[發(fā)明專利]燃料電池單元和燃料電池組

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200980102984.1
• 申請(qǐng)日: 2009-01-27
• 公開（公告）號(hào): CN101926035A
• 公開（公告）日: 2010-12-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孝治慎之助;茂木聰史
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 佳能株式會(huì)社
• 主分類號(hào): H01M8/02
• 分類號(hào): H01M8/02;H01M8/04;H01M8/24;H01M8/10
• 代理公司: 中國國際貿(mào)易促進(jìn)委員會(huì)專利商標(biāo)事務(wù)所 11038
• 代理人: 羅銀燕

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池單元和燃料電池組(fuel?cell?stack)。

背景技術(shù)

聚合物電解質(zhì)燃料電池單元包含具有質(zhì)子導(dǎo)電性的聚合物電解質(zhì)膜(polymer?electrolyte?membrane)和設(shè)置在其兩個(gè)表面上的一對(duì)電極。

電極包含催化劑層和氣體擴(kuò)散層，所述催化劑層包含鉑或鉑族金屬，所述氣體擴(kuò)散層在催化劑層的外表面上形成，并且供給氣體以及收集電流。

所述一對(duì)電極和聚合物電解質(zhì)膜的整體被稱為膜電極組件(MEA)。通過給電極中的一個(gè)供給燃料(氫)并給電極中的另一個(gè)供給氧化劑(氧)來發(fā)電。

燃料電池單元的理論電壓約為1.23V。在實(shí)際的操作中，一般約以0.7V的輸出電壓使用燃料電池單元。

因此，當(dāng)必需較高的電動(dòng)電壓時(shí)，將多個(gè)燃料電池單元相互堆疊，并且燃料電池單元被相互串聯(lián)電連接以被使用。這種結(jié)構(gòu)被稱為燃料電池組。

這里使用的燃料電池指的是燃料電池單元和燃料電池組兩者。

為了使得燃料電池組有效地發(fā)電，必需使得形成燃料電池組的各個(gè)燃料電池單元有效地發(fā)電。

因此，必需設(shè)計(jì)和控制，使得各自的燃料電池單元的溫度條件以及對(duì)于各自的燃料電池單元的燃料和氧化劑的供給是均勻的。

一般地，與燃料電池單元并行地形成燃料電池組中的燃料流路和氧化劑流路，并且，燃料和氧化劑被并行地分配給各自的燃料電池單元。日本專利申請(qǐng)公開No.H08-213044公開了一種技術(shù)，其中，在這種燃料電池中，在燃料電池組的氣體口處設(shè)置由具有三維網(wǎng)絡(luò)的多孔體形成的整流部件，以使得對(duì)于各自的燃料電池單元的燃料和氧化劑的供給均勻。

同時(shí)，所謂的死端(dead-end)燃料電池是已知的，在該死端燃料電池中，為了使得包含燃料電池的系統(tǒng)較小并為了改善燃料的使用效率，在燃料電池組的燃料流路的下游側(cè)關(guān)閉燃料流路。

盡管死端燃料電池能使得系統(tǒng)較小并能改善燃料的使用效率，但是，它具有如下問題：由于諸如氮或水蒸氣的雜質(zhì)氣體的積累，燃料電池的性能降低。

因此，為了不允許在各自的燃料電池單元中積累雜質(zhì)氣體，提出了如下配置：其中，在少量的包含雜質(zhì)氣體的燃料穩(wěn)定地從燃料電池組的下游側(cè)流動(dòng)的情況下發(fā)電。

日本專利申請(qǐng)公開No.2002-008691公開了一種燃料電池系統(tǒng)，在該燃料電池系統(tǒng)中，通過根據(jù)在燃料電池中消耗的氫的量打開和關(guān)閉死端燃料電池的排氣閥，減少與雜質(zhì)氣體一起排出的未反應(yīng)的氫的量。

另一方面，日本專利申請(qǐng)公開No.2007-227365公開了一種燃料電池裝置，該燃料電池裝置通過設(shè)計(jì)燃料電池組的供給側(cè)流路、與發(fā)電部分對(duì)應(yīng)的分支流路、和排出側(cè)流路的流路阻力，實(shí)現(xiàn)燃料氣體的均勻供給和雜質(zhì)氣體的有效排出。

在使得燃料穩(wěn)定地流動(dòng)的配置中，日本專利申請(qǐng)公開No.H08-213044中公開的技術(shù)是有效的，但是，在死端燃料電池中以及在燃料的流率(flow?rate)在燃料電池組的燃料流路的下游被嚴(yán)格限制的系統(tǒng)中，難以均勻地給各自的燃料電池單元供給燃料。

這是因?yàn)椋捎谌缦聠栴}，導(dǎo)致來自下游側(cè)的回流和積累，所述問題是：各自的燃料電池單元的流路阻力在各自的燃料電池單元內(nèi)不均勻并在各自的燃料電池單元之間變動(dòng)，以及，由于發(fā)電消耗燃料而在發(fā)電部分處導(dǎo)致壓力損失等。

日本專利申請(qǐng)公開No.2002-008691中公開的燃料電池系統(tǒng)是用于借助于打開和關(guān)閉排氣閥來暫時(shí)恢復(fù)由于雜質(zhì)氣體的積累所降低的性能的單元，并且，雜質(zhì)氣體積累本身不能被抑制。

并且，由于各自的燃料電池單元的流路阻力如上面描述的那樣不均勻，因此，出現(xiàn)在特定的燃料電池單元中導(dǎo)致雜質(zhì)氣體的積累并且性能大大降低的問題。

這被認(rèn)為是因?yàn)榘s質(zhì)氣體的燃料氣體從燃料電池組的排出流路的回流集中于特定的燃料電池單元。

因此，出現(xiàn)如下問題：必須通過頻繁地打開和關(guān)閉排氣閥來排出包含雜質(zhì)氣體的燃料氣體，并且氫的使用效率降低。

日本專利申請(qǐng)公開No.2007-227365中公開的燃料電池裝置能實(shí)現(xiàn)燃料氣體的均勻供給和雜質(zhì)氣體的有效排出，但是，出現(xiàn)如下問題：當(dāng)由于制造誤差各自的燃料電池單元之間的流路阻力的變動(dòng)大或流路阻力通過發(fā)電產(chǎn)生的水而改變時(shí)，針對(duì)其的對(duì)策不足夠。特別地，針對(duì)水滴導(dǎo)致的流路阻塞，對(duì)策是不足夠的，所述水滴由長時(shí)間發(fā)電導(dǎo)致的燃料流路中的冷凝所產(chǎn)生。因此，希望有針對(duì)各自的燃料電池單元之間的流路阻力的變動(dòng)以及針對(duì)由于長時(shí)間發(fā)電產(chǎn)生的水所導(dǎo)致的流路阻塞的對(duì)策。

發(fā)明內(nèi)容