燃料電池堆和燃料電池系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種燃料電池堆，其具有通過層疊多個燃料電池而在層疊方向上延伸設置的、用于將在燃料電池中使用過的氣體排出到外部的內部歧管，該燃料電池堆具有延伸設置構件，該延伸設置構件以與內部歧管的內壁面接觸的狀態(tài)在層疊方向上延伸設置。
【專利說明】燃料電池堆和燃料電池系統(tǒng)

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種由多個燃料電池層疊而構成的燃料電池堆和具有該燃料電池堆 的燃料電池系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002] 燃料電池以電解質膜被陽極電極和陰極電極夾住的方式構成，使用含有被供給至 陽極電極的氫的陽極氣體和含有被供給至陰極電極的氧的陰極氣體進行發(fā)電。在陽極電極 和陰極電極這兩個電極處進行的電化學反應如下所示。
[0003] 陽極電極：2H2 - 4H++4e · · · (1)
[0004] 陰極電極：4H++4e-+02 - 2H20 · · · (2)
[0005] 通過上述⑴（2)的電化學反應，燃料電池將產(chǎn)生IV(伏特）程度的電動勢。
[0006] 在將這樣的燃料電池作為汽車用電源來使用的情況下，因為需求的電力較大，需 要使用將數(shù)百枚燃料電池層疊而成的燃料電池堆。而且，構成用于向燃料電池堆供給陽極 氣體和陰極氣體的燃料電池系統(tǒng)，從而獲得用于驅動車輛的電力。
[0007] 在JP2006-66131A中公開一種具有作為用于供陽極氣體、陰極氣體流動的通路的 內部歧管的燃料電池堆。這些內部歧管通過將形成于燃料電池的通孔沿著燃料電池的層疊 方向連接起來而構成為通路狀。
[0008] 發(fā)電時等生成的生成水流入用于使陽極氣體和陰極氣體排出到燃料電池堆外的 排出側的內部歧管。當生成水停留在排出側的內部歧管內并返回反應面（活性區(qū)域）時， 燃料電池堆的發(fā)電性能就降低。因此，優(yōu)選排出側的內部歧管為容易將生成水排出的結構。


【發(fā)明內容】

[0009] 發(fā)明要解決的問是頁
[0010] 然而，JP2006-66131A所記載的燃料電池堆存在如下問題：在被層疊的各燃料電 池不能準確對位的情況下，由于在構成燃料電池堆時，在內部歧管的內側形成有凹凸部分， 導致生成水向層疊方向的流動受到凹凸部分的阻礙。
[0011] 本發(fā)明是鑒于上述的問題點而做成的，目的在于提供一種能夠提高內部歧管的向 層疊方向的生成水的排出性能。
[0012] 用于解決問題的方案
[0013] 采用本發(fā)明的某個方式，在具有內部歧管的燃料電池堆中，提供一種具有以與內 部歧管的內壁面接觸的狀態(tài)在層疊方向上延伸設置的延伸設置構件的燃料電池堆，其中， 內部歧管通過將多個燃料電池層疊起來而在層疊方向上延伸設置，用于將在燃料電池中使 用后的氣體向外部排出。
[0014] 參照添附的附圖，對本發(fā)明的實施方式、本發(fā)明的優(yōu)點進行以下詳細的說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是具有本發(fā)明的第1實施方式的燃料電池堆的燃料電池系統(tǒng)的結構示意圖。
[0016] 圖2是說明燃料電池系統(tǒng)的陽極脈動運轉的時序圖。
[0017] 圖3是燃料電池堆的分解圖。
[0018] 圖4A是膜電極接合體的主視圖。
[0019] 圖4B是陽極分隔件的主視圖。
[0020] 圖4C是陰極分隔件的主視圖。
[0021] 圖5是膜電極接合體的排出側的內部歧管附近的放大圖。
[0022] 圖6是設置于燃料電池堆的內部歧管內的延伸設置構件的立體圖。
[0023] 圖7是燃料電池堆的側面示意圖。
[0024] 圖8是第4實施方式的燃料電池堆所具有的延伸設置構件的縱剖視圖。
[0025] 圖9是第5實施方式的燃料電池堆所具有的延伸設置構件的俯視圖。
[0026] 圖10是第6實施方式的燃料電池堆所具有的延伸設置構件的縱剖視圖。
[0027] 圖11A是表示延伸設置構件的內壁上表面的變形例的圖。
[0028] 圖11B是表示延伸設置構件的內壁上表面的變形例的圖。
[0029] 圖11C是表示延伸設置構件的內壁上表面的變形例的圖。
[0030] 圖11D是表示延伸設置構件的內壁上表面的變形例的圖。
[0031] 圖11E是表示延伸設置構件的內壁上表面的變形例的圖。
[0032] 圖12是表示形成于延伸設置構件的內壁底面的突出部的變形例的圖。
[0033] 圖13是第7實施方式的燃料電池堆所具有的延伸設置構件的縱剖視圖。
[0034] 圖14是說明第7實施方式的燃料電池堆的效果的圖。
[0035] 圖15是第8實施方式的燃料電池堆所具有的延伸設置構件和緩沖材料的縱剖視 圖。
[0036] 圖16是第9實施方式的燃料電池堆所具有的延伸設置構件和滑動構件的縱剖視 圖。
[0037] 圖17是具有第10實施方式的延伸設置構件的燃料電池堆的橫剖示意圖。
[0038] 圖18A是第10實施方式的燃料電池堆所具有的延伸設置構件的縱剖視圖。
[0039] 圖18B是第10實施方式的燃料電池堆所具有的延伸設置構件的縱剖視圖。
[0040] 圖19是表示第10實施方式的變形例的圖。
[0041] 圖20是第11實施方式的燃料電池堆的橫剖示意圖。
[0042] 圖21是沿著圖20的XX-XX線的延伸設置構件的橫剖視圖。
[0043] 圖22是表示第7實施方式的變形例的延伸設置構件的圖。

