專利名稱：固體高分子型燃料電池組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將具有離子導(dǎo)電性的固體高分子作為電解質(zhì)的固體高分子型燃料電池組。
背景技術(shù)：
圖6是用于對(duì)在日本公開的固體高分子型燃料電池組的公知例(特開平1-140562)之一進(jìn)行說明的垂直方向的剖面圖。
該固體高分子型燃料電池組是在上下方向機(jī)械地疊層多個(gè)單位電池主構(gòu)件7，并對(duì)各個(gè)單位電池主構(gòu)件7進(jìn)行串聯(lián)形成的。
各單位電池主構(gòu)件7具有膜電極集合體3以及隔離板5。膜電極集合體3在固體高分子膜1相對(duì)的板面(plate face)上分別配置燃料電極2a和氧化劑電極2b。
在膜電極集合體3中，形成幾個(gè)貫通孔，用于在固體高分子膜1左右的上下方向的周邊部分形成多個(gè)歧管(manifold)。隔離板5兼有燃料側(cè)集電體以及氧化劑氧化劑側(cè)集電體，且分別形成了各個(gè)燃料氣體通路9a以及氧化劑氣體通路9b。電極2a、2b在高分子膜1的周邊部接近，而且，在與隔離板5的周邊部之間配置有填充料6。
高分子膜1具有防止供給電極2a、2b的反應(yīng)氣體混合的作用，所以其面積比通常的電極的面積大。
疊層了多個(gè)單位電池主構(gòu)件7的組件，分別配置了在其上下兩端部的電流取出板31，絕緣板32，緊固板33，緊固夾具(緊固雙頭螺栓34，彈簧35)，以及燃料氣體入口配管36，燃料氣體出口配管37，氧化劑氣體入口配管38，氧化劑氣體出口配管39，水入口配管40，水出口配管41。
電流取出板31上布置電流取出電纜，與外部負(fù)載連接。另外，對(duì)組件整體均等地進(jìn)行緊固，因此對(duì)緊固板33的剛性有要求。
組件中，疊層形成的所有的單位電池7的疊層方向的反應(yīng)氣體配流或水配流、溫度、濕度等各條件都要求是均等的。
根據(jù)上述的公知例，在固體高分子型燃料電池組中，作為用于回收發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的熱的冷卻構(gòu)件，一般的方式是將流動(dòng)著純水或防凍液等制冷劑的冷卻板插入單位電池主構(gòu)件間。
另外，上述的公知例中，預(yù)先將水(純水)供給燃料氣體通路9a后供給燃料電極2a，這樣不僅對(duì)高分子膜1有加濕作用，而且通過使由燃料電極2a通過高分子膜1移動(dòng)到氧化劑電極2b的水、以及在氧化劑電極2b生成的水蒸發(fā)，可以省略冷卻板。
但是，上述固體高分子型燃料電池組的公知例中，有下述問題點(diǎn)。
(1)當(dāng)水滯留在燃料氣體通路中時(shí)，不僅水還會(huì)導(dǎo)致燃料氣體或氧化劑氣體的配流不均勻，造成組件中的單位電池電壓產(chǎn)生大的分布，而不能穩(wěn)定發(fā)電。另外，組件在啟動(dòng)、停止時(shí)，水也同樣容易在燃料氣體通路中滯留，產(chǎn)生同樣的問題。
(2)組件的設(shè)置條件，例如設(shè)置角度上產(chǎn)生傾斜或發(fā)生振動(dòng)時(shí)，供給燃料氣體的水的配流變得不均勻，造成各單位電池的加濕條件或潛熱冷卻量產(chǎn)生分布，而產(chǎn)生不能穩(wěn)定發(fā)電的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種固體高分子型燃料電池組，氣體通路中不滯留水，而且能夠不受設(shè)置角度或振動(dòng)等的影響，穩(wěn)定地發(fā)電。
本發(fā)明第1方案的固體高分子型燃料電池組，由同一方向并列設(shè)置、且電串聯(lián)的多個(gè)單位電池主構(gòu)件構(gòu)成，其特征在于，上述各單位電池主構(gòu)件，具有膜電極集合體，具備固體高分子膜、以及上述固體高分子膜相對(duì)的板面上分別配置的燃料電極和氧化劑電極；
隔離板，具備用于提供燃料氣體的多個(gè)燃料氣體通路和用于提供氧化劑氣體的氧化劑氣體通路，該多個(gè)燃料氣體通路在除了設(shè)置在上述并列設(shè)置方向的終端部上的部分以外的、上述燃料電極相接的板面上分別在垂直方向基本形成直線狀，該氧化劑氣體通路形成在與上述預(yù)定的膜電極集合體不同的鄰接的膜電極集合體的氧化劑電極相接的板面上；供水構(gòu)件，具備水歧管、供水通路和通孔，該水歧管用于向上述各燃料氣體通路提供水而通過潛熱方式冷卻上述單位電池主構(gòu)件，貫通上述隔離板配置在垂直方向上，該供水通路在上述氧化劑氣體通路的形成面上，位于上述水歧管的垂直方向最下部的上方，而且在水平方向上連續(xù)形成，該通孔在上述供水通路內(nèi)形成多個(gè)，以便連通上述供水通路和上述各燃料氣體通路。
