專利名稱：聚合物電解質(zhì)燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，具體而言，本發(fā)明涉及聚合物電解質(zhì)燃料電池。
背景技術(shù)：
燃料電池直接將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。將一對電極安裝在電解質(zhì)膜的每一側(cè)上，將含氫燃料氣體供應(yīng)到陽極，將含氧氧化劑氣體供應(yīng)到陰極。然后，利用在電解質(zhì)膜表面上發(fā)生的以下電化學(xué)反應(yīng)提取電能。
陽極反應(yīng)…(1)陰極反應(yīng)…(2)提供到陽極的燃料氣體可直接由儲氫裝置(例如，高壓罐，液氫罐或金屬氫化物罐)提供，或通過由含氫重整燃料(例如，天然氣，甲醇或汽油)獲得的含氫氣體提供。供應(yīng)到陰極的氧化氣體通常是空氣。
如等式(2)所示，當(dāng)燃料電池工作時(shí)，在陰極產(chǎn)生水。并且，一部分生成水從陰極擴(kuò)散至陽極，并從陽極放出。此時(shí)，如果存在這樣一個(gè)區(qū)域，在此區(qū)域中，供應(yīng)燃料氣體的通道中存在太多水蒸汽，就會(huì)形成液態(tài)水，出現(xiàn)溢流。如果由于液態(tài)水防礙了氣體供應(yīng)，電池性能下降，發(fā)電容量下降。如等式(2)所示，通過反應(yīng)生成這種水，并且隨著燃料氣體在燃料電池中從上游流到下游而引起水量增加時(shí)，在燃料電池出口附近容易出現(xiàn)溢流。
1997年在日本專利局公開的JP9-511356A公開了通過控制燃料電池中的溫度分布而防止溢流的方式。在此原有技術(shù)中，通過使氣體和冷卻劑在同一方向上流動(dòng)，增加從氣體進(jìn)口到出口的溫度，以及控制在燃料電池中的溫度分布，從而防止溢流。為此，所生成的水與作為蒸汽的氣體混合，防止溢流。

發(fā)明內(nèi)容
然而，在上述原有技術(shù)中，氣體溫度升高，這樣從燃料電池放出的氣體處于高溫。結(jié)果，從燃料電池排放到外部的水量增加，容易發(fā)生“干涸”，難以在燃料電池中獲得水平衡。因此，水恢復(fù)裝置必須安裝在燃料電池的下游，系統(tǒng)變得更復(fù)雜。
因此，本發(fā)明的目的是防止在聚合物電解質(zhì)燃料電池中的溢流和干涸。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種燃料電池，包括膜電極組件和設(shè)置在膜電極組件外側(cè)的雙極板。雙極板是多孔的，包括在膜電極組件一側(cè)上的表面上形成的第一氣體通道，在膜電極組件相反側(cè)上的另一表面上形成的第二氣體通道、使第一氣體通道和第二氣體通道彼此連接的連接通道、連接到第一氣體通道和第二氣體通道之一的用于引入氣體的氣體進(jìn)口和連接到第一氣體通道和第二氣體通道中另一個(gè)的用于排出氣體的氣體出口。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方案，本發(fā)明提供一種燃料電池，包括膜電極組件、在膜電極組件外側(cè)設(shè)置的雙極板和冷卻雙極板的冷卻機(jī)構(gòu)。雙極板是實(shí)心的，包括用于引入氣體的氣體進(jìn)口；用于放出氣體的氣體出口；在膜電極組件一側(cè)上的表面上形成的、其一端連接到氣體進(jìn)口、另一端連接到折回部分的第一氣體通道；在膜電極組件一側(cè)上的表面上與第一氣體通道并行形成的、其一端借助折回部分連接到第一氣體通道、另一端連接到氣體出口的第二氣體通道；和冷卻機(jī)構(gòu)，冷卻雙極板使得距氣體進(jìn)口越近、流過第一氣體通道的氣體溫度越低。
本發(fā)明的細(xì)節(jié)以及其它特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)在說明書的剩余部分描述并在附圖中列出。


圖1表示根據(jù)本發(fā)明的聚合物電解質(zhì)燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
圖2是燃料電池的橫截面圖。
圖3A-3C表示燃料電池的陰極雙極板的氣體通道。
圖4是燃料電池的橫截面圖。
圖5類似于圖4，但表示本發(fā)明的第二實(shí)施例。
圖6A-6C類似于圖3A-3C，但表示本發(fā)明的第三實(shí)施例。
圖7表示電池的橫截面，示出在氣體通道之間的氣體運(yùn)動(dòng)。
圖8類似于圖2，但表示本發(fā)明的第四實(shí)施例。
圖9是表示當(dāng)通孔用作在第一和第二氣體通道之間的連接通道時(shí)、在氣體流速和第一氣體通道與第二氣體通道間的壓力差之間的關(guān)系的特性圖。
圖10是在第四實(shí)施例中、在氣體流速、管路的有效高度和壓力差之間關(guān)系的特性圖。
圖11表示本發(fā)明第五實(shí)施例的LLC板。
圖12是表示在溫度和飽和水蒸氣壓力之間關(guān)系的特性圖。
圖13是表示在氣體通道中的位置、相對濕度、水量和溫度之間的關(guān)系的特性圖。
圖14是表示當(dāng)燃料電池的氣體壓力保持不變時(shí)在氣體利用率和水平衡溫度之間的關(guān)系的特性圖。
圖15是表示在氣體壓力、氣體利用率和水平衡溫度之間的關(guān)系的特性圖。
圖16是表示在氣體進(jìn)口溫度、氣體進(jìn)口濕度和LLC溫度梯度之間的關(guān)系的特性圖。
