專利名稱：高分子電解質(zhì)型燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及便攜式電源、電動汽車用電源、家庭內(nèi)熱電同時供給系統(tǒng)等使用的燃料電池，特別是使用高分子電解質(zhì)的高分子電解質(zhì)型燃料電池。
背景技術(shù)：
使用高分子電解質(zhì)的燃料電池是使含有氫的燃料氣體與空氣等含有氧的氧化劑氣體進行電化反應(yīng)以同時生成熱和電的電池。這種燃料電池基本上由選擇性地輸送氫離子的高分子電解質(zhì)膜和在高分子電解質(zhì)膜的兩面上形成的一對電極、即陽極和陰極構(gòu)成。所述電極由以承載鉑族金屬催化劑的碳粉為主成分，在高分子電解質(zhì)膜的表面形成的催化劑層、以及在催化劑層的外表面形成的兼有通氣性和電子導(dǎo)電性的氣體擴散層構(gòu)成。
使提供給電極的燃料氣體和氧化劑氣體不向外泄漏，不使兩種氣體互相混合地在高分子電解質(zhì)膜的邊緣部以外的部分的兩面上分別形成電極，在高分子電解質(zhì)膜的邊緣部配置氣體密封材料或氣體密封墊，使其包圍著各電極。這些氣體密封材料或密封墊，以電極和高分子電解質(zhì)膜形成一體預(yù)先組裝。并且將其稱為MEA(電解質(zhì)膜電極接合體)。在MEA的兩側(cè)配置將MEA機械固定同時將相鄰的MEA相互電氣串聯(lián)連接用的導(dǎo)電性隔離板。在隔離板的與MEA接觸的部分形成向電極面提供反應(yīng)氣體，將生成的水和剩余氣體運走用的氣體流路。氣體流路可以與隔離板分開設(shè)置，但是通常是在隔離板的表面設(shè)槽作為氣體流路。
向該氣體流路提供反應(yīng)氣體和從氣體流路排除反應(yīng)氣體及生成的水，利用這樣的方法進行，即在隔離板上設(shè)置稱為集流孔的貫通孔，使氣體流路的出入口與該集流孔連通，從該集流孔向各氣體流路分配反應(yīng)氣體。燃料電池由于在工作中發(fā)熱，為了使電池維持于良好的溫度狀態(tài)，有必要采用冷卻水冷卻。通常每1～3個單電池設(shè)置一個流通冷卻水的冷卻部。將這些MEA、隔離板、以及冷卻部相互重疊起來，10～200個單電池疊層后，隔著集電板和絕緣板，用端板將其夾緊，再用緊固桿從兩端加以固定，從而形成通常的疊層電池結(jié)構(gòu)。
這種電池的高分子電解質(zhì)膜，向來通常采用全氟磺酸系材料。這種高分子電解質(zhì)膜在含水狀態(tài)下發(fā)現(xiàn)有離子傳導(dǎo)性，因此通常有必要將燃料氣體和氧化劑氣體加濕提供給電池。又，在陰極側(cè)由于反應(yīng)生成水，如果提供加濕到露點高于工作溫度的氣體，則發(fā)生電池內(nèi)部的氣體流路和電極內(nèi)部結(jié)露，聚集水分等現(xiàn)象，因此產(chǎn)生電池失去穩(wěn)定性或性能下降的問題。通常把這樣的濕度過大引起的電池性能的下降和工作不穩(wěn)定的現(xiàn)象稱為溢流現(xiàn)象。另一方面，在將燃料電池形成發(fā)電系統(tǒng)的情況下，有必要實現(xiàn)包括提供的氣體加濕等的系統(tǒng)化。為了簡化這種系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的效率，最好是稍微降低提供的加濕氣體的露點。
這樣，從溢流現(xiàn)象的防止、系統(tǒng)效率的提高、系統(tǒng)簡化等的觀點出發(fā)，提供的氣體通常是加濕到比電池溫度較低的露點提供。
但是，為了實現(xiàn)電池的高性能化，有必要提高高分子電解質(zhì)膜的離子傳導(dǎo)度，為此最好是使提供的氣體有接近100％的相對濕度或100％以上的相對濕度。又連接到，從高分子電解質(zhì)膜的耐久性的觀點看來，也最好是對提供的氣體加以高濕度。但是提供接近100％的相對濕度的氣體的情況下，存在發(fā)生上述溢流現(xiàn)象的問題。也就是說，不能夠通過調(diào)整所提供的氣體的濕度的方法適當(dāng)防止溢流現(xiàn)象的發(fā)生。
另一方面已經(jīng)知道，為了避免溢流現(xiàn)象，提高供應(yīng)的氣體在隔離板的流路部分的流速，以吹散結(jié)露的水分的方法是有效的方法。但是，為了提高供應(yīng)的氣體的流速，有必要提高供氣壓力，在系統(tǒng)化的情況下，必須大大增加鼓風(fēng)機或空壓機等的輔助動力，因此會導(dǎo)致系統(tǒng)的效率變差。而且，一旦在陽極側(cè)發(fā)生溢流現(xiàn)象，會導(dǎo)致燃料氣體缺乏，這對于電池是致命傷。因為在燃料氣體不足的狀態(tài)下強行取得負(fù)荷電流，則在沒有燃料的狀態(tài)下為了形成電子和質(zhì)子，承載陽極催化劑的碳與周圍氣氛中的水起反應(yīng)。結(jié)果造成催化劑層的碳的溶出，陽極的催化劑層受到破壞。
又，在搭載疊層電池的系統(tǒng)中，考慮到商品的性能，不僅使電池在額定輸出的條件下運行，而且能夠根據(jù)電力需要，抑制輸出進行低負(fù)荷運行也是不可缺少的。在低負(fù)荷運行時，為了維持效率，有必要維持在使燃料氣體和氧化劑氣體的利用率與額定運行相同的條件下。也就是說，與額定運行的情況相比，負(fù)荷抑制例如1/2的情況下，如果燃料氣體和氧化劑氣體的流量不能夠減少到1/2左右，使用過多的燃料氣體和氧化劑氣體，發(fā)電效率就低。但是，如果維持氣體利用率于一定的水平進行低負(fù)荷運行，則氣體流路內(nèi)的氣體流速下降，凝聚的水和生成的水不能夠排除到隔離板外，發(fā)生上面所述的溢流現(xiàn)象，就發(fā)生電池性能下降或不穩(wěn)定的問題。
又已經(jīng)了解到，如果在氣體流路中存在逆重力方向流動的部分，凝集的水和生成的水在該部分滯留，就更容易這樣的溢流現(xiàn)象。作為其對策，日本專利特開平11-233126號公報和特開2001-068131號公報提出了使氧化劑氣體或燃料氣體向不與重力逆向的方向流動的方法。采用這樣的方法，使氧化劑氣體或燃料氣體向不與重力逆向的方向流動，以此使凝聚的水和生成的水能夠順利排出，能夠抑制溢流現(xiàn)象的發(fā)生。