本發(fā)明第2方案的固體高分子型燃料電池組，由同一方向并列設(shè)置、且電串聯(lián)的多個(gè)單位電池主構(gòu)件構(gòu)成，其特征在于，上述各單位電池主構(gòu)件，具有膜電極集合體，具備固體高分子膜、以及上述固體高分子膜相對(duì)的板面上分別配置的燃料電極和氧化劑電極；隔離板，具備用于提供燃料氣體的多個(gè)燃料氣體通路和用于提供氧化劑氣體的氧化劑氣體通路，該多個(gè)燃料氣體通路在除了設(shè)置在上述并列設(shè)置方向的終端部上的部分以外的、上述燃料電極相接的板面上分別在垂直方向基本形成直線狀，該氧化劑氣體通路形成在上述燃料氣體通路與上述預(yù)定的膜電極集合體不同的鄰接的膜電極集合體的氧化劑電極相接的板面上；供水構(gòu)件，具備水歧管、第1供水通路、通孔和多個(gè)第2供水通路，該水歧管用于向上述各燃料氣體通路提供水而通過潛熱方式冷卻上述單位電池主構(gòu)件，貫通上述隔離板配置在垂直方向上，該第1供水通路在上述氧化劑氣體通路的形成面上，位于上述水歧管的垂直方向最下部的上方，而且在水平方向上連續(xù)形成，該通孔與上述第1供水通路存在預(yù)定間隔形成多個(gè)，以便與上述燃料氣體通路連通，該多個(gè)第2供水通路在上述各通孔和上述第1供水通路之間，形成為分別連通上述各通孔和上述第1供水通路之間，將上述第1供水通路內(nèi)的水導(dǎo)向上述各通孔。
本發(fā)明第3方案的固體高分子型燃料電池組，由同一方向并列設(shè)置、且電串聯(lián)的多個(gè)單位電池主構(gòu)件構(gòu)成，其特征在于，上述各單位電池主構(gòu)件，具有膜電極集合體，具備固體高分子膜、以及上述固體高分子膜相對(duì)的板面上分別配置的燃料電極和氧化劑電極；隔離板，具備用于提供燃料氣體的多個(gè)燃料氣體通路和用于提供氧化劑氣體的氧化劑氣體通路，該多個(gè)燃料氣體通路在除了設(shè)置在上述并列設(shè)置方向的終端部上的部分以外的、上述燃料電極相接的板面上分別在垂直方向基本形成直線狀，該氧化劑氣體通路形成在與上述預(yù)定的膜電極集合體不同的鄰接的膜電極集合體的氧化劑電極相接的板面上；供水構(gòu)件，具備水歧管、第3供水通路、通孔和第4供水通路，該水歧管用于向上述各燃料氣體通路提供水而通過潛熱方式冷卻上述單位電池主構(gòu)件，貫通上述隔離板配置在垂直方向上，該第3供水通路在上述氧化劑氣體通路的形成面上，位于上述水歧管的垂直方向最下部的上方，而且在水平方向上連續(xù)形成，該通孔在上述供第2水通路內(nèi)形成多個(gè)，以便連通上述第3供水通路和上述燃料氣體通路，該第4供水通路在上述隔離板上，形成在上述燃料氣體通路的形成面上，連通上述各通孔和上述各燃料氣體通路。
根據(jù)第1至第3方案對(duì)應(yīng)的發(fā)明，向水平方向形成的供水通路提供的水，經(jīng)由在供水通路中形成的多個(gè)通孔，可以向多個(gè)燃料氣體通路提供水，而且燃料氣體通路內(nèi)沒有水的滯留，所以對(duì)于采用了潛熱冷卻方式的固體高分子燃料電池組，向燃料氣體提供的水均勻配流，各單位電池的電壓分布或溫度分布變得均勻，不受啟動(dòng)、停止操作以及組件的設(shè)置角度(傾斜度)或振動(dòng)等設(shè)置條件的影響，可以穩(wěn)定的發(fā)電。
本發(fā)明第4方案的固體高分子型燃料電池組，在第1至第3方案之一的固體高分子型燃料電池組中，具備毛細(xì)管現(xiàn)象發(fā)生構(gòu)件，用于產(chǎn)生上述供水通路內(nèi)的水流向上述各通孔時(shí)的驅(qū)動(dòng)力。
本發(fā)明第5方案的固體高分子型燃料電池組，在第3方案的固體高分子型燃料電池組中，上述各第4供水通路中具備毛細(xì)管現(xiàn)象發(fā)生構(gòu)件用于產(chǎn)生水由上述各通孔流向上述各燃料氣體通路時(shí)的驅(qū)動(dòng)力。
根據(jù)第4或5方案的發(fā)明，設(shè)計(jì)了毛細(xì)管現(xiàn)象發(fā)生構(gòu)件，在第1至第3方案發(fā)明的基礎(chǔ)上，更加不受組件的設(shè)置角度的影響，可以穩(wěn)定地發(fā)電。
本發(fā)明第6方案的固體高分子型燃料電池組，在第1至第5方案之一的固體高分子型燃料電池組中，上述的隔離板具備多個(gè)突起部，該突起部在形成了上述燃料氣體通路的面?zhèn)人纬傻母魍着c上述各燃料氣體通路之間，形成格子狀或鋸齒狀(之字形)。
根據(jù)第6方案的發(fā)明，通過突起部，向燃料氣體供給的水更加容易均勻混合，所以組件更加能夠穩(wěn)定地發(fā)電。
