专利名称：聚合物电解质燃料电池和发电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及在聚合物电解质燃料电池(PEFC)中的水分分配。
背景技术：
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。
发明内容
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，本发明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。
本发明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，本发明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。
本发明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。
本发明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。
图1是根据本发明的发电装置的示意图。
图2A和2B是根据本发明的燃料电池的纵向截面图。
图3是根据本发明的燃料电池堆的主要部件的纵向截面图。
图4是根据本发明的多孔双极板的前视图。
图5是根据本发明的第一固体双极板的前视图。
图6是根据本发明的第二固体双极板的前视图。
图7是根据本发明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，但表示本发明的第二实施例。
图11是根据本发明第二实施例的燃料电池的纵向截面图。
图12是根据本发明第二实施例的多孔双极板的前视图。
图13是根据本发明第二实施例的不可透过层的前视图。
图14是表示根据本发明的第二实施例、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是根据本发明第三实施例的多孔双极板的前视图。
图16类似于图1，但表示本发明的第四实施例。
图17是用于说明根据本发明第四实施例、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是用于说明根据本发明的第四实施例、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是用于说明根据本发明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，但表示本发明的第六实施例。
图21是用于说明根据本发明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是根据本发明第七实施例的第一固体双极板的前视图。
图23是用于说明根据本发明第七实施例的、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，但表示本发明的第八实施例。
图25是根据本发明第八实施例的阴极气体供应控制装置的示意图。
图26是用于说明根据本发明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是用于说明根据本发明第八实施例的、涉及阴极气体供应的变型的发电装置的示意图。
具体实施例方式
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第一板。第一固体BPP27对应于权利要求书中的第二板，第二固体BPP30对应于权利要求书中的第三板。
MEA26是固体聚合物电解质膜26A、在该固体聚合物电解质膜26A的两侧上设置的阳极气体扩散电极26B和阴极气体扩散电极26C的复合体。
MEA26被第一固体BPP27和多孔BPP28夹住。将第二固体BPP30设置成与多孔BPP28接触。