但是，通常氧化劑氣體和燃料氣體從電池(cell)入口向出口越往下游氣體量越減少，生成的水越增加，因此相對濕度上升。而且，在相對濕度超過100％的情況下，凝集的水的分量增加。相比之下，冷卻水在進入電池的入口部溫度最低，越向出口部溫度越高。如上面也敘述過那樣，對電池提供的氣體有必要以相對濕度接近100％的加濕狀態(tài)提供。通常，這種冷卻水流向隔離板的流動反應(yīng)氣體的主面的相反側(cè)的主面，以此通過隔離板對發(fā)熱的電極部進行冷卻。在這里，如果使冷卻水與反應(yīng)氣體反向流動，則相對于高溫的冷卻水有必要提供加濕到相對濕度100％的反應(yīng)氣體。又，該提供的大量加濕水在冷卻水溫度低的反應(yīng)氣體下游部分全部形成凝集水，因此水堵塞等引起的溢流現(xiàn)象容易發(fā)生。而且，在實際使用的熱電同時供給系統(tǒng)中使用冷卻水對供給的氣體進行加濕的情況下，使加濕溫度上升到與冷卻水的出口溫度相同的溫度是不可能的。其結(jié)果是反應(yīng)氣體不能以100％的相對濕度提供，因此在氣體入口部高分子電解質(zhì)膜發(fā)干，產(chǎn)生耐用性變差的問題。
而且如果將該冷卻水從重力方向的上側(cè)提供給疊層電池組，使其向下方流，則冷卻水在重力作用下從冷卻水的入口集流孔向各冷卻水流入分叉，因此接近通向冷卻水的集流孔的入口配管的一側(cè)的電池越多則流過冷卻水越多，冷卻水的分配不均。特別是在部分負(fù)荷運行時，發(fā)電反應(yīng)引起的發(fā)熱量小，因此電池的溫度要維持一定就必須限制冷卻水的流量，因此使冷卻水的分配更加不均勻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為解決上述問題而作出的。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的高分子電解質(zhì)型燃料電池具備具有包含氫離子導(dǎo)電性的高分子電解質(zhì)膜、和夾著所述高分子電解質(zhì)膜的陽極和陰極的MEA、在所述MEA的一側(cè)配置，使正面與所述陽極接觸，所述正面形成燃料氣體流動的燃料氣體流路的陽極側(cè)隔離板、以及在所述MEA的另一側(cè)配置，使正面與所述陰極接觸，所述正面形成氧化劑氣體流動的氧化劑氣體流路的陰極側(cè)隔離板的單電池、多個所述單電池堆疊成的電池組、以及在所述電池組的至少規(guī)定的電池的所述陽極側(cè)隔離板和陰極側(cè)隔離板的至少任一方的背面上形成的冷卻水流通的冷卻水流路；所述燃料氣體、所述氧化劑氣體、以及所述冷卻水分別在所述燃料氣體流路、所述氧化劑氣體流路、以及所述冷卻水流路中不與重力逆向地流動。還有，燃料氣體、氧化劑氣體、以及冷卻水在集流部分也可以與重力逆向地流動。
所述燃料氣體流路、所述氧化劑氣體流路以及所述冷卻水流路也可以分別向下游水平或成下降梯度地形成。
所述燃料氣體流路、所述氧化劑氣體流路以及所述冷卻水流路中的至少某一流路也可以實質(zhì)上用水平部分和垂直部分構(gòu)成。
在所述陰極側(cè)隔離板上，所述氧化劑氣體流路的上游部也可以位于所述冷卻水流路入口的近旁。
在所述陽極側(cè)隔離板上，所述燃料氣體流路的上游部也可以位于所述冷卻水流路入口的近旁。
在所述陰極側(cè)隔離板上，從厚度方向看，所述冷卻水流路和所述氧化劑氣體流路也可以大致在整體上重合形成。
也可以形成這樣的結(jié)構(gòu)，即在所述陽極側(cè)隔離板或所述陰極側(cè)隔離板上，向所述冷卻水流路提供冷卻水的入口集流孔在厚度方向上貫通所述隔離板，并且具有由相對的內(nèi)圓周面的局部接近部構(gòu)成的節(jié)流部，位于這樣設(shè)置的所述節(jié)流部的一側(cè)的第1部分與冷卻水供給配管連通，位于所述節(jié)流部的另一側(cè)的第2部分與所述冷卻水流路連通。
也可以形成這樣的結(jié)構(gòu)，即在所述陽極側(cè)隔離板或所述陰極側(cè)隔離板上，向所述冷卻水流路提供冷卻水的入口集流孔，在厚度方向上貫通所述隔離板，并且在內(nèi)圓周的下部具有在圓周方向上的階梯，位于所述階梯之下的第1部分與冷卻水供給配管連通，位于所述階梯之上的第2部分與所述冷卻水流路連通。
本發(fā)明的上述目的、其他目的、特征、以及優(yōu)點在參照附圖對下述最佳實施形態(tài)進行說明時將更加清楚。


圖1是使用于本發(fā)明實施形態(tài)1的燃料電池的陰極側(cè)隔離板的正視圖。
圖2是使用于本發(fā)明實施形態(tài)1的燃料電池的陰極側(cè)隔離板的背面圖。
圖3是使用于本發(fā)明實施形態(tài)1的燃料電池的陽極側(cè)隔離板的正視圖。
圖4是使用于本發(fā)明實施形態(tài)1的燃料電池的陽極側(cè)隔離板的背面圖。
圖5是使用于本發(fā)明實施形態(tài)2的燃料電池的陽極側(cè)隔離板的背面圖。
圖6是使用于本發(fā)明實施形態(tài)3的燃料電池的陽極側(cè)隔離板的背面圖。
圖7是本發(fā)明實施例1及比較例1的燃料電池的電流-電壓特性圖。
圖8是本發(fā)明實施例1及實施例2的燃料電池的電池編號和電池電壓的關(guān)系圖。
圖9是本發(fā)明實施例1及實施例2的燃料電池的耐久試驗后的電池編號和電池電壓的關(guān)系圖。
圖10是本發(fā)明實施例2及實施例3的燃料電池的電池編號和電池電壓的關(guān)系圖。
圖11是本發(fā)明實施例2及實施例3的燃料電池的耐久試驗后的電池編號和電池電壓的關(guān)系圖。
圖12是本發(fā)明實施形態(tài)1的高分子電解質(zhì)型燃料電池的概略結(jié)構(gòu)立體圖。
圖13是圖12的XIII-XIII平面的剖面圖。
其中1為電池組；101為電池疊層體；2為單電池；3A為第一端板；3B為第二端板；4為氧化劑氣體供給集流孔；5為燃料氣體供給集流孔；6為燃料氣體排出集流孔；7為氧化劑氣體排出集流孔；8為冷卻水供給集流孔；9為冷卻水排出集流孔；10為陰極隔離板；11為氧化劑氣體入口集流孔；12為燃料氣體入口集流孔；13為氧化劑氣體出口集流孔；14為燃料氣體出口集流孔；15為冷卻水入口集流孔；16為冷卻水出口集流孔；17為氧化劑氣體流路；17a為氧化劑氣體流路的水平部；17b為氧化劑氣體流路的垂直部；19為冷卻水流路；19a為冷卻水流路的水平部；19b為冷卻水流路的垂直部；20為陽極隔離板；21為氧化劑氣體入口集流孔；22為燃料氣體入口集流孔；23為氧化劑氣體出口集流孔；24為燃料氣體出口集流孔；25為冷卻水入口集流孔；26為冷卻水出口集流孔；28為燃料氣體流路；28a為燃料氣體流路的水平部；28b為燃料氣體流路的垂直部；29為冷卻水流路；29a為冷卻水流路的水平部；29b為冷卻水流路的垂直部；30為冷卻水供給配管；31為冷卻水排出配管；41為高分子電解質(zhì)膜；42A為陰極；42B為陽極；43為MEA；46為密封墊；47為O形環(huán)；51為氧化劑氣體供給配管；52為氧化劑氣體排出配管；53為燃料氣體供給配管；54為燃料氣體排出配管；20A為陽極側(cè)隔離板；25A為冷卻水入口集流孔；31a為冷卻水入口集流孔第1部分；31b為冷卻水入口集流孔第2部分；32為節(jié)流部；20B為陽極側(cè)隔離板；25B為冷卻水入口集流孔；41a為冷卻水入口集流孔的第1部分；41b為冷卻水入口集流孔的第2部分；47c為階梯。
