專利名稱：高分子電解質(zhì)型燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用高分子電解質(zhì)型燃料電池的高分子電解質(zhì)型燃料 電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
一般而言，高分子電解質(zhì)型燃料電池系統(tǒng)(以下，簡稱為PEFC 系統(tǒng))構(gòu)成為，具有單電池，具有形成有陽極氣體流路槽的陽極隔 板、形成有陰極氣體流路槽的陰極隔板、以及被它們夾著的MEA;層
疊體，層疊有所述單電池且在所述層疊的單電池彼此的層疊面之間構(gòu) 成有連接傳熱媒體的入口和出口而延伸的傳熱媒體流路；溫度調(diào)整裝
置，調(diào)整所述層疊體的溫度；陽極氣體供給裝置，向所述層疊體供給 所述陽極氣體；陰極氣體供給裝置，向所述層疊體供給所述陰極氣體； 以及控制裝置，控制所述溫度調(diào)整裝置、所述陽極氣體供給裝置、所 述陰極氣體供給裝置的動作狀態(tài)。
在此，在PEFC系統(tǒng)的電化學(xué)反應(yīng)中，如專利文獻(xiàn)1和2所示， 有必要充分地潤濕高分子電解質(zhì)膜。
尤其是在專利文獻(xiàn)l中，公開了一種PEFC系統(tǒng)，該P(yáng)EFC系統(tǒng)能 夠向MEA供給露點(diǎn)溫度比MEA的溫度高2'C左右的陽極氣體和陰極 氣體，從而能夠更加可靠地將MEA的整個區(qū)域保持為水分飽和狀態(tài)。
另一方面，在PEFC系統(tǒng)中，在單電池內(nèi)部的氣體流路或電極內(nèi) 部發(fā)生結(jié)露，因水堵塞而使得發(fā)電輸出不穩(wěn)定化或性能降低的現(xiàn)象、 所謂的溢流(flooding)現(xiàn)象日益成為問題。尤其是在層疊體的發(fā)電輸 出為低輸出的狀態(tài)(以下，簡稱為"低輸出時")下，具有易于引起溢 流現(xiàn)象的傾向。gP，在低輸出時，由于層疊體中的陽極氣體和陰極氣 體的消耗量減少，因而，陽極氣體供給裝置和陰極氣體供給裝置減少 了這些氣體的供給量。因此，單電池的陽極氣體流路槽和陰極氣體流 路槽中的這些氣體的流速和供給壓降低，基于這些氣體的壓力的結(jié)露水的排出能力降低了。
為了抑制這些問題，人們提出了抑制單電池內(nèi)部的結(jié)露水的產(chǎn)生 或促進(jìn)單電池內(nèi)部的結(jié)露水的除去的各種的PEFC系統(tǒng)。
專利文獻(xiàn)3中公開了一種通過改進(jìn)陽極氣體流路槽和陰極氣體流
路槽的構(gòu)成，增大陽極氣體和陰極氣體的單位時間的移動量，從而促 進(jìn)單電池內(nèi)部的水分排除的方法。
專利文獻(xiàn)4中公開了一種如果發(fā)電輸出不穩(wěn)定化，則通過提高單
電池的溫度或降低陽極氣體和陰極氣體的至少任一個的加濕量，從而
抑制單電池內(nèi)部的結(jié)露水的產(chǎn)生的方法。而且，專利文獻(xiàn)4中公開了 一種如發(fā)電輸出不穩(wěn)定化，則通過提高陽極氣體和陰極氣體中至少任 一個的供給量，從而促進(jìn)單電池內(nèi)部的結(jié)露水的除去的運(yùn)轉(zhuǎn)方法。
專利文獻(xiàn)5中公開了一種在溢流現(xiàn)象產(chǎn)生時，沿上下方向切換單 電池內(nèi)的陽極氣體和陰極氣體的流通方向的PEFC系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)方法。 即，專利文獻(xiàn)5為利用重力來促進(jìn)單電池內(nèi)部的結(jié)露水的排出的技術(shù)。
專利文獻(xiàn)6中公開了一種在低輸出時，提高層疊體的緊固力的 PEFC系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)方法。通過提高緊固力，從而減小了單電池內(nèi)部的陽 極氣體流路槽和陰極氣體流路槽的流路截面積，進(jìn)而提高了這些流路 中的氣體的流速。于是，促進(jìn)了單電池內(nèi)部的結(jié)露水的排出。
另外，專利文獻(xiàn)7中公開了一種調(diào)整陽極氣體流路槽和陰極氣體 流路槽的表面性狀的技術(shù)。
專利文獻(xiàn)1:日本特開第2005-203361號公報
專利文獻(xiàn)2:日本特開第2002-164069號公報
