專利名稱：燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池，特別涉及利用插入在燃料電池的電池單體之間的隔板的燃料電池的冷卻技術(shù)。
背景技術(shù)：
作為燃料電池的形式之一的PEM型燃料電池的電池單體由在燃料極(由于一般采用氫氣作為燃料，所以又稱為氫極)和氧化劑極(同樣，一般采用含有氧氣的空氣作為氧化劑，所以又稱為空氣極)之間夾持高分子固體電解質(zhì)膜而組成。燃料極和空氣極均由包含催化劑物質(zhì)的催化劑層、在支持催化劑層的同時讓反應(yīng)氣體得以透過、并且具有集電體的功能的電極基材組成。燃料極和空氣極的外側(cè)還疊有隔板(收集器板)，在該隔板設(shè)置有氣體流路(一般由在電極面?zhèn)鹊臏喜劢M成)，通過該氣體流路從電池單體外部向電極面均勻供應(yīng)作為反應(yīng)氣體的氫氣和空氣，同時將多余的反應(yīng)氣體排出到電池單體外部。該隔板可以防止氣體的透過，同時將產(chǎn)生的電流引到外部，收集起來。上述電池單體和隔板一起組成1個單元的單電池。
在實際的燃料電池中，將多個上述單電池串聯(lián)起來，組成電池單體模塊。這樣，在燃料電池中，為了維持足夠的發(fā)電效率，必須使電池單體中的高分子固體電解質(zhì)膜保持充分的濕潤狀態(tài)。一般情況下，只依靠電解反應(yīng)生成的水還不能滿足所需水分，必須設(shè)置對各電池單體供應(yīng)加濕水的機構(gòu)。還有，由于會產(chǎn)生與電解反應(yīng)所產(chǎn)生的電力相當(dāng)?shù)臒崃?，因此需要設(shè)置冷卻手段，以防止燃料電池主體過熱。
作為燃料電池的冷卻手段，提出了各種方案，其中有在冷卻的同時對電解質(zhì)膜進行濕潤的方案(例如參照專利文獻1)。該技術(shù)中，供應(yīng)的是預(yù)先添加了水的空氣，利用冷卻氣體流路使水蒸發(fā)進行冷卻，然后使含有蒸發(fā)水分的空氣在空氣流路中進行循環(huán)。
還有的方案中，在隔板中形成與氣體流路分離的中空部，讓冷卻水流過中空部，同時該冷卻水通過多孔性物質(zhì)的壁面向空氣流路供給水蒸氣(例如參照專利文獻2)。
但是，利用過去的技術(shù)，很難同時做到冷卻和維持膜的濕潤。例如，采用專利文獻1所述的方法時，在冷卻氣體流路蒸發(fā)液體水所得的水蒸氣被混入空氣，然后再在空氣流路進行循環(huán)，因此在該循環(huán)通路中，很難維持冷卻氣體流路的溫度。例如，循環(huán)通路的溫度下降后、空氣流路的溫度上升時，在空氣流路中會從電解質(zhì)膜中奪取水分，從而難以維持膜濕潤。
采用專利文獻2所述的方法時，雖然通過多孔性物質(zhì)的壁面供給水蒸氣，但是利用從多孔性物質(zhì)滲出的水分并不一定能夠供給足夠的水分，由于在冷卻水路只利用顯熱進行冷卻，而為了要進行充分的冷卻，用于冷卻水循環(huán)的機械設(shè)備就可能變得龐大。
專利文獻1特開平10-247505號公報；專利文獻2特開平6-338338號公報。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述情況，本發(fā)明的目的在于在向空氣極側(cè)直接供應(yīng)空氣和冷卻水的方式的燃料電池中，利用簡單結(jié)構(gòu)同時實現(xiàn)冷卻和維持膜的濕潤。進一步，本發(fā)明還提供能夠進行有效冷卻的燃料電池。
為達到上述目的，本發(fā)明提供一種燃料電池，由電解質(zhì)膜11和在該電解質(zhì)膜的兩側(cè)設(shè)置的燃料極13以及空氣極12組成的電池單體10A夾持隔板10B進行層疊、通過該隔板向電池單體的空氣極側(cè)供給空氣和水的混合流體，上述隔板在電池單體的兩極中的至少空氣極側(cè)的表面部分上，形成有透過上述混合流體的網(wǎng)眼狀的導(dǎo)體14。
