燃料电池堆的制作方法

1.本公开涉及一种燃料电池堆。


背景技术：

2.日本特开2019-121562号公报公开了一种燃料电池堆。燃料电池堆包括在水平方向上堆叠的发电电池。每个发电电池均为矩形板状。每个发电电池均包括塑料框架、电解质膜电极结构、第一金属隔板和第二金属隔板。第一金属隔板和第二金属隔板将塑料框架和电解质膜电极结构保持在第一金属隔板和第二金属隔板之间。电解质膜电极结构包括固体聚合物电解质膜、阳极和阴极。阳极和阴极将固体聚合物电解质膜保持在阳极和阴极之间。
3.燃料电池堆包括水平延伸的气体歧管以及在气体歧管下方的位置处水平延伸的排水管(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它们的位于水平方向的一侧的端部处彼此连接。排水管排放在燃料电池堆的操作期间产生的水。
4.上述燃料电池堆被构造成使得气体歧管和排水管水平延伸并且在它们的端部处彼此连接，并且气体歧管位于排水管上方。由此，当燃料电池堆操作使得燃料电池堆的温度相对高时，气体歧管中的气体中的水蒸气几乎不流向排水管。
5.另一方面，当燃料电池堆停止操作使得燃料电池堆的温度相对低时，水蒸气在气体歧管中冷凝，使得在气体歧管中产生大量液态水。当在气体歧管中产生大量液态水时，液态水可以流入连接到气体歧管的管道中并且例如在寒冷气候区域中冻结。这可能导致管道中的阀发生故障。因此，在减少由于气体歧管中的水蒸气冷凝而产生的液态水的量方面存在改进空间。


技术实现要素：

6.提供本发明内容是为了以简化的形式介绍一些概念，这些概念将在下面的具体实施方式中进一步说明。本发明内容不旨在表明所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
7.在一个总的方面中，燃料电池堆包括在上下方向上堆叠的发电电池。发电电池均被构造为通过使用气体来发电。每个发电电池均包括膜电极组件、支撑膜电极组件的支撑框架以及将膜电极组件和支撑框架保持在隔板之间的两个隔板。每个发电电池均包括第一孔和第二孔。发电电池的第一孔形成气体歧管。气体歧管在上下方向上延伸，并且气体流过气体歧管。发电电池的第二孔形成通道。通道与气体歧管相邻并且在上下方向上延伸。气体歧管和通道在气体歧管和通道的上端处彼此连接。
8.根据以下具体实施方式、附图和技术方案，其它特征和方面将显而易见。
附图说明
9.图1是根据一个实施方式的燃料电池堆的端视图。
10.图2是发电电池的分解立体图。
11.图3是仿造电池(dummy cell)的分解立体图。
12.图4是图1的局部放大图。
13.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、图示和方便起见，附图中的要素的相对尺寸、比例和描绘可能被夸大。
具体实施方式
14.本具体实施方式提供对所描述的方法、设备和/或系统的全面理解。所描述的方法、设备和/或系统的变型和等同方案对本领域技术人员而言是显而易见的。操作的序列是示例性的，并且除了必须以特定顺序进行的操作以外，对本领域技术人员而言显而易见地可以改变。可以省略对本领域技术人员而言公知的功能和结构的描述。
15.示例性实施方式可以具有不同的形式，并且不限于所描述的示例。然而，所描述的示例是细致和完整的，并且将本公开的全部范围传达给本领域技术人员。
16.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”。
17.现在将参照附图说明根据一个实施方式的燃料电池堆11。
18.如图1所示，燃料电池堆11包括电池堆主体14。电池堆主体14包括矩形板状的发电电池12和矩形板状的仿造电池13。发电电池12和仿造电池13在厚度方向上堆叠。发电电池12通过使用包含氢气的燃料气体和包含氧气的氧化剂气体来发电。仿造电池13不发电。发电电池12和单个仿造电池13在上下方向z上堆叠。