專利文獻(xiàn)3:日本特開第2003-272676號公報
專利文獻(xiàn)4:日本特開第2001-148253號公報
專利文獻(xiàn)5:日本特開第2003-142133號公報
專利文獻(xiàn)6:日本特開第2004-253269號公報
專利文獻(xiàn)7:日本特許第3739386號公報

發(fā)明內(nèi)容
然而，專利文獻(xiàn)1的PEFC系統(tǒng)具有調(diào)整陽極氣體和陰極氣體的 露點(diǎn)溫度的控制裝置。于是，能夠更加可靠地將MEA的整個區(qū)域保持
6為水分飽和狀態(tài)，因而，也防止了低輸出時的高分子電解質(zhì)膜的干燥。 然而，在上述控制裝置中，通過以燃料氣體的露點(diǎn)溫度(T2)相對于
燃料氣體流路入口的溫度(T3)高出一定值的方式進(jìn)行控制，從而防
止溢流。g卩，無論發(fā)電輸出的高低，通過將層疊體的溫度和燃料氣體 的露點(diǎn)溫度的溫度差控制在一定范圍內(nèi)，能夠防止發(fā)電輸出的不穩(wěn)定 化。因此，專利文獻(xiàn)1中沒有公開對應(yīng)于發(fā)電輸出的降低，使燃料氣 體成為進(jìn)一步的水分過飽和狀態(tài)的技術(shù)，也沒有給出任何啟示(參照
專利文獻(xiàn)1第0099至0112段)。
專利文獻(xiàn)3和5中所示的特殊的單電池的構(gòu)造使單電池的構(gòu)造變 得復(fù)雜化。
此外，專利文獻(xiàn)4中所示的降低陽極氣體和陰極氣體的加濕量或 提高單電池的溫度的運(yùn)轉(zhuǎn)方法，導(dǎo)致高分子電解質(zhì)膜的濕潤不足，有 可能損傷高分子電解質(zhì)膜。
另外，專利文獻(xiàn)6的技術(shù)在PEFC系統(tǒng)的發(fā)電輸出變動時，必須 調(diào)整緊固力，有可能加速層疊體的緊固構(gòu)造的劣化，進(jìn)而縮短層疊體 的壽命。
專利文獻(xiàn)7公開了排水性能優(yōu)異的PEFC用隔板，但是，沒有公 開謀求PEFC系統(tǒng)的低輸出時的發(fā)電輸出的穩(wěn)定化的技術(shù)，也沒有給 出任何啟示。
因此，對于在低輸出時使發(fā)電輸出更加穩(wěn)定化的PEFC系統(tǒng)而言， 還有改善的余地。
本發(fā)明是為了解決上述的問題而提出的，其目的在于，提供一種 PEFC系統(tǒng)，該P(yáng)EFC系統(tǒng)不使PEFC的構(gòu)造復(fù)雜化，且不導(dǎo)致高分子 電解質(zhì)膜的濕潤不足的可能性，即使在低輸出狀態(tài)下，也能夠使發(fā)電 輸出更加穩(wěn)定。
為了解決上述問題，發(fā)明者們反復(fù)進(jìn)行認(rèn)真研討，結(jié)果，新發(fā)現(xiàn) 了以下的見解，得到了本發(fā)明。
艮P，如專利文獻(xiàn)3至6所示，本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員一般認(rèn)為 如果在低輸出狀態(tài)下，氣體的供給量減少，則通過氣體排出結(jié)露水的 效果變?nèi)酰蚨?，在陽極氣體流路槽和陰極氣體流路槽中，結(jié)露水容 易滯留，層疊體的發(fā)電輸出不穩(wěn)定化。
7然而，發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)了這樣一個現(xiàn)象通過在陽極氣體流路槽和 陰極氣體流路槽中增加結(jié)露水的產(chǎn)生量，反而促進(jìn)了結(jié)露水的排水。 即，發(fā)現(xiàn)了在低輸出狀態(tài)下減少氣體的供給量的情況下，如果在陽極 氣體流路槽和陰極氣體流路槽中，結(jié)露水為更容易產(chǎn)生的狀態(tài)，則反 而發(fā)電輸出穩(wěn)定。盡管還不清楚產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象的原因，但是，發(fā)明 者們推測，這時因?yàn)榻Y(jié)露水被取入至形成于這些流路槽的表面的水膜， 使結(jié)露水被容易地沖走。
基于該新的見解，第1發(fā)明的高分子電解質(zhì)型燃料電池系統(tǒng)，具
有
單電池，具有形成有陽極氣體流路槽的陽極隔板、形成有陰極氣
體流路槽的陰極隔板、以及被它們夾著的MEA; 層疊體，由上述單電池層疊而成； 溫度調(diào)整裝置，調(diào)整上述層疊體的溫度；