圖17是表示在氣體利用率和LLC溫度梯度修正系數(shù)之間的關(guān)系的特性圖。
圖18是表示在LLC通道中流動(dòng)的LLC再循環(huán)量和在燃料電池中的LLC溫度梯度之間的關(guān)系的特性圖。
圖19是表示在LLC進(jìn)口溫度和散熱器散熱量之間的關(guān)系的特性圖。
圖20是表示當(dāng)外部空氣溫度保持不變時(shí)在經(jīng)過散熱器的LLC量和由散熱器散出的散熱量之間的關(guān)系的特性圖。
圖21是表示在外部空氣溫度和散熱器通道LLC量修正系數(shù)之間的關(guān)系的特性圖。
圖22是表示由控制器進(jìn)行控制的流程圖。
圖23類似于圖2，但表示本發(fā)明的第六實(shí)施例。
圖24A、24B類似于圖3A、圖3B，但表示根據(jù)第六實(shí)施例的陰極雙極板。
圖25是電池的橫截面，表示在根據(jù)第六實(shí)施例的氣體通道之間的水運(yùn)動(dòng)。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1參見附圖1，圖1表示根據(jù)本發(fā)明的聚合物電解質(zhì)燃料電池系統(tǒng)。本實(shí)施例采用多孔雙極板，通過讓水在雙極板內(nèi)部流動(dòng)，使電池中的水分布均勻，防止溢流和干涸。
此燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池11、檢測燃料電池11的輸出電流的安培計(jì)6、檢測供應(yīng)到燃料電池11的空氣的流速的流速傳感器7、檢測供應(yīng)到燃料電池11的空氣的壓力的壓力傳感器8、檢測外部空氣溫度的外部空氣溫度傳感器9、檢測在燃料電池11的進(jìn)口處的空氣溫度的溫度傳感器12、和檢測在燃料電池11的進(jìn)口處的空氣濕度的濕度傳感器13。
為了將燃料電池11保持在適當(dāng)溫度，系統(tǒng)包括LLC再循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)再循環(huán)燃料電池11內(nèi)部的長壽命冷卻劑(LLC)。LLC例如可以是乙二醇和水的混合物。LLC再循環(huán)系統(tǒng)包括LLC罐14、泵15、閥16、溫度傳感器17、散熱器18和旁通閥19。
通過控制器10控制燃料電池11的運(yùn)行狀態(tài)?？刂破?0根據(jù)來自流速傳感器7的氣體流速信號、來自溫度傳感器12的氣體溫度信號、來自濕度傳感器13的氣體濕度信號、來自外部空氣溫度傳感器9的外部空氣溫度信號計(jì)算出LLC進(jìn)口溫度和LLC溫度梯度的目標(biāo)值，然后以算出的目標(biāo)值為基礎(chǔ)控制LLC流速和散熱器18的散熱量。
圖2是燃料電池11的截面圖。燃料電池包括多個(gè)單電池20。
單電池20包括具有在固體聚合物膜的兩個(gè)表面上的電極層的膜電極組件(MEA)21、在MEA 21的兩側(cè)上設(shè)置的氣體擴(kuò)散層22、在氣體擴(kuò)散層22的外側(cè)安裝的陽極雙極板23和陰極雙極板24、和在陰極雙極板24的外側(cè)安裝的LLC板25。燃料氣體流過在陽極雙極板23上形成的通道，空氣流過在陰極雙極板24上形成的通道。這些氣體分別擴(kuò)散到氣體擴(kuò)散層24中，通過在MEA 21的表面上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。陰極雙極板24是多孔的，允許水透過。陽極雙極板23是實(shí)心的，不允許水透過。
圖3A-3C表示陰極雙極板24的通道。圖3A表示MEA 21的表面(上表面)，圖3B表示通過圖3A和3C的線B-B的截面，圖3C表示MEA 21的相反表面(下表面)。
在陰極雙極板24的上表面上形成第一氣體通道33，在正對第一氣體通道33的下表面上形成第二氣體通道35，也就是說，讓第二氣體通道35與第一氣體通道33背對背。第一氣體通道33和第二氣體通道35通過連接通道34連接。連接通道34是經(jīng)過陰極雙極板24的通孔。
氣體(在此情況下，空氣)從氣體進(jìn)口31經(jīng)過氣體進(jìn)口管路32傳送到在MEA 21的表面(上表面)上形成的第一氣體通道33、經(jīng)過連接通道34、并流過在MEA 21相反側(cè)上的表面(下表面)上形成的第二氣體通道35。然后到達(dá)氣體出口管路36，從氣體出口37放出。
現(xiàn)在，參照圖4描述在陰極板24中的水運(yùn)動(dòng)。圖4表示電池20的橫截面，圖中的實(shí)箭頭表示在電池中水的運(yùn)動(dòng)，圖中的虛箭頭表示電池中的氣體流動(dòng)。
陰極雙極板24是多孔的，含有大量的孔，這樣水可以在板24內(nèi)部運(yùn)動(dòng)。并且，當(dāng)水充滿板24的內(nèi)部時(shí)，由于水的表面張力作用，氣體不會(huì)從上表面經(jīng)過板24泄漏到下表面。
LLC板25位于陰極雙極板24上與MEA 21相反的那一側(cè)，流過第二氣體通道35的氣體被LLC冷卻，并達(dá)到比流過第一氣體通道33的氣體更低的溫度。冷卻流過第二氣體通道35的氣體，并將超過飽和水蒸氣壓力的水蒸氣冷凝成液體。冷凝水經(jīng)過陰極雙極板24，并移動(dòng)至第一氣體通道33。