具體實施例方式
發(fā)明概念首先對本發(fā)明的概念進行說明。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，使燃料氣體、氧化劑氣體、以及冷卻水在與電極延伸面平行的面內(nèi)的流動不與重力逆向，以促進凝集水的順利排出，提高對溢流現(xiàn)象的耐受能力，并抑制在氣體入口部的發(fā)生的電解質(zhì)膜發(fā)干的現(xiàn)象，能夠提高燃料電池的耐用性。本發(fā)明的第1方案是基于這一見解而作出的。
又，采用本發(fā)明的第2方案，通過在冷卻水入口集流孔上設(shè)置節(jié)流部或階梯，可以確保冷卻水的分配。
為了提高燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的商品性能，最好是能夠根據(jù)電力需求改變?nèi)剂想姵氐呢?fù)荷而又不降低發(fā)電效率。為此，有必要在相對于額定輸出使負(fù)荷增加的情況下，使與其相抵的流量增大燃料氣體和氧化劑氣體的流量進行運行，在相對于額定輸出使負(fù)荷減少的情況下，使與其相抵的流量減少燃料氣體和氧化劑氣體的流量進行運行。通常，燃料電池上使用的導(dǎo)電性隔離板上設(shè)置的氣體流量設(shè)計得能夠在額定輸出中實現(xiàn)最佳氣體流速。從而在使電力負(fù)荷增大的情況下，隨著氣體流量的增大，流路的氣體流速增大，在使電力負(fù)荷減少的情況下，隨著氣體流量的減少，流路的氣體流速減少。在流路的氣體流速增大的情況下，提供的氣體的壓力損失增大，因此雖然發(fā)電效率由于輔助動力的增大而有一些下降，可是由于流路的氣體流速增大，隔離板的氣體流路內(nèi)的結(jié)露水和生成水當(dāng)然能夠高效率地去除，不會發(fā)生溢流現(xiàn)象。
但是，在使電力負(fù)荷減少的情況下，隨著氣體流量的減少流路的氣體流速也減少。在流路的氣體流速減少的情況下，由于氣體流速的減少情況，隔離板的氣體流路內(nèi)的結(jié)露水和生成水難以高效率地去除，將發(fā)生溢流現(xiàn)象。這時，盡管電力負(fù)荷減少，如果不使供應(yīng)的氣體的流量減少，則輔助動力相對于發(fā)電輸出的比例變得比較大，整個發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率下降。又，為了將這時的燃料電池的溫度維持于一定值，有必要使冷卻水的流量隨著電力負(fù)荷的增減而變化，特別是在低負(fù)荷時對冷卻水的流量進行節(jié)流調(diào)節(jié)時，冷卻水的均勻分配受到損害。
本發(fā)明使氧化劑氣體流路、燃料氣體流路以及冷卻水流路的全部流動在不與重力逆向的方向上流動，以此促進凝集水的順利排出，以防止溢流現(xiàn)象的發(fā)生，并且消除氣體入口部發(fā)生的電解質(zhì)膜發(fā)干的現(xiàn)象，提高耐用性。例如在最高負(fù)荷發(fā)電輸出與最低負(fù)荷發(fā)電輸出的比為4∶1的情況下，如果使氣體的利用率為一定，使氣體量減少，則流速為1/4。在已有的隔離板中，一旦氣體流速下降，凝集水不能逆重力排出，發(fā)生溢流現(xiàn)象。與此相反，在本發(fā)明中發(fā)現(xiàn)，由于氧化劑氣體和燃料氣體通常不與重力方向逆向流動，凝集水能夠順利排出不發(fā)生溢流現(xiàn)象。又發(fā)現(xiàn)，從隔離板的厚度方向看來，利用使相對濕度最低的氣體入口部與冷卻水的入口部一致的方法，可以消除電解質(zhì)膜發(fā)干的現(xiàn)象，可以提高耐用性。
而且了解到，通過在冷卻水入口集流孔上設(shè)置節(jié)流閥，在將提供給電池組的冷卻水分配給電池組內(nèi)的多條冷卻水流路時，可以使冷卻水分配得更均勻。還有，使從冷卻水入口集流孔將冷卻水分配到各流路用的各流路的入口位置在重力方向上處于比向冷卻水入口集流孔提供冷卻水的位置高的位置，這樣，即使是在對冷卻水的流量進行節(jié)流的情況下，也能確保均勻分配，能夠更加穩(wěn)定地運行。
下面參照附圖對本發(fā)明的實施形態(tài)進行說明。
實施形態(tài)1圖12是本發(fā)明實施形態(tài)1的高分子電解質(zhì)型燃料電池(以下簡稱燃料電池)的概略結(jié)構(gòu)立體圖。圖13是圖12的XIII-XIII平面的剖面圖。
在圖12中將燃料電池的上下方向作為圖中的上下方向表示。而且這對于下述圖1～圖6也相同。
如圖12所示，本實施形態(tài)的燃料電池具有的電池組1。
電池組1具備具有板狀的整體形狀的單電池2在其厚度方向上疊層形成的電池疊層體101、配置在電池疊層體101的兩端的第1和第2端板3A、3B、以及將電池疊層體101和第1及第2端板3A、3B在單電池2的疊層方向上加以連接的未圖示的連接構(gòu)件。又在第1和第2端板3A、3B上分別配置集電端子(未圖示)。
板狀的單電池2在垂直面上平行延伸，從而單電池2的疊層方向為水平方向。
電池疊層體101的一個側(cè)部(以下稱為第1側(cè)部)的上部，形成氧化劑氣體供給集流孔4，使其在疊層方向上貫通該電池疊層體101。氧化劑氣體供給集流孔4的一端，與第1端板3A上形成的貫通孔連通，該貫通孔上連接氧化劑氣體供給配管51。氧化劑氣體供給集流孔4的另一端利用第2端板3B封閉。又，在電池疊層體101的另一側(cè)部(以下稱為第2側(cè)部)的下部形成氧化劑氣體排出集流孔7，使其在疊層方向上貫通該電池疊層體101。氧化劑氣體排出集流孔7的一端利用第1端板3A封閉。氧化劑氣體排出集流孔7的另一端與第2端板3B上形成的貫通孔連通，該貫通孔上連接氧化劑氣體排出配管52。
在電池疊層體101的第2側(cè)部的上部，形成燃料氣體供給集流孔5，使其在疊層方向上貫通該電池疊層體101。燃料氣體供給集流孔5的一端與第1端板3A上形成的貫通孔連通，該貫通孔上連接燃料氣體供給配管53。燃料氣體供給集流孔5的另一端利用第2端板3B封閉。又，在電池疊層體101的第1側(cè)部的下部，形成燃料氣體排出集流孔6，并使其在疊層方向上貫通該電池疊層體101。燃料氣體排出集流孔6的一端，利用第1端板3A封閉。燃料氣體供給集流孔5的另一端與第2端板3B上形成的貫通孔連通，該貫通孔上連接燃料氣體排出配管54。