陽極氣體供給裝置，向上述陽極氣體流路槽供給具有水蒸氣分壓 的陽極氣體；
陰極氣體供給裝置，向上述陰極氣體流路槽供給具有水蒸氣分壓 的陰極氣體；以及
控制裝置，控制上述溫度調(diào)整裝置、上述陽極氣體供給裝置、以 及上述陰極氣體供給裝置。
在上述層疊體的發(fā)電輸出下降時，上述控制裝置控制上述陽極氣 體供給裝置和上述陰極氣體供給裝置，降低上述陽極氣體和上述陰極 氣體的供給流量，并且，控制上述陽極氣體供給裝置、上述陰極氣體 供給裝置、以及上述溫度調(diào)整裝置中的至少任一個，使向上述陽極氣 體流路槽和上述陰極氣體流路槽中的至少任一個供給的氣體的露點(diǎn)溫 度相對地高于上述層疊體的溫度，從而使該氣體成為進(jìn)一步的水分過 飽和狀態(tài)。
如果如此地構(gòu)成，則能夠不使PEFC的構(gòu)造復(fù)雜化，且不導(dǎo)致高 分子電解質(zhì)膜的濕潤不足的可能性，即使在低輸出狀態(tài)下，也能夠使 發(fā)電輸出更加穩(wěn)定。
第2發(fā)明的高分子電解質(zhì)型燃料電池系統(tǒng)中，上述陽極氣體流路 槽和上述陰極氣體流路槽中的至少任一個的表面的接觸角可以為90°
8以下。
如果如此地構(gòu)成，則這些流路的表面具有比防水性更加富含親水 性的性狀，因而，能夠更加有效地得到第l發(fā)明的效果。
在此，"接觸角"是指在水滴的自由表面與流路槽表面相接的地 方，液面和流路槽表面所成的角度(位于水滴的內(nèi)部的角)。(參照
《巖波理化學(xué)辭典(第4版)》第690頁的記載)。更加具體而言， 是指在流路槽表面水平地配置且將一定量的水滴加載于該表面上并使 其靜止的情況下，上述流路槽表面和水滴的液面所成的角度。
第3發(fā)明的高分子電解質(zhì)型燃料電池系統(tǒng)中，上述陽極隔板和上 述陰極隔板中的至少任一個是通過將含有導(dǎo)電性碳素和粘合劑的混合 物壓縮成型而形成的壓縮成型隔板，形成于上述壓縮成型隔板上的上 述陽極氣體流路槽和上述陰極氣體流路槽中的至少任一個可以在表面 上實(shí)施過親水性改善處理。
由于改善了壓縮成型隔板的表面的親水性，因而，能夠更加有效 地得到第l發(fā)明的效果。
在此，"親水性改善處理"是指通過增加流路槽表面的微細(xì)的凹凸 (即比表面積)或者極性，從而使流路槽表面具有親水性的處理。親 水性改善處理的技術(shù)，可以列舉出蝕刻加工、噴射加工、研磨加工、 輝光放電加工、以及氧等離子體加工。
第4發(fā)明的高分子電解質(zhì)型燃料電池系統(tǒng)中，上述親水性改善處 理可以為氧等離子體處理。
如果如此地構(gòu)成，則能夠可靠地進(jìn)行親水性改善處理，因而，能 夠可靠地得到第3發(fā)明的效果。
第5發(fā)明的高分子電解質(zhì)型燃料電池系統(tǒng)中，上述控制裝置可以 在上述層疊體的發(fā)電輸出下降時，控制上述溫度調(diào)整裝置，降低上述 層疊體的溫度。
如果如此地構(gòu)成，則不需要調(diào)整陽極氣體供給裝置和陰極氣體供 給裝置中的陽極氣體和陰極氣體的露點(diǎn)溫度。因此，能夠使除了陽極 氣體供給裝置和陰極氣體供給裝置的供給流量以外的調(diào)整簡單化。能 夠更加容易地實(shí)施本發(fā)明。
第6發(fā)明的高分子電解質(zhì)型燃料電池系統(tǒng)中，上述層疊體具有在上述層疊的單電池彼此的層疊面之間形成的傳熱媒體流路，
上述溫度調(diào)整裝置為傳熱媒體供給裝置，該傳熱媒體供給裝置向 上述傳熱媒體供給路供給上述傳熱媒體，并且，以能夠?qū)⑸鲜鰝鳠崦?體的溫度和流量中的至少任一個作為調(diào)整對象并進(jìn)行調(diào)整的方式構(gòu) 成，
上述控制裝置在上述層疊體的發(fā)電輸出下降時，可以通過調(diào)整上 述調(diào)整對象，降低上述層疊體的溫度。
如果如此地構(gòu)成，則高分子電解質(zhì)型燃料電池系統(tǒng)能夠利用傳熱 媒體的熱，并且，傳熱媒體供給裝置為溫度調(diào)整裝置，因而，能夠合 理地構(gòu)成高分子電解質(zhì)型燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)造。
第7發(fā)明的高分子電解質(zhì)型燃料電池系統(tǒng)中，上述傳熱媒體供給 裝置以能夠調(diào)整上述傳熱媒體的溫度的方式夠成，
上述控制裝置在上述層疊體的發(fā)電輸出下降時，可以通過降低上 述傳熱媒體的溫度，降低上述層疊體的溫度。