當(dāng)外部空氣變干時(shí)，干氣體流入第一氣體通道33中。當(dāng)干氣體流入第一氣體通道33中時(shí)，通過干氣體去除MEA 21中的水，趨于使電池進(jìn)口附近變干。然而，根據(jù)本實(shí)施例，氣體在第二氣體通道35中冷卻，該水冷凝，冷凝水經(jīng)由多孔板24流至第一氣體通道33。因此，冷凝水供應(yīng)到干部分，在電池中的水分布保持均勻。
并且，由于陰極雙極板24是多孔的，當(dāng)?shù)谝粴怏w通道33中有太多水時(shí)，過多的水可通過板24排放到第二氣體通道35，反之，當(dāng)流過第一氣體通道33的空氣濕度低時(shí)，把在第二氣體通道34中液化的水通過板24供應(yīng)到第一氣體通道33，防止了流過第一氣體通道33的氣體變干。以此方式，在電池中的水分布保持均勻，防止了第一氣體通道33中變干，防止了在第二氣體通道35中的溢流。
通過LLC板25冷卻流過第二氣體通道35的氣體，這樣，有助于在第二氣體通道35中的水冷凝，有助于水從第二氣體通道35向第一氣體通道33的流動(dòng)。
在形成第一氣體通道33的陰極雙極板24位置下面形成第二氣體通道33，這樣水經(jīng)過板24流過全部第一氣體通道33和第二氣體通道35，在電池中的水分布保持得更均勻。
在氣體進(jìn)口管路32的下面形成氣體出口管路36，這樣把水有效地從含有大量冷凝水的出口氣體提供給進(jìn)口氣體。
此外，通過連接通道34(通道34是在陰極雙極板24中形成的通孔)連接第一氣體通道33和第二氣體通道35，這樣燃料電池11的結(jié)構(gòu)被簡化了并且更加緊湊。
這里，僅陰極雙極板24是多孔的，但陽極板24也可以是多孔的。
實(shí)施例2
圖5是第二實(shí)施例的燃料電池的橫截面圖，對應(yīng)于第一實(shí)施例的圖4。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與圖1所示的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)相同。在第二和隨后的實(shí)施例的描述中，相同的標(biāo)記表示與第一實(shí)施例相同結(jié)構(gòu)的部件。
在第二實(shí)施例的電池20中，減小了連接通道34的橫截面積。由于此特征，因此提高了在第一氣體通道33的氣體壓力和第二氣體通道35的氣體壓力之間的壓力差。
具體而言，陰極雙極板24的連接通道34的橫截面積小于第一氣體通道33的橫截面積。結(jié)果，當(dāng)氣體流過連接通道34時(shí)出現(xiàn)了壓力損耗，第二氣體通道35的氣體壓力Pb變?yōu)榈陀诘谝粴怏w通道33的氣體壓力Pa。例如，Pb比Pa小10kPa。
因此，第一氣體通道33的氣體壓力Pa高于第二氣體通道35的氣體壓力Pb，于是在第一氣體通道33中產(chǎn)生的水流入陰極雙極板24內(nèi)部。
如果第一氣體通道33變成溢流，阻礙了氣體擴(kuò)散，會(huì)降低電池性能。但根據(jù)第二實(shí)施例，在第一氣體通道33中產(chǎn)生的水流入陰極雙極板24的內(nèi)部，于是防止了在第一氣體通道33中的溢流，防止了燃料電池11的性能下降。并且，當(dāng)氣體入口31處的水分不夠時(shí)帶入陰極雙極板24的水蒸發(fā)，加濕氣體。
因此，根據(jù)第二實(shí)施例，連接通道34的橫截面積制得小于第一氣體通道33的橫截面積，于是第一氣體通道33的氣體壓力升至高于第二氣體通道35的氣體壓力。由于壓力差，如果過量的水在第一氣體通道33中冷凝，那么冷凝水就可以通過板24排放到第二氣體通道35，防止了在第一氣體通道33中的溢流，使電池中的水分分布均勻。此外，由于在連接通道34中的壓力損耗造成了壓差提高，這樣就不需要為了產(chǎn)生壓差而設(shè)置復(fù)雜的壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
實(shí)施例3圖6A-6C表示根據(jù)第三實(shí)施例的陰極雙極板24的通道。這些圖對應(yīng)于第一實(shí)施例的圖3A-3C。圖6A是陰極雙極板24的上表面，圖6B是經(jīng)過圖6A和圖6B的線B-B的截面，圖6C是陰極雙極板24的下表面。
根據(jù)第三實(shí)施例，陰極雙極板24的氣體通道的形狀不同于第一實(shí)施例的形狀。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與圖1所示的第一實(shí)施例的相同。
根據(jù)第三實(shí)施例，在陰極雙極板24的上表面上形成的第一氣體通道33中，氣體流過相鄰的通道。具體而言，根據(jù)第三實(shí)施例，陰極雙極板24包括在上表面(圖6A)上的兩種類型的氣體通道33a、33b。上游氣體通道33a從氣體進(jìn)口管路32分支，它們的相對端封閉。下游氣體通道33b形成在上游氣體通道33a之間，不連接到氣體進(jìn)口管路32。下游氣體通道33b經(jīng)過連接通道34與第二氣體通道35連接。
從氣體進(jìn)口管路32流向上游氣體通道33a的氣體通過多孔氣體擴(kuò)散層22流向相鄰的下游氣體通道33b。
圖7表示氣體從上游通道33a向下游通道33b的流動(dòng)。如圖7所示，從上游氣體通道33a流向下游氣體通道33b的氣體經(jīng)過氣體擴(kuò)散層22。結(jié)果，促進(jìn)了在氣體擴(kuò)散層22中的氣體擴(kuò)散，MEA 21參與在其整個(gè)表面上的反應(yīng)。此外，即使在氣體擴(kuò)散層22中產(chǎn)生過量的水分，當(dāng)氣體經(jīng)過氣體擴(kuò)散層22時(shí)也會(huì)放出過量的水分，這樣氣體擴(kuò)散不容易受到水的阻礙。