氧化劑氣體供給集流孔4的上部內(nèi)側(cè)，形成冷卻水供給集流孔8，使其在疊層方向上貫通電池疊層體101。冷卻水供給集流孔8的一端，與第1端板3A上形成的貫通孔連通，該貫通孔上連接冷卻水供給配管30。冷卻水供給集流孔8的另一端，利用第2端板3B封閉。又，氧化劑氣體排出集流孔7的下部內(nèi)側(cè)，形成冷卻水排出集流孔9，使其在疊層方向上貫通電池疊層體101。冷卻水排出集流孔9的一端，利用第1端板3A封閉。冷卻水排出集流孔9的另一端，與第2端板3B上形成的貫通孔連通，該貫通孔上連接冷卻水排出配管31。冷卻水供給集流孔8和冷卻水排出集流孔9，在這里具有在水平方向上長的長孔形狀(矩形的相對的直線狀的兩邊置換為半圓形的兩邊的形狀)的剖面。
如圖13所示，單電池2由板狀的MEA43、配置為與MEA43的兩主面接觸的陰極側(cè)隔離板10和陽極側(cè)隔離板20構(gòu)成。而且將單電池2疊層，在相鄰的單電池2，使一單電池2的陰極側(cè)隔離板10的背面與另一單電池2的陽極側(cè)隔離板20的背面相接觸。MEA43、陰極側(cè)隔離板10和陽極側(cè)隔離板20形成大小相同的形狀(在這里為矩形)。而且在MEA43、陰極側(cè)隔離板10和陽極側(cè)隔離板20上，在相互對應(yīng)的規(guī)定處所分別形成在厚度方向上貫通這些構(gòu)件的氧化劑入口集流孔、氧化劑出口集流孔、燃料入口集流孔、燃料出口集流孔、冷卻水入口集流孔、以及冷卻水出口集流孔，分別連接全部單電池2中的MEA43、陰極側(cè)隔離板10和陽極側(cè)隔離板20的氧化劑入口集流孔、氧化劑出口集流孔、燃料入口集流孔、燃料出口集流孔、冷卻水入口集流孔、以及冷卻水出口集流孔，分別形成氧化劑供給集流孔4、氧化劑排出集流孔7、燃料供給集流孔5、燃料排出集流孔6、冷卻水供給集流孔8、以及冷卻水排出集流孔9。
陰極側(cè)隔離板10的正面和背面分別形成氧化劑氣體流路17和冷卻水流路19。氧化劑氣體流路17如下所述，是將氧化劑氣體入口集流孔與氧化劑氣體出口集流孔相連而構(gòu)成的，冷卻水流路19如下所述是將冷卻水的入口集流孔與冷卻水的出口集流孔相連構(gòu)成的。而且陰極側(cè)隔離板10配置為正面與MEA43接觸。
陽極側(cè)隔離板20的正面和背面上分別形成燃料氣體流路28和冷卻水流路29。燃料氣體流路19如下所述是將燃料氣體入口集流孔與燃料氣體出口集流孔相連構(gòu)成的，冷卻水流路29如下所述是將冷卻水的入口集流孔與冷卻水的出口集流孔相連構(gòu)成的。而且陽極側(cè)隔離板20配置為正面與MEA43接觸。
各流路17、19、28、29由形成于陰極側(cè)隔離板10或陽極側(cè)隔離板20的主面上的槽構(gòu)成。又，各流路17、19、28、29在圖13中分別由兩條流路構(gòu)成，但是也可以用多條流路構(gòu)成。
又，相鄰的陰極側(cè)隔離板10的冷卻水流路19和陽極側(cè)隔離板20的冷卻水流路29是單電池2疊層時相互接合形成的，兩者構(gòu)成一個冷卻水流路。
又，陰極側(cè)隔離板10的背面和陽極側(cè)隔離板20的背面上，分別圍著冷卻水的入口集流孔與出口集流孔以及冷卻水流路、氧化劑入口集流孔、氧化劑出口集流孔、燃料入口集流孔、燃料出口集流孔，形成O形環(huán)收容槽，該槽中分別配置O形環(huán)47。以此將上述集流孔等相互密封。
MEA43具有高分子電解質(zhì)膜41、陰極42A、陽極42B、以及一對密封墊46。而且在高分子電解質(zhì)膜41的邊緣以外的部分的兩個面上分別形成陰極42A和陽極42B，高分子電解質(zhì)膜41的邊緣的兩個面上分別包圍著陰極42A和陽極42B配置著密封墊46。一對密封墊46、陰極42A、陽極42B、以及高分子電解質(zhì)膜41相互形成一體。
又，陰極42A、陽極42B、陰極側(cè)隔離板10的氧化劑氣體流路17的形成區(qū)域以及冷卻水流路19的形成區(qū)域、陽極側(cè)隔離板20的燃料氣體流路28的形成區(qū)域以及冷卻水流路29的形成區(qū)域，從單電池2的疊層方向上看來，相互實質(zhì)上全部重疊配置。
下面對陰極側(cè)隔離板和陽極側(cè)隔離板進行詳細(xì)說明。
圖1是陰極側(cè)隔離板的正面圖、圖2是其背面圖，圖3是陽極側(cè)隔離板的正面圖，圖4是其背面圖。
如圖1所示，陰極側(cè)隔離板10具有氧化劑氣體入口集流孔11和出口集流孔13、燃料氣體入口集流孔12和出口集流孔14以及冷卻水入口集流孔15及出口集流孔16。隔離板10還在與陰極相對的面上具有連接集流孔11和13的氣體流路17，背面上具有連接冷卻水集流孔15和16的流路19。
在圖1中，氧化劑氣體入口集流孔11設(shè)置于隔離板10的一個側(cè)部(圖中的左側(cè)部，以下稱為“第1側(cè)部”)的上部，出口集流孔13設(shè)置于隔離板10的另一個側(cè)部(圖中的右側(cè)部，以下稱為“第2側(cè)部”)的下部。燃料氣體的入口集流孔12設(shè)置于隔離板10的第2側(cè)部的上部，出口集流孔14設(shè)置于隔離板10的第1側(cè)部的下部。冷卻水的入口集流孔15設(shè)置于氧化劑氣體的入口集流孔11的上部內(nèi)側(cè)，出口集流孔16設(shè)置于氧化劑氣體的出口集流孔13的下部內(nèi)側(cè)。冷卻水集流孔15、16形成水平方向上長的長孔形狀。
氧化劑氣體流路17在本實施形態(tài)中由兩條流路構(gòu)成。當(dāng)然也可以用任意數(shù)目的流路構(gòu)成。各流路實質(zhì)上由在水平方向上延伸的水平部17a和在垂直方向上延伸的垂直部17b構(gòu)成。具體地說，氧化劑氣體流路17的各流路從氧化劑氣體的入口集流孔11的上部水平延伸到隔離板10的第2側(cè)部，從該處開始向下方延伸某一距離，然后從該處理水平延伸到隔離板10的第1側(cè)部，從該處開始向下方延伸某一距離。然后，從該處兩次重復(fù)上述延伸圖形，再從該到達點開始水平延伸到氧化劑氣體的出口的集流孔13的下部。而且，各流路的水平延伸部分形成水平部17a，向下方延伸的部分形成垂直部17b。借助于此，氧化劑氣體流路17中，氧化劑氣體交替通過水平部17a和垂直部17b地蜿蜒蛇行，不與重力逆向地流動，其結(jié)果是，能夠抑制溢流現(xiàn)象的發(fā)生。