19.仿造电池13堆叠在堆叠的发电电池12的顶部上。也就是说，仿造电池13位于电池堆主体14的顶部。端板17配置在电池堆主体14的上端和下端中的每一者处，在端板17和电池堆主体14之间具有端子板15和绝缘板16。端子板15集电，并且绝缘板16进行绝缘。
20.如图1和图2所示，每个发电电池12均包括矩形片状膜电极组件18(mea)、塑料支撑框架19和两个金属隔板20。支撑框架19包括中央部的开口。支撑框架19在中央部的开口处支撑膜电极组件18。两个隔板20在上下方向z上将膜电极组件18和支撑框架19保持在两个隔板20之间。
21.在每个发电电池12中，燃料气体被供应到膜电极组件18的上下方向z的一侧(阳极侧)，并且氧化剂气体被供应到膜电极组件18的另一侧(阴极侧)。然后，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。每个发电电池12均在长度方向上的相反端处具有孔(在本实施方式中为七个孔)。七个孔延伸穿过支撑框架19和隔板20的长度方向上的相反端。
22.这七个孔包括作为第一孔的一个示例的燃料气体供应孔21、作为第二孔的一个示例的通道形成孔22、燃料气体排放孔23、氧化剂气体供应孔24、氧化剂气体排放孔25、冷却介质供应孔26和冷却介质排放孔27。发电电池12的燃料气体供应孔21形成作为气体歧管的一个示例的燃料气体供应通道28。气体歧管在上下方向z上延伸并且被供应有作为气体的一个示例的燃料气体。
23.在每个发电电池12中，通道形成孔22与燃料气体供应孔21相邻，并且位于燃料气体供应孔21的与膜电极组件18相反的一侧。发电电池12的通道形成孔22形成通道29，通道29与燃料气体供应通道28相邻并且位于燃料气体供应通道28的与膜电极组件18相反的一
侧。通道29在上下方向z上延伸。燃料气体供应通道28和通道29在上端彼此连接。本实施方式的每个燃料气体供应孔21均为矩形形状，这是形状的一个示例。本实施方式的每个通道形成孔22均为圆形形状，这是形状的一个示例。燃料气体供应孔21的面积大于通道形成孔22的面积。
24.发电电池12的燃料气体排放孔23形成燃料气体排放通道30，燃料气体排放通道30在上下方向z上延伸并且燃料气体被排放到燃料气体排放通道30。发电电池12的氧化剂气体供应孔24形成氧化剂气体供应通道(未示出)，氧化剂气体供应通道在上下方向z上延伸并被供应有氧化剂气体。发电电池12的氧化剂气体排放孔25形成氧化剂气体排放通道(未示出)，氧化剂气体排放通道在上下方向z上延伸并且氧化剂气体被排放到氧化剂气体排放通道。发电电池12的冷却介质供应孔26形成冷却介质供应通道(未示出)，冷却介质供应通道在上下方向z上延伸并且被供应有诸如冷却剂的冷却介质。发电电池12的冷却介质排放孔27形成冷却介质排放通道(未示出)，冷却介质排放通道在上下方向z上延伸并且冷却介质被排放到冷却介质排放通道。
25.如图1和图3所示，仿造电池13相当于发电电池12，其中膜电极组件18被矩形片状导体31代替，上隔板20被仿造隔板20a代替。仿造电池13包括与发电电池12的隔板20相同的下隔板。也就是说，仿造电池13包括导体31、在中央部的开口处支撑导体31的支撑框架19、仿造隔板20a以及隔板20。仿造电池13的导体31和支撑框架19在上下方向z上被保持在仿造隔板20a以及隔板20之间。
26.仿造隔板20a具有与发电电池12的隔板20相同的结构，除了省略了燃料气体供应孔21和通道形成孔22，并且在作为壁表面的一个示例的下表面33上设置突起34。由于仿造电池13缺少膜电极组件18，因此仿造电池13在被供应有燃料气体和氧化剂气体时不发电。
