固体聚合物燃料电池制造技术

燃料电池（２０）在堆叠方向上彼此叠置。各燃料电池（２０）包括阳极气体通路（３２）和阴极气体通路（３６）。各通路具有设有两个或更多个弯部（５１１、５１２，５２１、５２２）的曲折构造。阳极气体通路（３２）和阴极气体通路（３６）中的至少一个的至少最下游弯部（５１２、５２２）被连接到在燃料电池（２０）的堆叠方向上穿过燃料电池堆（１）延伸的通孔（３３２、３７２）。通孔（３３２、３７２）使阳极气体通路（３２）或阴极气体通路（３６）中的冷凝水平均，并且防止在特定的阳极气体或阴极气体通路中引起溢流。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】固体聚合物燃料电池
本专利技术涉及固体聚合物燃料电池的隔离体(separator)和设置在该隔离体中的通路的构造。
技术介绍
固体聚合物燃料电池堆包括在一个方向上堆叠在一起的多个燃料电池。各燃料电池由膜电极组件和夹持该膜电极组件的隔离体构成。膜电极组件包括阳极和阴极分别布置在其任一侧上的电解质膜。与阳极接触的隔离体具有其主要成分是氢的阳极气体用通路，与阴极接触的隔离体具有包含氧的阴极气体用通路。燃料电池通过在供给到阳极的氢与供给到阴极的氧之间穿过电解质膜的电化学反应产生电能。为了引起这种电化学反应，电解质膜需要潮湿状态。因而，希望预先弄湿阳极气体和阴极气体。另一方面，作为电化学反应的结果，燃料电池在阴极处产生水。这种水也被回收用来弄湿电解质膜。在各燃料电池中，阳极气体穿过在隔离体中形成的沟槽状通路向下流动，从而面对阳极。阴极气体穿过在隔离体中形成的沟槽状通路向下流动，从而面对阴极。燃料电池堆设有：阳极气体供给歧管，其将阳极气体分配到各阳极气体通路；和阳极流出物排出(effluent exhaust)歧管，其回收从各阳极气体通路排出的阳极流出物，这两个歧管都穿过燃料电池而延伸。类似地，燃料电池堆设有：阴极气体供给歧管，其将阴极气体分配到各阴极气体通路；和阴极流出物排出歧管，其回收从各阴极气体通路排出的阴极流出物，这两个歧管都穿过燃料电池而-->延伸。如上所述，作为氢与氧之间的电化学反应的结果，在阴极处产生水。这种水的一部分渗透过阴极以弄湿电解质膜，而其余的水作为水蒸汽与阴极流出物一起从阴极气体通路排出到阴极流出物排出歧管。越靠下游，在阴极气体通路中的水蒸汽的量越大。结果，水蒸汽在阴极气体通路的下游部分中冷凝而成为液态水，该液态水可能妨碍阴极气体的循环。当阴极气体通路具有带有以基本180度弯曲的部分的曲折构造时，弯部往往经受溢流(flooding)。同样关于阳极气体，当在把其供给到燃料电池堆之前进行弄湿时，也可能在阳极气体通路中发生类似的溢流。
技术实现思路
关于溢流的防止，在2000年由日本专利局公开的JP2000-100458A和JP2000-82482A提出在燃料电池堆中形成通孔，该通孔在燃料电池的气体通路的弯部之间连通。通孔有助于实现在阳极气体和阴极气体中所包含的水的均匀，从而在阴极气体通路和阳极气体通路中的剩余水分可能不会在特定的燃料电池中过多，从防止溢流的观点出发这是所希望的。在JP2000-100458A中，考虑到歧管和通孔的布置，使得在膜电极组件的任一侧上的阳极气体的流动和阴极气体的流动彼此垂直。然而，为了通过在燃料电池的阳极与阴极之间穿过膜电极组件的水运动使水的分布均匀，希望在膜电极组件的任一侧上彼此平行地形成阳极气体通路和阴极气体通路，并且同时使阳极气体和阴极气体以相反的方向流动。在JP2000-82482A中所公开的燃料电池满足关于气体流动的以上条件。然而，在这种燃料电池中，阳极气体供给歧管和阴极流出物排出歧管被布置成彼此间隔开一空间。