由于如專利文獻(xiàn)4所示的提高氣體的供給量或單電池的溫度的運(yùn) 轉(zhuǎn)方法在增量和升溫上消耗了能量，或者來自傳熱媒體的回收能量減 少，因而，高分子電解質(zhì)型燃料電池系統(tǒng)的能量效率降低。但是，如 果如此地構(gòu)成，則能夠降低向?qū)盈B體供給的傳熱媒體的溫度，因而， 能夠提高高分子電解質(zhì)型燃料電池系統(tǒng)的能量效率。
第8發(fā)明的高分子電解質(zhì)型燃料電池系統(tǒng)中，上述控制裝置可以
具有
存儲部，存儲與上述層疊體的發(fā)電輸出和在該發(fā)電輸出未顯現(xiàn)上 述層疊體的發(fā)電輸出的不穩(wěn)定化現(xiàn)象的上述調(diào)整對象的設(shè)定值相關(guān)的
數(shù)據(jù)；以及
控制裝置，基于上述數(shù)據(jù)，控制上述傳熱媒體供給裝置，使得上 述調(diào)整對象成為上述設(shè)定值。
如果如此地構(gòu)成，則在發(fā)電輸出下降的情況下，能夠更加可靠地 降低層疊體的溫度。
第9發(fā)明的高分子電解質(zhì)型燃料電池系統(tǒng)中，上述陰極氣體流路 槽可以形成為，多個流路槽從入口至出口并行且蜿蜒行進(jìn)，并且，隨 著從上述入口向上述出口行進(jìn)，上述并行的流路槽的條數(shù)減少。陽極氣體和陰極氣體在陽極氣體流路槽和陰極氣體流路槽中流 通，同時引起電化學(xué)反應(yīng)，因而，在陽極氣體流路槽和陰極氣體流路 槽中，陽極氣體和陰極氣體減少。因此，在陽極氣體流路槽和陰極氣 體流路槽的下游，陽極氣體和陰極氣體的流速降低。但是，如果如此 地構(gòu)成，則陽極氣體流路槽和陰極氣體流路槽的流路截面積在下游側(cè) 減少，因而，能夠抑制陽極氣體和陰極氣體的流速的降低。即，能夠 促進(jìn)陽極氣體流路槽和陰極氣體流路槽中的結(jié)露水的排出。
第io發(fā)明的高分子電解質(zhì)型燃料電池系統(tǒng)中，在上述層疊體的發(fā)
電輸出下降時，上述控制裝置可以通過控制上述陽極氣體供給裝置和 上述陰極氣體供給裝置中的至少任一個，增加上述陽極氣體和上述陰 極氣體中的至少任一個的加濕量，從而使上述陽極氣體和上述陰極氣 體中的至少任一個的露點(diǎn)溫度上升。如果如此地構(gòu)成，則不需要調(diào)整 層疊體的溫度，或者不需等待層疊體的溫度調(diào)整，就能夠?qū)嵤┍景l(fā)明。 第U發(fā)明的高分子電解質(zhì)型燃料電池系統(tǒng)，可以控制上述陽極氣 體供給裝置、上述陰極氣體供給裝置、以及上述溫度調(diào)整裝置中的至 少任一個，在上述層疊體的發(fā)電輸出下降之前，使向上述陽極氣體流 路槽和上述陰極氣體流路槽中的至少任一個供給的上述氣體的露點(diǎn)溫 度高于上述層疊體的溫度，在上述層疊體的發(fā)電輸出下降時，使該氣 體的露點(diǎn)溫度相對地高于上述層疊體的溫度，從而使上述氣體成為進(jìn) 一步的水分過飽和狀態(tài)。
如上上述，本發(fā)明的PEFC系統(tǒng)起到了能夠不使PEFC的構(gòu)造復(fù)雜 化，且不導(dǎo)致高分子電解質(zhì)膜的濕潤不足的可能性，即使在低輸出狀 態(tài)下，也能夠使發(fā)電輸出更加穩(wěn)定的效果。


圖1是本發(fā)明的第1實(shí)施方式的PEFC系統(tǒng)的構(gòu)成的模式示意圖。 圖2是圖1的層疊體的中央部的層疊構(gòu)造的部分分解立體示意圖。 圖3是本實(shí)施方式中所使用的陽極隔板的內(nèi)面的俯視示意圖。 圖4是本實(shí)施方式中所使用的陰極隔板的內(nèi)面的俯視示意圖。 圖5是圖2的單電池的構(gòu)造的主要部分的截面示意圖。 圖6是圖1的層疊體的端部的層疊構(gòu)造的部分分解立體示意圖。
ii圖7是本發(fā)明的第2實(shí)施方式中的PEFC系統(tǒng)的構(gòu)成的模式示意圖。
符號的說明
1高分子電解質(zhì)膜
2A陽極側(cè)催化劑層
2C陰極側(cè)催化劑層
4A陽極側(cè)氣體擴(kuò)散層
4C陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層
5膜-電極組件(MEA)
6墊片
7 MEA部件
9A陽極隔板
9C陰極隔板
10單電池