本發(fā)明第7方案的固體高分子型燃料電池組，在第1至第6方案之一的固體高分子型燃料電池組中，隨著離開上述水歧管，由上述水歧管分支的第1供水通路的截面積減小。
本發(fā)明第8方案的固體高分子型燃料電池組，在第1至第7方案之一的固體高分子型燃料電池組中，上述鄰接的通孔的間距是上述鄰接的燃料氣體通路的間距的倍數(shù)。
根據(jù)第7或者第8方案的發(fā)明，也具有與第1至第3方案對(duì)應(yīng)發(fā)明的同樣作用、效果。


圖1是示出本發(fā)明的第1實(shí)施例的固體高分子型燃料電池組的分解斜視圖。
圖2A及圖2B是用于說明圖1的隔離板的圖。
圖3A及圖3B是用于說明本發(fā)明的第2實(shí)施例的固體高分子型燃料電池組的隔離板的圖。
圖4A及圖4B是用于說明本發(fā)明的第3實(shí)施例的固體高分子型燃料電池組的隔離板的圖。
圖5是放大圖4A的部分來表示的圖。
圖6是用于說明公知例的固體高分子型燃料電池組的縱向剖面圖。
具體實(shí)施例方式
(第1實(shí)施例)圖1是示出本發(fā)明的第1實(shí)施例的固體高分子型燃料電池組的概略構(gòu)造的分解斜視圖。本實(shí)施例由在同一方向并列設(shè)置且電串聯(lián)的多個(gè)單位電池主構(gòu)件7(與圖6類似)構(gòu)成，各單位電池主構(gòu)件7包含膜電極集合體23、隔離板(separator)5A以及供水構(gòu)件。
膜電極集合體23與圖6同樣，在固體高分子膜1相對(duì)的板面上，配置了各個(gè)燃料電極2a以及氧化劑電極1b。
隔離板5A如圖2A以及圖2B所示那樣構(gòu)成。圖2A以及圖2B分別表示一枚隔離板5A的一個(gè)板面(圖6的燃料電極2a相接的面)、以及另一個(gè)板面(圖6的氧化劑電極2b相接的面)。
隔離板5A中除了布置在并列設(shè)置方向的終端部上的部分以外，在與燃料電極2a相接的板面上，形成了在垂直方向大致形成直線狀的用于提供燃料氣體的多個(gè)燃料氣體通路11。
另外，隔離板5A中用于提供氧化劑氣體的多個(gè)氧化劑氣體通路19，在不同于膜電極集合體23的相鄰的膜電極集合體23的氧化劑電極1b相接的板面上形成。
上述供水構(gòu)件，用于將水供給各燃料氣體通路11，通過各單位電池主構(gòu)件7的潛熱方式進(jìn)行冷卻，其具備水歧管17，貫通各隔離板5A，在垂直方向上配置；供水通路18(本實(shí)施例中例如直線狀的多個(gè)槽)，在氧化劑氣體通路19的形成面上，位于水歧管17的垂直方向最下部的上方，而且在水平方向上連接而形成；多個(gè)通孔14，形成在供水通路18中，用于連通供水通路18及燃料氣體通路11。
這里的各燃料氣體通路11是在隔離板5A一邊的板面的除邊緣部分以外的中間部分上形成的，例如是在垂直方向上形成的直線狀的槽，各個(gè)排列間距例如為3mm。另外，各氧化劑氣體通路19是在隔離板5A另一邊的板面的除邊緣部分以外的中間部分上形成的，例如是在垂直方向上大致形成“Z”字狀的槽。
隔離板5A另一邊的板面上，在氧化劑氣體通路19的上方，形成水平方向的供水通路18，還在供水通路18上間距相等地形成多個(gè)通孔14，以便與燃料氣體通路11的上部側(cè)、即燃料氣體通路導(dǎo)入部15連通。這時(shí)，各通孔14存在于后面所述的水歧管17的垂直方向最下部的上方。
通孔14如下形成多個(gè)例如20個(gè)，其中之一的直徑例如在0.5mm以下(0除外)的孔，排列間距是燃料氣體通路11的排列間距的倍數(shù)例如6mm。
在各隔離板5A的形成燃料氣體通路11的板面上，在各通孔14與燃料氣體通路11之間間距相等地形成多個(gè)格子狀或鋸齒狀的突起(rib)部16。
在各隔離板5A的邊緣部分的水平方向的一邊側(cè)與另一邊側(cè)，以分別貫穿壁厚方向的方式，形成燃料氣體入口氣體歧管12以及燃料氣體出口氣體歧管13。
在各隔離板5A的邊緣部分的垂直方向的一邊側(cè)，形成水歧管17以及氧化劑氣體出口氣體歧管21。另外，在各隔離板5A的邊緣部分的垂直方向的另一邊側(cè)的上下部，分別形成氧化劑氣體入口氣體歧管20。
在隔離板5A的相對(duì)的板面上，設(shè)置了歧管12、13、17、20、21，并在燃料氣體通路11以及氧化劑氣體通路19的周圍設(shè)置了用于密封的填充料22。
根據(jù)這種構(gòu)造，氧化劑氣體從氧化劑氣體入口氣體歧管20向平面方向分流，再通過平面內(nèi)的氧化劑氣體通路19流至氧化劑氣體出口氣體歧管21。氧化劑氣體通路19的有效截面積，即與膜電極集合體電連接的部分的面積，例如是288cm2。