以此方式，根據(jù)第三實(shí)施例，氣體經(jīng)過氣體擴(kuò)散層22，于是在MEA 21的整個(gè)表面上發(fā)生反應(yīng)，有助于氣體擴(kuò)散，增加了燃料電池11的性能。
實(shí)施例4圖8表示根據(jù)第四實(shí)施例的燃料電池11的橫截面，對應(yīng)于第一實(shí)施例的圖2。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與圖1所示的第一實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同。
在第四實(shí)施例中，連接第一氣體通道33和第二氣體通道35的連接通道不同于第一實(shí)施例的連接通道。第四實(shí)施例的連接通道是外部管路81。
根據(jù)第四實(shí)施例，連接管路81設(shè)置在電池20的外部，使得第一氣體通道33與第二氣體通道35連接。并且，在連接管路81中，設(shè)置壓差調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)82，它能通過調(diào)節(jié)連接管路81的有效高度h(體積)的方式調(diào)節(jié)在第一氣體通道33和第二氣體通道35之間的壓差。
圖9表示當(dāng)采用第一實(shí)施例那樣的通孔作為連接通道時(shí)、在氣體流速和第一氣體通道33和第二氣體通道35之間的壓差之間的關(guān)系。隨著燃料電池11的負(fù)載的增加，氣體流速增加，在第一氣體通道33和第二氣體通道35之間的壓差增加。反之，當(dāng)氣體流速降低時(shí)，壓差也降低，排放第一氣體通道33中的水的效果降低。
圖10表示在第四實(shí)施例中、氣體流速、連接管路81的有效高度h和壓差ΔP(＝Pa-Pb)之間的關(guān)系。如此處所示，如果由壓差調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)82調(diào)節(jié)連接管路81的有效高度h，可控制壓差。例如，當(dāng)氣體流速降低時(shí)，如果連接管路81的有效高度h下降，壓差ΔP可保持不變。如果根據(jù)氣體流速的變化適當(dāng)調(diào)節(jié)管路81的有效高度h，壓差ΔP可保持不變。
以此方式，根據(jù)第四實(shí)施例，通過調(diào)節(jié)在連接管路81中的壓力損耗，可調(diào)節(jié)在第一氣體管路33和第二氣體管路35之間的氣體壓差，這樣無論氣體流速如何在第一和第二氣體通道之間的氣體的壓差都可保持不變，無論燃料電池11的工作負(fù)載如何都可防止溢流。
由于不必在陰極雙極板24中形成通孔，可簡化極板24的結(jié)構(gòu)。此外，在第一氣體通道33中產(chǎn)生的含水氣體在連接管路81中表現(xiàn)出均勻狀態(tài)之后，可將它引入到第二氣體通道35中。
實(shí)施例5圖11表示第五實(shí)施例的LLC板25。陰極雙極板24的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和通道分別與圖1、圖2和圖3所示的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)相同。
第五實(shí)施例與第一實(shí)施例的不同點(diǎn)在于在氣體通道33、35中流動(dòng)的氣體溫度隨著通道位置變化；控制在氣體出口處的氣體溫度和在氣體通道中的氣體溫度梯度(在上游氣體溫度和下游氣體溫度之間的差值)，這樣，在燃料電池11中產(chǎn)生的水量就對輸送到燃料電池11外部的水量進(jìn)行平衡。通過控制LLC進(jìn)口溫度和LLC溫度梯度(在LLC進(jìn)口溫度和出口溫度之間的差值)，從而控制在氣體出口處的氣體溫度和在氣體通道中的氣體溫度梯度。
在LLC板25中形成的LLC通道113是蛇型。在從LLC進(jìn)口111流入的LLC經(jīng)過LLC進(jìn)口管路112之后，它分支成LLC通道113。隨后，它匯聚在LLC出口管路114中，從LLC出口115排放。LLC從相鄰的陰極雙極板24吸收熱量，隨著它從LLC進(jìn)口111流到LLC出口115，溫度升高。考慮到在圖3所示的氣體通道33、35之間的關(guān)系，在第一氣體通道33中，氣體溫度從氣體進(jìn)口31、更接近的連接通道34(更下游)逐步增加，在第二氣體通道35中，溫度從連接通道34、更接近的氣體出口37(更下游)逐步降低。
圖12表示在氣體溫度和飽和水蒸汽壓力之間的關(guān)系。隨著氣體溫度增加，飽和水蒸汽壓力迅速增加。這表明，如果氣體溫度增加，氣體所保持的蒸汽量也增加。反之，如果溫度下降，氣體可不再使水保持蒸汽狀態(tài)，水冷凝成液體。
圖13表示在氣體通道33、35中的位置、相對濕度、水量和溫度值之間的關(guān)系。在第一氣體通道33中，氣體溫度從氣體進(jìn)口31、更接近于連接通道34逐步增加。結(jié)果，即使由反應(yīng)生成水，氣體的相對濕度也不超過100％，沒有飽和，這樣水沒有凝結(jié)，在第一氣體通道33中，沒有溢流。