因而，不将阳极-->气体通路在其入口附近的、最易于引起水短缺的部分叠置在阴极气体通路在其出口附近的、最易于引起溢流的部分上。此外，阳极流出物排出歧管和阴极气体供给歧管彼此间隔开一空间。因而，不将阳极气体通路在其出口附近的、经受溢流最多的部分叠置在阴极气体通路在其入口附近的、经受水短缺最多的部分上。以这种方式，在这种燃料电池中不能高效地实现阴极与阳极之间的水运动。此外，在这种燃料电池中，考虑到歧管和通孔的布置，通孔被设置在阳极气体通路和阴极气体通路的中间流动部分。因而，在这种燃料电池构造中，难以防止在经受溢流最多的通路的下游部分中的溢流。因此，本专利技术的目的在于使燃料电池中的水分布均匀，由此实现在溢流防止性能方面的改进。为了实现以上目的，本专利技术提供一种燃料电池堆，其包括燃料电池，该燃料电池在供给阳极气体和阴极气体时实现电能产生，该燃料电池的每一个包括：阳极隔离体，其包括具有曲折构造的阳极气体通路，该曲折构造具有两个或多个弯部；  阴极隔离体，其包括具有曲折构造的阴极气体通路，该曲折构造具有弯部，该阴极气体通路的弯部的数量等于该阳极气体通路的弯部的数量，阴极气体通路和阳极气体通路形成彼此平行且方向相反的气体流动；以及通孔，其被设置在阳极气体通路和阴极气体通路中的至少一个中的最下游弯部中，该通孔使水分穿过燃料电池运动。本专利技术的细节以及其它特征和优点在说明书的其余部分中叙述，并且在附图中示出。附图说明图1是根据本专利技术第一实施例的燃料电池系统的示意图。-->图2是根据本专利技术第一实施例的燃料电池的示意图。图3A和3B是根据本专利技术第一实施例的阳极气体隔离体和阴极气体隔离体的平面图。图4是示出阴极气体通路中的水分布的图。图5是示出阳极气体通路中的水分布的图。图6A和6B是根据本专利技术第二实施例的阳极气体隔离体和阴极气体隔离体的平面图。图7A和7B是根据本专利技术第三实施例的阳极气体隔离体和阴极气体隔离体的平面图。图8A和8B是根据本专利技术第四实施例的阳极气体隔离体和阴极气体隔离体的平面图。图9A和9B是根据本专利技术第五实施例的阳极气体隔离体和阴极气体隔离体的平面图。图10A和10B是根据本专利技术第六实施例的阳极气体隔离体和阴极气体隔离体的平面图。图11A和11B是根据本专利技术第七实施例的阳极气体隔离体和阴极气体隔离体的平面图。图12A和12B是根据本专利技术第八实施例的在阴极气体隔离体上的阴极气体通路和LLC通路的平面图。具体实施方式参照附图的图1，将说明根据本专利技术第一实施例的具有燃料电池堆1的燃料电池系统的构造。该燃料电池系统包括燃料电池堆1，该燃料电池堆1通过包含氢的阳极气体与包含氧的阴极气体之间的电化学反应产生电能。此外，该燃料电池系统包括LLC循环系统2，该LLC循环系统2使作为冷却剂的LLC(长寿命冷却剂long life coolant)穿过燃料电-->池堆1循环，由此将燃料电池堆1保持在适当温度。LLC循环系统2使通过将乙二醇和水彼此混合得到的防冻剂作为LLC循环。LLC循环系统2包括LLC贮存容器12、LLC泵13、温度传感器14、旁通阀15、以及散热器16。根据温度传感器14的输出控制旁通阀15的打开，以调节通过散热器16循环的LLC的流速。这有助于将LLC保持在适于冷却燃料电池堆1的温度。燃料电池系统还包括用于将阳极气体供给到燃料电池堆1的阳极气体供给系统3、和用于将阴极气体供给到燃料电池堆1的阴极气体供给系统4。阳极气体供给系统3通过阳极气体供给通路3A将阳极气体供给到燃料电池堆1，并且通过阳极流出物回收通路3B回收来自燃料电池堆1的阳极流出物。阳极气体供给系统3包括水分交换器17，该水分交换器17通过利用包含在阳极流出物中的水来弄湿阳极气体。阴极气体供给系统4通过阴极气体供给通路4A将阴极气体供给到燃料电池堆1，并且通过阴极流出物回收通路4B回收来自燃料电池堆1的阴极流出物。