專(zhuān)利名稱(chēng)：燃料電池和燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池和燃料電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
最近，對(duì)作為不放出諸如氧化硫和氧化氮的任何有害物質(zhì)的清潔能源的燃料電池的期望正快速增長(zhǎng)，并且，已提出用于汽車(chē)、家庭電源和便攜式信息器具的各種小型電源系統(tǒng)。特別地，直接甲醇燃料電池(DMFC)消耗純的甲醇或甲醇和水的混合溶液。因此，與使用氫氣作為燃料的其它類(lèi)型的燃料電池相比，不僅燃料的操作更加容易，而且不需要加濕機(jī)構(gòu)，并且工作溫度較低，因此，熱控制機(jī)構(gòu)可較為簡(jiǎn)單。這些優(yōu)點(diǎn)意味著DMFC適于用作小型器具的電源。在這種背景下，作為小尺寸電源的DMFC的開(kāi)發(fā)正在得到促進(jìn)。
為了向陰極側(cè)供給氧化劑并冷卻膜電極組件(MEA)，DMFC具有用于向陰極側(cè)吹風(fēng)的諸如風(fēng)扇的通風(fēng)裝置。但是，如果對(duì)陰極側(cè)的通風(fēng)過(guò)量，那么MEA就太干，使得MEA的發(fā)電性能劣化。
因此，在此引用其全部?jī)?nèi)容作為參考的、作為參考被加入的JPA2003-157879(特開(kāi))提出一種燃料電池，在該燃料電池中，為了防止MEA的陰極氣體擴(kuò)散催化劑層被陰極側(cè)的反應(yīng)產(chǎn)物水覆蓋，在外面將吸濕蒸發(fā)構(gòu)件固定到陰極側(cè)，并從風(fēng)扇對(duì)外部蒸發(fā)構(gòu)件吹風(fēng)，使得風(fēng)不直吹MEA，由此附著于蒸發(fā)構(gòu)件上的濕氣被蒸發(fā)。但是，在專(zhuān)利文獻(xiàn)1中的燃料電池中，由于蒸發(fā)構(gòu)件在外面被固定到陰極側(cè)，因此，器件尺寸增加，因此不適于便攜式電子器具的小尺寸電源。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種燃料電池，該燃料電池包括具有至少兩個(gè)開(kāi)口的容器；容納于容器中的發(fā)電單元，該發(fā)電單元具有膜電極組件、陽(yáng)極流路板和陰極流路板；和從容器的開(kāi)口中的一個(gè)開(kāi)口將氧氣供給到膜電極組件中的風(fēng)扇，其中，陰極流路板具有相對(duì)于容器的間隙，以及開(kāi)口與在風(fēng)扇和與相對(duì)面不同的面上的膜電極組件之間形成的空間以及間隙連通。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)包括具有至少兩個(gè)開(kāi)口的容器；容納于容器中的發(fā)電單元，該發(fā)電單元具有膜電極組件、陽(yáng)極流路板和陰極流路板；和從容器的開(kāi)口中的一個(gè)開(kāi)口將氧氣供給到膜電極組件中的風(fēng)扇；存放燃料的燃料盒；用于從燃料盒將燃料供給到發(fā)電單元的燃料供給裝置；和使燃料在發(fā)電單元中循環(huán)的循環(huán)線(xiàn)路，其中，陰極流路板具有相對(duì)于容器的間隙，以及開(kāi)口與在風(fēng)扇和與相對(duì)面不同的面上的膜電極組件之間形成的空間以及間隙連通。


圖1是示意地表示本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的框圖；圖2是示意地表示根據(jù)實(shí)施例的燃料電池的透視圖；圖3A是燃料電池的基本部分的截面圖；圖3B是陽(yáng)極流路板(channel plate)的平面圖；圖4是示意地表示根據(jù)修改的實(shí)施例的陰極流路板的透視圖；圖5是示意地表示根據(jù)修改的實(shí)施例的陰極流路板的透視圖；圖6是示意地表示根據(jù)修改的實(shí)施例的陰極流路板的透視圖；