121、 221、 321陽極氣體供給歧管孔 131、 231、 331陰極氣體供給歧管孔 12E、 22E、 32E陽極氣體排出歧管孔 13E、 23E、 33E陰極氣體排出歧管孔 15螺孔
21陽極氣體流路槽 31陰極氣體流路槽 31A槽路 31B彎曲部 31C凸部 40、 41電熱板 40A、 41A端子 50、 51集電板 50A、 51A端子部 60、 61絕緣板 70、 71端板
12421、 521、 621、 721陽極氣體供給孔 42E、 52E、 62E、 72E陽極氣體排出孔 431、 531、 631、 731陰極氣體供給孔 43E、 53E、 63E、 73E陰極氣體排出孔 741傳熱媒體供給孔 74E傳熱媒體排出孔 82緊固件 82B螺釘 82W墊圈 82N螺帽
921陽極氣體供給歧管
92E陽極氣體排出歧管
931陰極氣體供給歧管
93E陰極氣體排出歧管
100、 200層疊體
110陽極氣體供給裝置
120陰極氣體供給裝置
130電力輸出系統(tǒng)
140加熱用電路
140A可變電阻
150傳熱媒體供給裝置
160溫度測量器
170電流計(jì)
300控制裝置
301輸入部
302存儲部
303運(yùn)算部
304控制部
具體實(shí)施例方式
以下，參照附圖，對用于實(shí)施本發(fā)明的最佳方式進(jìn)行說明。(第1實(shí)施方式)
圖1是本發(fā)明的第1實(shí)施方式的PEFC系統(tǒng)的構(gòu)成的模式示意圖。
如圖1所示，本實(shí)施方式的PEFC系統(tǒng)具有具有陽極隔板9A、 陰極隔板9C、被它們夾著的MEA部件7的單電池10，由單電池層疊 而成的層疊體100，調(diào)整層疊體100的溫度的電熱板40、 41，加熱電 熱板40、 41的加熱用電路140，陽極氣體供給裝置110，陰極氣體供 給裝置120，以及控制加熱用電路140、陽極氣體供給裝置IIO、陰極 氣體供給裝置120的控制裝置300。
在此，溫度測量器160，電熱板40、 41，以及加熱用電路140構(gòu) 成調(diào)整層疊體100的溫度的溫度調(diào)整裝置。加熱用電路140以能夠調(diào) 整電熱板40、 41的加熱量的方式構(gòu)成。在本實(shí)施方式中，加熱用電路 140具有交流電源和可變電阻140A，利用可變電阻140A，能夠調(diào)整電 熱板40、 41的發(fā)熱量。另夕卜，溫度測量器160以能夠準(zhǔn)確地測量層疊 體100的內(nèi)部的溫度的方式構(gòu)成。在本實(shí)施方式中，通過將熱電偶插 入形成于陽極隔板9A的孔部中而構(gòu)成。
陽極氣體供給裝置110以向?qū)盈B體100供給具有水蒸氣分壓的陽 極氣體的方式構(gòu)成。具體而言，雖然圖中未顯示，但陽極氣體供給裝 置110具有氫氣瓶和加濕器而構(gòu)成。氫氣瓶的氫氣經(jīng)由加濕器而被供 給至層疊體100的陽極氣體供給孔721。或者，陽極氣體供給裝置110 以具有重整器的重整裝置連接于層疊體100的陽極氣體供給孔72I的方 式構(gòu)成。重整器是指通過水蒸氣重整反應(yīng)將例如天然氣、GTL (Gas To liquid)燃料、DME (Dimethyl Ethel)等的烴重整為含氫氣體的裝置。 而且，在重整裝置上，連接有通過轉(zhuǎn)換反應(yīng)降低含氫氣體中的一氧化 碳濃度的轉(zhuǎn)換器或者通過選擇氧化反應(yīng)降低含氫氣體中的一氧化碳濃 度的氧化器。
陰極氣體供給裝置120以向?qū)盈B體100供給具有水蒸氣分壓的陰 極氣體的方式構(gòu)成。具體而言，雖然圖中未顯示，但陰極氣體供給裝 置120，以來自例如西羅克(sirocco)風(fēng)扇等的送風(fēng)器的空氣經(jīng)由加濕 器而被供給至層疊體100的陰極氣體供給孔731的方式構(gòu)成。
在集電板50、 51上，構(gòu)成有端子部50A、 51A，在端子部50A、 51A上，連接有電力輸出系統(tǒng)130。在電力輸出系統(tǒng)130中插入有電流
14計(jì)170。利用電流計(jì)170，能夠檢測層疊體130的電力輸出。
電流計(jì)170的輸出信號被發(fā)送至控制裝置300。