另一方面，在第二氣體通道35中，氣體溫度從連接通道34、更接近于氣體出口37逐步降低。結(jié)果，水量增加至飽和水量之上，相對濕度通常超過100％，這樣超過飽和量的水凝結(jié)，液化。然而，當(dāng)陰極雙極板24是多孔的時(shí)，液態(tài)水流過極板24、進(jìn)入第一氣體通道33，用于加濕氣體。
以此方式，根據(jù)第五實(shí)施例，通過根據(jù)在通道中的位置改變流過氣體通道33、35的氣體溫度，防止了在第一氣體通道33中的溢流。此外，防止了由于第二氣體通道35的溢流引起的通道堵塞，還防止了從陰極雙極板24的進(jìn)口31流入的氣體變干。
此外，在第五實(shí)施例中，對LLC再循環(huán)量和散熱器18的散熱量進(jìn)行調(diào)節(jié)以維持在燃料電池11中的水平衡，并對流過氣體通道33、35的氣體的溫度和溫度梯度進(jìn)行調(diào)節(jié)。
圖14表示當(dāng)在燃料電池11中的氣體壓力保持不變時(shí)在氣體利用率和水平衡溫度之間的關(guān)系。水平衡溫度是指在建立水平衡時(shí)在氣體出口處37的氣體溫度。在燃料電池11中，通過反應(yīng)生成水，排放出含有以水蒸汽形式的這種水的氣體。因此，例如，當(dāng)燃料電池11的上游沒有加濕器且干氣體流入燃料電池11中時(shí)，如果從燃料電池11放出的氣體溫度高，通過所排出的氣體從系統(tǒng)中去除在過量生成水中的水，在燃料電池11中的水增加，出現(xiàn)干涸。
為了避免干涸，在燃料電池11中產(chǎn)生的水必須與帶出燃料電池11的水平衡。如果在燃料電池11中沒有存在水平衡，就必須把水回收裝置安裝在燃料電池11的下游以回收水，然后用于加濕流入燃料電池11中的氣體。
當(dāng)在燃料電池11中的氣體壓力不變時(shí)，由在燃料電池11中的氣體利用率確定水平衡溫度，如圖14所示。當(dāng)氣體利用率高時(shí)，放出氣體量降低，這樣，由氣體帶出燃料電池的水量降低，水平衡溫度提高。反之，當(dāng)氣體利用量小時(shí)，所放出的氣體量增加，由氣體帶出的水量提高，水平衡溫度降低。
圖15表示在供應(yīng)到燃料電池11的氣體壓力、氣體利用率和水平衡溫度之間的關(guān)系。氣體壓力越高，由氣體帶出燃料電池的水量越少，這樣水平衡溫度增加。參見圖15，由特定氣體壓力和氣體利用率可計(jì)算出建立水平衡所需的水平衡溫度。
為了以特定氣體壓力和氣體利用率建立在燃料電池11中的水平衡，在燃料電池11的氣體出口37處的氣體溫度(氣體出口溫度)必須由LLC冷卻至特定溫度。因此，根據(jù)第五實(shí)施例，通過流過LLC板25的LLC通道113的LLC降低氣體出口溫度。氣體出口溫度不能冷卻至LLC進(jìn)口溫度以下，因此LLC進(jìn)口溫度必須設(shè)定成低于水平衡溫度。
通過燃料電池11的規(guī)格例如通道的導(dǎo)熱性和形狀確定使氣體出口溫度等于水平衡溫度所需的LLC進(jìn)口溫度，這樣首先發(fā)現(xiàn)在氣體出口溫度和LLC進(jìn)口溫度之間的關(guān)系，利用這種關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。
如果確定了氣體壓力和氣體利用率，就確定了建立水平衡所需的在氣體出口處37的溫度即，確定了水平衡溫度，并且確定了達(dá)到這種水平衡溫度所需的LLC進(jìn)口溫度。
并且，為了防止在通道中半路溢流，還必須控制在通道中半路的溫度。根據(jù)第五實(shí)施例，控制在連接氣體通道33、35的連接通道34中的氣體溫度。為了控制在連接通道34中的氣體溫度，確定在連接通道34附近設(shè)置的LLC出口處15的LLC目標(biāo)溫度，確定目標(biāo)LLC溫度梯度。
圖16表示在氣體進(jìn)口溫度、氣體進(jìn)口濕度和LLC溫度梯度之間的關(guān)系。LLC溫度梯度增加，氣體進(jìn)口溫度越高，氣體進(jìn)口濕度越高，如果在氣體通道33、35中流動(dòng)的氣體的溫度梯度升高，即使外部條件改變，也可以防止溢流。
圖16表示氣體利用率固定的情況，但實(shí)際上氣體利用率變化，修正是必須的。圖17表示在氣體利用率和LLC溫度梯度修正系數(shù)之間的關(guān)系。氣體利用率越小，可處于蒸汽相的水量越大，這樣可降低氣體溫度梯度。反之，如果氣體利用率大，可處于蒸汽相的水量降低，這樣需要大的氣體溫度梯度。為此，通過參照圖17所獲得的LLC溫度梯度修正系數(shù)修正LLC溫度梯度。
圖18表示在流過LLC通道的LLC再循環(huán)量和在LLC板25中的LLC溫度梯度之間的關(guān)系。通過參見圖18，可以確定為了達(dá)到目標(biāo)LLC溫度梯度所需的LLC再循環(huán)量。LLC再循環(huán)量越小，LLC溫度梯度可設(shè)定得越大。換句話說，LLC再循環(huán)量越小，在進(jìn)口處111的LLC溫度和出口處115的LLC溫度之間的差值越大；LLC再循環(huán)量越大，在進(jìn)口處111的LLC溫度和出口處115的LLC溫度之間的差值越小。
圖19表示在LLC進(jìn)口溫度和散熱器散熱量之間的關(guān)系。通過參見圖19，可計(jì)算出使LLC進(jìn)口溫度達(dá)到目標(biāo)溫度所需的散熱器散熱量。