根據(jù)上述第1實(shí)施例，來自水歧管17的水(純水)，提供給在隔離板5A的水平方向上形成的供水通路18，提供給供水通路18的水通過在供水通路18中形成的多個(gè)通孔14，流至燃料氣體通路導(dǎo)入部15，被導(dǎo)入燃料氣體通路導(dǎo)入部15中的水從多個(gè)燃料氣體通路11的上側(cè)落下供給下側(cè)。
由上可知，在各燃料氣體通路11中，可以給相同的水平位置提供水，而且各燃料氣體通路中沒有水的滯留。
所以，采用了潛熱冷卻方式的固體高分子型燃料電池組，供給燃料氣體的水均勻地配流，各單位電池的加濕條件、電壓分布及溫度分布變得均勻，不會(huì)受啟動(dòng)、停止操作或組件設(shè)置角度(傾斜)或振動(dòng)等設(shè)置條件的影響，進(jìn)行穩(wěn)定地發(fā)電。以下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也說明了這一點(diǎn)。
試制作固體高分子型燃料電池組件，在水平方向設(shè)置組件進(jìn)行的發(fā)電實(shí)驗(yàn)。準(zhǔn)備多個(gè)例如200個(gè)單位電池主構(gòu)件7，在同一方向機(jī)械地并列設(shè)置各單位電池主構(gòu)件7，而且將各單位電池主構(gòu)件7電串聯(lián)來構(gòu)成上述試制作固體高分子型燃料電池組件。其中，單位電池主構(gòu)件7具備膜電極集合體23和隔離板5A，該膜電極集合體23在高分子膜(圖6中的1)相對(duì)的板面上分別配置燃料電極2a和氧化劑電極2b而形成，該隔離板5A在上述膜電極集合體23的燃料電極2a相接的板面上形成燃料氣體通路11，且與不同于上述膜電極集合體23的相鄰的膜電極集合體的氧化劑電極2b相接的板面上形成氧化劑氣體通路19。
此時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)轉(zhuǎn)條件如下設(shè)定反應(yīng)氣體為氫氣/空氣，反應(yīng)氣體壓力為1ata(阿泰)，電流密度為0.2A/cm2，燃料氣體利用率(Uf)70％，氧化劑氣體利用率(Uox)40％。另外，組件的啟動(dòng)、停止操作調(diào)整為每2小時(shí)重復(fù)3次。
這時(shí)，200個(gè)單位電池的電壓在平均電壓±1％以下。
另外，在No.1、10、20、30、……190、200的氧化劑電極側(cè)的膜電極集合體23的中心部，插入熱電偶測(cè)定溫度，所有單位電池的溫度在平均溫度±1％以下。而且，重復(fù)啟動(dòng)、停止操作，組件電壓也有再現(xiàn)性，保持穩(wěn)定。
另外，關(guān)于向燃料氣體供給水，可以在同一水平面上進(jìn)行水供給，即使重復(fù)組件的啟動(dòng)、停止操作，在燃料氣體通路中也沒有水的滯留，在燃料氣體通路中可以均勻地混合燃料氣體與水。
并且，即使重復(fù)組件的啟動(dòng)、停止操作，供給燃料氣體的水也能夠均勻地配流，各單位電池的電壓分布及溫度分布變得均勻，電壓具有再現(xiàn)性，保持穩(wěn)定。
另外，通過使各通孔14的直徑在0.5mm以下(不含0)，在各通孔14得到必要的壓力損失，以便實(shí)現(xiàn)流向各通孔14的水均勻配流，所以，可以使供給燃料氣體水的量，對(duì)于采用了潛熱冷卻方式的固體高分子型燃料電池組，向燃料氣體供給的水可以均勻配流，各單位電池的加濕條件、電壓分布及溫度分布變得均勻，不受啟動(dòng)、停止操作或組件設(shè)置角度(傾斜)或振動(dòng)等設(shè)置條件的影響，進(jìn)行穩(wěn)定地發(fā)電。
另外，在燃料氣體通路11的側(cè)面的通孔14的垂直方向的下部，形成配置成格子狀或鋸齒狀的突起部16，由此在采用了潛熱冷卻方式的固體高分子型燃料電池組中，可以均勻地混合向燃料氣體供給的水。
由于通孔14的排列間距是燃料氣體通路11排列間距的倍數(shù)，所以在采用了潛熱冷卻方式的固體高分子型燃料電池組中，可以更好地平衡燃料氣體通路內(nèi)的燃料氣體與水的配流。
(第2實(shí)施例)圖3是示出用于說明本發(fā)明第2實(shí)施例的固體高分子型燃料電池組用的隔離板的圖，圖3A以及圖3B與圖2A以及圖2B一樣，分別是表示一枚隔離板5A的一個(gè)板面(形成燃料氣體通路11的面)、以及另一個(gè)板面(形成氧化劑氣體通路19的面)的正面圖。
本實(shí)施例與圖2的實(shí)施例一樣，使在各隔離板5A一邊的板面上形成的多個(gè)燃料氣體通路11在各個(gè)垂直方向上基本成直線狀，與圖2實(shí)施例有以下不同點(diǎn)。