還有，各流路在這里由水平部17a和垂直部17b構(gòu)成，但是只要是向著氣體的流通方向水平或有下降梯度(包括垂直)地形成即可。但是如果由水平部17a和垂直部分17b構(gòu)成，則能夠以高密度形成氧化劑氣體流路17。
在圖2中，冷卻水流路19由兩條流路構(gòu)成。各流路實質(zhì)上由在水平方向上延伸的水平部19a和在垂直方向上延伸的垂直部19b構(gòu)成。具體地說，冷卻水流路19的各條流路，從冷卻水入口集流孔15的，接近氧化劑氣體入口集流孔11的一端部開始向下方延伸某一距離，此后水平延伸到隔離板10的第2側(cè)部(圖中的左側(cè)部)，然后由此向著下方延伸某一距離，再從此處開始水平延伸到第1側(cè)部(圖中的右側(cè)部)。然后，從此處開始2次半重復(fù)上述延伸的形狀，從其到達點至冷卻水的出口集流孔16的，接近氧化劑氣體出口集流孔13的一端部向下方延伸。而且，各流路的水平延伸的部分形成水平部19a，向下方延伸的部分形成垂直部19b。借助于此，在冷卻水流路19，使得冷卻水交替通過水平部19a和垂直部19b地蜿蜒蛇行，不與重力逆向地流動。
這樣，在這里重要的是下述要點。也就是冷卻水的入口集流孔15與氧化劑氣體的入口集流孔11靠近配置，冷卻水的出口集流孔16與氧化劑氣體的出口集流孔13靠近配置，并且從隔離板10的厚度方向看來，冷卻水流路19和氧化劑氣體流路17實質(zhì)上重疊形成，其結(jié)果是，冷卻水與氧化劑氣體夾著隔離板10實質(zhì)上在相同的方向上流動。利用這樣的結(jié)構(gòu)，從隔離板10的厚度方向看來，相對濕度最低的氧化劑氣體入口部分與冷卻水的入口部分大致一致，因此能夠消除高分子電解質(zhì)膜發(fā)干的情況，從而能夠提高高分子電解質(zhì)膜的耐用性。
還有，在這里各流路實質(zhì)上由水平部19a和垂直部19b構(gòu)成。但是只要是向著冷卻水的流通方向水平或有下降梯度地形成即可。但是如果由水平部19a和垂直部19b構(gòu)成各流路，則能夠以高密度形成冷卻水流路19。
陽極側(cè)隔離板20具有氧化劑氣體入口集流孔21和出口集流孔23、燃料氣體入口集流孔22和出口集流孔24、以及冷卻水入口集流孔25和出口集流孔26。隔離板20還在與陽極相對的面上具有將集流孔22與24加以連接的氣體流路28，在背面上具有將冷卻水集流孔25與26加以連接的流路29。
在圖3中，氧化劑氣體入口集流孔21設(shè)置于隔離板20的一個側(cè)部(圖中的右側(cè)部，以下稱為“第1側(cè)部”)的上部，出口集流孔23設(shè)置于隔離板20的另一個側(cè)部(圖中的左側(cè)部，以下稱為“第2側(cè)部”)的下部。燃料氣體的入口集流孔22設(shè)置于隔離板20的第2側(cè)部的上部，出口集流孔24設(shè)置于隔離板20的第1側(cè)部的下部。冷卻水的入口集流孔25設(shè)置于氧化劑氣體的入口集流孔21的上部內(nèi)側(cè)，出口集流孔26設(shè)置于氧化劑氣體的出口集流孔23的下部內(nèi)側(cè)。冷卻水集流孔25、26形成水平方向上長的長孔形狀。
燃料氣體流路28在本實施形態(tài)中由兩條流路構(gòu)成。各流路實質(zhì)上由在水平方向上延伸的水平部28a和在垂直方向上延伸的垂直部28b構(gòu)成。具體地說，燃料氣體流路28的各流路從燃料氣體入口集流孔22的上部開始水平延伸到隔離板20的第1側(cè)部，從該處開始向下方延伸某一距離，然后從該處理水平延伸到隔離板20的第2側(cè)部，從該處開始向下方延伸某一距離。然后，從該處兩次重復(fù)上述延伸圖形，再從該到達點開始水平延伸到燃料氣體的出口的集流孔24的下部。而且，各流路的水平延伸部分形成水平部28a，向下方延伸的部分形成垂直部28b。借助于此，燃料氣體流路28中，燃料氣體交替通過水平部28a和垂直部28b地蜿蜒蛇行，不與重力逆向地流動，其結(jié)果是，能夠抑制溢流現(xiàn)象的發(fā)生。
還有，各流路在這里實質(zhì)上由水平部28a和垂直部28b構(gòu)成，但是只要是向著氣體的流通方向水平或有下降梯度(包括垂直)地形成即可。但是如果由水平部28a和垂直部28b構(gòu)成各流路，則能夠以高密度形成燃料氣體流路28。
在圖4中，冷卻水流路29與形成于圖2的陰極側(cè)隔離板10的背面的冷卻水流路19形成于圖的左右相反。也就是說，各流路實質(zhì)上由在水平方向上延伸的水平部29a和在垂直方向上延伸的垂直部29b構(gòu)成。具體地說，冷卻水流路29的各條流路，從冷卻水入口集流孔25的，接近氧化劑氣體入口集流孔21的一端部開始向下方延伸某一距離，此后水平延伸到隔離板20的第2側(cè)部(圖中的右側(cè)部)，然后由此向著下方延伸某一距離，再從此處開始水平延伸到第1側(cè)部(圖中的左側(cè)部)。然后，從此處開始2次半重復(fù)上述延伸的形狀，從其到達點至冷卻水的出口集流孔26的，接近氧化劑氣體出口集流孔23的一端部向下方延伸。而且，各流路的水平延伸的部分形成水平部29a，向下方延伸的部分形成垂直部29b。借助于此，在冷卻水流路29，使得冷卻水交替通過水平部29a和垂直部29b地蜿蜒蛇行，不與重力逆向地流動。
這樣，在這里重要的是下述要點。也就是冷卻水的入口集流孔25與燃料氣體的入口集流孔22一起配置于隔離板20上部，冷卻水的出口集流孔26與燃料氣體的出口集流孔24一起配置于隔離板20下部，并且從隔離板20的厚度方向看來，冷卻水流路29和燃料氣體流路28實質(zhì)上重疊形成，其結(jié)果是，雖然水與氧化劑氣體在水平方向上夾著隔離板20在相反的方向上流動，但是，在垂直方向上，作為整體都一起從上向下在相同的方向上流動。采用這樣的結(jié)構(gòu)，相對濕度最低的燃料氣體流路28的上游部分位于在隔離板20的垂直方向上設(shè)置冷卻水的入口部分，溫度最低的上部，因此有助于消除高分子電解質(zhì)膜發(fā)干的情況，從而能夠有助于提高高分子電解質(zhì)膜的耐用性。
還有，在這里各流路實質(zhì)上由水平部29a和垂直部29b構(gòu)成。但是只要是向著冷卻水的流通方向水平或有下降梯度地形成即可。但是如果由水平部29a和垂直部29b構(gòu)成各流路，則能夠以高密度形成冷卻水流路29。
如已經(jīng)說明的那樣，由上述陰極側(cè)隔離板10和陽極側(cè)隔離板20夾著MEA以構(gòu)成單電池。從而，在相鄰的單電池之間，陰極側(cè)隔離板10和陽極側(cè)隔離板20與這些冷卻水流路19、29相對配置構(gòu)成冷卻部。在對每一電池設(shè)置冷卻部的情況下，適于使用一個面作為陰極側(cè)隔離板，另一面作為陽極側(cè)隔離板起作用的單一隔離板代替如上所述的復(fù)合隔離板。