在第一固体BPP27中形成面对阳极气体扩散电极26B的阳极气体通道31。第一固体BPP27由不可透过气体的材料构成。
在多孔BPP28中形成面对第二固体BPP30的上游阴极气体通道32和面对阴极气体扩散电极26C的下游阴极气体通道33。上游阴极气体通道32与进口管路17相连，下游阴极气体通道33与出口管路18相连。图2A表示沿进口管路17的中心线切割燃料电池的横截面图，图2B表示沿出口管路18的中心线切割燃料电池的横截面图。将进口管路17和出口管路18形成为沿纵向经过燃料电池堆1，换句话说，在层叠燃料电池的方向上，如图2A和2B所示。
上游阴极气体通道32和下游阴极气体通道33被形成多孔BPP28一部分的间隔壁28A分隔开。通过在多孔BPP28中的间隔壁28A在最远离进口管路17和出口管路18的位置处形成与上游阴极气体通道32和下游阴极气体通道33相连的通孔34。
由多孔材料构成多孔BPP28，该多孔材料具有无数个微孔，气体和液体可通过这些微孔。应注意，如果液体例如水存在于材料内部，就会因液体表面张力阻塞微孔，因此防止气体经过。
在第二固体BPP30中形成冷却剂通道29。由不可透过气体的材料构成第二固体BPP30。
图3表示沿垂直于图2A和2B的方向切割燃料电池堆1的横截面图。如图3所示，在燃料电池堆1中层叠多个单燃料电池，通过相邻燃料电池的第一固体BPP27的背表面牢固地密封冷却剂通道29。并且，如图中所示，通过形成第一固体BPP27一部分的多条平行肋27A隔开阳极气体通道31。通过形成多孔BPP28一部分的多条平行肋32A和多条平行肋33A分别隔开上游阴极气体通道32和下游阴极气体通道33。通过形成第二固体BPP30一部分的多条平行肋30A隔开冷却剂通道29。
图4是多孔BPP28的前视图，对应于从下面看到的图2A的多孔BPP28的示图。如图中所示，阳极气体的进口管路7和出口管路8以及冷却剂的进口管路22和出口管路23完全经过燃料电池堆1，类似于阴极气体的进口管路17和出口管路18。
在多孔BPP中的上游阴极气体通道32的一端连接到进口管路17，上游阴极气体通道32的另一端连接到通孔34。下游阴极气体通道33的一端连接到出口管路18，下游阴极气体通道33的另一端连接到通孔34。
由鼓风机15提供的阴极气体从如图2A所示的进口管路17经过通孔34流入上游阴极气体通道32，并到达下游阴极气体通道33。在下游阴极气体通道33处，在把氧提供给MEA26的气体扩散层之后，阴极气体作为阴极排出物排放到出口管路18。
再参见图4，从进口管路17流入的阴极气体流向上游阴极气体通道32并到达通孔34。
如图4所示，在上游阴极气体通道32的两个位置处形成突出部分32B，将肋条32A设置成在突出部分32B周围迂回。因此，阴极气体围绕突出部分32B迂回，在其到达通孔34之前，沿由实线箭头所示的大致S形状蜿蜒而流。
在经过通孔34之后，阴极气体流入在间隔壁28A的相反侧伸展的下游阴极气体通道33中。在下游阴极气体通道33中在突出部分32B的相反侧上形成类似于突出部分32B的突出部分33B。从通孔34流出的阴极气体围绕在两个位置上形成的突出部分33B迂回，在其到达出口管路18之前，沿由图4中虚线箭头所示的大致S形状蜿蜒而流。在出口管路18附近的虚线表示下游阴极气体通道33的轮廓。进口管路17和出口管路18彼此相邻地设置，分别在多孔BPP20的外周边穿过该多孔BPP20。
阳极气体的进口管路7和出口管路8以及冷却剂的进口管路22和出口管路23也分别在多孔BPP28的外周边穿过该多孔BPP28，但穿过位置不影响进口管路17和出口管路18，如图4所示。
参见图5，第一固体BPP 27中的阳极气体通道31的一端连接到进口管路7，阳极气体通道31的另一端连接到出口管路8。在阳极气体通道31中形成两个突出部分27B，将肋条27A设置成围绕突出部分27B迂回。这样，从进口管路7流入阳极气体通道31的阳极气体围绕突出部分32B迂回，并在气体到达出口管路8之前，沿由实线箭头所示的大致S形状蜿蜒而流。
