聚合物电解质燃料电池和发电装置制造方法及图纸

一种燃料电池，提供有膜电极组件（２６），其中，在聚合物电解质膜（２６Ａ）的两面上形成了阳极（２６Ｂ）和阴极（２６Ｃ）。燃料电池设置有面对阴极（２６Ｃ）的下游气体供应通道（３３）；通过其向下游气体供应通道（３３）提供阴极气体的且不面对阴极（２６Ｃ）的上游气体供应通道（３２）；和由多孔材料制成的间隔壁（２８Ａ），所述间隔壁（２８Ａ）将下游气体供应通道（３３）和上游气体供应通道（３２）间隔开。在阴极（２６Ｃ）中的阴极气体的电化学反应产生大量的水分。水分通过间隔壁（２６Ａ）并加湿上游气体供应通道（３２）的阴极气体，由此使膜电极组件（２６）中的水分分布均匀。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
聚合物电解质燃料电池和发电装置
本专利技术涉及在聚合物电解质燃料电池(PEFC)中的水分分配。
技术介绍
1996年由日本专利局出版的JP特开平8-138691公开了一种聚合物电解质燃料电池(PEFC)的水分传输结构。聚合物电解质燃料电池(PEFC)设置有膜电极组件(MEA)，在膜电极组件中聚合物电解质膜被构成阳极和阴极的气体扩散电极(GDE)夹在中间。用一对极板夹紧膜电极组件(MEA)。在极板中形成了分别面对阴极和阳极的气体通道。由于在气体扩散电极(GDE)中的氢离子和氧之间的反应，致使膜电极组件(MEA)产生大量的水蒸汽。另一方面，为了让膜电极组件(MEA)将氢气分离成在发电中需要的质子和氢离子，需要使膜电极组件(MEA)在任何时候都保持润湿状态。在原有技术中，利用多孔物质构成极板，由此使所产生的水分吸入其中。在需要加湿时通过毛细作用传输水分并将水分供应给膜电极组件(MEA)的干燥部分。
技术实现思路
根据原有技术的聚合物电解质燃料电池(PEFC)仅通过在极板内的毛细作用进行从膜电极组件(MEA)的湿润部分向干燥部分的水分传输。因此，如果这两个部分之间的水分传输距离长，就无法使足够量的水分从湿润部分转移至干燥部分，就存在着不能使膜电极组件(MEA)的润湿状态变得均匀的可能性。因此，难以完全防止对于发电功能所不希望的现象，例如：“干涸”，其中，一部分膜电极组件(MEA)变干；或“溢流”，其中，-->局部的水分阻塞阴极气体向膜电极组件(MEA)的供应。因此，本专利技术的目的是改善水分从聚合物电解质燃料电池(PEFC)的膜电极组件(MEA)的润湿部分向干燥部分的传输性能。本专利技术的另一目的是适当地控制在采用聚合物电解质燃料电池(PEFC)的燃料电池堆内部的水分。为了实现上述目的，本专利技术提供一种聚合物电解质燃料电池，该电池包括：膜电极组件，该膜电极组件包括聚合物膜和在聚合物膜的两个表面上形成的一对电极；面对该对电极的特定电极的下游气体供应通道；向下游气体供应通道提供反应气体且不面对该特定电极的上游气体供应通道；和由多孔材料制成的间隔壁，所述间隔壁基本上平行于聚合物膜设置，并将下游气体供应通道和上游气体供应通道间隔开。本专利技术还提供一种发电装置，该发电装置包括燃料电池堆，在燃料电池堆中多个聚合物电解质燃料电池层叠。各燃料电池包括：膜电极组件，该膜电极组件包括聚合物膜和在聚合物膜的两个表面上形成的一对电极；面对该对电极的特定电极的下游气体供应通道；向下游气体供应通道提供反应气体且不面对该特定电极的上游气体供应通道；和由多孔材料制成的间隔壁，所述间隔壁基本上平行于聚合物膜设置，并将下游气体供应通道和上游气体供应通道间隔开。该燃料电池堆包括：第一进口管路，向各燃料电池的上游气体供应通道分配反应气体；第一出口管路，从各燃料电池的下游气体供应通道收集反应气体；第二出口管路，收集各燃料电池的上游气体供应通道的反应气体；和第二进口管路，向各燃料电池的下游气体供应通道分配反应气体。发电装置还包括鼓风机，该鼓风机向第二进口管路强制地提供由第二出口管路收集的反应气体。本专利技术的细节以及其它特点和优点列于说明书的剩余部分并示于附图中。-->附图说明图1是根据本专利技术的发电装置的示意图。图2A和2B是根据本专利技术的燃料电池的纵向截面图。图3是根据本专利技术的燃料电池堆的主要部件的纵向截面图。图4是根据本专利技术的多孔双极板的前视图。图5是根据本专利技术的第一固体双极板的前视图。图6是根据本专利技术的第二固体双极板的前视图。图7是根据本专利技术的不可透过层的前视图。