【具體實施方式】
[0044](第1實施方式）
[0045] 圖1是具有本發(fā)明的第1實施方式的燃料電池堆10的燃料電池系統(tǒng)1的結構示 意圖。
[0046] 燃料電池系統(tǒng)1具有：燃料電池堆10、陽極氣體供給裝置2、陰極氣體供給裝置3、 冷卻裝置4、逆變器5、驅動馬達6、蓄電池7、DC/DC變換器8以及控制器60。
[0047] 燃料電池堆10是通過層疊規(guī)定數(shù)量的、作為單位單元的燃料電池100而構成的。 燃料電池堆10被橫置，燃料電池100成為在水平方向層疊的狀態(tài)。燃料電池堆10接受作 為陽極氣體的氫和作為陰極氣體的空氣的供給而發(fā)電，并且向用于驅動車輛的驅動馬達6 等各種電氣零件供給電力。燃料電池堆10具有作為用于獲得電力的輸出端子的陽極側端 子11和陰極側端子12。
[0048] 陽極氣體供給裝置2具有：高壓罐21、陽極氣體供給通路22、調壓閥23、壓力傳感 器24、陽極氣體排出通路25、緩沖罐26、清洗通路27以及清洗閥28。
[0049] 高壓罐21是用于將向燃料電池堆10供給的陽極氣體保持在高壓狀態(tài)地進行貯藏 的容器。
[0050] 陽極氣體供給通路22是用于將自高壓罐21排出的陽極氣體向燃料電池堆10供 給的通路。陽極氣體供給通路22的一端與高壓罐21連接，另一端與燃料電池堆10的陽極 氣體入口部連接。
[0051] 調壓閥23是能夠連續(xù)地或者階段性地調節(jié)開度的電磁閥，且設置于陽極氣體供 給通路22。調壓閥23用于將自高壓罐21排出的高壓狀態(tài)的陽極氣體調節(jié)到規(guī)定的壓力。 調壓閥23的開度由控制器60控制。
[0052] 壓力傳感器24設置于陽極氣體供給通路22的比調壓閥23靠下游側的位置。壓 力傳感器24用于檢測流經(jīng)陽極氣體供給通路22的陽極氣體的壓力。由壓力傳感器24檢 測出來的陽極氣體的壓力代表包含緩沖罐26、燃料電池堆10內的陽極氣體流路等在內的 陽極系統(tǒng)整體的壓力。
[0053] 陽極氣體排出通路25是將燃料電池堆10和緩沖罐26連通的通路。陽極氣體排出 通路25的一端與燃料電池堆10的陽極氣體出口部連接、另一端與緩沖罐26的上部連接。 陽極氣體排出通路25用于將未使用于電化學反應的剩余的陽極氣體和包含在燃料電池堆 10內自陰極側向陽極氣體流路泄露出來的氮氣、水蒸氣等的不純氣體的混合氣體（以下稱 為"陽極廢氣"。）排出。
[0054] 緩沖罐26是用于將從陽極氣體排出通路25流過來的陽極廢氣臨時儲存起來的容 器。陽極廢氣所含有的水蒸氣的一部分在緩沖罐26內冷凝而形成冷凝水，從而自陽極廢氣 分離出來。
[0055] 清洗通路27是使緩沖罐26與外部連通的排出通路。清洗通路27的一端與緩沖 罐26的下部連接、清洗通路27的另一端形成為開口端。儲存在緩沖罐26的陽極廢氣被自 后述的陰極氣體排出通路35流入清洗通路27的陰極廢氣稀釋，從而與冷凝水一起自清洗 通路27的開口端向外部排出。
[0056] 清洗閥28是能夠連續(xù)地或者階段性地調節(jié)開度的電磁閥，且設置于清洗通路27。 通過調節(jié)清洗閥28開度來調整自清洗通路27向外部排出的陽極廢氣的流量。清洗閥28 的開度由控制器60控制。
[0057] 陰極氣體供給裝置3具有：陰極氣體供給通路31、過濾器32、壓縮機33、壓力傳感 器34、陰極氣體排出通路35以及調壓閥36。
[0058] 陰極氣體供給通路31是供向燃料電池堆10供給的陰極氣體流動的通路。陰極氣 體供給通路31的一端與過濾器32連接、另一端與燃料電池堆10的陰極氣體入口部連接。
[0059] 過濾器32是用于將自外部引入的空氣所含有的塵土、灰塵等異物除去的裝置。被 過濾器32除去了異物的空氣成為向燃料電池堆10供給的陰極氣體。
[0060] 壓縮機33設置于陰極氣體供給通路31的位于過濾器32和燃料電池堆10之間的 部分。壓縮機33用于將經(jīng)過過濾器32引入的陰極氣體向燃料電池堆10加壓輸送。
[0061] 壓力傳感器34設置于陰極氣體供給通路31的比壓縮機33靠 下游側的部分。壓 力傳感器34用于檢測流經(jīng)陰極氣體供給通路31的陰極氣體的壓力。由壓力傳感器34檢 測出來的陰極氣體的壓力代表包含燃料電池堆10內的陰極氣體流路等在內的陰極系統(tǒng)整 體的壓力。
[0062] 陰極氣體排出通路35是連通燃料電池堆10和陽極氣體供給裝置2的清洗通路27 的通路。陰極氣體排出通路35的一端與燃料電池堆10的陰極氣體出口部連接、另一端與 清洗通路27的比清洗閥28靠下游側的部分連接。在燃料電池堆10的電化學反應中未使 用的陰極氣體作為陰極廢氣、經(jīng)由陰極氣體排出通路35向清洗通路27排出。
[0063] 調壓閥36是能夠連續(xù)地或者階段性地調節(jié)開度的電磁閥，且設置于陰極氣體排 出通路35。調壓閥36通過控制器60來控制開度，從而調整向燃料電池堆10供給的陰極氣 體的壓力。
[0064] 冷卻裝置4是用于利用冷卻水冷卻燃料電池堆10的裝置。冷卻裝置4具有：冷卻 水循環(huán)通路41、冷卻水循環(huán)泵42、散熱器43以及冷卻水溫度傳感器44、45。
[0065] 冷卻水循環(huán)通路41是供用于冷卻燃料電池堆10的冷卻水流動的通路。冷卻水循 環(huán)通路41的一端與燃料電池堆10的冷卻水入口部連接、另一端與燃料電池堆10的冷卻水 出口部連接。
[0066] 冷卻水循環(huán)泵42作為使冷卻水循環(huán)的加壓輸送裝置，設置于冷卻水循環(huán)通路41。