27.仿造隔板20a的下表面33位于燃料气体供应通道28和通道29彼此连接的区段的上方。突起34配置在仿造隔板20a的下表面33的对应于燃料气体供应通道28和通道29彼此连接的区段的部分。突起34具有三角形截面形状。突起34包括倾斜表面35，倾斜表面35的高度从对应于燃料气体供应通道28的一侧朝向对应于通道29的一侧降低。倾斜表面35的最低部分对应于通道29。倾斜表面35的最高部分对应于燃料气体供应通道28。
28.如图1所示，燃料电池堆11包括衬垫36，衬垫36分别在一个端子板15和对应的隔板20之间提供密封，在另一个端子板15和仿造隔板20a之间提供密封，在每个支撑框架19和对应的隔板20之间提供密封，在仿造隔板20a和对应的支撑框架19之间提供密封以及在隔板20之间提供密封。
29.位于燃料电池堆11下端的端子板15、绝缘板16和端板17包括延伸穿过端子板15、绝缘板16和端板17的燃料气体供应口37、燃料气体排放口38和液态水排放口39。燃料气体供应口37、燃料气体排放口38和液态水排放口39分别连接到燃料气体供应通道28、燃料气体排放通道30和通道29。
30.燃料气体供应口37连接到从气罐40延伸的气体供应管道41。气罐40储存燃料气体。压力调节阀42设置在气体供应管道41上。压力调节阀42被构造为调节从气罐40经由气体供应管道41供应到燃料气体供应口37的燃料气体的压力。
31.燃料气体排放口38连接到沿上下方向z延伸的第一排放管道43的上端。燃料气体排放口38将含水的未反应燃料气体排放到第一排放管道43。气液分离器44和第一开关阀45
设置在第一排放管道43上。气液分离器44被构造成将水与从燃料气体排放口38排放的未反应燃料气体分离。
32.第一开关阀45在气液分离器44下方的位置处设置在第一排放管道43上。第一开关阀45通常关闭，并且当排放已经在气液分离器44中从未反应燃料气体分离的水时打开。气液分离器44的一侧和气体供应管道41的在压力调节阀42和燃料气体供应口37之间的区段通过水平延伸的联接管道46彼此连接。
33.泵47设置在联接管道46上。泵47被构造为将未反应燃料气体(水已经通过气液分离器44与之分离)输送到气体供应管道41。液态水排放口39连接到在上下方向z上延伸的第二排放管道48的上端。第二开关阀49设置在第二排放管道48上。第二开关阀49通常关闭，并且当排放积聚在通道29中的液态水时打开。
34.位于燃料电池堆11下端的端子板15、绝缘板16和端板17包括延伸穿过端子板15、绝缘板16和端板17的氧化剂气体供应口(未示出)和氧化剂气体排放口(未示出)。氧化剂气体供应口和氧化剂气体排放口分别连接到氧化剂气体供应通道(未示出)和氧化剂气体排放通道(未示出)。管道(未示出)连接到氧化剂气体供应口和氧化剂气体排放口中的每一者。
35.位于燃料电池堆11下端的端子板15、绝缘板16和端板17包括延伸穿过端子板15、绝缘板16和端板17的冷却介质供应口(未示出)和冷却介质排放口(未示出)。冷却介质供应口和冷却介质排放口分别连接到冷却介质供应通道(未示出)和冷却介质排放通道(未示出)。管道(未示出)连接到冷却介质供应口和冷却介质排放口中的每一者。
36.现在将说明燃料电池堆11的操作。
37.参考图1和图4，当燃料电池堆11发电时，气罐40中的燃料气体经由气体供应管道41和燃料气体供应口37供应到燃料气体供应通道28。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。然后，供应到燃料气体供应通道28的燃料气体被供应到位于仿造电池13下方的每个发电电池12的膜电极组件18的阳极侧表面。
38.每个发电电池12的膜电极组件18的阴极侧表面经由氧化剂气体供应通道(未示出)从氧化剂气体供应口(未示出)被供应氧化剂气体。在每个发电电池12的膜电极组件18中，通过供应到阴极侧表面的氧化剂气体和供应到阳极侧表面的燃料气体的电化学反应发电。
