燃料電池堆棧的製作方法
2023-07-29 04:57:56 1
專利名稱：燃料電池堆棧的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池堆棧。更具體地，本發明涉及適合於循環使用液體燃料的燃料電池堆棧。
背景技術：
燃料電池是從燃料及氧化劑產生電能的裝置，能夠得到高的發電效率。作為燃料電池的主要特徵，如以往的發電方式所述可列舉不經過熱能或動能的過程的直接發電。因此，燃料電池即使是小規模也能期待高的發電效率。此外，由於氮化化合物等的排出少，噪聲或振動也小，因此環境性提高。如此，燃料電池由於能夠有效地利用燃料所具有的化學能，具有環境性優異的特性，所以作為擔負21世紀的能源供給系統而受到期待，作為能夠在從宇宙用到汽車用、可攜式設備用、從大規模發電到小規模發電的各種用途中使用的有前途的新的發電系統而受到注目，正式開始面向實用化的技術開發。
尤其近年來，作為燃料電池的一方式，直接甲醇燃料電池(DirectMethanol Fuel CellDMFC)備受注目。DMFC在不改質燃料即甲醇的情況下直接向陽極供給，通過甲醇和氧的電化學反應得到電力。甲醇與氫相比，由於每單位體積的能量高，此外，由於適合於貯存，爆炸等危險性也低，所以在汽車或可攜式設備等的電源中的應用受到期待。
專利文獻1公開了疊層多個電池，經由集電體等用一對端板夾持了電池的疊層體的燃料電池堆棧。在專利文獻1的燃料電池堆棧中，在不同的端板上設置有用於向各電池分配液體燃料的歧管(manifold)的入口、和用於回收從電池排出的未反應的液體燃料的歧管的出口。
專利文獻1特開2005-108850號公報由於燃料電池的電位隨著在燃料電池堆棧內流通而變化，因此在向燃料電池堆棧供給前的液體燃料和從燃料電池堆棧排出的廢燃料之間產生電位差。因此，如果使從燃料電池堆棧排出的廢燃料循環，向燃料電池堆棧供給，則會對液體燃料所接觸的配管或罐等金屬部分施加電壓。如果在該狀態下液體燃料或副生成物的蟻酸等幹預金屬部分，則金屬部分的腐蝕加劇。因腐蝕而產生的金屬離子如果通過配管進入燃料電池堆棧，則吸附在電解質膜上使離子傳導性降低等，從而燃料電池堆棧的性能劣化。
發明內容
本發明正是鑑於如此的問題而提出的，其目的在於提供一種能夠抑制與燃料電池堆棧連接的燃料供給用的配管等的金屬部分的腐蝕的技術。
本發明的一方式提供一種燃料電池堆棧，其疊層有採用液體燃料和氧化劑進行發電的多個電池，其特徵在於，用於向各電池分配液體燃料的燃料供給用歧管的入口部分和用於排出從各電池排出的廢燃料的燃料排出用歧管的出口部分電連接。
根據該方式，從燃料電池堆棧排出的廢燃料的電位和向燃料電池堆棧供給的液體燃料的電位變得相同。由此，在使從燃料電池堆棧排出的廢燃料循環並向燃料電池堆棧供給的情況下，可抑制液體燃料所接觸的配管或罐等金屬部分的腐蝕的進行。
在所述方式的燃料電池堆棧中，燃料供給用歧管的入口部分及燃料排出用歧管的出口部分可以設置在隔著集電體及絕緣體夾持多個電池的疊層體的一對端板中具有導電性的任一個端板上。
根據該方式，通過具有導電性的端板，除了燃料供給用歧管的入口部分及燃料排出用歧管的出口部分變為相等電位之外，還能夠將與燃料供給用歧管及燃料排出用歧管分別連接的配管匯總在一側。
在所述方式的燃料電池堆棧中，多個電池可以在鉛直方向上疊層，燃料供給用歧管的入口部分及燃料排出用歧管的出口部分可以配置在相對多個電池設在上側的端板上。
根據該方式，通過使燃料供給用歧管的入口部分及燃料排出用歧管的出口部分集中在燃料電池堆棧的上面，能夠容易地將配管與燃料供給用歧管及燃料排出用歧管連接。
根據本發明，可抑制與燃料電池堆棧連接的燃料供給用的配管的金屬部分的腐蝕。