[0067] 散熱器43作為用于使自燃料電池堆10排出的冷卻水冷卻的放熱器，設置于冷卻 水循環(huán)通路41的比冷卻水循環(huán)泵42靠上游側的部分。
[0068] 冷卻水溫度傳感器44、45是用于檢測冷卻水的溫度的傳感器。冷卻水溫度傳感器 44設置于冷卻水循環(huán)通路41的靠近燃料電池堆10的冷卻水入口部的部分，用于檢測流入 燃料電池堆10的冷卻水的溫度。與此相對，冷卻水溫度傳感器45設置于冷卻水循環(huán)通路 41的靠近燃料電池堆10的冷卻水出口部的部分，用于檢測自燃料電池堆10排出的冷卻水 的溫度。
[0069] 逆變器5具有開關部51和平滑電容器52,并且借助陽極側端子11和陰極側端子 12與燃料電池堆10電連接。開關部51由多個轉換元件構成，能將直流轉換為交流或者將 交流轉換為直流。平滑電容器52與燃料電池堆10并聯(lián)連接，抑制由于開關部51的轉換等 而產(chǎn)生的波動。
[0070] 驅動馬達6是三相交流馬達。驅動馬達6利用自逆變器5供給的交流電流工作， 并產(chǎn)生驅動車輛的轉矩。
[0071] 蓄電池7借助DC/DC變換器8與驅動馬達6和燃料電池堆10電連接。蓄電池7 是鋰離子二次電池等能充放電的二次電池。
[0072] DC/DC變換器8與燃料電池堆10電連接。DC/DC變換器8是使燃料電池堆10電 壓升降的雙方向性的電壓轉換機，自直流輸入而得到直流輸出，并且，將輸入電壓轉換為任 意的輸出電壓。
[0073] 控制器60由具有中央運算裝置（CPU)、只讀存儲器（ROM)、隨機存取存儲器（RAM) 以及輸入輸出接口（I/O接口）的微型計算機構成。
[0074] 除了壓力傳感器24、34、冷卻水溫度傳感器44、45以外，來自用于檢測燃料電池堆 10的輸出電流的電流傳感器61、用于檢測燃料電池堆10的輸出電壓的電壓傳感器62、用于 檢測安裝于車輛的加速踏板的踏下量的加速踏板傳感器63以及用于檢測蓄電池7的充電 量的S0C傳感器64的檢測信號作為用于檢測燃料電池系統(tǒng)1的運轉狀態(tài)的信號而被輸入 到控制器60?？刂破?0基于這些輸入信號周期性地開閉調壓閥23,從而執(zhí)行使陽極壓力 周期性增減的陽極脈動運轉。
[0075] 在陽極廢氣不在陽極氣體供給通路22循環(huán)的陽極閉端（日文：7 7 - F r 7卜''二 >卜'' )型的燃料電池系統(tǒng)1的情況下，當一直打開調壓閥23而自高壓罐21持續(xù)向燃料電 池堆10供給陽極氣體時，陽極廢氣持續(xù)向外部排出，因此，陽極廢氣所含有的陽極氣體被 浪費掉。因此，在燃料電池系統(tǒng)1中，通過周期性開閉調壓閥23而執(zhí)行陽極脈動運轉，從而 使積存在緩沖罐26的陽極廢氣在陽極壓力降低時向燃料電池堆10倒流。由此，能夠將陽 極廢氣中的陽極氣體再利用，從而能夠減少向外部排出的陽極氣體量。
[0076] 圖2是說明燃料電池系統(tǒng)1的穩(wěn)定運轉時的陽極脈動運轉的時序圖。
[0077] 如圖2的（A)所示，控制器60根據(jù)車輛行駛狀態(tài)計算出燃料電池堆10的目標輸 出，并基于目標輸出設定陽極氣體供給壓力（陽極壓力）的上限值和下限值。而且，使陽極 壓力在設定好的陽極壓力的上限值和下限值之間周期性地增減。
[0078] 具體而言，在時刻tl，陽極壓力達到下限值，則如圖2的（B)所示，將調壓閥23打 開到至少能使陽極壓力增壓到上限值的開度為止。在該狀態(tài)時，陽極氣體自高壓罐21向燃 料電池堆10供給，而陽極廢氣向緩沖罐26排出。
[0079] 在時刻t2,陽極壓力達到上限值，則如圖2的⑶所示，完全關閉調壓閥23,從而 停止自高壓罐21向燃料電池堆10供給陽極氣體。通過上述的電化學反應，殘留在燃料電 池堆10內的陽極氣體流路的陽極氣體隨著時間的推移而被消耗，陽極壓力與陽極氣體的 被消耗量相對應地降低。
[0080] 當燃料電池堆10內的陽極氣體被消耗一定程度時，緩沖罐26的壓力暫時變得比 燃料電池堆10的陽極氣體流路的壓力高，因此，陽極廢氣自緩沖罐26向燃料電池堆10倒 流。其結果，殘留在燃料電池堆10的陽極氣體流路的陽極氣體與自緩沖罐26倒流的陽極 廢氣中的陽極氣體隨著時間的推移而被消耗。
[0081] 在時刻t3,陽極壓力達到下限值，則與時刻tl時同樣地打開調壓閥23。而且，在 時刻t4,陽極壓力再一次達到上限值，則調壓閥23完全關閉。這樣一來，通過周期性地開閉 調壓閥23來進行陽極脈動運轉，陽極廢氣中的陽極氣體能夠被再利用。
[0082] 接著，參照圖3、圖4A?圖4C以及圖5,說明燃料電池堆10的結構。圖3是燃料 電池堆10的分解圖。圖4A是膜電極接合體（MEA) 110的主視圖、圖4B是陽極分隔件120 的主視圖、圖4C是陰極分隔件130的主視圖。圖5是MEA110的排出側的內部歧管144? 146附近的放大圖。
[0083] 如圖3所示，燃料電池堆10是通過層疊多個由MEA 110、陽極分隔件120以及陰極 分隔件130構成的燃料電池100而構成的。燃料電池100的構造為在MEA 110的一側的面 上配置有陽極分隔件120、在另一側的面上配置有陰極分隔件130。
[0084] 如圖4A所示，MEA 110具有在電解質膜的一側的面上配置有陽極電極、在另一側 的面上配置有陰極電極的層疊體111和形成于層疊體111的外周端部的框部112。
[0085] MEA 110的框部112作為由合成樹脂等構成的框構件，與層疊體111的外緣一體形 成。在一端側（圖中右側）的框部112上，從上而下依次形成有陽極氣體供給孔113A、冷卻 水供給孔114A以及陰極氣體供給孔115A。另外，在另一端側（圖中左側）的框部112上， 從上而下依次形成有陰極氣體排出孔115B、冷卻水排出孔114B以及陽極氣體排出孔113B。