参见图6，第二固体BPP30中的冷却剂通道29的一端连接到进口管路22，冷却剂通道29的另一端连接到出口管路23。在冷却剂通道29的两个位置处形成突出部分30B，将肋条30A设置成围绕突出部分32B迂回。这样，从进口管路22流入阳极气体通道31的阳极气体围绕突出部分32B迂回，并在气体到达出口管路23之前，沿由实线箭头所示的大致S形状蜿蜒而流。
参见图7，由能通过气体和液体的多孔材料构成多孔BPP28。因此，如图中的剖面线所示，通过在多孔BPP28的外周边以及管路7、8、17、18、22、23和通孔34的内周边处向多孔BPP28中注入树脂，从而形成了不可透过层100，使得气体和水分不会从多孔BPP28泄漏出来。
再次参见图2B，在面对下游阴极气体通道33的MEA26的气体扩散电极中，通过在阴极气体中的氧和穿过电解质膜的氢之间的反应，产生了水蒸汽。此外，由于在MEA26的气体扩散电极中的氢和氧之间的反应热使得下游阴极气体通道33的阴极气体变成高温。
参见图8，如果阴极气体的温度变高，那么饱和蒸汽压迅速增加。因此，流向下游阴极气体通道33的阴极气体含有大量水蒸汽。
另一方面，参见图2A，由阴极气体进口管路17向上游阴极气体通道32提供的空气是由鼓风机15提供的环境空气，相对于在工作过程中的燃料电池处于比较低的温度。因此，接近进口管路17的上游阴极气体通道32变为低温。通过多孔BPP28的间隔壁28A冷却在上游阴极气体通道32的后面设置的并接近出口管路18的下游阴极气体通道33的高温阴极气体。
结果，下游阴极气体通道33的阴极气体的饱和蒸汽压下降，饱和水蒸气以液体形式通过毛细作用渗入多孔BPP28的间隔壁28A的无数个微孔中。如图2A和2B中多个小箭头所示，渗入间隔壁28A中的水在间隔壁28中移向变干的上游阴极气体通道32。如上所述，下游阴极气体通道33的阴极气体处于高温，因此由下游阴极气体通道33的阴极气体冷凝的水的温度也高。因此，经过间隔壁28A并到达上游气体通道32的水分加热并加湿在上游阴极气体通道32内的阴极气体。
因此，当上游阴极气体通道32的阴极气体从通孔34供应至下游阴极气体通道33时，所述阴极气体已经被预加热和预加湿。
也就是说，具有最高温度和最高湿度的下游阴极气体通道33的下游部分的阴极气体和具有最低温度和最低湿度的上游阴极气体通道32的上游部分的阴极气体通过由多孔材料构成的间壁28A在短移动距离上进行交换。因此，可以大量地有效交换水分和温度。
结果，下游阴极气体通道33的上游部分的阴极气体含有大量的高温水分。这使得在面对MEA26的下游阴极气体通道33的整个长度上湿度分布和水分分布均匀。
图9表示在根据原有技术的阴极气体通道内温度和相对湿度的变化。如图中所示，随着与进口管路的距离增加或随着到出口管路的距离减小，阴极气体通道的温度和相对湿度都增加。结果，从出口管路排放的阴极气体同时含有大量的水蒸汽。此外，如果超过饱和蒸汽压的水分冷凝，就容易在出口管路附近发生溢流。另一方面，在进口管路附近阴极气体通道的温度和相对湿度都低，因此易于出现干涸。
如上所述，在这种发电装置中，在面对MEA26的下游阴极气体通道33的整个长度上温度分布和水分分布变得均匀。因此可获得既不发生干涸也不发生溢流的环境。
虽然在此实施例中仅在阴极侧设置了多孔BPP28，但是也可以用多孔材料在阳极侧形成BPP，由此在阳极气体中获得均匀的水分分布。
参见图10至14，描述本发明的第二实施例。
图10中所示的发电装置与第一实施例的不同点在于阴极气体供应单元3的结构。各燃料电池的上游阴极气体通道32连接到外管39A，外管39A通过第二出口管路36引向燃料电池堆1外侧的鼓风机38。鼓风机38吸取外管39A的阴极气体并强行地将阴极气体释放到外管39B。释放到外管39B的阴极气体通过在燃料电池堆1中形成的第二进口管路37重新分配给各燃料电池的下游阴极气体通道33。