圖20表示當(dāng)外部空氣溫度保持恒定時(shí)在經(jīng)過散熱器18的LLC量和由散熱器18散出的散熱量之間的關(guān)系。在圖1所示的系統(tǒng)中，繞過散熱器18的LLC量越大，流過散熱器18的LLC量越小，散熱器18的散熱量越小。反之，繞過散熱器18的LLC量越小，流過散熱器18的LLC量越大，散熱器18的散熱量越大。因此，可通過控制流過散熱器18的LLC量來控制從散熱器18的散熱量。
散熱器的散熱量隨著外部空氣溫度而變化，因此根據(jù)外部空氣溫度修正經(jīng)過散熱器的LLC量。圖21表示在外部空氣溫度和散熱器LLC量修正系數(shù)之間的關(guān)系。流過散熱器18的LLC量必須由圖21查到的修正系數(shù)進(jìn)行修正。
鑒于以上幾點(diǎn)，現(xiàn)在描述根據(jù)第五實(shí)施例由控制器10進(jìn)行的控制。圖22表示由控制器10進(jìn)行的控制。
首先，在步驟S1中，通過外部空氣溫度傳感器9檢測外部空氣溫度。
在步驟S2中，通過溫度傳感器12和濕度傳感器13分別檢測氣體溫度和在氣體進(jìn)口處31的濕度。
在步驟S3中，由壓力傳感器8檢測在氣體進(jìn)口處31的氣體壓力。可由控制燃料氣體供應(yīng)的閥的打開程度評估氣體壓力。
在步驟S4中，由流速傳感器7檢測向燃料電池11的氣體供應(yīng)量。氣體供應(yīng)量還可以由鼓風(fēng)機(jī)的輸出量計(jì)算。
在步驟S5中，由安培計(jì)6檢測燃料電池11的輸出電流。
在步驟S6中，根據(jù)反應(yīng)式和在步驟S5中檢測出的輸出電流計(jì)算燃料電池11的氣體利用量。
在步驟S7中，計(jì)算燃料電池11的氣體利用率。具體而言，用在步驟S6中計(jì)算出的氣體利用量除以在步驟S4中檢測出的氣體供應(yīng)量，由此計(jì)算出氣體利用率。
在步驟S8中，由在步驟S3中檢測出的氣體壓力和在步驟S7中計(jì)算出的氣體利用率參照圖15計(jì)算出水平衡溫度。
在步驟S9中，由燃料電池11的規(guī)格和在步驟S8中計(jì)算出的水平衡溫度計(jì)算目標(biāo)LLC進(jìn)口溫度。
在步驟S10中，根據(jù)在步驟S2中檢測出的氣體進(jìn)口處31的氣體溫度和濕度參照圖16計(jì)算目標(biāo)LLC溫度梯度。
在步驟S11中，根據(jù)步驟S7算出的氣體利用率參照圖17計(jì)算LLC溫度梯度修正系數(shù)，由此修正在步驟S10中算出的目標(biāo)LLC溫度梯度。
在步驟S12中，根據(jù)在步驟S11中修正的目標(biāo)LLC溫度梯度參照圖18計(jì)算LLC再循環(huán)量。
在步驟S13中，根據(jù)在步驟S9中算出的目標(biāo)LLC進(jìn)口溫度參照圖19算出散熱器18的目標(biāo)散熱量。
在步驟S14中，根據(jù)在步驟S13中算出的目標(biāo)散熱器散熱量參照圖20計(jì)算經(jīng)過散熱器18的LLC量。
在步驟S15中，根據(jù)在步驟S1中檢測出的外部空氣溫度參照圖21計(jì)算散熱器通道LLC量修正系數(shù)，利用在步驟S14中算出的散熱器通道LLC量修正系數(shù)修正經(jīng)過散熱器18的目標(biāo)LLC量。
在步驟S16中，對泵15的輸出量和旁通閥19的打開程度進(jìn)行控制，從而達(dá)到在步驟S15中已修正的、經(jīng)過散熱器18的目標(biāo)LLC量。
根據(jù)第五實(shí)施例，對LLC再循環(huán)量和來自散熱器18的熱量進(jìn)行控制，對在LLC進(jìn)口處111的LLC溫度和在LLC板25中的LLC溫度梯度進(jìn)行控制。
結(jié)果，來自散熱器18的散熱量增加，LLC溫度降低，從氣體出口37放出的氣體溫度降低，燃料電池11的氣體壓力和氣體使用率就越低。并且，LLC再循環(huán)量降低，在LLC板25中的LLC中的LLC溫度梯度增加，流過氣體通道33、35的氣體的溫度梯度增加，在氣體進(jìn)口處31的氣體溫度和濕度就越高。因此，可防止在通道中的溢流，建立了在燃料電池11中的水平衡。
實(shí)施例6圖23表示根據(jù)第六實(shí)施例的燃料電池11的橫截面。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與圖1所示的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)相同。在第六實(shí)施例中，雙極板是不讓水通過的實(shí)心體，形成氣體通道以建立水平衡。
電池20包括MEA 21、氣體擴(kuò)散層22、陽極雙極板23、陰極雙極板24和LLC板25。陽極雙極板23和陰極雙極板24是實(shí)心體。
圖24A和24B表示根據(jù)第六實(shí)施例的陰極雙極板24。圖24A是上表面，圖24B是通過圖24A的線B-B的橫截面。
在陰極雙極板24的表面上形成第一氣體通道33c和第二氣體通道33e，各第一氣體通道33c的一端連接到氣體進(jìn)口31、另一端連接到折回部分33d，第二氣體通道33e與第一氣體通道33c并行形成，各第二氣體通道的一端借助折回部分33d連接到第一氣體通道33c、另一端連接到氣體出口37。
氣體由氣體進(jìn)口31提供、經(jīng)過氣體進(jìn)口管路32、分支成第一氣體通道33c、經(jīng)過折回部分33d折回、并流入第二氣體通道33e。隨后，此氣體經(jīng)過連接通道34、在陰極雙極板24的下表面上形成的氣體出口管路36處匯集，從氣體出口37放出。