[0086] 如圖4B所示，陽極分隔件120是由金屬等導電性材料形成的板狀構件。陽極分隔 件120在MEA 110側的面上形成有供陽極氣體流動的陽極氣體流路121，并且在與MEA 110 側相反的一側的面上形成有供冷卻水流動的冷卻水流路（省略圖示）。
[0087] 在陽極分隔件120的一端側，從上而下依次形成有陽極氣體供給孔123A、冷卻水 供給孔124A以及陰極氣體供給孔125A。另外，在陽極分隔件120的另一端側，從上而下依 次形成有陰極氣體排出孔125B、冷卻水排出孔124B以及陽極氣體排出孔123B。
[0088] 如圖4C所示，陰極分隔件130是由金屬等導電性材料形成的板狀構件。陰極分隔 件130在MEA 110側的面上形成有供陰極氣體流動的陰極氣體流路131，并且在與MEA 110 側相反的一側的面上形成有供冷卻水流動的冷卻水流路（省略圖示）。
[0089] 在陰極分隔件130的一端側，從上而下依次形成有陽極氣體供給孔133A、冷卻水 供給孔134A以及陰極氣體供給孔135A。另外，在陰極分隔件130的另一端側，從上而下依 次形成有陰極氣體排出孔135B、冷卻水排出孔134B以及陽極氣體排出孔133B。
[0090] 在層疊燃料電池100而形成燃料電池堆10時，將陽極氣體供給孔113A、123A、133A 沿著層疊方向連接起來而形成陽極氣體供給用的內部歧管141，將冷卻水供給孔114A、 124AU34A沿著層疊方向連接起來而形成冷卻水供給用的內部歧管142,將陰極氣體供給 孔115A、125A、135A沿著層疊方向連接起來而形成陰極氣體供給用的內部歧管143。同樣， 將陽極氣體排出孔113B、123B、133B沿著層疊方向連接起來而形成陽極氣體排出用的內部 歧管144,將冷卻水排出孔114B、124B、134B沿著層疊方向連接起來而形成冷卻水排出用的 內部歧管145,將陰極氣體排出孔115B、125B、135B沿著層疊方向連接起來而形成陰極氣體 排出用的內部歧管146。
[0091] 如圖5所示，在MEA 110的表面和背面，以包圍MEA 110的外緣和各內部歧管 141?146的方式設置有密封構件116。在密封構件116與各內部歧管141?146之間的區(qū) 域填充有用于將MEA 110與陽極分隔件120和陰極分隔件130粘接起來的粘接劑117。密 封構件116和粘接劑117設置在除了氣體等相對于各內部歧管141?146出入的部分以外 的部分。燃料電池堆10以利用密封構件116和粘接劑117使在各內部歧管141?146流 動的氣體、冷卻水不泄露的方式構成。
[0092] 這樣一來，在燃料電池堆10的內部形成有在燃料電池100的層疊方向（水平）上 延伸設置的內部歧管141?146,經(jīng)由內部歧管141?143向各燃料電池100供給陽極氣 體、陰極氣體以及冷卻水，經(jīng)由內部歧管144?146自各燃料電池100排出陽極氣體、陰極 氣體以及冷卻水。
[0093] 然而，在燃料電池堆10中，在發(fā)電時等生成的生成水流入用于使陽極氣體和陰極 氣體向外部排出的排出側的內部歧管144、146。尤其是，在本實施方式這樣的陽極閉端型的 燃料電池堆10中，生成水容易在使陽極氣體向外部排出的排出側的內部歧管144中積存。 當生成水積存在陽極氣體排出用的內部歧管144中時，陽極氣體流量的降低等將導致燃料 電池堆10的發(fā)電性能惡化。
[0094] 因此，在本實施方式的燃料電池堆10中，在使陽極氣體向外部排出的排出側的內 部歧管144內配置有沿層疊方向延伸設置的延伸設置構件150,從而提高生成水的排出性 能。
[0095] 參照圖5和圖6說明延伸設置構件150。圖5是MEA 110的排出側的內部歧管 144?146附近的放大圖。圖6是延伸設置構件150的立體圖。
[0096] 如圖5和圖6所示，延伸設置構件150是具有大致=字截面的筒狀構件，由絕緣性 的樹脂材料形成。延伸設置構件150也可以由金屬材料形成，在該情況下，在構件表面進行 絕緣涂敷。
[0097] 在位于燃料電池堆10的寬度方向內側的延伸設置構件150的側部，形成有氣體流 入用的流入口 151。另外，在延伸設置構件150的長度方向一側的端部，形成有將自流入口 151流入的氣體向燃料電池堆10外排出的排出口 152。延伸設置構件150的內壁面為了不 阻礙氣體、生成水的沿燃料電池100層疊方向的流動而平坦地形成。
[0098] 延伸設置構件150以延伸設置構件150的外壁面與陽極氣體排出用的內部歧管 144的內壁面接觸的狀態(tài)配置于內部歧管144內。這樣一來，使延伸設置構件150與內部歧 管144的內壁面抵接地配置，因此，延伸設置構件150發(fā)揮在組裝燃料電池堆10時用于進 行各燃料電池100的定位的構件的功能。另外，在設置于內部歧管144內的狀態(tài)下，延伸設 置構件150的內壁底面153以比MEA 110的層疊體111 (活性區(qū)域）的下端位置111A高的 方式設定（參照圖5)。
[0099] 發(fā)電時生成的生成水的一部分和未使用于發(fā)電的陽極氣體經(jīng)由流入口 151流入 配設于內部歧管144內的延伸設置構件150的內側。延伸設置構件150是在燃料電池 100 的層疊方向延伸設置的構件，因此，流入延伸設置構件150內側的生成水伴隨著陽極氣體 的流動順暢地流動到下游側，并穿過排出口 152而排出到燃料電池堆10的外部。
[0100] 另外，設置于內部歧管144內的延伸設置構件150也作為支承被層疊后的燃料電 池100的支承構件發(fā)揮功能，因此，能夠防止發(fā)生燃料電池堆10如圖7中虛線所示的那樣、 由于自重而彎曲的情況。