在上述結(jié)構(gòu)中，希望上述網(wǎng)眼狀的導(dǎo)體的網(wǎng)眼的開口率在25％以上。還有，希望上述網(wǎng)眼狀的導(dǎo)體經(jīng)過親水性處理，以便能夠附著上述水。此時，希望上述網(wǎng)眼狀的導(dǎo)體被彎曲成矩形波狀的截面形狀，上述氣體遮斷用的基板為薄平板形狀。具體來說，上述隔板為上述網(wǎng)眼狀的導(dǎo)體和氣體遮斷用基板16重合的層狀結(jié)構(gòu)。還有，上述網(wǎng)眼狀的導(dǎo)體由在網(wǎng)線之間透過上述混合流體的金屬網(wǎng)、或在金屬薄板形成有透過上述混合流體的沖孔的沖孔金屬板、或在金屬薄板上形成有菱形狹縫的菱形格金屬板組成。
根據(jù)本發(fā)明，通過在網(wǎng)眼狀的導(dǎo)體上均勻地附著、保持與空氣一起供給的冷卻水，可以在電極整體均勻地進行潛熱冷卻，從而提高冷卻能力。還有，與過去技術(shù)的通過冷卻隔板背面來對電極進行間接冷卻的方式相比，可以在靠近電極的部分進行冷卻，從而提高了冷卻能力。另外，網(wǎng)眼狀的導(dǎo)體起著與送進來的空氣接觸進行冷卻的散熱片的作用，提高了冷卻能力。
還有，通過使網(wǎng)眼狀的導(dǎo)體的開口率在25％以上，可以確保足夠的作為氧化劑氣體的空氣與電極的接觸面積。還有，通過使導(dǎo)體具有親水性，可以使水附著、滯留在網(wǎng)眼上，從而提高冷卻效率。還有，當(dāng)網(wǎng)眼狀的導(dǎo)體為金屬網(wǎng)、沖孔金屬板或菱形格金屬板組成時，可以獲得細密且均勻的開口分布，具有足夠的開口率，而且混合流體還會通過與電極擴散層的接觸面的開口，從而受到攪拌，能夠進一步確實提高上述效果。另外，由于菱形格金屬板的相對于厚度的剛性高于其他材料，從而可以減少接觸阻力。還有，導(dǎo)體為波紋板結(jié)構(gòu)時，與平板相比，可以增大相對于擴散層的接觸面積的表面積比，同時大幅增加與水的接觸機會，從而可以有效地進行冷卻。


圖1為燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
圖2為組成與本發(fā)明第1實施例有關(guān)的燃料電池組的電池單體模塊的俯視圖。
圖3為從空氣極側(cè)觀察到的電池單體模塊的正視圖。
圖4為從燃料極側(cè)觀察到的電池單體模塊的正視圖。
圖5為圖3的A-A部分的截面圖。
圖6為圖3的B-B部分的截面圖。
圖7為電池單體模塊的隔板的分解部分的斜視圖。
圖8為與本發(fā)明第2實施例有關(guān)的隔板的分解部分的斜視圖。
圖9為與本發(fā)明第3實施例有關(guān)的隔板的分解部分的斜視圖。
圖中10—電池單體模塊，10A—電池單體，10B—隔板，11—電解質(zhì)膜，12—空氣極，13—燃料極，14—收集器(網(wǎng)眼狀的導(dǎo)體)，16—基板。
具體實施例方式
本發(fā)明對于通過向供給空氣中直接噴射冷卻水進行混合后而再向空氣極側(cè)供給的燃料電池特別有效，通過使網(wǎng)眼狀的導(dǎo)體均勻附著冷卻水且使其保持，可以在電極整體進行利用反應(yīng)生成熱的均勻的潛熱冷卻，提高冷卻性能。