控制裝置300具有由鍵盤、觸摸面板等構(gòu)成的輸入部301，由存儲 器等構(gòu)成的存儲部302，以及由顯示裝置、打印機(jī)等構(gòu)成的輸出部303， 由CPU、 MPU等構(gòu)成的控制部304。而且，控制裝置300，以取得電 流計(jì)170的信號，控制陽極氣體供給裝置110和陰極氣體供給裝置120 的方式構(gòu)成。即，以按照層疊體100的電力輸出來調(diào)整陽極氣體和陰 極氣體的供給量的方式構(gòu)成。此外，控制裝置300取得由溫度測量器 160測量的溫度信息，以層疊體160的溫度為規(guī)定的溫度的方式控制加 熱用電路140的可變電阻140A。
在此，控制裝置意味著，不僅包括單獨(dú)的控制裝置，還包括多個 控制裝置協(xié)同實(shí)行控制的控制裝置組。因此，控制裝置300沒有必要 由單獨(dú)的控制裝置構(gòu)成，可以以多個控制裝置分散配置，它們協(xié)同控 制陽極氣體供給裝置110、陰極氣體供給裝置120、以及可變電阻140A 的方式構(gòu)成。例如，輸出部303能夠以通過信息終端發(fā)送并在移動設(shè) 備上顯示的方式構(gòu)成。另外，能夠分別在陽極氣體供給裝置110和陰 極氣體供給裝置120中分散地設(shè)置控制部304。
圖2是圖1的層疊體的中央部的層疊構(gòu)造的部分分解立體示意圖。 為了說明的方便，省略了螺釘80等緊固件。
如圖2所示，層疊體100為長方體狀，在中央部構(gòu)成有單電池100。
單電池IO，以一對平板狀的陽極隔板9A和陰極隔板9C (將兩者 統(tǒng)稱為隔板)夾著MEA部件7的方式構(gòu)成。
在隔板9A、9C和MEA部件7的周緣部，陽極氣體供給歧管孔121、 221、 321，陽極氣體排出歧管孔12E、 22E、 32E，陰極氣體供給歧管孔 131、 231、 331,陰極氣體排出歧管孔13E、 23E、 33E沿其厚度方向貫 通地形成。陽極氣體供給歧管孔121、 221、 32I和陽極氣體排出歧管孔 12E、 22E、 32E分別在層疊體100中連接，形成陽極氣體供給歧管921 和陽極氣體排出歧管92E。并且，同樣地，陰極氣體供給歧管孔131、 231、 33I和陰極氣體排出歧管孔13E、 23E、 33E分別在層疊體100中 連接，形成陰極氣體供給歧管931和陰極氣體排出歧管93E。
MEA部件7被隔板9A、 9C內(nèi)面夾著，隔板9A、 9C內(nèi)面中央部接觸于MEA5。而且，隔板9A、 9C由導(dǎo)電性材料構(gòu)成。在此，隔板9A、 9C均由壓縮成型隔板形成，該壓縮成型隔板通過將含有導(dǎo)電性碳素和粘合劑的混合物壓縮成型而形成。依照這樣的構(gòu)成，在單電池10中，能夠?qū)⒃贛EA5中產(chǎn)生的電能經(jīng)由隔板9A、 9C而取出至外部。圖3是本實(shí)施方式中所使用的陽極隔板的內(nèi)面的俯視示意圖。如圖3所示，在陽極隔板9A的內(nèi)面上形成有陽極氣體流路槽21，該陽極氣體流路槽21遍及與MEA部件7的MEA5相接的區(qū)域的整個面并蜿蜒行進(jìn)，同時連接在陽極氣體供給歧管孔221和陽極氣體排出歧管孔22E之間。陽極氣體流路槽21以3條槽路并行的方式形成。圖4是本實(shí)施方式中所使用的陰極隔板的內(nèi)面的俯視示意圖。如圖4所示，在陰極隔板9C的內(nèi)面上形成有陰極氣體流路槽31 ，該陰極氣體流路槽31遍及與MEA5的另一個主面相接的區(qū)域的整個面并蜿蜒行進(jìn)，同時連接在陰極氣體供給歧管孔(入口) 33I和陰極氣體排出歧管孔(出口) 33E之間。陰極氣體流路槽31，以11條槽路31A并行地蜿蜓行進(jìn)，并且，隨著從陰極氣體供給歧管孔(入口) 331向陰極氣體排出歧管孔(出口) 33E行進(jìn)，并行的槽路31A的條數(shù)減少的方式形成。在本實(shí)施方式中，在陰極氣體流路槽31上形成有多個將行進(jìn)方向反轉(zhuǎn)的彎曲部31B。而且， 一部分彎曲部31B由大致三角形的凹部構(gòu)成，在該凹部，大量凸部31C以散布為矩陣狀的方式形成。位于該凹部的上游的槽路31A的下游端連通于該凹部，位于該凹部的下游的槽路31A的上游端連通于該凹部。即，在彎曲部31B中，陰極氣體以穿過多個凸部31C的周圍的方式行進(jìn)。通過該彎曲部31B，將陰極氣體攪拌。此外，凸部31C支撐MEA5。而且，在陰極氣體的行進(jìn)方向上，在彎曲部31B的下游側(cè)再次形成有槽路31A。但是，槽路31A減少了1條，形成為10條。因此，在彎曲部31B的前后，陰極氣體流路槽31的流路截面積減少。另一方面，在槽路31A中流動的陰極氣體也通過電化學(xué)反應(yīng)而消耗并減少。于是，由于抑制了在槽路31A中的陰極氣體的流速的降低，因而，能夠促進(jìn)槽路31A中的結(jié)露水的排出。另外，由于在多個彎曲部31B的前后，陰極氣體流路槽31的流路截面積以減少的方式形成，因而，伴隨著在陰極氣體流路槽31中流通的陰極氣體的減少，陰極氣體流路槽31的流路截面積分階段地減少。于是，從陰極氣體供給歧管孔(入口) 33I至陰極氣體排出歧管孔(出