[0101] 采用上述第1實施方式的燃料電池堆10,能夠獲得以下的效果。
[0102] 燃料電池堆10具有延伸設置構件150,該延伸設置構件150以與陽極氣體排出用 的內部歧管144的內壁面接觸的狀態(tài)在燃料電池100的層疊方向上延伸設置，因此，流入內 部歧管144內的生成水沿著延伸設置構件150的內壁面順暢地流動。由此，生成水借助延 伸設置構件150容易被排出，從而能夠提高內部歧管144的生成水的排出性能。另外，通過 使延伸設置構件150與內部歧管144的內壁面抵接來進行配置，在組裝燃料電池堆10時也 能夠進行各燃料電池100的定位。
[0103] 另外，在第1實施方式中，延伸設置構件150形成為與內部歧管144的內壁上表 面、內壁側面以及內壁底面抵接的筒狀構件，但也可以形成為與內部歧管144的內壁上表 面、內壁側面以及內壁底面中的至少一個面抵接的棒狀構件（桿狀構件）。在這樣形成的情 況下，附著在延伸設置構件150上的生成水也會沿著延伸設置構件150順暢地在燃料電池 100的層疊方向上流動。
[0104] (第2實施方式）
[0105] 接著，說明本發(fā)明的第2實施方式的延伸設置構件150。第2實施方式的延伸設置 構件150在由防水性構件構成方面與第1實施方式的燃料電池堆不同。
[0106] 第2實施方式的延伸設置構件150由高防水性的樹脂材料、例如聚四氟乙烯 (PTFE)形成。這樣一來，由防水性比構成內部歧管144的構件的防水性高的構件構成延伸 設置構件150,從而能夠提高沿著延伸設置構件150的內壁面移動的生成水的流動性。
[0107] 由此，能夠進一步提高陽極氣體排出用的內部歧管144的生成水的排出性能。另 夕卜，在延伸設置構件150的表面進行高防水性涂敷的情況下，雖然在由時效劣化等導致涂 層剝落時，生成水的流動性就惡化，但本實施方式的延伸設置構件150自身由PTFE形成，即 使長期使用，延伸設置構件150的防水性能也幾乎不降低。
[0108] (第3實施方式）
[0109] 接著，說明本發(fā)明的第3實施方式的延伸設置構件150。第3實施方式的延伸設置 構件150在由親水性構件構成方面與第1實施方式的燃料電池堆不同。
[0110] 第3實施方式的延伸設置構件150由高親水性的樹脂材料、例如聚對苯二甲酸乙 二醇酯（PET)、聚苯硫醚（PPS)等形成。另外，考慮到耐熱性，更加優(yōu)選聚苯硫醚（PPS)。這 樣一來，由親水性比構成內部歧管144的構件的親水性高的構件構成延伸設置構件150,因 此，能夠容易地將延伸設置構件150的流入口 151附近的生成水引入延伸設置構件150的 內側。
[0111] 由此，流入陽極氣體排出用的內部歧管144內的生成水的量增加，能夠高效地將 生成水排出。另外，在延伸設置構件150的表面進行高親水性涂敷的情況下，雖然在由時效 劣化等導致涂層剝落時，生成水的引入性就惡化，但在本實施方式中，延伸設置構件150自 身由PPS等形成，因此，即使長期使用，延伸設置構件150的親水性能也幾乎不降低。
[0112] (第4實施方式）
[0113] 接著，說明本發(fā)明的第4實施方式的延伸設置構件150。第4實施方式的延伸設置 構件150在由親水性構件和防水性構件構成方面與第1實施方式的燃料電池堆不同。
[0114] 圖8是第4實施方式的延伸設置構件150的縱剖視圖。
[0115] 如圖8所示，延伸設置構件150的靠近燃料電池100的中央的（靠近流入口 151) 的內側部分150A由親水性比構成內部歧管144的構件的親水性高的PET構成，外側部分 150B由防水性比構成內部歧管144的構件的防水性高的PTFE構成。
[0116] 這樣一來，通過將延伸設置構件150的內側部分150A形成為高親水性，流入口 151 附近的生成水容易被引入延伸設置構件150的內側。另外，通過將延伸設置構件150的外 側部分150B形成為高防水性，能夠使被引入的生成水在燃料電池100的層疊方向上順暢地 流動。由此，能夠提高內部歧管144的生成水的排出性能。
[0117] (第5實施方式）
[0118] 接著，說明本發(fā)明的第5實施方式的延伸設置構件150。第5實施方式的延伸設置 構件150在由親水性構件和防水性構件構成方面與第1實施方式的燃料電池堆不同。
[0119] 圖9是第5實施方式的延伸設置構件150的俯視圖。
[0120] 如圖9所示，延伸設置構件150的陽極氣體排出方向的上游側部分150C由親水性 比構成內部歧管144的構件的親水性高的PET或者PPS構成，靠近排出口 152的下游側部 分150D由防水性比構成內部歧管144的構件的防水性高的PTFE構成。
[0121] 這樣一來，延伸設置構件150的上游側部分150C是高親水性，并且下游側部分 150D是高防水性，從而能夠使在上游側引入的生成水順暢地流動到下游側，從而能夠提高 內部歧管144的生成水的排出性能。
[0122] 另外，延伸設置構件150構成為上游側部分150C是高親水性而下游側部分150D 是高防水性，但也可以構成為自上游向下游從高親水性逐漸變?yōu)楦叻浪浴?br> [0123] (第6實施方式）
[0124] 接著，說明本發(fā)明的第6實施方式的延伸設置構件150。第6實施方式的延伸設置 構件150在內側結構方面與第1?第5實施方式的燃料電池堆不同。
[0125] 圖10是第6實施方式的延伸設置構件150的縱剖視圖。