(第1實施例)下面結(jié)合附圖，說明本發(fā)明的實施例。首先，圖1～圖7表示本發(fā)明的第1實施例。圖1為采用本發(fā)明的燃料電池組1的車輛用燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。該燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池主體部，其以燃料電池組1為主體，由作為向其供給空氣的空氣供給機構(gòu)的包括空氣風(fēng)扇21的空氣供給系統(tǒng)(圖中實線表示)2、以及包括水凝結(jié)器31的空氣排出系統(tǒng)3構(gòu)成；燃料供給系統(tǒng)(圖中雙點虛線表示)4，其作為氫供給機構(gòu)，包括氫罐41；和水供給系統(tǒng)(圖中虛線表示)6，其用于對反應(yīng)部的濕潤和冷卻。
配置在燃料電池的主體部的空氣風(fēng)扇21通過空氣供給路20與空氣進氣管(air manifold)22連接，空氣進氣管22與收容燃料電池組的圖中未表示的殼體連接。水凝結(jié)器31插入在殼體的空氣排出路30上，與燃料電池組1連接。空氣排出路30中配置有排氣溫度傳感器32。
燃料供給系統(tǒng)4將儲存在氫罐41中的氫氣通過氫供給路40送到燃料電池組1的氫氣通路。氫氣供給路40上，從氫罐41側(cè)向燃料電池組1側(cè)，順次設(shè)置有一次壓傳感器42、調(diào)壓閥43A、供給電磁閥44A、調(diào)壓閥43B、供給電磁閥44B、二次壓傳感器45。還有，氫氣供給路40上附帶設(shè)置有氫氣返回路40a和氫氣排出路50。在氫氣返回路40a上，從燃料電池組1側(cè)開始，順次設(shè)置有氫氣濃度傳感器46A、46B、吸引泵47、止回閥48，止回閥48的下流與氫氣供給路40連接。在氫氣返回路40a的吸引泵47與止回閥48之間，連接有氫氣排出路50，氫氣排出路50上配置有止回閥51、排出電磁閥52、燃燒器53。
水供給系統(tǒng)6將儲存在水箱61中的水通過水供給路60送到配置在燃料電池組1的空氣進氣管22上的多個噴嘴63。水供給路60上配置有泵62。還有，水箱61上配置有水位傳感器64。水供給系統(tǒng)6中還設(shè)置有連接燃料電池組1和水箱61的水返回路60a，在水返回路60a上配置有泵65和止回閥66。水返回路60a在泵65的上流側(cè)與水凝結(jié)器31連接。還有，圖中符號71表示測試燃料電池的電動勢的電壓表。
具有上述結(jié)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)在運行時，通過空氣供給風(fēng)扇21的運轉(zhuǎn)，將空氣供給到空氣進氣管22，同時通過泵62的運轉(zhuǎn)，從水供給系統(tǒng)供給水，接著通過供給電磁閥44A、44B的運轉(zhuǎn)，從燃料供給系統(tǒng)4供給氫氣。此時，在燃料供給系統(tǒng)4，利用氫氣一次壓傳感器42監(jiān)測氫罐41側(cè)的氫氣壓，利用氫氣調(diào)壓閥43A、43B，調(diào)節(jié)供給到燃料電池組1的合適的壓力。然后，利用供給電磁閥44A、44B的開關(guān)，進行向燃料電池組1供給氫氣的電氣控制。氫氣供給的遮斷通過供給電磁閥44A、44B的關(guān)閉來實現(xiàn)。還有，利用氫氣二次壓傳感器45，監(jiān)測即將供給到燃料電池1的氫氣壓。還有，在水供給系統(tǒng)6，水箱61的水通過泵62壓送到設(shè)置在空氣進氣管22內(nèi)的噴嘴63，在這里向空氣進氣管22內(nèi)連續(xù)或者間斷地進行噴射，向空氣流中混入霧狀水，并送入燃料電池組1。