也就是說，能夠向燃料氣體通路11提供水的構(gòu)造，具備水歧管17，貫通隔離板5A而設(shè)置；第1供水通路18a，在氧化劑氣體通路19的形成面上，位于水歧管17的垂直方向最下部的上方，而且在水平方向上形成；多個(gè)等間距地形成的通孔14，與供水通路18a有一定間隔，以便連通燃料氣體通路11；多個(gè)第2供水通路24，在上述各通孔14與上述供水通路18之間，以分別連通上述各通孔14與上述供水通路18之間的方式形成，將上述供水通路18中的水引導(dǎo)到上述各通孔14中。
這種情況下，供水通路18a從水歧管17分離，供水通路18a的截面積、例如槽寬度隨之減小，除此以外的構(gòu)成與圖2一樣。
根據(jù)這種構(gòu)造，供水通路18a中的壓力分布比圖2的實(shí)施例均勻，由各通孔14提供給燃料氣體的水更加的均勻。
具體地說，燃料氣體通路11，例如排列間距為3mm，燃料氣體通路11的通路為40條，各個(gè)通路為垂直方向的直線狀(直線流動(dòng)straight flow)，從上方的燃料氣體入口氣體歧管12至下方的燃料氣體出口氣體歧管13。
另外，通孔14的排列間距是燃料氣體通路11的排列間距的倍數(shù)，例如為6mm，排列個(gè)數(shù)為20個(gè)，孔的直徑為0.5mm，在燃料氣體通路導(dǎo)入部15中水平排列。
各供水通路24中，供水通路24的典型直徑為0.2mm，以便根據(jù)毛細(xì)管現(xiàn)象產(chǎn)生毛細(xì)管力，由各供水通路24產(chǎn)生的毛細(xì)管力起到將充滿供水通路18a的水向各通孔14驅(qū)動(dòng)的作用。
在各通孔14的下方與燃料氣體通路11之間，形成多個(gè)格子狀或者鋸齒狀的突起部16，以便使供給燃料氣體的水均勻地混合。
由水歧管17的上部水平分支的供水通路18a與氧化劑氣體通路19在同一平面上成型，并通過20條供水通路24與通孔14連接。供水通路24的典型直徑為0.2mm，充滿供水通路18a的水可以通過毛細(xì)管力流至各個(gè)通孔14。隨著供水通路18a離開水歧管17，供水通路18a的寬度變窄。另外，氧化劑氣體由氧化劑氣體入口氣體歧管20沿平面方向分支，在平面內(nèi)的各氧化劑氣體通路19沿“Z”字狀的垂直方向流至氧化劑氣體出口氣體歧管21。氣體通路成型時(shí)，與膜電極集合體電連接的部分的有效截面積為288cm2。另外，在歧管或有效部分、外型部分的邊緣部，設(shè)置用于密封的填充料22，與隔離板形成整體。
采用上述隔離板與膜電極集合體23(電極面積為288cm2，未圖示)鄰接形式的重復(fù)構(gòu)成，試制作膜電極集合體23為200個(gè)(單位電池?cái)?shù)量)的固體高分子型燃料電池組，將組件的傾斜角度設(shè)置成傾斜于水平方向10°左右進(jìn)行，并進(jìn)行發(fā)電實(shí)驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)轉(zhuǎn)條件設(shè)定成反應(yīng)氣體為氫氣/空氣，反應(yīng)氣體壓力為lata，電流密度為0.2A/cm2，燃料氣體利用率(Uf)70％，氧化劑氣體利用率(Uox)40％。
這時(shí)，各單位電池的電壓在平均電壓±1％以下。另外，在No.1、10、20、30、……190、200的氧化劑電極側(cè)的膜電極集合體中心部，插入熱電偶測(cè)定溫度，所有單位電池的溫度在平均溫度±1％以下。而且，不受組件設(shè)置角度的影響，顯示出穩(wěn)定的電壓。
關(guān)于這樣給燃料氣體水供給，能夠有效利用供水通路24的毛細(xì)管現(xiàn)象，不受組件設(shè)置角度的影響，在燃料氣體通路中沒有水的滯留。另外，可以均勻地混合燃料氣體通路內(nèi)的燃料氣體與水，供水通路18中的壓力分布更加均勻。其結(jié)果，各單位電池的加濕條件、電壓分布及溫度分布變得均勻，可以穩(wěn)定地發(fā)電。
以上所述的第2實(shí)施例(圖3所示的構(gòu)造)完全適用于前面所描述的第1實(shí)施例。
(第3實(shí)施例)圖4是示出用于說明本發(fā)明第3實(shí)施例的固體高分子型燃料電池組的隔離板的圖，圖4A以及圖4B與圖2A以及圖2B一樣，分別是示出一枚隔離板5A的一個(gè)板面(形成燃料氣體通路11的面)、以及另一個(gè)板面(形成氧化劑氣體通路19的面)的正面圖。另外，圖5是將圖4A的部分?jǐn)U大后表示的正面圖。
本實(shí)施例與圖2的實(shí)施例一樣，在各隔離板5A的一邊的板面上，分別形成在垂直方向大致成直線狀的多個(gè)燃料氣體通路11，與圖2實(shí)施例具有以下不同點(diǎn)。