圖7是示意地表示根據(jù)修改的實(shí)施例的陰極流路板的平面圖；圖8是示意地表示根據(jù)另一實(shí)施例的燃料電池的放大透視圖；圖9是示意地表示根據(jù)另一實(shí)施例的燃料電池的放大透視圖；圖10A、圖10B、圖10C和圖10D分別是示意地表示具有形成各種停滯空間(stagnant space)的陰極流路板的、根據(jù)不同的實(shí)施例的燃料電池的截面圖。
具體實(shí)施例方式
在DMFC的情況下，發(fā)電效率為約20～30％，并且在發(fā)電過(guò)程中MEA的溫度升高到約50～70℃。從理論計(jì)算可清楚地看到，通過(guò)空氣冷卻系統(tǒng)散失掉在MEA中產(chǎn)生的熱所需的空氣量為在陰極反應(yīng)中需要的空氣量的約60～100倍。因此，如果試圖僅通過(guò)空氣冷卻系統(tǒng)抑制MEA的溫度升高，那么吹向MEA的風(fēng)就太強(qiáng)，并且，質(zhì)子導(dǎo)電聚合物膜和陰極催化劑層變得太干，使得以下面的公式(2)和(3)表示的反應(yīng)不能平穩(wěn)地得到促進(jìn)。因此，在本發(fā)明的實(shí)施例中，嘗試不通過(guò)空氣冷卻系統(tǒng)、而通過(guò)使用如下所述通過(guò)組合多孔陰極流路板和停滯空間獲得的陰極結(jié)構(gòu)來(lái)解決該問(wèn)題。
在實(shí)施例中，多孔體被配置在陰極空間的至少一部分中，并且周?chē)环忾]，或者，如果陰極空間的一端或兩端被打開(kāi)，那么沿與供給空氣流動(dòng)方向正交的方向形成陰極流路(channel)。因此，即使供給釋放熱所需的空氣，也在陰極空間中形成不形成空氣的強(qiáng)制流動(dòng)的停滯空間。在這種“停滯空間”中，由于空氣流動(dòng)仍持續(xù)且空氣移動(dòng)較慢，因此幾乎沒(méi)有風(fēng)或僅有微風(fēng)吹向MEA。
通過(guò)體積變化部分的流動(dòng)和由濃度差導(dǎo)致的擴(kuò)散、通過(guò)多孔體供給在下面的公式(3)的反應(yīng)中消耗的氧氣。因此，質(zhì)子導(dǎo)電聚合物膜和陰極催化劑層很難變干。并且，陰極流路板是多孔體，從陰極側(cè)反應(yīng)產(chǎn)生的水被板吸收，并且被吸收的水通過(guò)風(fēng)扇通風(fēng)被蒸發(fā)。因此，不僅燃料利用效率提高，而且被加熱的MEA的溫度可有效降低，并且，可最大程度地提取MEA的性能。另外，由于與在陰極反應(yīng)中消耗的氧氣的量相比通過(guò)風(fēng)扇通風(fēng)供給更大流量(flow rate)的空氣，因此陰極中的氧氣的濃度分布較小，并且，不出現(xiàn)在常規(guī)的MEA中出現(xiàn)的氧氣濃度在下流側(cè)下降的現(xiàn)象。從這種觀點(diǎn)看，也可提高M(jìn)EA的性能。
當(dāng)陰極空間在一端或兩端開(kāi)放時(shí)，可以沿與風(fēng)扇通風(fēng)空氣的流動(dòng)方向基本上正交的方向形成陰極空間。在這種情況下，可以在陰極空間的一個(gè)或兩個(gè)打開(kāi)的端部設(shè)置多孔膜7(圖5)，或者，可以在開(kāi)口的一端設(shè)置岐管82(圖6)。為了避免陰極流路中的強(qiáng)制流動(dòng)，通過(guò)多孔膜7堵塞陰極流路的一端或兩端是有效的。在岐管82的情況下，在岐管82的終端設(shè)置開(kāi)關(guān)閥81，并調(diào)整在陰極空間中供給的空氣流量。通過(guò)調(diào)整閥81的打開(kāi)程度，可以調(diào)整進(jìn)氣流量，并且，可以將供給空氣的一部分引入陰極流路中。