圖2～圖7表示在由上述結(jié)構(gòu)組成的燃料電池系統(tǒng)中、作為構(gòu)成燃料電池組1的單元的電池單體模塊10的結(jié)構(gòu)。如圖2上面(以下按照電池單體模塊的配置姿態(tài)說明上下以及縱橫關(guān)系)所示，電池單體模塊10，通過以電池單體(MEA)10A、對電池單體之間進行電氣連接、同時分離引入電池單體的氫氣和空氣的流路的隔板10B、支持電池單體10A和隔板10B的2種框架17、18作為一個單元，沿板厚方向?qū)盈B多個單元(圖中為10個)所構(gòu)成。還有，由于電池單體10A位于框架18的內(nèi)側(cè)，因此在圖2中沒有明確表示出來。電池單體模塊10中，為了使電池單體10A之間保持規(guī)定的間隙，電池單體10A與隔板10B通過2種框架17、18交互作為墊襯進行多層層疊，層疊方向的一端(圖2中的上端面?zhèn)?以如圖3所示的隔板10B的縱向凸條形成面和一個框架17的端面為終端，而另一端(圖2中的下端面?zhèn)?以如圖4所示的隔板10B的橫向凸條形成面和另一個框架18的端面為終端。
如圖5及圖6的擴大的截面結(jié)構(gòu)所示，電池單體10A由固體高分子電解質(zhì)膜11、設(shè)置在該固體高分子電解質(zhì)膜11的一側(cè)的作為氧化劑極的空氣極12以及設(shè)置在另一側(cè)的燃料極13組成。這些空氣極12和燃料極13由使上述反應(yīng)氣體擴散并透過的導(dǎo)體材料組成的擴散層、在該擴散層上形成的、與固體高分子電解質(zhì)膜11接觸并被其支持的含有催化劑物質(zhì)的催化層組成。這些材料中，空氣極12和燃料極13的橫向尺寸稍大于作為支持部件的框架18的開口部的寬度，縱向尺寸稍大于開口部的高度。還有，固體高分子電解質(zhì)膜11的縱橫尺寸比開口部的縱橫尺寸大一些。
隔板10B由作為電池單體10A之間的氣體遮斷部件的隔板基板16、設(shè)置在隔板基板16的一側(cè)、與電池單體10A的空氣極側(cè)的電極擴散層接觸并收集電荷、同時形成有多個透過空氣和水的混合流體的開口的網(wǎng)狀集電體(以下稱為“空氣側(cè)收集器”)14、設(shè)置在隔板基板16的另一側(cè)、與電池單體10A的燃料極側(cè)的電極擴散層接觸并同樣將電流引到外部的網(wǎng)狀的導(dǎo)體(以下稱為“燃料側(cè)收集器”)15組成。包括電池單體10A在內(nèi)的這些部件維持規(guī)定的位置關(guān)系，在空氣極側(cè)收集器14的左右兩側(cè)配置框架17(只有最外側(cè)的上下端為相互與支撐板17a、17b連接的框狀(參照圖3))，在燃料極側(cè)收集器15以及電池單體10A的周邊部配置框架18。在本實施例中，收集器14、15由例如厚度為0.2mm左右的金屬薄板組成。還有，隔板基板16為厚度更薄的金屬薄板組成。作為這一金屬構(gòu)件，可以采用具有導(dǎo)電性和耐蝕性的金屬，例如在不銹鋼、鎳基合金、鈦基合金等上進行電鍍等耐蝕性處理后的金屬。還有，框架17、18由適當(dāng)?shù)慕^緣材料構(gòu)成。
如圖3所示，空氣極側(cè)收集器14的整體形狀為橫長的矩形(但是，為了提高除水效果，底邊為傾斜形狀)，如圖7的部分擴大圖所示，由具有59％的開口率的網(wǎng)眼狀的開口143(為了容易參照板面形狀，背面只畫了一部分網(wǎng)眼形狀)的菱形格金屬板(expanded metal)組成，并通過沖壓加工形成為具有細小的凸條141的波紋板。這些凸條141在板材的縱邊(圖中的短邊)以平行的等間距縱向完全跨過板面。這些凸條141的截面形狀大致為矩形波狀截面，由于沖壓加工的原因，在根部側(cè)略有擴展。這些凸條141的高度實質(zhì)上等于框架17的厚度，因此在層疊狀態(tài)下確保兩側(cè)的框架17之間確?？v向貫通的規(guī)定開口面積的空氣流路。各凸條141的頂部142的平面為與空氣極12側(cè)擴散層接觸的接觸部，凸條141之間的谷部144為與基板16接觸的接觸部。