参见图11，作为对通孔34的替代品，在多孔BPP28中形成与上游阴极气体通道32相连的第二出口管路36和与下游阴极气体通道33相连的第二进口管路37。如图12所示，第二出口管路36和第二进口管路37在与第一实施例的通孔34几乎相同的位置上分别纵向经过燃料电池堆1。
参见图13，通过向多孔BPP 28注入树脂，在多孔BPP28的外周边以及各管路7、8、17、18、22、23、36和37的壁面上形成不可透过层100，正如图中剖面线所示。
该发电装置的其它结构与第一实施例的结构一致。
在这种发电装置中沿上游阴极气体通道32流动的阴极气体被吸入鼓风机38中，因此上游阴极气体通道32呈现负压，同时，由于由鼓风机38放出阴极气体而使下游阴极气体通道33呈现正压。因此，在上游阴极气体通道32和下游阴极气体通道33之间形成压力差。这样，进一步有助于在下游阴极气体通道33中形成的液态水通过间隔壁28A向上游阴极气体通道32的流动。
参见图14，在上游阴极气体通道32和下游阴极气体通道33之间的相对湿度、其温度、其中的水量随位置而变化。在上游阴极气体路径32中，由于通过多孔BPP28的间隔壁38A与下游阴极气体通道33的热交换，使得随着与第二出口管路36距离减小，温度增加。因此，能够含在阴极气体中的水蒸汽的量变得更多。另一方面，经过间隔壁28A的水分与上游阴极气体通道32中的阴极气体结合，这样随着与第二出口管路36的距离的减小相对湿度同时提高，最终达到百分之百。
在下游阴极气体通道33中，由于通过间隔壁28A与上游阴极气体通道32的热交换，使得随着与出口管路18的距离减小，温度降低。结果，能够含在阴极气体中的水量下降，过量的水分冷凝。冷凝的水分通过间隔壁28A流向上游阴极气体通道32。随着在出口管路18附近的温度下降，能够含在阴极气体中的水量因此变得更少，由此能够抑制排放到外部的并含在阴极气体中的水量。
为了减小当阴极气体经过连接鼓风机38和第二出口管路36的外管39A和连接鼓风机38和第二进口管路37的外管39B时温度的变化，优选用绝热材料覆盖外管39A和39B的至少一条。
参见图15，描述本发明的第三实施例。
在此实施例中，将出口管路18的横截面设置成大于进口管路17的横截面，将第二进口管路37的横截面设置成大于第二出口管路36的横截面。其它结构与第二实施例的结构一致。
MEA26仅面对多孔BPP28的下游阴极气体通道33，不面对上游阴极气体通道32。因此，必须使阴极气体在下游阴极气体通道33中均匀流动，不必使上游阴极气体通道32中的气体也如此。
增加用作下游阴极气体通道33出口的出口管路18的横截面和用作下游阴极气体通道33进口的第二进口管路37的横截面的宽度，直至它们基本上等于下游阴极气体通道33的宽度。作为选择，使进口管路17和第二出口管路36的横截面宽度变得更小。通过以此方式设定进口和出口管路的横截面，在下游阴极气体通道33中的阴极气体流动是均匀的。
参见图16至18，描述本发明的第四实施例。
参见图16，根据本实施例的发电装置对应于第二实施例的发电装置，其中，在阴极气体供应通路3A中进一步设置压力调节阀40。
从下游阴极气体通道33经过间隔壁28A流向上游阴极气体通道32的水量取决于在下游阴极气体通道33和上游阴极气体通道32之间的压力差。
参见图17，随着由鼓风机38放出的流速增加，在下游阴极气体通道33和上游阴极气体通道32之间的压力差变得更大。如果由鼓风机38放出的流速小，那么在下游阴极气体通道33和上游阴极气体通道32之间的压力差也小，经过间隔壁的水流量也小。
通过在设置压力调节阀19之外还设置压力调节阀40，可以将此压力差设定成任意值。也就是说，对于鼓风机放出的相同流速，当压力调节阀40的打开程度减小时上游阴极气体通道32的压力降低，当压力调节阀19的打开程度减小时下游阴极气体通道的压力增加。
在任一种情况，在下游阴极气体通道33的压力和上游阴极气体通道32的压力之间的压力差增加，流过间隔壁28A的水量以相同的阴极气体流速增加。