口)33E，能夠使陰極氣體的流速更加穩(wěn)定化，因而，更能夠促進(jìn)陰極氣體流路槽31中的結(jié)露水的排出。
在此，對陽極氣體流路槽21和陰極氣體流路槽31 (以下，將兩者統(tǒng)稱為"流路槽21、 31")的表面性狀進(jìn)行說明。
流路槽21、 31的表面具有比防水性更加富含親水性的性狀。具體而言，表面的親水性優(yōu)選為，表面的接觸角為90。以下。"接觸角"是指在水滴的自由表面與流路槽表面相接的地方，液面和流路槽表面所成的角度(位于水滴的內(nèi)部的角)。(參照《巖波理化學(xué)辭典(第4版)》第690頁的記載)。更加具體而言，是指在流路槽表面水平地配置且將一定量的水滴加載于該表面上并使其靜止的情況下，上述流路槽表面和水滴的液面所成的角度。
本實(shí)施方式的流路槽21、 31在表面上實(shí)施過親水性改善處理。親
水性改善處理是指通過增加流路槽表面的微細(xì)的凹凸(即比表面積)或極性，從而使流路槽表面具有親水性的處理。已知的親水性改善處理的技術(shù)，例如可以列舉出蝕刻加工，噴射加工，研磨加工，輝光放電加工，氧等離子體加工。
在本實(shí)施方式中，對流路槽21、 31的表面實(shí)施氧等離子體處理。具體而言，利用等離子體清洗設(shè)備(莎姆克株式會社制PC-IOOO)，進(jìn)行氧等離子體處理。根據(jù)發(fā)明者的推測，通過氧等離子體處理，在流路槽表面上，使親水性官能基增加且極性變大，從而使流路槽21、 31的表面成為親水性。因此，可容易地推測出，只要是像輝光放電加工那樣使親水性官能基化學(xué)結(jié)合于流路槽21、 31表面的方法，就能夠改善流路槽21、 31表面的接觸角。另外，通過蝕刻加工、噴射加工、研磨加工，在流路槽21、 31的表面上形成有大量微細(xì)的凹凸，且比表面積變大，因而，改善了流路槽21、 31的親水性。
圖5是圖2的單電池的構(gòu)造的主要部分的截面示意圖。MEA5具備高分子電解質(zhì)膜1、 一對陽極側(cè)催化劑層2A和陰極側(cè)催化劑層2C、以及一對陽極側(cè)氣體擴(kuò)散層4A和陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層4C而構(gòu)成。高分子電解質(zhì)膜1有選擇地使氫離子透過的離子交換膜形成，一對陽極側(cè)催化劑層2A及陰極側(cè)催化劑層2C以夾著高分子電解質(zhì)膜
17的方式形成，且以擔(dān)載鉑族金屬催化劑的碳粉末為主要成分， 一對陽
極側(cè)氣體擴(kuò)散層4A及陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層4C配置在該一對催化劑層2A、 2C的外面上。這些催化劑層2A、 2C和氣體擴(kuò)散層4A、 4C構(gòu)成電極。目卩，MEA5具有高分子電解質(zhì)膜1、以及在其兩主面的中央部層疊而構(gòu)成的一對電極而構(gòu)成，在MEA5的兩主面上構(gòu)成有電極面。
在此，高分子電解質(zhì)膜1優(yōu)選為由全氟磺酸形成的膜。例如，可以列舉出杜邦公司制的Nafion (注冊商標(biāo))膜。而且， 一般而言，在高分子電解質(zhì)膜上，依次通過涂布、轉(zhuǎn)印、熱壓等方法形成催化劑層2A、 2C以及氣體擴(kuò)散層4A、 4C，從而制造MEA5。或者，也能夠利用如此地制造的MEA5的市售品。 一般而言，催化劑層2A、 2C形成為10 20jum左右的厚度。氣體擴(kuò)散層4A、 4C以碳織布作為基材，通過在該基材上涂布涂料而制作。氣體擴(kuò)散層4A、 4C具有同時擁有通氣性和電子傳導(dǎo)性的多孔構(gòu)造。而且，氣體擴(kuò)散層4A、 4C和催化劑層2A、 2C通過熱壓而接合于高分子電解質(zhì)膜1的中央部的兩面，從而制作MEA5。
MEA部件7以在MEA5的周緣延伸的高分子電解質(zhì)膜1被一對墊片6夾著的方式構(gòu)成。因此，MEA5在墊片6的中央開口部的兩面上露出。墊片6的材質(zhì)為具有耐環(huán)境性的彈性物質(zhì)，例如優(yōu)選氟系橡膠。另外，在MEA部件7的周緣部，以貫通墊片6的方式形成有陽極氣體供給歧管孔121、陽極氣體排出歧管孔12E、陰極氣體供給歧管孔131、以及陰極氣體排出歧管孔13E。