作為替代方案，可以使形成封閉的陰極空間的多孔體的部分65具有疏水性，并且另一部分68可具有親水性(參見(jiàn)圖10B)。當(dāng)空氣穿過(guò)的部分被限定為疏水性多孔體65、其它的周邊部分被限定為親水性多孔體68時(shí)，水很難穿過(guò)透氣流路侵入多孔體65中，并且，可以保持空氣在陰極空間中的平穩(wěn)流動(dòng)和氮?dú)獾臄U(kuò)散。
另外，通過(guò)至少在陰極流路的一部分中設(shè)置吸收劑66，可以單獨(dú)從陰極反應(yīng)所需的空氣吸收對(duì)發(fā)電有不利影響的痕量(trace)的碳?xì)浠衔餁怏w，并且，可使吸收劑66的量減至最少(參見(jiàn)圖10C)。存在于空氣中的諸如碳?xì)浠衔锏暮哿繗怏w的成分使陰極催化劑劣化。如果使大量的空氣與吸收劑接觸，那么吸收劑的壽命縮短。因此，可以通過(guò)將吸收劑設(shè)置在陰極流路中，單獨(dú)地使反應(yīng)所需的空氣與吸收劑接觸，結(jié)果，可延長(zhǎng)吸收劑的壽命。
通過(guò)打開(kāi)用于在封閉的陰極空間中供給空氣的小的孔隙67，陰極空間62j還可保持停滯狀態(tài)(參見(jiàn)圖10D)。這是因?yàn)?，孔?7沿與風(fēng)扇供給空氣流動(dòng)的方向(X方向)正交的方向(Y方向)被打開(kāi)。
為了吸收濕氣，多孔體優(yōu)選具有親水性。當(dāng)陰極空間由多孔體形成時(shí)，使用親水性多孔體(例如，碳多孔體)使得能夠吸收通過(guò)陰極反應(yīng)產(chǎn)生的水并蒸發(fā)供給入口側(cè)的水。
通過(guò)在與MEA相對(duì)的陰極流路一側(cè)安裝散熱片，可以保證所需的冷卻面積(圖4、圖5和圖6)。由于即使在孔隙尺寸在陰極流路和在散熱片側(cè)相同時(shí)、親水性多孔體也更有效地在散熱片側(cè)使供給空氣變干，因此水從陰極流路向散熱片側(cè)移動(dòng)。在親水性多孔體的情況下，孔隙尺寸越小，則毛細(xì)作用力越大。因此，陰極流路的多孔體的孔隙尺寸被設(shè)置為比在散熱片側(cè)的孔隙尺寸大，由此，通過(guò)毛細(xì)作用力更有效地使水向散熱片側(cè)移動(dòng)。因此，希望設(shè)置為多孔體的孔隙尺寸隨著遠(yuǎn)離MEA變小。作為要供給陽(yáng)極的燃料，例如，可以使用包含氫氣的氣體或包含甲醇的液體。
當(dāng)供給的空氣的量f由下式(1)給出時(shí)，能夠通過(guò)從在MEA中產(chǎn)生的熱減去水蒸發(fā)潛熱獲得的熱平衡釋放熱，使得MEA的溫度可保持在預(yù)定的溫度。控制器一直監(jiān)視MEA的溫度以控制供給空氣流量“f”，使得MEA的溫度被設(shè)置為預(yù)定溫度f(wàn)=ΔHfuel(1-η)qfuel-ΔQvapCpρ(Tout-Tin)---(1)]]>其中，ΔHfuel表示燃料的燃燒熱；η表示發(fā)電效率；qfuel表示發(fā)電中使用的燃料的流量；ΔQvap表示陰極中的水蒸發(fā)潛熱；Cp表示空氣的低壓比熱；ρ表示空氣密度；Tin表示入口空氣溫度；Tout表示出口空氣溫度。
通過(guò)這種控制，不需要陰極的空氣供給泵。即使需要空氣供給泵，也可降低電力消耗。并且，當(dāng)對(duì)陰極加濕時(shí)，可以供給所需的氧氣。
并且，能夠從電池有效地釋放熱，并且冷卻面積較小，使得燃料電池的尺寸可減小。由于電池溫度和冷卻空氣溫度之間的溫差達(dá)到最大溫差，因此釋放由于發(fā)電的損失而產(chǎn)生的熱。在具有相對(duì)較低的電動(dòng)勢(shì)單元的溫度并使用需要隔濕的質(zhì)子導(dǎo)電聚合物膜的燃料電池中，這些效果尤其顯著。
以下參照發(fā)電反應(yīng)的基本公式和表達(dá)親水材料和疏水材料之間的毛細(xì)作用力的差的基本公式，解釋陰極側(cè)的水的移動(dòng)的概要。
在陽(yáng)極側(cè)，下式(2)的反應(yīng)得到促進(jìn)。
(2)在陰極側(cè)，下式(3)的反應(yīng)得到促進(jìn)。
(3)假定體積V1的液體在多孔體中占據(jù)體積V的空間，那么液體飽和度s由下式(4)定義。