当燃料电池堆1上的发电负载小时，所供应的阴极气体流速也小。因此在下游阴极气体通道33和上游阴极气体通道32之间的压力差也小。然而，根据本实施例，通过控制压力调节阀40和压力调节阀19的打开程度，能够确保所需量的水分流过间隔壁28A。
参见图18，当燃料电池堆1上的发电负载变小时，通过减小压力调节阀19和40的打开程度，可以使在下游阴极气体通道33和上游阴极气体通道32之间的压力差保持不变，这样也可以使流过间隔壁28A的水量保持不变。根据此实施例，即使当发电负载小、且阴极气体流速小时，也确保了流过间隔壁28A的水量。因此防止了在下游阴极气体通道33的上游部分中的干涸以及在下游阴极气体通道33的下游部分中的溢流的发生。
参见图19，描述本发明的第五实施例。
本实施例涉及燃料电池的多孔BPP28和第二固体BPP30的结构。在第一实施例中在多孔BPP28中形成上游阴极气体通道32和下游阴极气体通道33，但在本实施例中在第二固体BPP30中形成上游阴极气体通道32，连同冷却剂路径29。在多孔BPP28中仅形成下游阴极气体通道33。燃料电池的其它特征与第一实施例的部件相同。
在本实施例中也通过形成多孔BPP28的一部分的间隔壁28A限定上游阴极气体通道32和下游阴极气体通道33。类似于第一实施例，水分从下游阴极气体通道33经过间隔壁28A流向上游阴极气体通道32，因此使MEA26的水分分布变得均匀。
根据此实施例在第二固体BPP30中形成间隔开上游阴极气体通道32的肋条32A。多孔BPP28由多孔材料构成。多孔材料通常强度较差、比无孔材料更难以加工。根据本实施例，通过在第二固体BPP30中形成肋条32A，减少了多孔材料的使用量，因此能够增加燃料电池堆1的结构强度，能够简化多孔BPP28的结构。此外，如果减少了所用的多孔材料的量，就减少了在停止状态下在燃料电池堆1中的多孔材料的微孔内剩余的水量。结果，减少了当燃料电池堆1在零度以下的温度启动时必须熔化的冰量，并可减少启动时间和在解冻中消耗的能量。
在本实施例中还可以把第一固体BPP27和第二固体BPP30结合。
参见图20，描述本发明的第六实施例。
本实施例对应于使第一实施例中的第一固体BPP27和第二固体BPP30一体化，并把隔板43设置在第二固体BPP30和多孔BPP28之间。隔板43可由导电性的且用于切断冷却剂和阴极气体的任何材料形成。根据本实施例可获得类似于第一实施例的效果，同时可减少双极板的数量。
参见图21至23，描述本发明的第七实施例。
本实施例对应于第二实施例的燃料电池堆1，其中，通过在第一固体BPP27中形成阳极气体通道31、冷却剂通道29和上游阴极气体通道32，省略了第二固体BPP30，并且其中仅在多孔BPP28中形成下游阴极气体通道33。
参见图21，在第一固体BPP27的同一垂直平面上形成冷却剂通道29和上游阴极气体通道32。在面对冷却剂通道29的多孔BPP28的间隔壁28A的部分中形成不透过气体和冷却剂的不可透过部分44。例如，通过向多孔材料中浸入树脂，从而形成不可透过部分44。
参见图22，在第一固体BPP27的上部中形成上游阴极气体通道32，在第一固体BPP27的下部中形成冷却剂路径29。阴极气体从在图上部右手侧设置的进口管路17流向在图上部左手侧设置的第二出口管路37，围绕突出部分30B迂回，并流向在冷却剂路径29中的出口管路23。
另一方面，在此截面后面设置的多孔BPP28中，阴极气体从在图下部左手侧设置的第二进口管路37朝着在图上部右手侧设置的出口管路18，流入下游阴极气体通道33，如虚线箭头所示。
因此，在燃料电池堆1中仅下游阴极气体通道33下游部分中的阴极气体的水分通过间隔壁28A流向上游阴极气体通道32。在下游阴极气体通道33的下游部分中的阴极气体含有大量水分，这些水分通过间隔壁28A提供给上游阴极气体通道32。同样根据此设置，能够防止在出口管路18附近的溢流以及在第二进口菅路37附近的干涸。