39.膜电极组件18中的未反应燃料气体包含水，并经由燃料气体排放通道30和燃料气体排放口38排放到第一排放管道43。在气液分离器44将水与排放到第一排放管道43的未反应燃料气体分离之后，泵47经由联接管道46将未反应燃料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的燃料气体一起被再次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经由氧化剂气体排放通道(未示出)从氧化剂气体供应口(未示出)排放。
40.在燃料电池堆11的操作期间，由于燃料电池堆11的温度相对高，因此燃料电池堆11中的水处于水蒸气状态。特别地，由于供应到燃料气体供应通道28的燃料气体含水，所以水蒸气存在于燃料气体供应通道28中。由于燃料气体供应通道28和通道29在上端处彼此连接，因此燃料气体供应通道28中的一些水蒸气流入通道29中。
41.当燃料电池堆11的操作停止时，燃料电池堆11的温度下降。然后，燃料气体供应通
道28中的水蒸气冷凝成为液态水w。然而，由于燃料气体供应通道28中的一些水蒸气已经在燃料电池堆11的操作期间流入通道29，因此由于水蒸气冷凝而在燃料气体供应通道28中产生的液态水w的量减少。
42.此外，燃料气体供应通道28中的一些水蒸气收集并冷凝在燃料气体供应通道28上方的仿造隔板20a的下表面33和倾斜表面35上，从而变成液态水w。液态水w沿着倾斜表面35朝向通道29流动并由于重力而滴落到通道29中。这减少了从仿造隔板20a的下表面33滴落到燃料气体供应通道28中的液态水w的量。
43.如果燃料电池堆11缺少通道29，则由于水蒸气的冷凝，将在燃料气体供应通道28中产生大量液态水w。于是，液态水w会由于重力而从燃料气体供应通道28经由燃料气体供应口37流入气体供应管道41中。
44.如果燃料电池堆11用于温度可能下降到冰点以下的区域(诸如寒冷气候区域)，则流入气体供应管道41的液态水w会冻结。这可能堵塞气体供应管道41或冻结压力调节阀42。结果，燃料气体将不容易从气罐40供应到燃料气体供应通道28，由此燃料电池堆11将不能容易地开始操作。
45.然而，本实施方式的燃料电池堆11包括通道29和倾斜表面35，通道29的上端连接到燃料气体供应通道28，倾斜表面35位于燃料气体供应通道28和通道29彼此连接的区段的上方。由此，本实施方式的燃料电池堆11允许燃料气体供应通道28中的一些水蒸气流入通道29，并将由于水蒸气冷凝而在燃料气体供应通道28中产生的一些液态水w引导到通道29。
46.因此，本实施方式减少了当温度由于燃料电池堆11的操作停止而下降时存在于燃料气体供应通道28中的液态水w的量。这也减少了由于重力从燃料气体供应通道28经由燃料气体供应口37流入气体供应管道41的液态水w的量。结果，即使燃料电池堆11用于温度可能下降到冰点以下的区域(诸如寒冷气候区域)，也防止气体供应管道41由于液态水w的冻结而堵塞，并且防止压力调节阀42冻结。由此，本实施方式改善了燃料电池堆11在温度可能下降到冰点以下的区域(诸如寒冷气候区域)中的启动性能。
47.当使用燃料电池堆11的区域的温度不处于液态水w的冰点温度时，通过打开第二开关阀49，积聚在通道29中的液态水w从第二排放管道48顺利地排放到外部。
48.上述实施方式实现了以下优点。