图8是用于说明在温度和饱和蒸汽压之间的关系的示图。图9是表示根据原有技术、在阴极气体通道内的不同位置上的气体温度和相对湿度的示图。图10类似于图1，但表示本专利技术的第二实施例。图11是根据本专利技术第二实施例的燃料电池的纵向截面图。图12是根据本专利技术第二实施例的多孔双极板的前视图。图13是根据本专利技术第二实施例的不可透过层的前视图。图14是表示根据本专利技术的第二实施例、在阴极气体通道内的不同位置上的气体温度、相对湿度和水量的示图。图15是根据本专利技术第三实施例的多孔双极板的前视图。图16类似于图1，但表示本专利技术的第四实施例。图17是用于说明根据本专利技术第四实施例、在气体流速和上游阴极气体通道和下游阴极气体通道之间的压力差之间的关系的示图。图18是用于说明根据本专利技术的第四实施例、在燃料电池堆的发电负载和压力调节阀的打开程度之间的关系的示图。图19是用于说明根据本专利技术第五实施例的燃料电池叠层结构的燃料电池堆主要部件纵向截面图。图20类似于图1，但表示本专利技术的第六实施例。图21是用于说明根据本专利技术第七实施例的燃料电池叠层结构的燃料电池堆主要部件纵向截面图。-->图22是根据本专利技术第七实施例的第一固体双极板的前视图。图23是用于说明根据本专利技术第七实施例的、涉及燃料电池的该叠层结构的变型的燃料电池堆主要部件纵向截面图。图24类似于图1，但表示本专利技术的第八实施例。图25是根据本专利技术第八实施例的阴极气体供应控制装置的示意图。图26是用于说明根据本专利技术第八实施例的由控制器执行的阴极气体供应程序的流程图。图27是用于说明根据本专利技术第八实施例的、涉及阴极气体供应的变型的发电装置的示意图。具体实施方式参见附图1，发电装置设置有燃料电池堆1、用于向燃料电池堆1提供作为阳极气体的氢气的阳极气体供应单元2、用于向燃料电池堆1提供作为阴极气体的空气的阴极气体供应单元3、以及用于冷却燃料电池堆1的冷却单元4。燃料电池堆1由大量的层叠聚合物电解质燃料电池(PEFC)构成。阳极气体供应单元2从阳极气体源5经由阳极供应通路2A向燃料电池堆1的进口管路7提供阳极气体。在阳极供应通路2A中设置用于调节阳极气体压力的压力调节阀6。阳极气体在燃料电池堆1中循环之后作为阳极排出物从出口管路8排放出。再循环通路9和净化阀11连接到出口管路8。再循环通路9连接到压力调节阀6上游的阳极气体供应通路2A。在再循环通路9中设置再循环泵10。在正常工作过程中关闭净化阀11，从出口管路8排出的阳极排出物通过再循环泵10经由再循环通路9再循环至阳极供应通路2A。在净化过程中打开净化阀11，把在燃料电池堆1中的阳极排出物释放到环境大气中。阴极气体供应单元3把通过鼓风机15吸入过滤器16的空气经由阴极气体供应通路3A提供给燃料电池堆1的进口管路17。在燃料电-->池堆1中循环的空气作为阴极排出物从出口管路18经过压力调节阀19排放到环境大气中。为了使燃料电池堆1保持在最佳温度，冷却单元4把冷却剂罐20中的冷却剂循环至燃料电池堆1。通过泵21使在冷却剂罐20中的冷却剂经过冷却剂供应通路4A供应给燃料电池堆1的进口管路22。在燃料电池堆1中循环后的冷却剂从出口管路23排放到冷却剂收集通路4B，并在散热器24中释放热量之后收集在冷却剂罐20中。所有的进口管路7、17和22以及所有的出口管路8、18和23在燃料电池堆1内部分支，与在形成燃料电池堆1的各燃料电池中形成的通道相连。现在参见图2A和2B，描述在各燃料电池内的通道的结构。燃料电池由膜电极组件(MEA)26、第一固体双极板(固体BPP)27、多孔双极板(多孔BPP)28和第二固体BPP30制成。多孔BPP28对应于权利要求书中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚合物电解质燃料电池，包括：膜电极组件（２６），包括聚合物膜（２６Ａ）和在聚合物膜（２６Ａ）的两个表面上形成的一对电极（２６Ｂ，２６Ｃ）；面对该对电极（２６Ｂ，２６Ｃ）的特定电极（２６Ｃ）的下游气体供应通道（３３）； 向下游气体供应通道（３３）提供反应气体且不面对该特定电极（２６Ｃ）的上游气体供应通道（３２）；和由多孔材料制成的间隔壁（２８Ａ），所述间隔壁设置成基本上平行于聚合物膜（２６Ａ），并将下游气体供应通道（３３）和上游气体供应通道（３ ２）间隔开。

【技术特征摘要】