在本实施例中，由于在间隔壁38A中形成了不可透过部分44，因此防止了在下游阴极气体通道33的上游部分中的水分流向上游阴极气体通道32。但在下游阴极气体通道33的上游部分中产生的水量最初很少，即使在此部分中的水分没有透过间隔壁28A，在下游阴极气体通道33的上游部分中也不会形成溢流。
除第一实施例、第五实施例和第六实施例的作用之外，根据本实施例的燃料电池变得更薄，因此可以缩短在燃料电池堆1轴向上的长度。
下面，参照图23，描述第七实施例的变型。
这里，在面对冷却剂通道29的多孔BPP28的整个部分上形成不可透过部分44，以取代通过浸入树脂而在间隔壁28A上形成不可透过部分。由类似于第一固体BPP27的材料构成不可透过部分44，仅由多孔材料构成面对上游阴极气体通道32的多孔BPP28部分。
由于不必向多孔材料中浸入树脂以便形成不可透过部分44，因此可进一步减少用在燃料电池中的多孔材料的量。
参照图24至27，描述本发明的第八实施例。
根据此实施例的发电装置类似于第四实施例的发电装置。然而，根据此实施例，在把由鼓风机38送出的阴极气体引向第二进口管路37的外管39B中进一步设置第一截止阀47。此外，从第一截止阀47上游的外管39B借助第二截止阀49分出排放管48。此外，在第二出口管路36和鼓风机38之间的外管39A中设置用于收集液态水的液态水收集器50。
参照图25，发电装置还设置有用于控制压力调节阀19和40的打开和关闭操作、第一截止阀47和第二截止阀49的打开和关闭操作以及鼓风机38操作的控制器41。
控制器由微型计算机构成，微型计算机配置有中央处理单元(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)和输入/输出界面(I/O)界面。还可以采用多台微型计算机构成控制器。
为了执行以上控制，向控制器41分别输入来自用于命令发电装置起动或停止的主开关51、用于检测燃料电池堆1的环境温度T的温度传感器55以及用于检测燃料电池堆1上的发电负载的变换器(inverter)56的信号。
控制器41根据这些信号执行图26所示的阴极气体供应程序。程序启动与主开关51开启同时进行，此后以十毫秒的间隔重复执行程序，直至在程序中命令程序终止。
首先，在步骤S1中，控制器41确定主开关51是否已经打开。
当主开关51已经打开时，在步骤S2中，控制器41读取燃料电池堆1的环境温度T，并在步骤S3中确定温度T是否大于0摄氏度。
当温度T不大于0摄氏度时，在步骤S4中，控制器41关闭压力调节阀40，打开压力控制阀19，打开第一截止阀47，关闭第二截止阀49，并使鼓风机38工作。最后，计数器值I重新设为0。控制器41在进行了步骤S4之后完成程序。
在步骤S4中，在没有供应阴极气体、上游阴极气体路径32为负压的状态下操作鼓风机38。结果，在下游阴极气体通道33和上游阴极气体通道32之间形成大的压力差。由此进行对间隔壁28A的微孔的清洗。
在步骤S3中，当温度T大于0摄氏度时，在步骤S5中，控制器41打开压力调节阀40，打开压力控制阀19，打开第一截止阀47，关闭第二截止阀49，并使鼓风机38工作。此外，计数器值I重新设为0。控制器41在进行了步骤S5之后完成程序。在此状态下进行燃料电池堆1的发电。从压力调节阀40提供给燃料电池堆1的阴极气体经过上游阴极气体通道32并临时排放到外管39A。在由鼓风机38推动之后，阴极气体经由外管39B供应至燃料电池堆1的下游阴极气体通道33，最终经由压力调节阀19排放到环境大气中。
在此过程中形成下游阴极气体通道33的下游的过量水分由于在下游阴极气体通道33和上游阴极气体通道32之间的压力差而穿过间隔壁28A。由此加湿上游阴极气体通道32的阴极气体。正如对第四实施例所作的解释，通过控制压力调节阀40的打开程度，可以使在下游阴极气体通道33和上游阴极气体通道32之间的压力差基本上保持恒定，由此使穿过间隔壁28A的水量基本上保持恒定。在步骤S5中，控制器41按照发电负载控制压力调节阀40的打开程度，从而使预定量的水分经过间隔壁28A。由此可靠地防止了在下游阴极气体通道33的上游部分中的干涸或在下游阴极气体通道33的下游部分中的溢流。