還有，空氣極側(cè)14經(jīng)過親水性處理。作為處理方法，采用在表面涂布親水處理劑的方法。作為涂布的處理劑，有聚丙烯酰胺、聚胺脂類樹脂、氧化鈦(TiO2)等。作為其他的親水性處理，有增加金屬表面粗糙度的方法。作為例子，有例如等離子體處理等。親水性處理最好在溫度最高的部位進行，例如在與電池單體10A接觸的凸部141的頂部142、特別是空氣流路側(cè)進行。通過這樣進行親水性處理，促進收集器14與空氣極側(cè)擴散層的接觸面的浸潤性，提高利用水的潛熱冷卻的效果。還有，這樣在網(wǎng)眼的開口部難以出現(xiàn)水的阻塞，進一步降低了水對供給空氣的阻礙作用。
燃料極側(cè)收集器15由具有與空氣極側(cè)收集器14相同尺寸的網(wǎng)眼狀的開口153(為了容易參照板面形狀，只畫出一部分網(wǎng)眼形狀)的菱形格金屬的矩形板材組成，利用沖壓加工，壓成多個凸條151。凸條151的頂部152為平坦?fàn)睿浣孛嫘螤钜才c前面的凸條141的情況一樣，實際上為矩形波狀，但該收集器15的凸條151為在橫向完全跨過板面，在縱向有一定間距。這些凸條151的的頂部152的平面為與燃料極13接觸的接觸部，凸條151之間的谷部154為與隔板基板16接觸的接觸部。這些凸條151的截面形狀大致為矩形波狀截面，由于沖壓加工的原因，在根部側(cè)略有擴展。這些凸條151的高度與電池單體10A的厚度加在一起實質(zhì)上等于框架18的厚度，因此在層疊狀態(tài)下確保框架18的內(nèi)側(cè)橫向貫通的規(guī)定開口面積的燃料流路。
上述結(jié)構(gòu)組成的兩個收集器14、15將隔板基板16夾在中間，各凸條141、151均成為外側(cè)。此時，兩個收集器14、15的谷部144、154處于與隔板基板16接觸的狀態(tài)，即為能夠相互通電的狀態(tài)。還有，收集器14、15與隔板基板16層疊，在隔板基板16的一側(cè)形成空氣流路，在另一側(cè)形成燃料流路。這樣，從該縱向的空氣流路向電池單體10A的空氣極12供給空氣和水，同樣，從橫向的燃料流路向電池單體10A的燃料極13供給氫氣。
在上述結(jié)構(gòu)的隔板10B的外側(cè)，分別配置有框架17、18。如圖5及圖6所示，包圍收集器14的框架17除了外端(圖5中的最上部，圖6中的左端)的部分，只具有沿收集器14的短邊的包圍兩側(cè)的縱框部171，為了形成燃料流路，沿板厚方向貫通這些縱框部171，設(shè)置有長孔172?？蚣?7的板厚如上所述，與波狀板的收集器14的厚度相同。因此，框架17與收集器14組合在一起時，收集器14的凸條141與電池單體10A的空氣極12接觸，谷部144通過隔板基板16與收集器15接觸。還有，隔板基板16的外形尺寸與框架17的高度和整體寬度相當(dāng)，并在與框架17的上述長孔172重合的位置上具有同樣的長孔162。這樣，在框架17的兩個縱框部171之間，形成了由電池單體10A的空氣極12面和隔板基板16包圍的在縱向全部貫通的空氣流路。
包圍收集器15和電池單體10A的框架18與框架17的大小相同，與框架17不同的是，為具有左右縱框部(圖5中，由于位于超出記載范圍的右外側(cè)，因此沒有表示，但在與框架17的兩縱框部171的左右兩側(cè)端相同的位置上具有兩側(cè)端的橫向?qū)挾葹樯舷聶M框部的大致相同框部)和上下橫框部182的完全框狀?？虿?8除了外端(圖2中的最下部，圖4表示的面)部分，具有與左右縱框部平行延伸的、與收集器15的左右端重合的薄板狀的支持板18a和厚板狀的支持板18b，這些支持板18a與縱框部所包圍的空間構(gòu)成與沿板厚方向貫穿上述框架17的長孔172排列的形成燃料流路的空間。框架18的板厚如上所述，大致等于波板狀的收集器15的厚度加上電池單體10A的厚度。因此，框架18與收集器15組合在一起，收集器15的凸條151與電池單體10A的燃料極13接觸，谷部154通過隔板基板16收集器14接觸。這樣，框架18的兩個縱框部與支持板18a之間形成與框架17的長孔172排列的層疊方向的燃料流路，且在每個框架18的內(nèi)部，利用收集器15的波形，形成由隔板基板16和支持板18a所夾持的作為橫向流路的燃料流路。