s＝V1/V (4)當(dāng)多孔體具有親水性時(shí)，多孔體中的毛細(xì)作用力Pc由下式(5)給出pc=σcosθc(ϵK)1/2[1.417(1-s)-2.120(1-s)2+1.263(1-s)3]---(5)]]>另一方面，當(dāng)多孔體具有疏水性時(shí)，多孔體中的毛細(xì)作用力Pc由下式(6)給出。
pc=σcosθc(ϵK)1/2[1.417s-2.120s2+1.263s3]---(6)]]>其中，σ表示液體的表面張力；θc表示液體接觸角；r表示多孔體的半徑。
在給定的液體的表面張力σ、接觸角θc和多孔體的半徑r的條件下，通過(guò)毛細(xì)作用力Pc產(chǎn)生的靜水壓力可被表示為液體飽和度s的函數(shù)。在親水性多孔體中，靜水壓力等于或小于大氣壓。相反，在疏水性多孔體中，靜水壓力等于或大于大氣壓。在親水性部分和疏水性部分共存的情況下，液體中的水更可能存在于親水性部分中。
如式(5)所示，孔隙體的孔隙半徑r越小，毛細(xì)作用力Pc變得越大。由此，即使在親水性部分中，液體中的水也更平穩(wěn)地從較大的孔隙移向較小的孔隙。
通過(guò)形成與供給空氣的流動(dòng)基本上正交的陰極流路，陰極流路為供給空氣形成停滯狀態(tài)。在陰極反應(yīng)中消耗的氧氣和通過(guò)反應(yīng)產(chǎn)生的蒸氣之間的體積差部分的空氣流入或流出陰極流路端面。當(dāng)陰極流路由多孔體形成時(shí)，產(chǎn)生的水通過(guò)毛細(xì)作用力被多孔體吸收，由此體積趨于減小。
只有空氣中的氧氣被反應(yīng)消耗，使得氮?dú)鉂舛壬撸堑獨(dú)馔ㄟ^(guò)陰極端面或多孔體向供給空氣側(cè)擴(kuò)散和移動(dòng)。由于在陰極流路中不產(chǎn)生強(qiáng)制流動(dòng)，因此蒸氣壓基本上接近由通過(guò)陰極反應(yīng)產(chǎn)生的水產(chǎn)生的飽和蒸氣壓。結(jié)果，可以防止陰極催化劑層或質(zhì)子導(dǎo)電聚合物膜變干，并可避免MEA的發(fā)電特性的劣化。
以下參照

實(shí)施本發(fā)明的最佳實(shí)施方式。
如圖1所示，實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)10包括燃料電池1、燃料盒11、燃料泵12、氣體-液體隔離器13、過(guò)濾器14、循環(huán)泵15、通風(fēng)扇16和控制器18。燃料電池1具有電池疊層，該電池疊層具有在多個(gè)層中層疊的多個(gè)發(fā)電單元3。包含氣體-液體隔離器13、過(guò)濾器14和循環(huán)泵15的循環(huán)線(xiàn)路L8與燃料電池1的陽(yáng)極側(cè)連接。從通風(fēng)扇16向燃料電池1的陰極側(cè)供給空氣。
燃料補(bǔ)充線(xiàn)路L9與循環(huán)線(xiàn)路L8的返回側(cè)連接，即，在氣體-液體隔離器13的上游側(cè)與其連接。燃料盒11和燃料泵12與燃料補(bǔ)充線(xiàn)路L9連接。通過(guò)線(xiàn)路L9，適量的高濃度甲醇溶液或純甲醇液體被補(bǔ)充到循環(huán)線(xiàn)路L8中。注意，燃料盒11以可分開(kāi)的方式被安裝到泵12的上游線(xiàn)路上以被交換。
整個(gè)燃料電池系統(tǒng)10由控制器18綜合控制。更具體地，控制器18具有各種處理數(shù)據(jù)，并基于從多個(gè)傳感器(未示出)發(fā)送的各種檢測(cè)信號(hào)(例如，發(fā)電輸出檢測(cè)信號(hào)、電池溫度檢測(cè)信號(hào)等)控制燃料泵12、循環(huán)泵15和通風(fēng)扇16的操作量，并處理數(shù)據(jù)。
如圖2所示，MEA 4被嵌入在由致密碳制成的陽(yáng)極流路板5和由親水性多孔碳制成的陰極流路板6之間，并且作為發(fā)電單元的電池3被配置。在容器2中容納電池3，并且，在容器2和陰極流路板6之間形成預(yù)定的間隙60。因此，間隙60沿X方向較薄。