圖1是表示採用了實施方式的燃料電池堆棧的燃料電池系統的整體結構的概略圖。
圖2是表示燃料電池系統的結構的分解側視圖。
圖3是表示燃料電池系統的結構的分解側視圖(視線方向從上方朝向下方)。
圖4是表示燃料電池系統的結構的分解側視圖(視線方向從下方朝向上方)。
圖5是表示膜電極接合體的結構的圖。
圖6是表示在隔板的下面設置的液體燃料流路的立體圖。該立體圖的視線從隔板的下方朝向上方。
圖7是表示在隔板的上面設置的液體燃料流路的立體圖。該立體圖的視線從隔板的上方朝向下方。
圖中10-燃料電池堆棧，20-燃料電池系統，30-單體電池，31-膜電極接合體，40-隔板，50a、50b-集電體，70a、70b、70c、70d-流路形成板，80a、80b-端板，100-燃料供給用歧管，110-燃料排出用歧管，120-氧化劑供給用歧管，130-氧化劑排出用歧管。
具體實施例方式
圖1是表示採用了實施方式的燃料電池堆棧10的燃料電池系統20的整體結構的概略圖。燃料電池系統20具備燃料電池堆棧10、燃料存儲部21、燃料補給用泵22、燃料用緩衝罐23、燃料供給用泵24及氧化劑供給用泵25。
燃料電池堆棧10採用甲醇水溶液及空氣，通過電化學反應產生電力。關於燃料電池堆棧10的詳細的結構，將在後面敘述。
燃料存儲部21貯存高濃度的甲醇水溶液。在燃料用緩衝罐23內的甲醇水溶液的濃度下降時，通過燃料補給用泵22，向燃料用緩衝罐23適當供給貯存在燃料存儲部21中的高濃度的甲醇水溶液。
燃料用緩衝罐23貯留向燃料電池堆棧10供給的甲醇水溶液。貯留在燃料用緩衝罐23中的甲醇水溶液被稀釋到0.5～1.5mol/L。通過燃料供給用泵24，經由配管26從燃料用緩衝罐23向燃料電池堆棧10供給甲醇水溶液。在燃料電池堆棧10中的反應後殘存的液體燃料及通過甲醇和空氣的反應而生成的二氧化碳，經由配管27被回收到燃料用緩衝罐23中。回收到燃料用緩衝罐23中的二氧化碳被排出到燃料電池系統20的外部。如此，甲醇水溶液在包括燃料電池堆棧10及燃料用緩衝罐23的路徑中循環。另外，也可以通過在配管27的途中設置熱交換器，來冷卻從燃料電池堆棧10排出的液體燃料，也可以利用來自所排出的液體燃料的熱，來加溫向燃料電池堆棧10供給的液體燃料或空氣。
氧化劑供給用泵25向燃料電池堆棧10供給從外部取入的空氣。未反應的空氣或通過甲醇和空氣的反應而生成的水等生成物的一部分被向外部排出。
圖2是表示燃料電池10的結構的分解側視圖。圖3是表示燃料電池10的結構的分解側視圖(視線方向從上方朝向下方)。圖4是表示燃料電池10的結構的分解側視圖(視線方向從下方朝向上方)。
燃料電池堆棧10具有多個單體電池30、一對集電體50a和集電體50b、一對絕緣板60a和絕緣板60b、多個流路形成板70a、70b、70c、70d、及一對端板80a和端板80b。端板80a和端板80b通過螺栓82連結在一起。另外，螺栓82和端板80a之間被絕緣部件84絕緣。
各單體電池30具有通過隔板40隔開的、膜電極接合體31、陰極擴散層32及陽極擴散層33，通過甲醇和氧的電化學反應產生電力。多個單體電池30在鉛直方向上疊層。多個單體電池30通過配線(未圖示)串聯地電連接。
膜電極接合體31包括電解質膜34、設在電解質膜34的上面側的陽極電極35、設在電解質膜34的下面側的陰極電極36(參照圖5)。電解質膜34由ナフイオン(註冊商標)等質子傳導性的聚合物形成。陽極電極35使用鉑催化劑、或鉑釕合金催化劑，陰極電極36例如使用鉑催化劑。在陽極電極35上配置有多孔性的陽極擴散層37。此外，在陰極電極36下配置有由石墨氈(carbon felt)、複寫紙(carbon paper)等構成的陰極擴散層38。