利用上述結(jié)構(gòu)的框架17、18，保持收集器14、15以及隔板基板16，從而構(gòu)成隔板10B，隔板10B與電池單體10A交互層疊，構(gòu)成電池單體模塊。這樣層疊而成的電池單體模塊中，如圖2所示，在框架18所夾持的部分，形成有從電池單體模塊的上面沿縱向貫通到電池單體模塊的下面的狹縫狀的空氣流路。
在殼體中并列配置多個上述結(jié)構(gòu)的電池單體模塊，形成燃料電池組(參照圖1)1，從其上部供給在空氣進氣管22混合的空氣和水，從側(cè)面供給氫氣，進行發(fā)電運行。供給到空氣流路的空氣和水，以霧狀水滴混入空氣的狀態(tài)(下面稱該狀態(tài)為“混合流體”)進入空氣流路的上部。在燃料電池的正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，電池單體10A通過反應(yīng)產(chǎn)生熱量，因此空氣流路內(nèi)的混合流體被加熱?；旌狭黧w中的水滴由于親水性處理，一部分附著在隔板14的網(wǎng)狀部分和電池單體10A的空氣極12側(cè)，沒有附著在隔板14的網(wǎng)狀部分的水滴通過在隔板14和電極擴散層之間的氣相中的加熱而進行蒸發(fā)，從隔板14奪取熱量，產(chǎn)生潛熱冷卻作用。這樣變成蒸汽的水抑制來自空氣極12側(cè)的固體高分子電解質(zhì)膜11中的水分的蒸發(fā)，進行保濕。然后，進入空氣流路的剩余的空氣和蒸汽從燃料電池組1的下方的空氣流路開口排出。
另一方面，對燃料流路的氫氣供給從圖4的最外側(cè)的框架18的縱框部的長孔開始，順次經(jīng)過層疊的隔板16的長孔162、框架17的縱框部171的長孔172，流入由各框架18的縱橫框部以及支持板18a所包圍的空間，經(jīng)過由隔板基板16和支持板18a所包圍的空間，供給到電池單體10A的燃料極13側(cè)。這樣，向電池單體10A的燃料極13供給氫氣。然后，沿燃料極13橫向流動的氫氣中，沒有參加反應(yīng)的剩余部分從相反側(cè)的氫氣流路排出，通過與該氫氣流路連接的圖1所示的配管進行循環(huán)，最終排出到燃燒器。
這樣隨著空氣一起送到燃料電池組中的水如前說明，一部分附著在隔板14的網(wǎng)眼上進行蒸發(fā)，另外部分在氣相中沒有附著在網(wǎng)眼上而進行蒸發(fā)，奪取潛熱，從而防止水分從空氣極12側(cè)的電解質(zhì)膜11上蒸發(fā)。因此，電解質(zhì)膜11在其空氣極12側(cè)不會出現(xiàn)干燥，被生成水一直維持在均勻的濕潤狀態(tài)。還有，供給到空氣極12的表面的水也從空氣極12本身奪取熱量，對其進行冷卻。這樣，控制燃料電池組1的溫度。
燃料電池組1內(nèi)的氫氣的流動如前說明所示。燃料供給系統(tǒng)4中，從燃料電池組1的氫氣通路被泵47的吸引所排出的氫氣，通過濃度傳感器45A、45B進行測量，當(dāng)超過規(guī)定濃度時，利用電磁閥52的關(guān)閉，通過回流止回閥48，回流到氫氣供給路40。還有，當(dāng)沒有達到規(guī)定濃度時，通過排出電磁閥52的間歇開放，經(jīng)過止回閥51及電磁閥52，將氫氣排放到燃燒器53，在燃燒器53進行完全燃燒后，向大氣排出。