容器2沿X方向在其兩端具有開(kāi)口21。從風(fēng)扇16向開(kāi)口21供給預(yù)定流量的空氣，并且通過(guò)間隙60將空氣引向陰極流路板6。圖2只示出接近風(fēng)扇16的開(kāi)口21，沒(méi)有示出遠(yuǎn)離風(fēng)扇16的另一開(kāi)口。
在陰極流路板6中，通過(guò)由多個(gè)流路壁61(多孔體)分割用間隙60連接的陰極空間，形成陰極流路62，并且，該陰極流路62沿與來(lái)自風(fēng)扇16的空氣流動(dòng)方向(X方向)不同的方向、優(yōu)選沿與空氣流動(dòng)方向基本上正交的方向(Z方向)延伸。陰極流路62的方向與風(fēng)扇通風(fēng)方向(X方向)不同，即，在與風(fēng)扇16相對(duì)的一側(cè)(YZ側(cè))的不同側(cè)(XY側(cè))形成與陰極流路62連接的間隙60。結(jié)果，到達(dá)MEA 4的風(fēng)較弱，并且從圖3A中所示的質(zhì)子導(dǎo)電膜41和陰極催化劑層43的水的蒸發(fā)受到抑制，并可避免過(guò)度變干。
在實(shí)施例中，親水性多孔碳(孔隙度60％，平均孔隙尺寸3μm)被用作陰極流路板6的材料，但本發(fā)明不限于這種材料，并且可以使用具有不同的孔隙度和平均孔隙尺寸的其它類(lèi)型的親水性多孔碳?；蛘?，可以使用諸如燒結(jié)金屬的其它親水性材料。
如圖3B所示，陽(yáng)極流路板5包含入口流路51、平行流路52和出口流路53。液體燃料(甲醇溶液)流入入口流路51，穿過(guò)多個(gè)平行流路52，并匯聚和排放到出口流路53中。通過(guò)使空氣進(jìn)入陰極流路板6的陰極流路62中，通過(guò)MEA 4的陽(yáng)極催化劑層42將甲醇和水供給到質(zhì)子導(dǎo)電聚合物膜41中，并通過(guò)MEA 4的陰極催化劑層43將空氣供給到質(zhì)子導(dǎo)電聚合物膜41中。附圖標(biāo)記7是密封構(gòu)件，并且陽(yáng)極催化劑層42和陰極催化劑層43的周邊被密封構(gòu)件7密封。
當(dāng)通過(guò)循環(huán)泵15將燃料供給到陽(yáng)極流路板5中時(shí)，通過(guò)通風(fēng)扇16將空氣供給到陰極流路板6中，反應(yīng)根據(jù)式(2)和(3)被促進(jìn)以產(chǎn)生電力，并且，負(fù)載側(cè)通過(guò)電路(未示出)將產(chǎn)生的電力取出。此時(shí)，通過(guò)式(3)的反應(yīng)在陰極側(cè)產(chǎn)生的水被由親水性多孔碳制成的陰極流路板6(多孔體)吸收。被陰極流路板6吸收的水在多孔體中向與MEA 4相對(duì)的一側(cè)移動(dòng)，并到達(dá)表面，然后接觸風(fēng)扇通風(fēng)空氣以被蒸發(fā)。
以這種方式，通過(guò)多孔體6間接蒸發(fā)在陰極側(cè)產(chǎn)生的水。因此，可以抑制從圖3A中所示的質(zhì)子導(dǎo)電膜41和陰極催化劑層43的水的過(guò)度蒸發(fā)，并且它們不過(guò)度變干，使得可以保持適量的水分。結(jié)果，式(2)的反應(yīng)得到促進(jìn)，并且燃料利用效率得到提高。另外，由于通過(guò)陰極側(cè)的水的蒸發(fā)奪去汽化熱，因此有效降低MEA 4的高溫。結(jié)果，放熱效果得到進(jìn)一步提高。
在向陽(yáng)極供給甲醇和水作為燃料的DMFC的情況下，發(fā)電效率為約20～30％，并且MEA 4的溫度高達(dá)約50～70℃。通過(guò)空氣冷卻系統(tǒng)釋放在MEA中產(chǎn)生的熱所需的空氣量為陰極反應(yīng)需要的空氣量的約60～100倍。