如圖6所示，在隔板40的下面側設置有液體燃料流路41。液體燃料流路41的入口與燃料供給用歧管100連通，液體燃料流路41的出口與燃料排出用歧管110連通。
此外，如圖7所示，在隔板40的上面側形成有氧化劑流路42。氧化劑流路42的入口與氧化劑供給用歧管120連通，氧化劑流路42的出口與氧化劑排出用歧管130連通。
另外，如圖2所示，在膜電極接合體31的上面和設在膜電極接合體31的上面側的隔板40之間、及膜電極接合體31的下面和設在膜電極接合體31的下面側的隔板40之間，分別設置有填料等密封部件39。通過密封部件39，抑制了甲醇水溶液及空氣從各單體電池30洩漏。在密封部件39橫切液體燃料流路41或氧化劑流路42的部位，設置有保護板43。
一對集電體50a、50b分別設在由多個單體電池30構成的疊層體的兩側。一方的集電體50a用作負極，另一方的集電體50b用作正極。
絕緣板60a配置在集電體50a和流路形成板70b之間。此外，絕緣板60b配置在集電體50b和流路形成板70c之間。絕緣板60a及絕緣板60b除了電絕緣性之外優選還具有耐熱性、機械強度、尺寸穩定性、耐水性等特性。作為具備如此特性的材料，可列舉乙烯·丙烯橡膠等。
流路形成板70a和流路形成板70b設在絕緣板60a和端板80a之間。在流路形成板70a及流路形成板70b上形成有歧管用的貫通孔或槽。另一方面，流路形成板70c及流路形成板70d設在絕緣板60b和端板80b之間。在流路形成板70c上形成有歧管用的貫通孔或槽。在流路形成板70c上形成有歧管用的貫通孔或槽。在流路形成板70d上形成有歧管用的貫通孔或槽。作為流路形成板70a、70b、70c及70d所使用的材料，可列舉樹脂、碳等。
端板80a及端板80b由具有機械強度的材料形成。進而，端板80a具有導電性。例如，作為端板80a及端板80b，可採用不鏽鋼，在作為端板80a採用了不鏽鋼的情況下，通過實施金鍍敷而對端板80a賦予導電性。
燃料供給用歧管100由液體燃料下降的部分(以下，稱為第1分區)、接住下降的液體燃料並使液體燃料流動的方向折回的連接部分(以下，稱為第2分區)、用於使在第2分區中流通的液體燃料向上方送出的部分(以下，稱為第3分區)構成，在端板80a上具有其入口部分。在燃料供給用歧管100中流通的液體燃料在第3分區中被分配給各單體電池30。
燃料供給用歧管100的第1分區通過連結分別設在端板80a、流路形成板70a、流路形成板70b、絕緣板60、各隔板40、各膜電極接合體31、絕緣板60b及流路形成板70c上的貫通孔而形成。燃料供給用歧管100的第2分區通過分別設在流路形成板70c及作流路形成板70d上的槽71、槽72而形成。燃料供給用歧管100的第3分區通過連結分別設在流路形成板70c、各隔板40及各膜電極接合體31上的貫通孔而形成。
燃料排出用歧管110在端板80a上具有其出口部分。燃料排出用歧管110通過連結分別設在各隔板40、各膜電極接合體31、絕緣板60a、流路形成板70b、流路形成板70a及端板80a上的貫通孔而形成。
氧化劑供給用歧管120在端板80a上具有其入口部分。氧化劑供給用歧管120通過連結分別設在端板80a、流路形成板70a、流路形成板70b、絕緣板60、各隔板40及各膜電極接合體31上的貫通孔而形成。
氧化劑排出用歧管130由反應後的空氣、通過反應而生成的水(以下，稱為廢液氣)下降的部分(以下，稱為第4分區)、接住下降的廢液氣並使廢液氣流動的方向折回的連接部分(以下，稱為第5分區)、用於使在分區E中流通的廢液氣向上方送出的部分(以下，稱為第6分區)構成，在端板80a上具有其出口部分。