該系統(tǒng)中，即使對燃料電池組1不附設(shè)冷卻水系統(tǒng)，通過在載置在空氣流進行供水，可以使燃料電池組1保持足夠的濕潤、且進行冷卻。此時，與排氣溫度傳感器32探測的排出空氣的溫度相對應(yīng)，適當(dāng)控制泵62的輸出或運行間隔，控制從噴嘴63向空氣進氣管22內(nèi)噴出的水的噴射量，從而可以使燃料電池組1的溫度維持在所希望的溫度。具體來說，如果增加供給到燃料電池組1內(nèi)的水量，蒸發(fā)量則增加。減少水量，蒸發(fā)量也減少。同時如果增加風(fēng)量，溫度則下降，減少風(fēng)量，溫度則升高。通過控制供給水量和風(fēng)量，可以控制運行溫度。另外，從燃料電池組1與空氣一起排出的水大部分維持液體狀態(tài)而被排出，流到水返回路60a，被泵65吸引，經(jīng)由止回閥66，回到水箱61。而蒸發(fā)的水蒸氣狀的水或沒有被水返回路60a回收的水，在水凝結(jié)器31凝結(jié)成液狀，或者原樣通過水凝結(jié)器31，同樣被泵65吸引，回到水箱61。另外，排氣空氣中包含的水蒸氣中還含有隨著燃料電池組1的發(fā)電反應(yīng)而生成的反應(yīng)水。該水箱61的水位通過水位傳感器64進行監(jiān)測。
該系統(tǒng)的特征在于收集器14、15為細小的網(wǎng)眼狀，在與電極擴散層的接觸面上也形成有開口，空氣與水的混合流體通過該開口時受到攪拌，同時在電極擴散層與收集器14、15的接觸面上也供給有混合氣體，因此可以對燃料電池組1的電極整體進行均勻的空氣供給，因此減少了濃度極化。還有，通過電極與收集器的網(wǎng)眼狀的接觸，可以對電極整體進行均勻的電荷收集，減少了集電電阻。另外，由于可以有效地利用電極整體的催化劑，從而減少了活性化極化。還有，可以擴大電極的有效面積。
以上說明的第1實施例中，說明了隔板的電極擴散層的接觸側(cè)、即收集器14、15為菱形格金屬板結(jié)構(gòu)的情況。該收集器14、15的材料也可以是金屬纖維、金屬多孔體、二維金屬織布、金屬不織布、波狀金屬體、溝狀金屬體、金屬網(wǎng)、沖孔金屬板等其他物體。接著，說明改變收集器材料的其他實施例。
(第2實施例)
圖8所示的第2實施例中，兩個收集器14、15為沖孔金屬板構(gòu)成。該實施例中，為了統(tǒng)一起見，兩個收集器的波狀尺寸、即波的高度及間隔與第1實施例的燃料極側(cè)的收集器相同。在采用該結(jié)構(gòu)的同時，為了確保波高降低后的空氣極側(cè)的流路截面積，隔板基板16上也形成有按照與收集器14的谷部144的配置間距相配合的間距，向收集器14側(cè)突出的凸條161，隔板基板16也為波狀板。以下，與第1實施例共同的部分采用相同的符號，其說明省略，下面只說明不同點。
在該實施例中，在與第1實施例的收集器14、15相同的板厚的材料上通過沖孔，在一面上形成許多孔。在圖示例中，板厚0.2mm的板上以0.1mm的間隔形成縱橫寬度為0.1mm的孔。還有，圖中孔143、153的開口形狀的朝向為縱橫平行，但該朝向并沒有特別的限制，也可以采用與第1實施例一樣的斜向，或任何其他朝向的配置。該實施例的隔板基板16的凸條161的高度設(shè)定為使該高度與收集器14的凸條141的高度之和等于第1實施例的收集器14的凸條的高度，空氣極側(cè)的流路截面積與第1
利用該第2實施例，由于與第1實施例一樣，與擴散層接觸的收集器14、15為細小的網(wǎng)眼狀，從而可以對燃料電池組1的電極整體進行均勻的空氣供給，這樣可以減少濃度極化。還有，通過電極和收集器的網(wǎng)眼狀接觸，可以從電極整體均勻收集電荷，從而減少集電電阻。另外，由于可以有效地利用電極整體的催化劑，從而減少了活性化極化。還有，可以擴大電極的有效面積。