也就是說，在如圖2所示的實(shí)施例中，能夠給燃料氣體通路11提供水的構(gòu)造，具備貫通隔離板5A而設(shè)置的水歧管17；在各隔離板5A的氧化劑氣體通路19的形成面上，位于水歧管17的垂直方向最下部的上方，而且在水平方向上形成的第3供水通路18b；在供水通路18b中形成的多個(gè)等間距通孔14，以便連通供水通路18b與燃料氣體通路11；多個(gè)第4供水通路25，使隔離板5A中各燃料氣體通路11與與形成燃料氣體通路11的面上形成的各通孔14連接。這種情況，第4供水通路25例如將截面突起部形狀為變形的“U”字狀，由此與在隔離板5A的板面上進(jìn)行了槽加工一樣。
例如在各通孔14約2cm以下的位置與燃料氣體通路11之間，形成多個(gè)格子狀或者鋸齒狀的突起部16，以便使通過各通孔14供給燃料氣體的水均勻地混合。除此以外的構(gòu)成與圖2一樣。
具體而言，燃料氣體通路11的排列間距為3mm，燃料氣體通路11的通路為40條，為垂直方向的直線流動(dòng)，從上方的燃料氣體入口氣體歧管12至下方的燃料氣體出口氣體歧管13。
通孔14的排列間距為6mm，個(gè)數(shù)為20個(gè)，通孔14的直徑為0.5mm，在燃料氣體通路導(dǎo)入部15中水平排列。
用如上述構(gòu)造的隔離板5A與膜電極集合體23(電極面積為288cm2，未圖示)鄰接的單位電池主構(gòu)件反復(fù)的構(gòu)造，試制作如圖1所示的膜電極集合體23的數(shù)量(單位電池?cái)?shù)量)為200個(gè)的固體高分子型燃料電池組件，并將組件設(shè)置在水平方向上進(jìn)行發(fā)電實(shí)驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)轉(zhuǎn)條件設(shè)定成反應(yīng)氣體為氧氣/空氣，反應(yīng)氣體壓力為lata，電流密度為0.2A/cm2，燃料氣體利用率(Uf)70％，氧化劑氣體利用率(Uox)40％。另外，間歇地振動(dòng)組件，并監(jiān)測(cè)此時(shí)的電壓變化。
這時(shí)，200個(gè)單位電池的電壓在平均電壓±1％以下。在No.1、10、20、30、……190、200的氧化劑電極側(cè)的膜電極集合體的中心部，插入熱電偶測(cè)定溫度，所有單位電池的溫度在平均溫度±1％以下。而且，即使重復(fù)進(jìn)行間歇的振動(dòng)，組件電壓也一直保持穩(wěn)定。
根據(jù)以上所述的第3實(shí)施例，關(guān)于對(duì)燃料氣體的水供給，由于第4供水通路25中的壓力損耗增加，即使對(duì)組件間歇地施加振動(dòng)，也不受影響，在燃料氣體通路11中不產(chǎn)生水的滯留，另外，使燃料氣體通路內(nèi)的燃料氣體與水混合。
這樣，即使間歇振動(dòng)組件，共給燃料氣體的水也能夠均勻地配流，各單位電池的加濕條件、電壓分布及溫度分布也變得均勻，可以穩(wěn)定地發(fā)電。
(第4實(shí)施例)第4實(shí)施例是在以上圖2所述的供水通路18中，填充配置了例如親水性的多孔質(zhì)材料形成的毛細(xì)管現(xiàn)象發(fā)生構(gòu)件的例子，除此以外的構(gòu)成與圖1、圖2一樣。
根據(jù)上述構(gòu)造，供給水通路18的水在導(dǎo)入各通孔14中時(shí)，由毛細(xì)管現(xiàn)象發(fā)生構(gòu)件的毛細(xì)管現(xiàn)象起到加速水的流動(dòng)的作用。其結(jié)果，不受組件設(shè)置角度的影響，在燃料氣體通路中不產(chǎn)生水的滯留，另外，均勻地混合燃料氣體通路內(nèi)的燃料氣體與水，使供水通路18內(nèi)的壓力分布更加均勻，可以穩(wěn)定地發(fā)電。
上述的毛細(xì)管現(xiàn)象發(fā)生構(gòu)件填充配置在圖3的第1供水通路18a中，同時(shí)在各個(gè)圖3的第2供水通路24中填充配置，或者布置成跨過圖3的第2供水通路24并覆蓋各第2供水通路24，也可以在第1供水通路18a中填充配置，再在圖4的第3供水通路18b中填充配置，再分別填充配置在圖4和圖5的第4供水通路25中，由此，可以有效地利用毛細(xì)管現(xiàn)象發(fā)生構(gòu)件的毛細(xì)管力，同樣可以得到上述所期待的效果。
(變化例)本發(fā)明并不限于以上所述的實(shí)施例，也包括下面的變化例。
上述實(shí)施例說明的隔離板5A是形成了燃料氣體供給通路11的面與相反的面上，形成了氧化劑氣體供給通路19的整體構(gòu)造，這里也可以分別準(zhǔn)備形成了燃料氣體供給通路11的部分、與形成了氧化劑氣體供給通路19的部分，使其結(jié)合或單純相接。