圖25表示在根據(jù)第六實(shí)施例的通道之間的水的流動(dòng)。由于水不能經(jīng)過實(shí)心板24，在第一氣體通道33e中產(chǎn)生的水經(jīng)過氣體擴(kuò)散層22，返回到第二氣體通道33c。
在LLC板25中的通道與圖11所示的通道相同。因此，在圖24A和24B中所示的陰極雙極板24的氣體通道中，流過接近LLC通道進(jìn)口111的氣體進(jìn)口管路32和氣體出口管路36的氣體處于低溫，而流過接近LLC出口115的折回部分33d的氣體處于高溫。因此，在第一氣體通道33c中，越往下游氣體溫度越高，由于水蒸汽壓力的升高使得由反應(yīng)產(chǎn)生的水結(jié)合在氣體中。
在第二氣體通道33e中，越往下游它的溫度越低，由于飽和水蒸汽壓力的下降造成水的產(chǎn)生。然而，正如圖24A和圖24B所示，第一氣體通道33c并行、相鄰于第二氣體通道33e，因此，在第二氣體通道33e中產(chǎn)生的水經(jīng)過多孔氣體擴(kuò)散層22、流入水量不夠的第一氣體通道33c中，如圖25所示。
此外，以與第五實(shí)施例相同的方式，控制器10根據(jù)圖22中所示的流程控制LLC溫度和溫度梯度，由此在燃料電池11中建立水平衡。
根據(jù)第六實(shí)施例，即使當(dāng)實(shí)心板用于雙極板時(shí)，也能防止在通道中的溢流，可建立在燃料電池11中的水平衡。
日本專利申請P2002-192912(2002年7月2日申請)的全部內(nèi)容在此引作參考。
雖然以上參照本發(fā)明的特定實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本發(fā)明不限于上述實(shí)施例。根據(jù)上述啟示，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可對上述實(shí)施例進(jìn)行修改和變化。本發(fā)明的范圍參照權(quán)利要求書進(jìn)行限定。
申請的工業(yè)領(lǐng)域本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于聚合物電解質(zhì)燃料電池。在根據(jù)本發(fā)明的聚合物電解質(zhì)燃料電池中，防止了溢流和干涸，這有助于防止燃料電池性能的下降。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，包括膜電極組件(21)，和設(shè)置在膜電極組件(21)外側(cè)的雙極板(24)，其中雙極板(24)是多孔的，并包括在膜電極組件(21)一側(cè)上的表面上形成的第一氣體通道(33)，在膜電極組件(21)的相反側(cè)上的另一表面上形成的第二氣體通道(35)，使第一氣體通道(33)和第二氣體通道(35)彼此連接的連接通道(34，81)，連接到第一氣體通道(33)和第二氣體通道(35)之一的用于引入氣體的氣體進(jìn)口(31)，和連接到第一氣體通道(33)和第二氣體通道(35)中另一個(gè)的用于排出氣體的氣體出口(37)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所限定的燃料電池，其中氣體進(jìn)口(31)連接到第一氣體通道(33)，氣體出口(37)連接到第二氣體通道(35)，和從氣體進(jìn)口(31)引入的氣體按順序流過第一氣體通道(33)、連接通道(34、81)和第二氣體通道(35)，并從氣體出口(37)放出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所限定的燃料電池，其中在第一氣體通道(33)的相反側(cè)上形成第二氣體通道(35)，使得第二氣體通道(35)與第一氣體通道(33)背對背，氣體出口(37)形成在氣體進(jìn)口(31)的相反側(cè)上，使得氣體出口管路(36)在氣體進(jìn)口管路(32)的下面。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所限定的燃料電池，其中第一氣體通道(33)包括上游氣體通道(33a)，其一端連接到氣體進(jìn)口(31)，另一端封閉，和下游氣體通道(33b)，其一端封閉，另一端連接到連接通道(34)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所限定的燃料電池，其中流過第一氣體通道(33)的氣體壓力高于流過第二氣體通道(35)的氣體壓力。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所限定的燃料電池，其中由在連接通道(34、81)中的壓力損耗產(chǎn)生在第一氣體通道(33)和第二氣體通道(35)之間的壓差。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所限定的燃料電池，還包括壓差調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(82)，通過調(diào)節(jié)在連接通道(81)中的壓力損耗的方式調(diào)節(jié)壓差。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所限定的燃料電池，其中壓差調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(82)根據(jù)燃料電池的負(fù)載調(diào)節(jié)壓力損耗。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所限定的燃料電池，其中連接通道(34)是經(jīng)過雙極板(24)的通孔(34)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所限定的燃料電池，其中通孔(34)具有比第一氣體通道(33)的橫截面積更小的橫截面積。