当确定在步骤S1中主开关还没有打开时，换句话说，当主开关51处于关闭位置时，在步骤S7中，控制器41确定计数器值I是否已经达到预定值N。计数器值I是对应于在开关51关闭之后经过的时间量的值。
当计数器值I还没有达到预定值N时，在步骤S8中，控制器41同时关闭压力调节阀19和压力调节阀40，关闭第一截止阀47，打开第二截止阀49，使鼓风机38工作。此后，控制器41增加计数器值I并完成程序。
根据步骤S8的过程，在切断阴极气体向/从下游阴极气体通道33的流入/流出的状态下，通过鼓风机38的操作使上游阴极气体通道32形成负压。结果，由鼓风机38吸出保留在上游阴极气体通道32中、在包括间隔壁28A的多孔BPP28的微孔中、以及在下游阴极气体通道33中的水分，并将所述水分收集在设于外管39A中的液态水收集器50。因此，通过反复进行步骤S8，排出了当燃料电池堆1停止工作时保留在多孔BPP28中的水分，这样多孔BPP28处于干燥状态。
另一方面，当在步骤S7中计数器值I已经达到预定值N时，在步骤S9中控制器41关闭压力调节阀19和40、第一截止阀47和第二截止阀49，停止鼓风机38的工作。此外，将计数器值I重新设为0，随后停止程序的进行。也就是说，一旦当计数器值I已经达到预定值N时，仅执行步骤S7。随后不执行该程序直至主开关51重新开启。
通过执行该程序，当燃料电池堆1停止工作时，总是在预定时间内除去多孔BPP28内的水分。这样，即使在温度降至零度以下并且停止燃料电池堆1的工作的情况下水分也不会在多孔BPP28中凝结。由此防止了阴极气体通道的阻塞，在启动发电装置的操作时也不必对多孔BPP28进行融化操作。
参见图27，描述第八实施例的变型。
这里，在图24的发电装置中另外形成了直接连接阴极气体供应通路3A和外管39A的旁路52，并设置用于打开和关闭旁路52的第三截止阀53。旁路52绕过压力调节阀40、上游阴极气体通道32和液态水收集器50。
控制器41执行其中省略了步骤S8的图26的阴极气体供应程序，将第三截止阀53的打开操作加入到步骤S4的过程中，并将第三截止阀53的关闭操作加入到步骤S5和S9的过程中。
结果，在启动模式下将从旁路52吸入鼓风机38中的阴极气体提供给下游阴极气体通道32。由于根据这种变型省略了步骤S8，当温度降至零度以下并且不进行发电时，存留在上游阴极气体路径32中和多孔BPP28中的水分凝结。
然而，通过向下游阴极气体通道33直接提供阴极气体，由燃料电池堆1的发电变得可行了。一旦燃料电池堆1开始发电，通过反应热量融化掉存留在上游阴极气体路径32中和多孔BPP28的微孔中的冰。当环境温度T变为高于零摄氏度时，控制器41关闭第三截止阀53并打开压力调节阀40，此后燃料电池堆正常工作。
通过以此方式设置旁路52，可节省在燃料电池堆1停止操作时除去存留在多孔BPP28中的水分所需的能量。
在此将2002年9月11日在日本提交的JP特开2002-265253的内容引作参考。
虽然上面参照本发明的特定实施例描述了本发明，但是本发明不限于上述实施例。本领域技术人员能够根据上述教导对上述实施方式进行修改和变化。
申请的工业领域如上所述，本发明改善了在聚合物电解质燃料电池(PEFC)的膜电极组件(MEA)中水分从潮湿部分向干燥部分的传输性能。因此，通过将本发明应用于难以从外部提供水的车用聚合物电解质燃料电池(PEFC)，获得了尤其好的效果。
其中要求了独占权或特权的本发明的实施方式定义如下
权利要求
1.一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.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)和冷却剂供应通道(29)，第二燃料电池的第一板(27)包括由多孔材料制成的并面对第一燃料电池的上游气体供应通道(32)的多孔部分和由无孔材料制成的并面对第一燃料电池的冷却剂供应通道(29)的无孔部分。