JP 2002-9-11 265253/20021.一种聚合物电解质燃料电池，包括：膜电极组件(26)，包括聚合物膜(26A)和在聚合物膜(26A)的两个表面上形成的一对电极(26B，26C)；面对该对电极(26B，26C)的特定电极(26C)的下游气体供应通道(33)；向下游气体供应通道(33)提供反应气体且不面对该特定电极(26C)的上游气体供应通道(32)；和由多孔材料制成的间隔壁(28A)，所述间隔壁设置成基本上平行于聚合物膜(26A)，并将下游气体供应通道(33)和上游气体供应通道(32)间隔开。2.根据权利要求1所限定的聚合物电解质燃料电池，其中上游气体供应通道(32)包括上游部分和下游部分，下游气体供应通道(33)包括上游部分和下游部分，上游气体供应通道(32)和下游气体供应通道(33)设置成使上游气体供应通道(32)的上游部分与下游气体供应通道(33)的下游部分重叠，间隔壁(28A)夹在它们之间，以使上游气体供应通道(32)的下游部分与下游气体供应通道(33)的上游部分重叠，间隔壁(28A)夹在它们之间。3.根据权利要求1或2所限定的聚合物电解质燃料电池，其中燃料电池进一步包括由多孔材料制成的第一板(28)，间隔壁(28A)形成在第一板(28)中，下游气体供应通道(33)形成在间隔壁(28A)和特定电极(26C)之间。4.根据权利要求3所限定的聚合物电解质燃料电池，其中第一板(28)进一步包括与下游气体供应通道(33)重叠的上游气体供应通道(32)，间隔壁(28A)夹在它们之间。5.根据权利要求4所限定的聚合物电解质燃料电池，其中间隔壁(28A)进一步包括通孔(34)，该通孔(34)将上游气体供应通道(32)中的反应气体提供给下游气体供应通道(33)。-->6.根据权利要求4所限定的聚合物电解质燃料电池，其中第一板(28)包括：多个肋条(32A)，所述肋条(32A)把在上游气体供应通道(32)中的反应气体流分成多个平行流；和多个肋条(33A)，所述肋条(33A)把在下游气体供应通道(33)中的反应气体流分成多个平行流。7.根据权利要求4所限定的聚合物电解质燃料电池，其中第一板(28)进一步包括：一对突出部分(32A)，该对突出部分(32A)引导上游气体供应通道(32)中的反应气体以大致S形流动；和一对突出部分(33A)，该对突出部分(33A)引导下游气体供应通道(33)中的反应气体以大致S形流动。8.根据权利要求3所限定的聚合物电解质燃料电池，其中该对电极(26B，26C)包括阳极(26B)和阴极(26C)，特定电极(26C)包括阴极(26C)，燃料电池进一步包括由无孔材料制成的第二板(27)，第二板(27)包括面对阳极(26B)的阳极气体供应通道(31)。9.根据权利要求8所限定的聚合物电解质燃料电池，其中燃料电池进一步包括由无孔材料制成的第三板(30)，第三板(30)包括面对第二板(27)的冷却剂供应通道(29)。10.根据权利要求8所限定的聚合物电解质燃料电池，其中第二板(27)包括与阳极气体供应通道(31)间隔开的冷却剂供应通道(29)。11.根据权利要求8所限定的聚合物电解质燃料电池，其中该燃料电池与具有相同结构的第二聚合物电解质燃料电池层叠，进一步包括由不透过冷却剂和阴极气体的材料制成的隔板(43)，隔板(43)插在第一燃料电池的第一板(28)和第二燃料电池的第二板(27)之间。12.根据权利要求8所限定的聚合物电解质燃料电池，其中该燃料电池进一步包括第三板(30)，第三板(30)由无孔材料制成并位于第一板(28)上与阴极(26C)相对的一侧上，在第三板(30)中形成上游气体供应通道(32)。13.根据权利要求12所限定的聚合物电解质燃料电池，其中第三板(30)进一步包括与上游气体供应通道(32)间隔开的冷却剂供应通道(29)。-->14.根据权利要求8所限定的聚合物电解质燃料电池，其中该燃料电池与具有相同结构的第二聚合物电解质燃料电池层叠，第一燃料电池的第二板(27)包括彼此间隔开同时面对第二燃料电池的第一板(28)的间隔壁(28A)的上游气体供应通道(32)和冷却剂通道(29)，第二燃料电池的间隔壁(28A)包括由浸渍树脂形成的、用以防止冷却剂透过的不可透过部分(44)。15....

【专利技术属性】
技术研发人员：池添圭吾，
申请(专利权)人：日产自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]