[0126] 如圖10所示，延伸設置構件150的內壁上表面154形成為傾斜面。內壁上表面 154以在與燃料電池100的層疊方向正交的方向（燃料電池堆10的寬度方向）上從內側向 外側朝下傾斜的方式構成。這樣一來，延伸設置構件150的內壁上表面154成為傾斜面，從 而附著于內壁上表面154的生成水被引導向延伸設置構件150的內部里側，從而能夠防止 自流入口 151向外側倒流。
[0127] 而且，延伸設置構件150具有自內壁底面153向上方突出的突出部153A。突出部 153A在靠近流入口 151的內側部分上，在燃料電池100的層疊方向上延伸設置。突出部 153A作為用于防止在內壁底面153上流動的生成水向延伸設置構件150的外側流出的堤壩 來發(fā)揮功能。
[0128] 上述的第6實施方式的延伸設置構件150以內壁上表面154傾斜的方式構成，另 夕卜，內壁底面153具有突出部153A，因此，能夠防止暫時流入延伸設置構件150內側的生成 水向燃料電池100側倒流，從而能夠使生成水穩(wěn)定地排出到燃料電池堆10外。
[0129] 此外，在第6實施方式中，延伸設置構件150的內壁上表面154形成為朝向外側呈 直線地向下傾斜的傾斜面，但并不限于此。如圖11A?圖11E所示，延伸設置構件150的內 壁上表面154只要是使附著的生成水難以向燃料電池100側倒流的結構即可。
[0130] 例如，如圖11A所示，延伸設置構件150的內壁上表面154可以是內側部分為朝下 傾斜的傾斜面，外側部分為水平面。
[0131] 另外，延伸設置構件150的內壁上表面154是可以是如圖11B所示，在向上凸的狀 態(tài)下從內側到外側朝下傾斜的傾斜面，也可以是如圖lie所示，在向下凸的狀態(tài)下從內側 到外側朝下傾斜的傾斜面。
[0132] 而且，延伸設置構件150的內壁上表面154可以是如圖11D所示那樣圓滑的凹凸 從內側到外側連續(xù)地形成的波狀，也可以是如圖11E所示那樣傾斜部從內側到外側連續(xù)地 形成的鍋齒狀。
[0133] 在第6實施方式中，延伸設置構件150的突出部153A是如圖10所示那樣寬度較 寬的構件，但并不限于此。如圖12所示，突出部153A也可以是自靠近流入口 151的內壁底 面153堅起并且在燃料電池100的層疊方向上延伸設置的堅起壁。即使是這樣的堅起壁， 也能夠防止在內壁底面153上流動的生成水向燃料電池100側倒流。
[0134] (第7實施方式）
[0135] 接著，說明本發(fā)明的第7實施方式的延伸設置構件150。第7實施方式的延伸設置 構件150的形狀與第1?第6實施方式的延伸設置構件150的形狀不同。
[0136] 圖13是第7實施方式的延伸設置構件150的縱剖視圖。
[0137] 如圖13所示，延伸設置構件150是具有大致梯形形狀的截面的棒狀構件，由高親 水性的樹脂材料形成。
[0138] 延伸設置構件150以其外周面中的上側的側面（以下稱為"上側側面"）150E、夕卜 側（圖中左側）的側面（以下稱為"外偵_面"。）150F以及下側的側面（以下稱為"下側 側面"。）150G分別與內部歧管144的內壁上表面、內壁外側面以及內壁底面抵接的方式配 置于內部歧管144內。
[0139] 而且，延伸設置構件150的內側（圖中右側、即層疊體111側）的側面（以下稱為 "內側側面"。）150H以內側側面150H與內部歧管144的內壁底面所成的角Θ為銳角的方 式、且以從內側向外側朝下傾斜的方式形成。
[0140] 圖14是說明第7實施方式的燃料電池堆10的效果的圖。
[0141] 在本實施方式中，由親水性比構成內部歧管144的構件的親水性高的構件構成延 伸設置構件150,而且使內側側面150H以內側側面150H與內部歧管144的內壁底面所成的 角Θ為銳角的方式傾斜。
[0142] 由此，附著于內部歧管144的內壁上表面的生成水被引入延伸設置構件150的內 側側面150H，而且，能夠利用內側側面150H的傾斜引入圖中虛線所示的銳角區(qū)域。
[0143] 另外，高親水性的構件具有將生成水引入到比周圍狹窄的區(qū)域的特征。因此，在延 伸設置構件150由親水性較高的構件構成的情況下，將生成水引入到作為比周圍狹窄的區(qū) 域的銳角區(qū)域。其結果，除了附著于內部歧管144的內壁上表面的生成水以外，也能夠將附 著于內部歧管144的內壁底面的生成水引入銳角區(qū)域。
[0144] 由此，能夠在抑制流入到內部歧管144內的生成水的倒流的同時，使被引入到銳 角區(qū)域的生成水沿著內側側面150H向層疊方向順暢地移動。
[0145] 另外，延伸設置構件150是棒狀構件，減小了內部歧管144內的體積，因此，能夠增 大在內部歧管內流通的陽極廢氣的流速。
[0146] 由此，能夠使引入到銳角區(qū)域的生成水沿著內側側面150H向層疊方向更順暢地 移動。
[0147] 另外，延伸設置構件150是棒狀構件，以上側側面150E和下側側面150G分別與內 部歧管144的內壁上表面和內壁底面抵接的方式將延伸設置構件150配置在了內部歧管 144 內。
[0148] 由此，延伸設置構件150與第1實施方式那樣具有大致=字截面的筒狀構件的情 況下相比，進一步加強作為支承被層疊后的燃料電池100的支承構件的功能，能夠更進一 步防止發(fā)生燃料電池堆10如圖7虛線所示的那樣由于自重而彎曲的情況。
[0149] (第8實施方式）
[0150] 接著，說明本發(fā)明的第8實施方式的延伸設置構件150。在第8實施方式中，在延 伸設置構件150和內部歧管144之間設置有緩沖材料160方面與第7實施方式不同。
[0151] 圖15是第8實施方式的延伸設置構件150和緩沖材料160的縱剖視圖。
[0152] 如圖15所示，緩沖材料160是具有大致=字截面的筒狀構件，由包含硅橡膠在內 的合成橡膠等彈性體形成。