下面對如上所述構(gòu)成的燃料電池的燃料氣體、氧化劑氣體、(陽極)冷卻水的流通動作進行說明。
在圖1～圖6、圖12和圖14中，燃料氣體通過燃料氣體供給配管53向電池組1的燃料氣體供給集流孔5提供。該提供的燃料氣體從燃料氣體供給集流孔5流入各單電池2的入口集流孔22，通過燃料氣體流路28。然后，在其間通過陽極、高分子電解質(zhì)膜、以及陰極與氧化劑氣體反應(yīng)消耗掉，未消耗的燃料氣體作為廢氣從出口集流孔24向燃料氣體排出集流孔6排出，通過燃料氣體排出配管54從電池組1排出。
另一方面，氧化劑氣體通過氧化劑氣體供給配管51向電池組1的氧化劑氣體供給集流孔8提供。該提供的氧化劑氣體從氧化劑氣體供給集流孔4流入各單電池2的入口集流孔11，通過氧化劑氣體流路17。然后，在其間，通過陽極、高分子電解質(zhì)膜、以及陰極與燃料氣體反應(yīng)消耗掉，未消耗的氧化劑氣體從出口集流孔13向氧化劑氣體排出集流孔7流出，通過氧化劑氣體排出配管52從電池組1排出。
又，冷卻水通過冷卻水供應(yīng)配管30提供給電池組1的冷卻水供給集流孔8。該提供的冷卻水從冷卻水供給集流孔8流入各單電池2的入口集流孔15、25，通過冷卻水流路19、29。然后，在其間，通過陰極側(cè)隔離板10和陽極側(cè)隔離板20對陽極和陰極進行冷卻，同時從陽極和陰極上回收熱量，然后從出口集流孔16、26流向冷卻水排出集流孔9，通過冷卻水配管31從電池組1排出。
而且在該過程中，燃料氣體和氧化劑氣體分別不與重力逆向地流過燃料氣體流路28和氧化劑氣體流路17，以此防止溢流現(xiàn)象的發(fā)生。
又，在各隔離板10、20，相對濕度最低的燃料氣體流路28或氧化劑氣體流路17的上游部位于冷卻水入口附近，因此能夠防止高分子電解質(zhì)膜發(fā)干。
實施形態(tài)2圖5是本發(fā)明實施形態(tài)2的燃料電池的陽極側(cè)隔離板的背面圖。在圖5中，與圖4相同符號表示相同或相當(dāng)?shù)牟糠帧?br> 在本實施形態(tài)中，在圖12所示的實施形態(tài)1的電池組1中，冷卻水供給集流孔8，與圖5所示的陽極側(cè)隔離板20A冷卻水入口集流孔25A具有相同的剖面形狀。
如圖5所示陽極側(cè)隔離板20A，其冷卻水的入口集流孔25A被節(jié)流部32區(qū)分為第1部分31a和第2部分31b。而且，陰極側(cè)隔離板和MEA的冷卻水入口集流孔也形成與該陽極側(cè)隔離板20A的冷卻水入口集流孔25A相同的形狀(未圖示)。該入口集流孔25A的第1部分31a是從冷卻水供給配管30向冷卻水供給集流孔8通過的冷卻水流通的地方，第2部分31b是向冷卻水流路29提供冷卻水的地方。本實施形態(tài)的其他要點與實施形態(tài)1相同。
參照圖12和圖5，如上所述構(gòu)成的本實施形態(tài)的燃料電池中，冷卻水從冷卻水供給配管30向冷卻水供給集流孔8的，與入口集流孔25A的第1部分31a對應(yīng)的部分提供。然后該提供的冷卻水一邊向電池組1的疊層方向流動一邊分配給各單電池2。在這里，在入口集流孔25A上沒有設(shè)置節(jié)流部32的情況下，由于重力的影響，存在越是靠近冷卻水供給配管30的電池流入的冷卻水越多的傾向。在本實施形態(tài)中，由于節(jié)流部32的作用，提供給冷卻水的入口集流孔25A的冷卻水一旦充滿節(jié)流部32的上游側(cè)、即第1部分31a內(nèi)之后就通過第2部分31b向各單電池2的冷卻水流路29提供。因此能夠?qū)﹄x冷卻水供應(yīng)配管30最近的單電池2到最遠(yuǎn)的單電池2均勻分配冷卻水。在這里，節(jié)流部32的冷卻水通過方向上的橫截面積最好是設(shè)計為冷卻水流路29的各流路橫截面積總和的1～10倍范圍內(nèi)。還有，節(jié)流部32的冷卻水通過的方向，是圖5的箭頭X的方向、即單電池2(還有隔離板20A)的延伸面內(nèi)的水平方向。
實施形態(tài)3圖6是本發(fā)明實施形態(tài)3的燃料電池的陽極側(cè)隔離板的背面圖。在圖6中與圖4相同的符號表示相同或相當(dāng)?shù)牟糠帧?br> 在本實施形態(tài)中，在圖12所示的實施形態(tài)1的電池組1中，冷卻水供給集流孔8具有與圖6所示的陽極側(cè)隔離板20B的冷卻水入口集流孔25B相同的剖面形狀。
該隔離板20B中，冷卻水的入口集流孔25B形成具有深底的第1部分41a和淺底的第2部分41b的二級結(jié)構(gòu)的底。換句話說，入口集流孔25B在內(nèi)圓周的下部具有圓周方向上的階梯47c，形成有位于階梯47c的下面的第1部分41a和位于階梯47c的上面的第2部分41b。于是，陰極側(cè)隔離板及MEA的冷卻水入口集流孔也形成與該陽極側(cè)隔離板20B的冷卻水入口集流孔25B相同的形狀(未圖示)。而且該入口集流孔25B的第1部分41a是從冷卻水供給配管30向冷卻水供給集流孔8提供的冷卻水的流通處，第2部分41b是向冷卻水流路29提供冷卻水的地方。
在隔離板20B中，用于將冷卻水從冷卻水的入口集流孔25B向各流路分配用的第2部分41b，形成于在垂直方向上比從冷卻水供給配管30提供冷卻水的第1部分41a高的位置上。通過將冷卻水的入口集流孔25B做成這樣的形狀，第2部分41b的上游側(cè)、即第1部分41a中充滿的冷卻水在第2部分41b加速在隔離板20B的延伸面內(nèi)的水平方向上流動，由于維持該流速向各流路分配冷卻水，所以能夠進一步提高冷卻水的均勻分配性能。又，如實施形態(tài)2所述，如果是在第2部分31b的入口側(cè)僅僅設(shè)置節(jié)流部32的結(jié)構(gòu)，則在部分負(fù)荷運行時對冷卻水的流量進行節(jié)流時，節(jié)流效果低下，冷卻水的均勻分配性能有下降的危險。但是在本實施形態(tài)中，位于下游側(cè)的第2部分41b的底比位于上游側(cè)的第1部分41a的底淺，所以在冷卻水的流量少的情況下，冷卻水供給配管30提供的冷卻水也是在第1部分41a一度滯留之后又流向以冷卻水流路29的各流路連通的第2部分41b，因此能夠確保均勻分配。而且在冷卻水中混有異物等的情況下，由于會在第1部分41a沉淀，所以能夠防止其流入冷卻水流路29，能夠防止異物等導(dǎo)致冷卻水堵塞。
實施例以下說明本發(fā)明的實施例。