氧化劑排出用歧管130的第4分區通過連結分別設在各隔板40、各膜電極接合體31、絕緣板60b、流路形成板70c上的貫通孔而形成。氧化劑排出用歧管130的第5分區通過分別設在流路形成板70c及流路形成板70d上的槽73、槽74而形成。此外，氧化劑排出用歧管130的第6分區通過連結分別設在流路形成板70c、各隔板40、各膜電極接合體31、絕緣板60a、流路形成板70b、流路形成板70a及端板80a上的貫通孔而形成。
在本實施方式中，氧化劑排出用歧管130的第6分區的截面積比第4分區的截面積小。據此，由於在氧化劑排出用歧管130的第6分區中廢液氣的流速上升，所以能夠從燃料電池堆棧10可靠且迅速地排出廢液氣所包含的生成水。
根據以上說明的本實施方式，通過端板80a電連接了燃料供給用歧管100的入口部分和燃料排出用歧管110的出口部分。由此，從燃料電池堆棧10排出的廢燃料的電位和向燃料電池堆棧10供給的液體燃料的電位變得相同。其結果是，在使從燃料電池堆棧10排出的廢燃料循環並向燃料電池堆棧10供給的情況下，可抑制液體燃料所接觸的配管或罐等金屬部分的腐蝕的進行。
此外，在本實施方式的燃料電池堆棧10中，將燃料供給用歧管100的入口部分、燃料排出用歧管110的出口部分、氧化劑供給用歧管120的入口部分及氧化劑排出用歧管130的出口部分都設在相同的端板80a上。由此，能夠將與各歧管連接的配管的路徑匯總在一處而簡化，能夠實現燃料電池系統20的小型化。此外，由於各歧管和配管的連接部分相互配置在附近，所以能夠容易地進行配管的安裝作業或連接狀態的確認作業。
本發明並不限定於上述的實施方式，也可以基於本領域普通技術人員的知識而施加各種設計變更等變形，被施加了如此變形的實施方式也包含在本發明的範圍內。
例如，在上述的實施方式中，通過端板80a電連接了燃料供給用歧管100的入口部分和燃料排出用歧管110的出口部分，但並不局限於此。例如，也可以將燃料供給用歧管100的入口部分和燃料排出用歧管110形成於在燃料電池堆棧10的側面配置的導電板上。
權利要求
1.一種燃料電池堆棧，其疊層有採用液體燃料和氧化劑進行發電的多個電池，其特徵在於，用於向各電池分配所述液體燃料的燃料供給用歧管的入口部分和用於排出從各電池排出的廢燃料的燃料排出用歧管的出口部分電連接。
2.如權利要求1所述的燃料電池堆棧，其特徵在於，所述燃料供給用歧管的入口部分及燃料排出用歧管的出口部分設置在隔著集電體及絕緣體夾持所述多個電池的疊層體的一對端板中具有導電性的任一個端板上。
3.如權利要求2所述的燃料電池堆棧，其特徵在於，所述多個電池在鉛直方向上疊層，所述燃料供給用歧管的入口部分及燃料排出用歧管的出口部分配置在相對所述多個電池設在上側的端板上。
全文摘要
本發明提供一種燃料電池堆棧，可抑制與燃料電池堆棧連接的配管等的金屬部分的腐蝕。燃料電池堆棧(10)具有採用甲醇水溶液和空氣進行發電的多個單體電池(30)。多個單體電池(30)在鉛直方向上疊層。用於向各單體電池(30)分配甲醇水溶液的燃料供給用歧管(100)的入口部分和用於回收從各單體電池(30)排出的廢燃料的燃料排出用歧管(110)的出口部分設置在共用的具有導電性的端板(80a)上。由此，在使從燃料電池堆棧(10)排出的廢燃料循環並向燃料電池堆棧(10)供給的情況下，可使從燃料電池堆棧(10)排出的廢燃料的電位和向燃料電池堆棧(10)供給的液體燃料的電位相同，從而抑制配管等的金屬部分的腐蝕。
文檔編號H01M8/24GK101030648SQ20071000510
公開日2007年9月5日 申請日期2007年2月9日 優先權日2006年2月28日
發明者南浦武史, 藤田悟朗, 木船研兒, 安尾耕司 申請人:三洋電機株式會社