另外，膜電極集合體3間設(shè)置的隔離板5A，其構(gòu)造如圖1所示，由燃料氣體供給通路11及氧化劑氣體供給通路19構(gòu)成，但不能說單位電池的容器側(cè)那樣配置在端部的隔離板5A，使用僅形成了燃料氣體供給通路11的或者僅形成了氧化劑氣體供給通路19的任意一個(gè)。
另外，上述說明的實(shí)施例，隔離板5A中設(shè)置的燃料氣體供給通路11以及氧化劑氣體供給通路19，舉出了形成槽的例子，再者，作為供水通路18、18a、18b、24、25也舉出了形成槽的例子，但這些也可以是設(shè)置了孔、針對(duì)孔的壓損因素而設(shè)計(jì)的多孔質(zhì)體、管、針對(duì)管內(nèi)壓損因素而設(shè)計(jì)的多孔質(zhì)體的燃料氣體供給通路、氧化劑氣體供給通路之一。
圖3的構(gòu)造中，有關(guān)隨著離開水歧管17，供水通路18的截面積、例如寬度變窄的構(gòu)造，也適用于第1或第3實(shí)施例中的任意一個(gè)。
另外，上述實(shí)施例中，舉例說明了燃料氣體通路11中給燃料氣體導(dǎo)入部15提供水的構(gòu)造，上述水的提供位置，也可以在燃料氣體通路11的中途。
再有，上述實(shí)施例中，作為最佳方式說明了在隔離板5A中形成的多個(gè)通孔14等間距設(shè)置的情況，但這里也可以不一定是等間距。
工業(yè)上的應(yīng)用本發(fā)明的固體高分子型燃料電池本體以及固體高分子型燃料電池發(fā)電系統(tǒng)可以應(yīng)用于各種電源，例如車載電源或固定電源。
權(quán)利要求
1.一種固體高分子型燃料電池組，由同一方向并列設(shè)置、且電串聯(lián)的多個(gè)單位電池主構(gòu)件構(gòu)成，其特征在于，上述各單位電池主構(gòu)件，具有膜電極集合體(23)，具備固體高分子膜(1)、以及上述固體高分子膜(1)相對(duì)的板面上分別配置的燃料電極(2a)和氧化劑電極(1b)；隔離板(5A)，具備用于提供燃料氣體的多個(gè)燃料氣體通路(11)和用于提供氧化劑氣體的氧化劑氣體通路(19)，該多個(gè)燃料氣體通路(11)在除了設(shè)置在上述并列設(shè)置方向的終端部上的部分以外的、上述燃料電極(2a)相接的板面上分別在垂直方向基本形成直線狀，該氧化劑氣體通路(19)形成在與上述預(yù)定的膜電極集合體(23)不同的鄰接的膜電極集合體(23)的氧化劑電極(1b)相接的板面上；供水構(gòu)件，具備水歧管(17)、供水通路(18)和通孔(14)，該水歧管(17)用于向上述各燃料氣體通路(11)提供水而通過潛熱方式冷卻上述單位電池主構(gòu)件，貫通上述隔離板(5A)配置在垂直方向上，該供水通路(18)在上述氧化劑氣體通路(19)的形成面上，位于上述水歧管(17)的垂直方向最下部的上方，而且在水平方向上連續(xù)形成，該通孔(14)在上述供水通路(18)內(nèi)形成多個(gè)，以便連通上述供水通路(18)和上述各燃料氣體通路(11)。
2.一種固體高分子型燃料電池組，由同一方向并列設(shè)置、且電串聯(lián)的多個(gè)單位電池主構(gòu)件構(gòu)成，其特征在于，上述各單位電池主構(gòu)件，具有膜電極集合體(23)，具備固體高分子膜(1)、以及上述固體高分子膜(1)相對(duì)的板面上分別配置的燃料電極(2a)和氧化劑電極(1b)；隔離板(5A)，具備用于提供燃料氣體的多個(gè)燃料氣體通路(11)和用于提供氧化劑氣體的氧化劑氣體通路(19)，該多個(gè)燃料氣體通路(11)在除了設(shè)置在上述并列設(shè)置方向的終端部上的部分以外的、上述燃料電極(2a)相接的板面上分別在垂直方向基本形成直線狀，該氧化劑氣體通路(19)形成在上述燃料氣體通路(11)與上述預(yù)定的膜電極集合體(23)不同的鄰接的膜電極集合體(23)的氧化劑電極(1b)相接的板面上；供水構(gòu)件，具備水歧管(17)、第1供水通路(18a)、通孔(14)和多個(gè)第2供水通路(24)，該水歧管(17)用于向上述各燃料氣體通路(11)提供水而通過潛熱方式冷卻上述單位電池主構(gòu)件，貫通上述隔離板(5A)配置在垂直方向上，該第1供水通路(18a)在上述氧化劑氣體通路(19)的形成面上，位于上述水歧管(17)的垂直方向最下部的上方，而且在水平方向上連續(xù)形成，該通孔(14)與上述第1供水通路(18a)存在預(yù)定間隔形成多個(gè)，以便與上述燃料氣體通路(11)連通，該多個(gè)第2供水通路(24)在上述各通孔(14)和上述第1供水通路(18a)之間，形成為分別連通上述各通孔(14)和上述第1供水通路(18a)之間，將上述第1供水通路(18a)內(nèi)的水導(dǎo)向上述各通孔(14)。