實施例1乙炔黑系碳粉(電氣化學(xué)株式會社制，DENKA BLACK FX-35)，使其承載25重量％的平均粒徑約30的白金顆粒。以此作為陰極的催化劑。又使乙炔黑系碳粉(電氣化學(xué)株式會社制，DENKA BLACK FX-35)承載25重量％的平均粒徑約30的白金-釕合金(Pt∶Ru＝1∶1重量比)顆粒。將其作為陽極催化劑。在這些催化劑粉末的異丙醇分散液中，混合全氟碳磺酸粉末的乙醇分散液(旭硝子株式會社制造的Flemion FSS-1)，形成漿液狀。以這些漿液為原料使用網(wǎng)板印刷方法分別在厚度250微米碳無紡布(東麗工業(yè)株式會社制造的TGP-H-090)的一個面上形成電極催化劑層。這樣形成的電極的催化劑層中的鉑含量為0.3mg/cm2，全氟碳磺酸的含量為1.2mg/cm2。
這些電極，其催化劑材料以外的構(gòu)成對于陰極和陽極是相同的。這些電極利用熱壓方法接合于具有比電極大一圈的面積的質(zhì)子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜(美國杜邦公司制造的NAFION 122)的中心部的兩面上，使印刷的催化劑層與電解質(zhì)膜一側(cè)接觸。又，露出于電極的外圍的高分子電解質(zhì)膜的周邊部用厚度250微米的氟橡膠(旭硝子株式會社制造的アフラス(注冊商標(biāo)))薄片構(gòu)成的密封墊夾著，利用熱壓接合成為一體。就這樣制造出電解質(zhì)膜電極接合體(MEA)。質(zhì)子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜使用形成30微米厚的薄膜的全氟碳磺酸。
在本實施例中使用實施形態(tài)1所示的結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性隔離板。圖4是實際運行時設(shè)置將該隔離板疊層的燃料電池的狀態(tài)，以與重力方向相反的方向為上方向。該導(dǎo)電性隔離板是利用機械加工在厚度3毫米的各向同性石墨板上形成氣體流路和集流孔的。氣體流路17和28的槽寬為2毫米，深度為1毫米，流路間的寬度為1毫米，分別形成兩條通道的流路結(jié)構(gòu)。冷卻水流路除了槽的深度采用0.5毫米以外，其他與氣體流路相同。該電池的額定運行條件為燃料利用率75％，氧利用率40％，電流密度0.3A/cm2。
將用如上所述的陰極側(cè)隔離板和陽極側(cè)隔離板夾著MEA構(gòu)成的單電池50個疊層。相鄰的單電池之間利用兩塊隔離板形成冷卻水流路。用不銹鋼制端板將該電池疊層體隔著表面鍍金的銅制集電板和聚苯撐硫化物制絕緣板夾住，用緊固桿將兩端板系住。系緊壓力為每單位電極面積10kgf/cm2。又，設(shè)置疊層電池，使其在運行時圖中所示的隔離板的上部向上。
這樣制作的本實施例的燃料電池保持于70℃，對陽極提供加溫、加濕使其露點為70℃的燃料氣體(80％氫氣、20％二氧化碳、10ppm一氧化碳)，對陰極提供加溫、加濕使其露點為70℃的空氣。對該電池，使電流密度在從額定的25％的低負(fù)荷時的電流密度0.075A/cm2到作為額定負(fù)荷的0.3/cm2的范圍改變，對其電流-電壓特性進行評價。但是，試驗中的利用率采用與額定條件下的利用率相同的利用率。其結(jié)果示于圖7。圖7中也記錄了比較例的燃料電池的特性。對于比較例的燃料電池，使其冷卻水入口、出口與實施例1相反，氣體在入口部被加濕到相對濕度100％。從圖中可以看出，即使是比較例的燃料電池由于氣體流速下降，發(fā)生溢流現(xiàn)象運行發(fā)生困難的0.075A/cm2附近，本實施例的燃料電池中，也不發(fā)生溢流現(xiàn)象，能夠穩(wěn)定運行。本實施例中，將冷卻部分別設(shè)置于相鄰的單電池的陽極隔離板和陰極隔離板之間，但是，每多個單電池配置一個冷卻部也能夠得到同樣的效果。
實施例2在本實施例中，使用實施形態(tài)2說明的隔離板。節(jié)流部32的冷卻水通過方向的截面積設(shè)計為各冷卻面的冷卻水流路的截面積總和的1～10倍范圍內(nèi)。在本實施例中，兩條冷卻水流路的總截面積為4平方毫米，因此節(jié)流部32的截面積設(shè)計在4～40平方毫米的范圍內(nèi)。
對該燃料電池在實施例1所示的運行條件測定額定負(fù)荷運行時的各單電池的電壓。其結(jié)果示于圖8。在圖8中也記載了實施例1的燃料電池的各單電池的電壓。在這里形成冷卻水從編號為1號的單電池一側(cè)提供，通過集流孔、冷卻水流路，向編號50號單電池的一側(cè)排出這樣的結(jié)構(gòu)?？梢钥闯鰧嵤├?的燃料電池，在冷卻水的入口側(cè)電壓值高，隨著向出口側(cè)靠近逐步下降。這是由于冷卻水的流量不均勻，形成了溫度低的單電池和溫度高的單電池。而本實施例的燃料電池中，可以看出由于冷卻水的分配更加均勻，所以溫度分布均勻，電池電壓也均勻了。還有，圖9表示在1000小時運行之后對這些燃料電池進行比較的結(jié)果。從圖9可以看出，在實施例1的電池中，冷卻水出口近旁的電池電壓變差比較嚴(yán)重，而本實施例的電池中，全部單電池都沒有發(fā)現(xiàn)極端劣化的情況。從而可以知道本實施例的冷卻水均勻分配情況的改善對耐用性變差也有抑制效果。
實施例3在本實施例中采用實施形態(tài)3的隔離板。與入口集流孔25B的流路連通的部分41b的入口側(cè)的節(jié)流部的剖面積用與實施例2相同的方法設(shè)計。
與實施例1所示的運行條件，在額定的1/4的負(fù)荷使該燃料電池運行時測定將冷卻水調(diào)節(jié)為額定流量的1/4之前的各單電池的電壓。其結(jié)果示于圖10。在圖10中也記載實施例2所示的燃料電池的各單電池的電壓。在這里形成冷卻水從編號1號的單電池一側(cè)提供，通過集流孔、冷卻水流路，向編號50號的單電池一側(cè)排出的結(jié)構(gòu)。從圖10可以了解到，實施例2和本實施例的單電池都是在1/4負(fù)荷運行中也能夠穩(wěn)定運行。又可以了解到，實施例2的單電池在冷卻水流量調(diào)整到1/4的情況下冷卻水的均勻分配情況惡化，有一些單電池有這樣的傾向，即各單電池的電壓偏差增大。這是被認(rèn)為是由于在入口集流孔25B，冷卻水一度在其上游側(cè)的第1部分41a滯留之后，經(jīng)過下游側(cè)的第2部分41b提供給流路29，因此，冷卻水量低的時候的均勻分配情況得到改善。