11.根據(jù)權(quán)利要求2所限定的燃料電池，其中連接通道(81)是設(shè)置在雙極板(24)外側(cè)的外部管路(81)，該外部管路使第一氣體通道(33)和第二氣體通道(35)相連。
12.根據(jù)權(quán)利要求2至11任意一項(xiàng)所限定的燃料電池，包括冷卻雙極板(24)的冷卻機(jī)構(gòu)(25)，其中冷卻機(jī)構(gòu)(25)冷卻雙極板(24)，使得流過第二氣體通道(35)的氣體溫度低于流過第一氣體通道(33)的氣體溫度。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所限定的燃料電池，其中冷卻機(jī)構(gòu)(25)從第二氣體通道(35)側(cè)冷卻雙極板(24)。
14.根據(jù)權(quán)利要求2至13所限定的燃料電池，其中冷卻機(jī)構(gòu)(25)冷卻雙極板(24)，使得越接近氣體進(jìn)口(31)，流過第一氣體通道(33)的氣體溫度越低。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所限定的燃料電池，包括控制器(10)，用于調(diào)節(jié)冷卻機(jī)構(gòu)(25)的冷卻性能，使得從氣體出口(37)放出的氣體溫度越高，燃料電池(11)的氣體壓力或氣體利用率就越大。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所限定的燃料電池，其中控制器(10)調(diào)節(jié)冷卻機(jī)構(gòu)(25)的冷卻性能，使得流過第一氣體通道(33)的氣體溫度梯度增加，在氣體進(jìn)口處(31)的氣體溫度或濕度就越高。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所限定的燃料電池，其中控制器(10)還用于調(diào)節(jié)冷卻機(jī)構(gòu)(25)的冷卻性能，使得流過第一氣體通道(33)的氣體溫度梯度增加，燃料電池(11)的氣體利用率就越大。
18.一種燃料電池，包括膜電極組件(21)，在膜電極組件(21)外側(cè)設(shè)置的雙極板(24)，和冷卻雙極板(24)的冷卻機(jī)構(gòu)(25)，其中雙極板(24)是實(shí)心的，包括用于引入氣體的氣體進(jìn)口(31)；用于放出氣體的氣體出口(37)；在膜電極組件(21)一側(cè)上的表面上形成的、其一端連接到氣體進(jìn)口(31)、另一端連接到折回部分(33d)的第一氣體通道(33c)；和在膜電極組件一側(cè)上的表面上與第一氣體通道(33c)并行形成的、其一端借助折回部分(33d)連接到第一氣體通道(33c)、另一端連接到氣體出口(37)的第二氣體通道(33e)；和所述冷卻機(jī)構(gòu)(25)冷卻雙極板(24)，使得越接近氣體進(jìn)口(31)，流過該第一氣體通道(33c)的氣體溫度就越低。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所限定的燃料電池，包括控制器(10)，用于調(diào)節(jié)冷卻機(jī)構(gòu)(25)的冷卻性能，使得從氣體出口(37)放出的氣體溫度越高，燃料電池(11)的氣體壓力或氣體利用率就越高。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所限定的燃料電池，其中控制器(10)進(jìn)一步用于調(diào)節(jié)冷卻機(jī)構(gòu)(25)的冷卻性能，使得流過第一氣體通道(33c)的氣體溫度梯度增加，在氣體進(jìn)口處(31)的氣體溫度或濕度就越高。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所限定的燃料電池，其中控制器(10)進(jìn)一步用于調(diào)節(jié)冷卻機(jī)構(gòu)(25)的冷卻性能，使得流過第一氣體通道(33c)的氣體溫度梯度增加，燃料電池(11)的氣體利用率就越高。
全文摘要
一種燃料電池，包括膜電極組件(21)和設(shè)置在膜電極組件(21)外側(cè)的雙極板(24)。雙極板(24)是多孔的，具有在氣體經(jīng)過的上表面上形成的第一氣體通道(33)，在氣體經(jīng)過的下表面上形成的第二氣體通道(35)、使第一氣體通道(33)和第二氣體通道(35)彼此連接的連接通道(34)、連接到第一氣體通道(33)和第二氣體通道(35)之一的用于提供氣體的氣體進(jìn)口(31)和連接到第一氣體通道(33)和第二氣體通道(35)中另一個(gè)的用于排出氣體的氣體出口(37)。
文檔編號H01M8/04GK1799158SQ0381564
公開日2006年7月5日 申請日期2003年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月2日
發(fā)明者吉澤幸大, 巖崎靖和 申請人:日產(chǎn)自動(dòng)車株式會(huì)社