[0153] 緩沖材料160以其內周面與延伸設置構件150的上側側面150E、外側側面150F以 及下側側面150G抵接的方式、還以其外周面與內部歧管的內壁上表面、內壁外側面以及內 壁底面抵接的方式配置于內部歧管144內。
[0154] 在燃料電池系統(tǒng)1的運轉中，燃料電池堆10的內部溫度上升。構成內部歧管144 的構件、構成延伸設置構件150的構件是彼此不同的構件，與構成內部歧管144的構件的熱 膨脹率相比，構成延伸設置構件150的構件的熱膨脹率較大。因此，由于延伸設置構件150 膨脹，載荷自延伸設置構件150被輸入到內部歧管144,從而成為使燃料電池堆10的耐久性 降低的主要因素。
[0155] 因此，如本實施方式那樣，在延伸設置構件150和內部歧管144之間設置緩沖材料 160,能夠減小從延伸設置構件150輸入到內部歧管144的載荷，因此，能夠使燃料電池堆10 的耐久性提1?。
[0156] 另外，在本實施方式中，延伸設置構件150和緩沖材料160各自單獨形成，但也可 以一體形成。另外，緩沖材料160設置在延伸設置構件150的上側側面150E、外側側面150F 以及下側側面150G的整個區(qū)域，但也可以只設置在其局部區(qū)域。
[0157] (第9實施方式）
[0158] 接著，說明本發(fā)明的第9實施方式的延伸設置構件150。在第9實施方式中，在延 伸設置構件150和內部歧管144之間設置滑動構件170方面與第7實施方式不同。
[0159] 圖16是第9實施方式的延伸設置構件150和滑動構件170的縱剖視圖。
[0160] 如圖16所示，滑動構件170是具有大致=字截面的筒狀構件，由包含聚酰亞胺在 內的樹脂構件等形成，但只要是摩擦系數(shù)相對較低的低摩擦材料，就并不限于此。
[0161] 滑動構件170以其內周面與延伸設置構件150的上側側面150E、外偵_面150F以 及下側側面150G抵接的方式、還以其外周面與內部歧管的內壁上表面、內壁外側面以及內 壁底面抵接方式配置于內部歧管144內。
[0162] 這樣一來，通過在延伸設置構件150的外周面設置滑動構件170,能夠提高將延伸 設置構件150穿通內部歧管150時的組裝性。另外，能夠抑制由組裝時的延伸設置構件150 與內部歧管144的內壁面的滑動導致的零件磨損，從而能夠使燃料電池堆10的耐久性提 商。
[0163] 另外，在本實施方式中，延伸設置構件150和滑動構件170各自單獨形成，但也可 以一體形成。另外，滑動構件170設置在延伸設置構件150的上側側面150E、外側側面150F 以及下側側面150G的整個區(qū)域，但也可以只設置在其局部區(qū)域。
[0164] (第10實施方式）
[0165] 接著，說明本發(fā)明的第10實施方式的延伸設置構件150。在第10實施方式中，在 延伸設置構件150的縱截面的截面積越向燃料電池堆10的陽極氣體出口部去越小這一方 面與第7實施方式不同。
[0166] 以下，參照圖17、圖18A以及圖18B，說明具有本實施方式的延伸設置構件150的 燃料電池堆10。
[0167] 圖17是具有本實施方式的延伸設置構件150的燃料電池堆10的橫剖示意圖。圖 18A是表示燃料電池堆10的一端側的延伸設置構件150的縱剖視圖，圖18B是表示燃料電 池堆10的另一端側的延伸設置構件150的縱剖視圖。
[0168] 如圖17所示，本實施方式的燃料電池堆10是陽極氣體入口部和陽極氣體出口部 形成于燃料堆10的一端部側的燃料電池堆。在這樣的燃料電池堆10的情況下，對于在內 部歧管144流動的陽極廢氣的流速，在燃料電池堆10的一端側（形成有陽極氣體出口部的 一側）比燃料電池堆10的另一端側快。
[0169] 因此，在本實施方式中，如圖18A和圖18B所示，以延伸設置構件150的縱截面的 截面積越向燃料電池堆10的陽極氣體出口部去越小的方式形成延伸設置構件150。換言 之，本實施方式的延伸設置構件150以在內部歧管144內供陽極廢氣流動的空間越向燃料 電池堆10的陽極氣體出口部去越大的方式形成。
[0170] 由此，能夠使在內部歧管144內流動的陽極廢氣的流速均勻，因此，能夠在實現(xiàn)配 流到各燃料電池100的陽極氣體的流量均勻化的同時，使排水性提高。
[0171] 另外，在陽極氣體出口部形成于燃料電池堆10的兩端部的情況下，如圖19所示， 只要是位于燃料電池堆10的層疊方向中央部的延伸設置構件150的縱截面的截面積最大 即可。
[0172] (第11實施方式）
[0173] 接著，說明本發(fā)明的第11實施方式的延伸設置構件150。在第11實施方式中，在 延伸設置構件150的端部設置用于防止延伸設置構件150在與延伸設置構件150的層疊方 向正交的方向上的偏移的突起部150H方面與第7實施方式不同。
[0174] 以下，參照圖20和圖21，說明具有本實施方式的燃料電池堆10的延伸設置構件 150。
[0175] 圖20是燃料電池堆10的示意橫剖視圖。圖21是沿著圖20的XX-XX線的延伸設 置構件150的橫剖視圖。
[0176] 如圖20所示，燃料電池堆10在層疊方向兩端部具有用于夾持層疊后的燃料電池 的板件13。另外，在上述各實施方式中也存在板件13,但省略了圖示。
[0177] 該板件13形成有與內部歧管144和陽極氣體出口部連通的連通孔131。而且，在 本實施方式中，如圖20所示，延伸設置構件150延伸到板件13的連通孔131為止，而且，如 圖20和圖21所示，在延伸設置構件150上設置有在連通孔131的內部與連通孔131的內 側側面抵接的突起部150H。
[0178] 由此，能夠抑制延伸設置構件150在與層疊方向正交的方向上偏移。