圖11表示這些單電池在低負(fù)荷運行條件下運行1000小時后，各單電池間的電壓比較結(jié)果。從圖11中可知，實施例2的電池中，靠近冷卻水出口的單電池的電壓惡化率只是稍大，而本實施例的電池中、單電池的電壓的降低率也是相同的。電池電壓的劣化被認(rèn)為是由于冷卻水流量減少的電池溫度上升，電解質(zhì)膜發(fā)干引起劣化而造成的?？芍緦嵤├睦鋮s水的均勻分配情況的改善對耐用性的劣化也有有效的抑制作用。特別是可以了解到，對于控制低負(fù)荷運行時的冷卻水的流量，運行時間長的系統(tǒng)，采用本實施例這樣的節(jié)流孔形狀是有效的。
如上所述采用本發(fā)明，隔離板上的所有氧化劑氣體、燃料氣體、以及冷卻水的流動都是在不與重力相逆的方向上流動，因此，能夠促進凝集水的順利排出，在低負(fù)荷運行時也不發(fā)生溢流現(xiàn)象，能夠高效率穩(wěn)定運行，并且在氣體入口部發(fā)生的電解質(zhì)膜發(fā)干的現(xiàn)象也能夠消除，能夠提高耐用性。
又，冷卻水入口集流孔上設(shè)置節(jié)流部，以此可以在將單電池疊層時改善冷卻水的均勻分配情況，可以使各單電池間的溫度分布均勻化，因此，能夠減少各單電池間電壓的偏差。而且由于不使電池溫度偏高，因此可以避免耐用性的劣化。
而且，使從冷卻水的入口集流孔將冷卻水分配到各流路用的連通部的連接部處于重力方向上的、比向冷卻水入口集流孔提供冷卻水的位置高的位置上，以此可以在低負(fù)荷運行時控制冷卻水流量的情況下，也確保其均勻分配，可以抑制溫度偏差增大引起電壓偏差的增大。
根據(jù)以上說明可以知道，對于本行業(yè)的普通技術(shù)人員來說，本發(fā)明的許多改良和其他實施形態(tài)是清楚的。從而，上述說明只應(yīng)該解釋為例示，是對本行業(yè)普通技術(shù)人員提示如何實施本發(fā)明的最佳實施形態(tài)的例示。在不超出本發(fā)明精神的條件下，其結(jié)構(gòu)和/或功能的詳細(xì)情況可以有實質(zhì)上的變更。
權(quán)利要求
1.一種高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于，具備具有包含氫離子導(dǎo)電性的高分子電解質(zhì)膜、和夾著所述高分子電解質(zhì)膜的陽極和陰極的MEA、在所述MEA的一側(cè)配置，使正面與所述陽極接觸，所述正面形成燃料氣體流動的燃料氣體流路的陽極側(cè)隔離板、以及在所述MEA的另一側(cè)配置，使正面與所述陰極接觸，所述正面形成氧化劑氣體流動的氧化劑氣體流路的陰極側(cè)隔離板的單電池、多個所述單電池堆疊成的電池組、以及在所述電池組的至少規(guī)定的電池的所述陽極側(cè)隔離板和陰極側(cè)隔離板的至少任一方的背面上形成的冷卻水流通的冷卻水流路；所述燃料氣體、所述氧化劑氣體、以及所述冷卻水分別在所述燃料氣體流路、所述氧化劑氣體流路、以及所述冷卻水流路中不與重力逆向地流動。
2.如權(quán)利要求1所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于，所述燃料氣體流路、所述氧化劑氣體流路以及所述冷卻水流路分別向下游水平或有梯度地形成。
3.如權(quán)利要求2所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于，所述燃料氣體流路、所述氧化劑氣體流路以及所述冷卻水流路中的至少某一流路實質(zhì)上用水平部分和垂直部分構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于，在所述陰極側(cè)隔離板上，所述氧化劑氣體流路的上游部位于所述冷卻水流路入口的近旁。
5.如權(quán)利要求1所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于，在所述陽極側(cè)隔離板上，所述燃料氣體流路的上游部位于所述冷卻水流路入口的近旁。
6.如權(quán)利要求1所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于，在所述陰極側(cè)隔離板上，從厚度方向看，所述冷卻水流路和所述氧化劑氣體流路大致在整體上重合形成。
7.如權(quán)利要求1所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于，在所述陽極側(cè)隔離板或所述陰極側(cè)隔離板上，向所述冷卻水流路提供冷卻水的入口集流孔在厚度方向上貫通所述隔離板，并且具有由相對的內(nèi)圓周面的局部接近部構(gòu)成的節(jié)流部，位于這樣設(shè)置的所述節(jié)流部的一側(cè)的第1部分與冷卻水供給配管連通，位于所述節(jié)流部的另一側(cè)的第2部分與所述冷卻水流路連通。
8.如權(quán)利要求1所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于，在所述陽極側(cè)隔離板或所述陰極側(cè)隔離板上，向所述冷卻水流路提供冷卻水的入口集流孔是這樣設(shè)置的，即在厚度方向上貫通所述隔離板，并且在內(nèi)圓周的下部具有在圓周方向上的階梯，位于所述階梯之下的第1部分與冷卻水供給配管連通，位于所述階梯之上的第2部分與所述冷卻水流路連通。
全文摘要
高分子電解質(zhì)型燃料電池具備具有包含氫離子導(dǎo)電性的高分子電解質(zhì)膜和夾著該高分子電解質(zhì)膜的陽極和陰極的MEA、在該MEA的一側(cè)配置，并使正面與陽極接觸，正面上形成燃料氣體流動的燃料氣體流路的陽極側(cè)隔離板、以及在MEA的另一側(cè)配置，并使正面與陰極接觸，正面上形成氧化劑氣體流動的氧化劑氣體流路的陰極側(cè)隔離板的單電池、多個單電池堆疊成的電池組、以及在電池組的至少規(guī)定的電池的陽極側(cè)隔離板和陰極側(cè)隔離板的至少任一方的背面上形成的冷卻水流通的冷卻水流路，燃料氣體、氧化劑氣體、以及冷卻水分別在燃料氣體流路、氧化劑氣體流路、以及冷卻水流路中不與重力逆向地流動。
文檔編號H01M8/18GK1574435SQ20041005993
公開日2005年2月2日 申請日期2004年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月24日
發(fā)明者日下部弘樹, 羽藤一仁, 小原英夫, 竹口伸介, 柴田礎(chǔ)一, 富澤猛, 松本敏宏, 安本榮一 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社