阴极气体供给系统4包括水分交换器18，该水分交换器18通过利用包含在阴极流出物中的水来弄湿阴极气体。也可能例如通过利用阴极流出物的水分来弄湿阳极气体。接着，将说明构成燃料电池堆1的各燃料电池20的构造。参照图2，燃料电池20包括由带有催化剂层的电解质膜形成的膜电极组件(MEA)21、和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池堆（１），其包括：燃料电池（２０），在供给阳极气体和阴极气体时实现电能产生，该燃料电池（２０）的每一个包括：阳极隔离体（２３），其包括具有曲折构造的阳极气体通路（３２），该曲折构造具有两个或更多个弯部（５１１、… 、５１ｍ）；阴极隔离体（２４），其包括具有曲折构造的阴极气体通路（３６），该曲折构造具有弯部（５２１、…、５２ｍ），所述阴极气体通路的所述弯部的数量等于所述阳极气体通路的所述弯部的数量，所述阴极气体通路（３６）和所述阳极气体通路（３ ２）形成彼此平行且方向相反的气体流；以及通孔（３３ｍ、３７ｍ），其被设置在所述阳极气体通路（３２）和所述阴极气体通路（３６）中的至少一个中的最下游弯部（５１ｍ、５２ｍ）中，该通孔使水分穿过所述燃料电池（２０）运动。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2003-11-13 384039/20031.一种燃料电池堆(1)，其包括：燃料电池(20)，在供给阳极气体和阴极气体时实现电能产生，该燃料电池(20)的每一个包括：阳极隔离体(23)，其包括具有曲折构造的阳极气体通路(32)，该曲折构造具有两个或更多个弯部(511、...、51m)；阴极隔离体(24)，其包括具有曲折构造的阴极气体通路(36)，该曲折构造具有弯部(521、...、52m)，所述阴极气体通路的所述弯部的数量等于所述阳极气体通路的所述弯部的数量，所述阴极气体通路(36)和所述阳极气体通路(32)形成彼此平行且方向相反的气体流；以及通孔(33m、37m)，其被设置在所述阳极气体通路(32)和所述阴极气体通路(36)中的至少一个中的最下游弯部(51m、52m)中，该通孔使水分穿过所述燃料电池(20)运动。2.根据权利要求1所述的燃料电池堆(1)，其特征在于，所述燃料电池堆(1)具有方形形状横截面，并且还包括：阳极气体供给歧管(31)，其向各燃料电池(20)的所述阳极气体通路(32)供给阳极气体；阳极流出物排出歧管(34)，其回收来自各燃料电池(20)的所述阳极气体通路(32)的阳极流出物，该阳极流出物排出歧管(34)在所述燃料电池堆(1)的横截面中相对于所述阳极气体供给歧管(31)对角地布置；阴极气体供给歧管(35)，其向各燃料电池(20)的所述阴极气体通路(36)供给阴极气体；阴极流出物排出歧管(38)，其回收来自各燃料电池(20)的所述阴极气体通路(36)的阴极流出物，该阴极流出物排出歧管(38)在所述燃料电池堆(1)的横截面中相对于所述阴极气体供给歧管(35)对角地布置；-->其中，所述阳极气体供给歧管(31)和所述阴极流出物排出歧管(38)沿所述燃料电池(20)的堆叠表面的第一侧(29)平行地布置，而所述阳极流出物排出歧管(34)和所述阴极气体供给歧管(35)沿相对于所述燃料电池堆(1)的横截面与所述第一侧(29)相反的第二侧(30)平行地布置。3.根据权利要求1或2所述的燃料电池堆(1)，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：吉泽幸大，宫漥博史，
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]