3.一種固體高分子型燃料電池組，由同一方向并列設(shè)置、且電串聯(lián)的多個(gè)單位電池主構(gòu)件構(gòu)成，其特征在于，上述各單位電池主構(gòu)件，具有膜電極集合體(23)，具備固體高分子膜(1)、以及上述固體高分子膜(1)相對(duì)的板面上分別配置的燃料電極(2a)和氧化劑電極(1b)；隔離板(5A)，具備用于提供燃料氣體的多個(gè)燃料氣體通路(11)和用于提供氧化劑氣體的氧化劑氣體通路(19)，該多個(gè)燃料氣體通路(11)在除了設(shè)置在上述并列設(shè)置方向的終端部上的部分以外的、上述燃料電極(2a)相接的板面上分別在垂直方向基本形成直線狀，該氧化劑氣體通路(19)形成在與上述預(yù)定的膜電極集合體(23)不同的鄰接的膜電極集合體(23)的氧化劑電極(1b)相接的板面上；供水構(gòu)件，具備水歧管(17)、第3供水通路(18b)、通孔(14)和第4供水通路(25)，該水歧管(17)用于向上述各燃料氣體通路(11)提供水而通過潛熱方式冷卻上述單位電池主構(gòu)件，貫通上述隔離板(5A)配置在垂直方向上，該第3供水通路(18b)在上述氧化劑氣體通路(19)的形成面上，位于上述水歧管(17)的垂直方向最下部的上方，而且在水平方向上連續(xù)形成，該通孔(14)在上述供第2水通路(18b)內(nèi)形成多個(gè)，以便連通上述第3供水通路(18b)和上述燃料氣體通路(11)，該第4供水通路(25)在上述隔離板(5A)上，形成在上述燃料氣體通路(11)的形成面上，連通上述各通孔(14)和上述各燃料氣體通路(11)。
4.如權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的固體高分子型燃料電池組，其特征在于具備毛細(xì)管現(xiàn)象發(fā)生構(gòu)件，用于產(chǎn)生上述供水通路(18、18a、18b)內(nèi)的水流向上述各通孔(14)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力。
5.如權(quán)利要求3所述的固體高分子型燃料電池組，其特征在于上述各第4供水通路(25)中具備毛細(xì)管現(xiàn)象發(fā)生構(gòu)件，用于產(chǎn)生水由上述各通孔(14)流向上述各燃料氣體通路(11)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力。
6.如權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的固體高分子型燃料電池組，其特征在于上述的隔離板(5A)具備多個(gè)突起部，該突起部在形成了上述燃料氣體通路(11)的面?zhèn)人纬傻母魍?14)與上述各燃料氣體通路(11)之間，形成格子狀或鋸齒狀。
7.如權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的固體高分子型燃料電池組，其特征在于隨著離開上述水歧管(17)，由上述水歧管(17)分支的第1供水通路(18)的截面積減小。
8.如權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的固體高分子型燃料電池組，其特征在于上述鄰接的通孔(14)的間距是上述鄰接的燃料氣體通路(11)的間距的倍數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明的固體高分子型燃料電池組采用了潛熱的冷卻方式，其中，在各隔離板(5A)的一個(gè)板面上形成的多個(gè)燃料氣體通路(11)在各垂直方向上大致成直線狀，能夠給燃料氣體通路(11)提供水的構(gòu)造包括貫通各隔離板(5A)而設(shè)置的水歧管(17)；從上述水歧管(17)分支，在氧化劑氣體通路(19)的形成面上，水平方向設(shè)置的供水通路(18)；通孔(14)，用于連通上述供水通路(18)以及燃料氣體通路(11)，在水平方向設(shè)置在燃料氣體通路導(dǎo)入部(15)上，而且存在于水歧管(17)的垂直方向最下部的上部。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，可以不受組件設(shè)置角度或振動(dòng)的影響而穩(wěn)定地發(fā)電。
文檔編號(hào)H01M8/04GK1633724SQ0182348
公開日2005年6月29日 申請(qǐng)日期2001年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月18日
發(fā)明者大間敦史, 小上泰司, 知澤洋, 堀美知郎 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