16.根据权利要求3所限定的聚合物电解质燃料电池，其中该燃料电池与相同结构的其它燃料电池层叠，第一板(28)进一步包括第一通孔(17)，构成用于向各燃料电池的上游气体供应通道(32)分配阴极气体的进口管路；第二通孔(18)，构成用于收集来自各燃料电池的下游气体供应通道(33)中的阴极气体的出口管路；和在第一通孔(17)和第二通孔(18)的内周边表面上以及在第一板(28)的外周边表面上形成的不可透过层(100)，不可透过层(100)用以防止反应气体进入第一板(28)。
17.根据权利要求16所限定的聚合物电解质燃料电池，其中将第二通孔(18)的横截面积设定成大于第一通孔(17)的横截面积。
18.一种发电装置，包括燃料电池堆(1)，在燃料电池堆(1)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(26)，该膜电极组件包括聚合物膜(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，该燃料电池堆(1)包括第一进口管路(17)，向各燃料电池的上游气体供应通道(32)分配反应气体；第一出口管路(18)，从各燃料电池的下游气体供应通道(33)收集反应气体；第二出口管路(36)，收集各燃料电池的上游气体供应通道(32)的反应气体；和第二进口管路(37)，向各燃料电池的下游气体供应通道(33)分配反应气体；和鼓风机(38)，该鼓风机向第二进口管路(37)强制地提供由第二出口管路(36)收集的反应气体。
19.根据权利要求18所限定的发电装置，其中该装置进一步包括连接第二出口管路(36)和鼓风机(38)的第一外管(39A)和连接鼓风机(38)和第二进口管路(37)的第二外管(39B)，采用热绝缘材料覆盖第一外管(39A)和第二外管(39B)之一。
20.根据权利要求19所限定的发电装置，其中该装置进一步包括压力调节阀(19)，该压力调节阀调节从第一出口管路(18)流出的反应气体的压力。
21.根据权利要求20所限定的发电装置，其中该装置进一步包括第二压力调节阀(40)，该第二压力调节阀调节供应到第一进口管路(17)的反应气体的压力。
22.根据权利要求21所限定的发电装置，其中该装置进一步包括检测在燃料电池堆(1)上的发电负载的传感器(56)；编程为根据发电负载控制第二压力调节阀(40)的打开程度以使在下游气体供应通道(33)和上游气体供应通道(32)之间的压力差保持恒定(S5)的可编程控制器(41)。
23.根据权利要求22所限定的发电装置，其中该装置进一步包括截止在第二外管(39B)中反应气体的流动的第一截止阀(47)、把由鼓风机(38)放出的反应气体排放到环境大气中的第二截止阀(49)和控制燃料电池堆(1)的启动和停止操作的主开关(51)，控制器(41)进一步编程为在第一压力调节阀(19)、第二压力调节阀(40)和第一截止阀(47)全部关闭且第二截止阀(49)打开的状态下、在主开关(51)控制燃料电池堆(1)停止工作时(S8)的预定时间段内操作鼓风机(38)。
24.根据权利要求23所限定的发电装置，其中该装置进一步包括第三截止阀(53)，该第三截止阀将反应气体不经过上游气体供应通道(32)而提供给鼓风机(38)。
25.根据权利要求19至24中任意一项所限定的发电装置，其中该装置进一步包括液态水收集器(50)，该收集器收集从第二出口管路(36)向第一外管(39A)流出的反应气体中的液态水分。
全文摘要
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。
文档编号H01M8/24GK1682398SQ0382129
公开日2005年10月12日 申请日期2003年8月22日 优先权日2002年9月11日
发明者池添圭吾 申请人:日产自动车株式会社