49.(1)燃料电池堆11包括在上下方向z上堆叠的发电电池12。发电电池12被构造为通过使用燃料气体发电。每个发电电池12均包括膜电极组件18、支撑膜电极组件18的支撑框架19以及将膜电极组件18和支撑框架19保持在其间的两个隔板20。每个发电电池12均包括燃料气体供应孔21和通道形成孔22。发电电池12的燃料气体供应孔21形成燃料气体供应通道28，燃料气体供应通道28在上下方向z上延伸，并且燃料气体流过燃料气体供应通道28。发电电池12的通道形成孔22形成通道29，通道29与燃料气体供应通道28相邻并在上下方向z上延伸。燃料气体供应通道28和通道29在上端彼此连接。
50.利用这种构造，当燃料电池堆11的温度相对高时，燃料气体供应通道28中的一些水蒸气流入通道29。由此，当燃料电池堆11的温度下降时，由于水蒸气冷凝而在燃料气体供应通道28中产生的液态水w的量减少。这减少了由于重力而从燃料气体供应通道28向下流入气体供应管道41中的液态水w的量。结果，即使燃料电池堆11的温度下降到冰点以下，气体供应管道41中的液态水w的冻结也不会堵塞气体供应管道41或导致压力调节阀42发生故
障。
51.(2)燃料电池堆11包括在燃料气体供应通道28和通道29彼此连接的区段上方的壁表面(仿造隔板20a的下表面33)。壁表面(下表面33)包括倾斜表面35，倾斜表面35的高度从对应于燃料气体供应通道28的一侧朝向对应于通道29的一侧降低。
52.利用这种构造，当燃料气体供应通道28中的水蒸气在收集在倾斜表面35上的同时冷凝并变成液态水w时，液态水w由于重力而沿着倾斜表面35流向通道29。这容易将由于燃料气体供应通道28中的水蒸气冷凝而产生的液态水w引导到通道29。
53.变型
54.可以如下变型上述实施方式。只要组合的变型在技术上保持彼此一致，就可以组合上述实施方式和以下变型。
55.仿造隔板20a的下表面33中的倾斜表面35可以具有比下表面33中除了倾斜表面35之外的区段的亲水性高的亲水性。在这种情况下，具有倾斜表面35的突起34的材料的亲水性可以高于仿造隔板20a的材料的亲水性。可替代地，倾斜表面35可以涂覆有亲水性高于仿造隔板20a的材料的亲水性的涂覆材料。利用这种构造，当水蒸气收集在仿造隔板20a的下表面33的除了倾斜表面35之外的区段上并冷凝成液态水w时，液态水w顺利地流到倾斜表面35。
56.突起34可以省略。
57.突起34可以与仿造隔板20a的下表面33一体形成。可替代地，突起34可以与仿造隔板20a分开形成，然后附接到仿造隔板20a的下表面33。
58.突起34可以形成为圆锥体或多棱锥。
59.燃料气体供应孔21和通道形成孔22的形状可以改变。
60.燃料气体供应孔21的面积可以等于或小于通道形成孔22的面积。
61.燃料气体供应孔21和通道形成孔22可以具有相同的形状。
62.在燃料电池堆11中，气体可以是氧化剂气体，第一孔可以是氧化剂气体供应孔24，气体歧管可以是在上下方向z上延伸并被供应氧化剂气体的氧化剂气体供应通道(未示出)。通道29可以形成为使得通道29的上端和氧化剂气体供应通道的上端彼此连接。
63.可以从燃料电池堆11省略仿造电池13。在这种情况下，代替仿造隔板20a的下表面33，上端子板15的下表面可以用作位于燃料气体供应通道28和通道29彼此连接的区段上方的壁表面。在这种情况下，突起34设置在上端子板15的下表面。
64.燃料电池堆11可用于诸如电池(battery)电动车辆或混合动力电动车辆的汽车中的燃料电池系统。可替代地，燃料电池堆11可以用在室外安装的固定燃料电池系统中。
65.在不脱离权利要求及其等同方案的精神和范围的情况下，可以对以上示例做出形式和细节上的各种改变。这些示例仅用于说明，而不是以限制为目的。各示例中的特征的说明应被认为适用于其它示例中的类似特征或方面。如果以不同顺序进行排序，和/或如果所说明的系统、架构、设备或电路中的部件被不同地组合和/或由其它部件或其等同物替换或补充，则可以实现适当的结果。本公开的范围不由具体实施方式限定，而是由权利要求及其等同方案限定。权利要求及其等同方案的范围内的所有变化都包括在本公开中。