在本實(shí)施例中，陰極空間是通過(guò)由多孔體封閉周邊形成的封閉空間，或者，當(dāng)陰極空間的端部打開(kāi)時(shí)，沿與供給空氣方向不同的方向形成陰極流路62。因此，即使供給釋放熱所需的空氣，也不在陰極空間(或陰極流路62)中形成強(qiáng)制流動(dòng)，或者，形成很難形成這種強(qiáng)制流動(dòng)的所謂的停滯空間。在這種“停滯空間”中，沒(méi)有空氣氣流，或者空氣移動(dòng)很慢，因此，幾乎沒(méi)有吹向MEA 4的風(fēng)。因此，質(zhì)子導(dǎo)電膜41或陰極催化劑層43不變干。
并且，在實(shí)施例中，陰極流路板6是多孔體，從陰極側(cè)反應(yīng)產(chǎn)生的水被板吸收，并且吸收的水通過(guò)風(fēng)扇通風(fēng)被蒸發(fā)。由此，放熱效率得到提高，并可以最大程度地提取MEA 4的性能。
以下解釋陰極流路板6的各種修改的例子。
圖4中所示的燃料電池1A具有多個(gè)固定到陰極流路板6A的外側(cè)的散熱片63。散熱片63優(yōu)選由與陰極流路板6A相同的親水性多孔碳材料形成，但不限于相同的材料，可以使用不同的親水性多孔材料。在散熱片63和陰極流路板6A之間，孔隙度或平均孔隙尺寸可以不同。通過(guò)調(diào)整散熱片63和陰極流路板6A的表面積、孔隙度或平均孔隙尺寸，能夠適當(dāng)?shù)乜刂扑舭l(fā)速度或水保留量。圖4中所示的散熱片63是平行的散熱片，但本發(fā)明不限于這種形狀，而是可以包括諸如放射狀、螺旋狀、曲折狀和針狀的各種葉片形狀。
在圖5中所示的燃料電池1B中，在陰極流路板6A的流路端的間隙60中設(shè)置多孔膜7，因此，可以抑制在陰極流路62中形成強(qiáng)制空氣流動(dòng)。在該修改的例子中，由于間隙60被多孔膜7阻塞，因此陰極流路62是基本上被封閉的空間，并且吹向MEA 4的風(fēng)較弱，使得可以更有效地防止質(zhì)子導(dǎo)電膜或陰極擴(kuò)散催化劑層變干。
在圖6中所示的燃料電池1C中，在陰極流路板6A的流路端面的間隙60中設(shè)置歧管82和開(kāi)放度控制閥81，由此，可以抑制在陰極流路62中形成強(qiáng)制流動(dòng)。在該修改的例子中，控制器18調(diào)整閥81的開(kāi)放度，因此可以將希望流量的空氣供給到陰極流路62中。可以如本例子那樣沿Z方向形成平行的陰極流路62，但形成的陰極流路62d可具有如圖7中所示的陰極流路板6D所示具有多個(gè)突起61d的任意形狀。此時(shí)，可以在與陰極流路板6的面向風(fēng)扇16的一側(cè)不同的一側(cè)設(shè)置與陰極流路62d和開(kāi)口60連通的開(kāi)口。
在圖8中所示的燃料電池中，三個(gè)多孔板6E、64和6F被組合以形成陰極流路板。換句話(huà)說(shuō)，完整的多孔板64被插入在具有多個(gè)狹縫開(kāi)口62f的多孔板6F和具有多個(gè)狹縫開(kāi)口62e的多孔板6E之間，并且，形成陰極空間62f作為停滯空間。由于陰極空間62f被多孔壁包圍，因此它對(duì)外面是可滲透的，但是空氣的強(qiáng)制流動(dòng)的形成通過(guò)風(fēng)扇通風(fēng)得到抑制。
如圖10A所示，當(dāng)空氣通過(guò)多孔板64流入封閉的陰極空間62f中時(shí)，產(chǎn)生的空氣被多孔板6F吸收。被多孔板6F吸收的水以多孔板6F、64和6E的次序移動(dòng)到MEA 4的相對(duì)一側(cè)，并到達(dá)多孔板6E的表面，然后，使水與風(fēng)扇通風(fēng)空氣接觸以將其蒸發(fā)。在這種方式中，在陰極側(cè)產(chǎn)生的水通過(guò)多孔板6E被間接蒸發(fā)，因此，可以抑制從質(zhì)子導(dǎo)電膜41和陰極氣體擴(kuò)散催化劑層43的水的過(guò)度蒸發(fā)。結(jié)果，質(zhì)子導(dǎo)電膜41和陰極氣體擴(kuò)散催化劑層43不會(huì)變得極干，而是包含適量的水分。在陰極空間62e中，只有空氣中的氧氣被消耗，而氮?dú)鉀](méi)有被消耗。因此，氮?dú)獾姆謮荷?，并且氮?dú)庀蚬┙o空氣側(cè)擴(kuò)散和移動(dòng)。