[0179] 以上，對本發(fā)明的實施方式進行了說明，但上述實施方式只不過表示本發(fā)明的適 用例的一部分，主旨并不是將本發(fā)明的保護范圍限定于上述實施方式的具體的結構。
[0180] 在自第1到第11實施方式中，在陽極氣體排出用的內部歧管144內設置了延伸設 置有構件150,但也可以按照相同的方法在陰極氣體排出用的內部歧管146內設置延伸設 置構件150。在將延伸設置構件150設置在了內部歧管144、146的情況下，不僅能夠提高內 部歧管144、146這兩個歧管的生成水的排出性能，也能夠提高燃料電池100的對位精度。
[0181] 另外，在從第1到第11實施方式中，在陽極非循環(huán)型的燃料電池系統(tǒng)中應用了具 有延伸設置構件150的燃料電池堆10,但并不限于此。在使陽極廢氣可在陽極氣體供給通 路22循環(huán)的陽極循環(huán)型的燃料電池系統(tǒng)中也應用具有延伸設置構件150的燃料電池堆10。
[0182] 另外，在第7實施方式中，延伸設置構件150是一根棒狀構件，但如圖22所示，為 了提高組裝性，也可以分割成比燃料電池100的總枚數(shù)少的數(shù)量。
[0183] 本申請基于2012年2月9日向日本專利局申請的特愿2012-26272號以及2012 年8月6日向日本專利局申請的特愿2012-174187號主張優(yōu)先權，并將該申請的所有內容 作為參照編入本說明書。
【權利要求】
1. 一種燃料電池堆，其具有通過層疊多個燃料電池而在層疊方向上延伸設置的、用于 將在上述燃料電池中使用過的氣體排出到外部的內部歧管，其特征在于， 該燃料電池堆具有： 延伸設置構件，其以與上述內部歧管的內壁面接觸的狀態(tài)在層疊方向上延伸設置。
2. 根據(jù)權利要求1所述的燃料電池堆，其中， 上述延伸設置構件是設置于與來自上述燃料電池的氣體向上述內部歧管內流入的一 側相反的一側的棒狀構件。
3. 根據(jù)權利要求2所述的燃料電池堆，其中， 上述延伸設置構件具有與上述內部歧管的內壁底面所成的角是銳角的傾斜面。
4. 根據(jù)權利要求2或3所述的燃料電池堆，其中， 上述延伸設置構件由親水性比構成上述內部歧管的構件的親水性高的親水構件構成。
5. 根據(jù)權利要求2至4中任一項所述的燃料電池堆，其中， 上述延伸設置構件在與上述內部歧管的內壁面接觸的部分具有緩沖材料。
6. 根據(jù)權利要求2至4中任一項所述的燃料電池堆，其中， 上述延伸設置構件在與上述內部歧管的內壁面接觸的部分具有低摩擦材料。
7. 根據(jù)權利要求2至6中任一項所述的燃料電池堆，其中， 上述延伸設置構件以上述延伸設置構件在上述內部歧管內所占的比例越靠近上述內 部歧管的出口越小的方式構成。
8. 根據(jù)權利要求1至7中任一項所述的燃料電池堆，其中， 上述燃料電池堆具有板件，該板件設置于層疊后的上述燃料電池的層疊方向外側，且 具有與上述內部歧管連通的連通孔， 在上述延伸設置構件延伸設置到上述板件的連通孔為止的同時，在上述板件的連通孔 內具有用于抑制上述延伸設置構件在與層疊方向正交的方向上偏移的偏移抑制部。
9. 根據(jù)權利要求1所述的燃料電池堆，其中， 上述延伸設置構件是具有使來自上述燃料電池的氣體能夠流入的流入部的筒狀構件。
10. 根據(jù)權利要求1或9所述的燃料電池堆，其中， 上述延伸設置構件由防水性比構成上述內部歧管的構件的防水性高的防水構件構成。
11. 根據(jù)權利要求1或9所述的燃料電池堆，其中， 上述延伸設置構件由親水性比構成上述內部歧管的構件的親水性高的親水構件構成。
12. 根據(jù)權利要求1或9中所述的燃料電池堆，其中， 上述延伸設置構件的靠燃料電池中央的內側部分由親水性比構成上述內部歧管的構 件的親水性高的親水構件構成、外側部分由防水性比構成上述內部歧管的構件的防水性高 的防水構件構成。
13. 根據(jù)權利要求1或9所述的燃料電池堆，其中， 上述延伸設置構件的氣體排出方向的上游部分由親水性比構成上述內部歧管的構件 的親水性高的親水構件構成、下游部分由防水性比構成上述內部歧管的構件的防水性高的 防水構件構成。
14. 根據(jù)權利要求1以及權利要求9至13中的任一項所述的燃料電池堆，其中， 為了防止生成水向上述燃料電池側的倒流，上述延伸設置構件的內壁上表面形成為傾 斜面。
15. 根據(jù)權利要求1以及權利要求9至14中的任一項所述的燃料電池堆，其特征在于， 為了防止生成水向上述燃料電池側的倒流，在上述延伸設置構件的內壁底面形成有向 上方突出的突出部。
16. 根據(jù)權利要求1至15中任一項所述的燃料電池堆，其中， 上述延伸設置構件分別設置于用于將陽極氣體向外部排出的內部歧管和用于將陰極 氣體向外部排出的內部歧管內。
17. -種具有權利要求1至權利要求16中任一項所述的燃料電池堆的燃料電池系統(tǒng)， 其特征在于，該燃料電池系統(tǒng)具有： 控制閥，其用于控制向上述燃料電池堆供給的陽極氣體的壓力； 緩沖罐，其用于儲存自上述燃料電池堆排出的陽極廢氣；以及 控制部，其通過周期性地開閉上述控制閥而使陽極氣體的供給壓力增減，從而執(zhí)行陽 極脈動運轉。
【文檔編號】H01M8/04GK104106167SQ201380008529
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2013年2月5日 優(yōu)先權日:2012年2月9日
【發(fā)明者】巖崎大剛, 西村英高, 筑后隼人, 下井亮一, 市原敬士 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社