设置在所述第1区域，并且流经通过了所述冷却极板的热介质。
12、根据权利要求11所述的燃料电池堆，其中，还具有：
第1流量控制元件，该第1流量控制元件根据所述热介质的温度控制流入所述堆端部流路的所述热介质的流量。
13、根据权利要求11所述的燃料电池堆，其中，还具有：
第2流量控制元件，该第2流量控制元件根据通过了所述冷却极板的热介质的温度，控制热介质的流量，该热介质贯通所述层叠体、流入与堆端部流路连通的冷却水排出用总管，并且通过设置在所述层叠体的端部的冷却极板。
14、根据权利要求12所述的燃料电池堆，其中，还具有：
第2流量控制元件，该第2流量控制元件根据通过了所述冷却极板的热介质的温度，控制热介质的流量，该热介质贯通所述层叠体、流入与堆端部流路连通的冷却水排出用总管，并且通过设置在所述层叠体的端部的冷却极板。
15、根据权利要求11所述的燃料电池堆，其中，
所述端板的第2区域中的流经所述热介质流路的热介质的流动方向的热传导性，比与流经所述热介质流路的热介质的流动方向垂直方向的热传导性小。
16、根据权利要求11所述的燃料电池堆，其中，
所述燃料流路、所述氧化剂流路及所述热介质流路，分别由多个直线状的流路构成，
流经所述燃料流路燃料和流经所述氧化剂流路的氧化剂形成为自上向下流动的并行流动，流经所述热介质流路的热介质相对所述燃料及所述氧化剂形成为并行流动或对向流动。
17、根据权利要求11所述的燃料电池堆，其其中，
在所述集电板、所述绝缘板及所述端板中的至少一个堆端部构件中，在与流经所述热介质流路的热介质的流动方向垂直方向上，设置多个切口。
18、根据权利要求11所述的燃料电池堆，其中，
在所述集电板、所述绝缘板及所述端板中的至少一个堆端部构件中，沿流经所述热介质流路的热介质的流动方向，设置多个孔。
19、根据权利要求11所述的燃料电池堆，其中，
所述集电板、所述绝缘板及所述端板中的至少一个堆端部构件，沿流经所述热介质流路的热介质的流动方向，被分割为多块。
20、一种燃料电池堆，具有：
层叠体，其层叠多个电池和冷却极板，其中所述冷却板设置有冷却所述电池的热介质所流经的热介质流路，所述电池包括膜电极接合体、阳极侧极板和阴极侧极板，所述膜电极接合体具有电解质膜、设置在上述电解质膜的一方的面上的阳极和设置在所述电解质膜的另一方的面上的阴极膜，所述阳极侧极板具有与所述阳极对向的燃料流路，所述阴极侧极板具有与所述阴极对向的氧化剂流路；
端板，其夹隔集电板和绝缘板设置在所述层叠体的两端，紧固所述层叠体；和
堆端部流路，其设置在所述端板上，并且备有的入口和出口，并流经热介质，该入口将通过了所述冷却极板的热介质流入所述端板，该出口将热介质流出到所述端板的外部，
其中，从所述入口到所述出口的流经所述热介质流路的热介质的流动方向的距离，为所述膜电极接合体的所述热介质的流动方向的距离的1/4以上1/2以下。
21、根据权利要求20所述的燃料电池堆，其中，还具有：
第1流量控制元件，该第1流量控制元件根据所述热介质的温度控制流入所述堆端部流路的所述热介质的流量。
22、根据权利要求20所述的燃料电池堆，其中，还具有：
第2流量控制元件，该第2流量控制元件根据通过了所述冷却极板的热介质的温度，控制热介质的流量，该热介质贯通所述层叠体、流入与堆端部流路连通的冷却水排出用总管，并且通过设置在所述层叠体的端部的冷却极板。
23、根据权利要求21所述的燃料电池堆，其中，还具有：
第2流量控制元件，该第2流量控制元件根据通过了所述冷却极板的热介质的温度，控制热介质的流量，该热介质贯通所述层叠体、流入与堆端部流路连通的冷却水排出用总管，并且通过设置在所述层叠体的端部的冷却极板。
24、根据权利要求20所述的燃料电池堆，其特征在于，
没有设置所述堆端部流路的所述端板的剩余部分中的流经所述热介质流路的热介质的流动方向的热传导性，比与流经所述热介质流路的热介质的流动方向垂直方向的热传导性小。
25、根据权利要求20所述的燃料电池堆，其中，
所述燃料流路、所述氧化剂流路及所述热介质流路，分别由多个直线状的流路构成，
流经所述燃料流路燃料和流经所述氧化剂流路的氧化剂形成为自上向下流动的并行流动，流经所述热介质流路的热介质相对所述燃料及所述氧化剂形成为并行流动或对向流动。
26、根据权利要求20所述的燃料电池堆，其中，
在所述集电板、所述绝缘板及所述端板中的至少一个堆端部构件中，在与流经所述热介质流路的热介质的流动方向垂直方向上，设置多个切口。
27、根据权利要求20所述的燃料电池堆，其中，
在所述集电板、所述绝缘板及所述端板中的至少一个堆端部构件中，沿流经所述热介质流路的热介质的流动方向，设置多个孔。
28、根据权利要求20所述的燃料电池堆，其中，
所述集电板、所述绝缘板及所述端板中的至少一个堆端部构件，沿流经所述热介质流路的热介质的流动方向，被分割为多块。
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