在圖9中所示的燃料電池中，三個(gè)多孔板6E、64和6F被組合以形成陰極流路板。換句話(huà)說(shuō)，完整的多孔板64被插入在具有狹縫開(kāi)口62e的多孔板6E和具有梳齒開(kāi)口62g的多孔板6G之間，并且，形成一端開(kāi)放的陰極空間62g。陰極空間62g的一端在多孔板6F的側(cè)面開(kāi)放。在與多孔板6G的面向風(fēng)扇16的一側(cè)不同的一側(cè)設(shè)置與陰極空間62g和開(kāi)口60連通的開(kāi)口。一端封閉的陰極空間62g被多孔壁包圍，因此對(duì)外面是可滲透的，但是，空氣的強(qiáng)制流動(dòng)的形成通過(guò)風(fēng)扇通風(fēng)得到抑制。
如圖10A所示，當(dāng)空氣通過(guò)多孔板64流入封閉的陰極空間62g中時(shí)，產(chǎn)生的水被多孔板6G吸收。被多孔板6G吸收的水以多孔板6G、64和6E的次序移動(dòng)到MEA 4的相對(duì)一側(cè)，并到達(dá)多孔板6E的表面，然后，使水與風(fēng)扇通風(fēng)空氣接觸以將其蒸發(fā)。在這種方式中，在陰極側(cè)產(chǎn)生的水通過(guò)多孔板被間接蒸發(fā)，因此，可以抑制從質(zhì)子導(dǎo)電膜41和陰極氣體擴(kuò)散催化劑層43的水的過(guò)度蒸發(fā)。結(jié)果，質(zhì)子導(dǎo)電膜41和陰極氣體擴(kuò)散催化劑層43不會(huì)變得極干，而是包含適量的水分。在陰極空間62g中，只有空氣中的氧氣被消耗，而氮?dú)鉀](méi)有被消耗。因此，氮?dú)獾姆謮荷?，并且氮?dú)庀蚬┙o空氣側(cè)擴(kuò)散和移動(dòng)。
在圖10B中所示的陰極流路板6H中，空氣流路是疏水性多孔體65，并且其周邊部分是親水性多孔體。因此，水很難侵入用作空氣滲透流路的多孔體65中，并且，空氣進(jìn)入陰極流路62g的平穩(wěn)流動(dòng)以及氮?dú)獾臄U(kuò)散得到保持。當(dāng)對(duì)用作空氣滲透流路的多孔體65使用親水性元件時(shí)，在更小的孔隙尺寸的多孔體中毛細(xì)作用力更強(qiáng)。因此，通過(guò)使用比其它部分大的孔隙尺寸的多孔體，可以防止流路被液體堵塞。通過(guò)將多孔體的孔隙尺寸設(shè)為在MEA側(cè)較大而在相對(duì)一側(cè)較小，可以促進(jìn)由毛細(xì)作用力導(dǎo)致的液體的移動(dòng)。陰極流路板6H可以由具有細(xì)芯的金屬形成，這些細(xì)芯用于例如通過(guò)在其表面上形成的毛細(xì)作用力將液體移動(dòng)到與MEA 4相對(duì)的一側(cè)。
在圖10C中所示的陰極流路板6I中，在陰極空間62i中設(shè)置用于吸收痕量的碳?xì)浠衔餁怏w的諸如活性碳的吸收劑66，由此可以單獨(dú)地從陰極反應(yīng)所需的空氣吸收痕量的碳?xì)浠衔餁怏w，并可使得將吸收劑66的量減到最少。
在圖10D中所示的陰極流路板6J中，為了將空氣供給到封閉的陰極空間62i中，微孔隙67被打開(kāi)，以與陰極空間62i和開(kāi)口60連接。在這種情況下，孔隙67在與陰極流路板6I的面向風(fēng)扇16的一側(cè)不同的面中也被打開(kāi)(優(yōu)選沿與供給空氣流動(dòng)方向基本上正交的方向)，結(jié)果，停滯狀態(tài)在陰極空間62i中得到保持。
要求通過(guò)空氣冷卻釋放等于由發(fā)電產(chǎn)生的熱減去水蒸發(fā)潛熱得到的結(jié)果的熱。因此，要求為了釋放熱供給在上面的公式(1)中示出的空氣流量f。
控制器18一直監(jiān)視MEA 4的溫度以控制供給空氣流動(dòng)f，使得MEA 4的溫度恒定。