(第3實施例)接著，如圖9所示，兩收集器14、15為與第2實施例一樣的沖孔金屬板結(jié)構(gòu)，燃料極側(cè)的收集器15為沒有波狀的平板結(jié)構(gòu)。這種實施例中，為了同時確?？諝鈽O側(cè)和燃料極側(cè)的流路截面積，隔板極板16為形成有相對于該基板的基準面同時向空氣極側(cè)和燃料極側(cè)突出的凸條161、162的波板結(jié)構(gòu)。其他的結(jié)構(gòu)則全部與第2實施例相同，相當(dāng)部件采用相同的符號，省略其說明。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，由電解質(zhì)膜(11)和在該電解質(zhì)膜的兩側(cè)設(shè)置的燃料極(13)以及空氣極(12)組成的電池單體(10A)夾持隔板(10B)進行層疊、通過該隔板向電池單體的空氣極側(cè)供給空氣和水的混合流體，其特征在于，上述隔板在電池單體的兩極中的至少空氣極側(cè)的表面部分上，形成有透過上述混合流體的網(wǎng)眼狀的導(dǎo)體(14)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于，上述網(wǎng)眼狀的導(dǎo)體的網(wǎng)眼的開口率在25％以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃料電池，其特征在于，上述網(wǎng)眼狀的導(dǎo)體經(jīng)過親水性處理，以便能夠附著上述水。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的燃料電池，其特征在于，上述隔板為上述網(wǎng)眼狀的導(dǎo)體和氣體遮斷用基板(16)重合的層狀結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池，其特征在于，上述網(wǎng)眼狀的導(dǎo)體被彎曲成矩形波狀的截面形狀，上述氣體遮斷用的基板為薄平板形狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求1～5中任一項所述的燃料電池，其特征在于，上述網(wǎng)眼狀的導(dǎo)體由在網(wǎng)線之間透過上述混合流體的金屬網(wǎng)組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1～5中任一項所述的燃料電池，其特征在于，上述網(wǎng)眼狀的導(dǎo)體由在金屬薄板形成有透過上述混合流體的沖孔的沖孔金屬板組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1～5中任一項所述的燃料電池，其特征在于，上述網(wǎng)眼狀的導(dǎo)體由在金屬薄板上形成有菱形狹縫的菱形格金屬板組成。
全文摘要
對于采用向空氣極側(cè)直接供給空氣和冷卻水的方式的燃料電池，通過簡單結(jié)構(gòu)同時實現(xiàn)冷卻和膜濕潤的維持。燃料電池中，相鄰的電池單體之間配置有隔板(10B)，通過該隔板向電池單體的空氣極側(cè)供給空氣和水的混合流體。隔板在電池單體的至少空氣極側(cè)的表面部分具有透過混合流體的網(wǎng)眼狀的導(dǎo)體(14)。導(dǎo)體在網(wǎng)眼部分保持水分，不會出現(xiàn)由于堵孔而妨礙電極與空氣的接觸，利用被電池單體的熱蒸發(fā)的水的潛熱對電池單體進行冷卻。
文檔編號H01M8/02GK1665058SQ20051000388
公開日2005年9月7日 申請日期2005年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月22日
發(fā)明者堀口宗久 申請人:愛考斯研究株式會社