根據(jù)實(shí)施例，可以防止陰極催化劑層和質(zhì)子導(dǎo)電聚合物膜變干，并可防止MEA的發(fā)電特性惡化。在實(shí)施例的燃料電池中，即使當(dāng)供給去除從MEA產(chǎn)生的熱所需的氣流時(shí)，空氣也不流入陰極流路板中。結(jié)果，必要的熱得到釋放，并且通過(guò)防止陰極催化劑層和質(zhì)子導(dǎo)電聚合物膜變干避免了MEA的特性的惡化。
本領(lǐng)域技術(shù)人員容易想到其它優(yōu)點(diǎn)和修改方式。因此，本發(fā)明在其更寬的方面不限于這里示出和說(shuō)明的特定細(xì)節(jié)和代表性的實(shí)施例。因此，在不背離由所附的權(quán)利要求書(shū)及其等同物限定的一般發(fā)明概念的精神或范圍的條件下，可以提出各種修改方式。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，包括具有至少兩個(gè)開(kāi)口的容器；容納于容器中的發(fā)電單元，該發(fā)電單元具有膜電極組件、陽(yáng)極流路板和陰極流路板；和從容器的開(kāi)口中的一個(gè)開(kāi)口將氧氣供給到膜電極組件中的風(fēng)扇，其中，陰極流路板具有相對(duì)于容器的間隙，以及開(kāi)口與在風(fēng)扇和與相對(duì)面不同的面上的膜電極組件之間形成的空間以及間隙連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池，還包括被設(shè)置為封閉間隙的至少一部分的多孔體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池，還包括設(shè)置在間隙中的歧管；和設(shè)置在歧管的終端的開(kāi)關(guān)閥，該開(kāi)關(guān)閥調(diào)整要在膜電極組件中供給的空氣的流量。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的燃料電池，其中，多孔體具有疏水性。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池，其中，陰極流路板由多孔碳形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池，其中，陰極流路板具有親水性。
7.一種燃料電池系統(tǒng)，包括具有至少兩個(gè)開(kāi)口的容器；容納于容器中的發(fā)電單元，該發(fā)電單元具有膜電極組件、陽(yáng)極流路板和陰極流路板；從容器的開(kāi)口中的一個(gè)開(kāi)口將氧氣供給到膜電極組件中的風(fēng)扇；存放燃料的燃料盒；用于從燃料盒將燃料供給到發(fā)電單元的燃料供給裝置；和使燃料在發(fā)電單元中循環(huán)的循環(huán)線(xiàn)路，其中，陰極流路板具有相對(duì)于容器的間隙，以及開(kāi)口與在風(fēng)扇和與相對(duì)面不同的面上的膜電極組件之間形成的空間以及間隙連通。
全文摘要
本發(fā)明涉及燃料電池和燃料電池系統(tǒng)。該燃料電池包括至少在其兩個(gè)位置具有開(kāi)口的容器；容納于容器中的發(fā)電單元，該發(fā)電單元具有膜電極組件、陽(yáng)極流路板和陰極流路板；和從容器的開(kāi)口的一側(cè)將氧氣供給到膜電極組件中的風(fēng)扇。陰極流路板具有相對(duì)于容器的間隙，并且，陰極流路板具有開(kāi)口，這些開(kāi)口與在風(fēng)扇和與相對(duì)面不同的面上的膜電極組件之間形成的空間以及間隙連通。
文檔編號(hào)H01M8/02GK1941471SQ20061014144
公開(kāi)日2007年4月4日 申請(qǐng)日期2006年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月29日
發(fā)明者佐藤裕輔 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