此外，MEA部件7的MEA5成為陽極氣體流路槽21和陰極氣體流路槽31的槽蓋。g口，陽極隔板9A的陽極氣體流路槽21與陽極側(cè)氣體擴(kuò)散層4A相接。于是，在陽極氣體流路槽21內(nèi)流通的陽極氣體不向外部泄露， 一邊向多孔的陽極側(cè)氣體擴(kuò)散層4A內(nèi)部擴(kuò)散， 一邊侵入，到達(dá)陽極側(cè)催化劑層2A。同樣，陰極隔板9C的陰極氣體流路槽31與陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層4C相接。于是，在陰極氣體流路槽31內(nèi)流通的陰極氣體不向外部泄露， 一邊向多孔的陰極側(cè)氣體擴(kuò)散層4C內(nèi)部擴(kuò)散，一邊侵入，到達(dá)陰極側(cè)催化劑層2C。然后，能夠進(jìn)行電池反應(yīng)。
圖6是圖1的層疊體的端部的層疊構(gòu)造的部分分解立體示意圖。
層疊體IOO通過在單電池10的兩側(cè)層疊一對端部件而構(gòu)成。艮P，
18在單電池10的兩側(cè)，層疊有具有與隔板9A、 9C相同的形狀的平面的集電板50、 51，絕緣板60、 61，電熱板40、 41，以及端板70、 71。在集電板50、 51，絕緣板60、 61，電熱板40、 41，以及端板70、 71的四角，以連通于單電池10的螺孔15的方式形成有螺孔15。集電板50、 51由銅金屬等導(dǎo)電性材料形成。絕緣板60、 61和端板70、 71由電絕緣材料形成。電熱板40、 41分別在內(nèi)部具有由電阻發(fā)熱的發(fā)熱體、以及與發(fā)熱體導(dǎo)通的一對端子40A、 41A。
并且，在一方的集電板50、絕緣板60、電熱板40、以及端板70
上，形成有多個沿厚度方向?qū)⑵浞謩e貫通且連通的貫通孔。具體而言，形成有連通于陽極氣體供給歧管92I的陽極氣體供給孔521、 621、 421、721，連通于陽極氣體排出歧管92E的陽極氣體排出孔52E、 62E、 42E、72E，連通于陰極氣體供給歧管93I的陰極氣體供給孔531、 631、 431、731，以及連通于陰極氣體排出歧管93E的陰極氣體排出孔53E、 63E、43E、 73E。
此外，端板70外面?zhèn)鹊年枠O氣體供給孔721、陽極氣體排出孔72E、陰極氣體供給孔731、以及陰極氣體排出孔73E以分別安裝有噴嘴的方式構(gòu)成。在這些噴嘴上，使用與外部的管路部件一般的連接部件。
另外，雖然圖中未顯示，但是，另一方的集電板51、絕緣板61、電熱板41、以及端板71，除了未形成有這些貫通孔以外，為與集電板50、絕緣板60、電熱板40、以及端板70相同的構(gòu)成。于是，層疊體IOO內(nèi)的陽極氣體的流路形成為，經(jīng)過陽極氣體供給孔521、 621、 721、以及陽極氣體供給歧管921，在陽極氣體流路槽21分支，在陽極氣體排出歧管92E集合，到達(dá)陽極氣體排出孔52E、 62E、 72E。層疊體100內(nèi)的陰極氣體的流路形成為，經(jīng)過陰極氣體供給孔531、 631、 731、以及陰極氣體供給歧管931，在陰極氣體流路槽31分支，在陰極氣體排出歧管93E集合，到達(dá)陰極氣體排出孔53E、 63E、 73E。
而且，通過緊固部件82，將一對端板70、 71之間緊固。在此，螺釘82B插入螺孔15，貫通電池堆100的兩端間。然后，在螺釘82B的兩端，安裝有墊圈82W和螺帽82N,將一對端板70、 71之間緊固。例如，以在隔板的每單位面積上為10kgf/cn^左右的力緊固。接著，參照圖l，說明本實(shí)施方式的PEFC系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)動作。
該運(yùn)轉(zhuǎn)動作通過由控制裝置300進(jìn)行控制而完成。
在得到穩(wěn)定的發(fā)電輸出的額定輸出的狀態(tài)(以下，稱為"額定輸出時")下，陽極氣體供給裝置110將陽極氣體加濕至露點(diǎn)70°C,并以約7(TC的狀態(tài)向?qū)盈B體100供給。g卩，陽極氣體以水分飽和狀態(tài)被供給至層疊體100。
另外，同樣地，陰極氣體供給裝置120將陰極氣體加濕至露點(diǎn)70°C，并以約7(TC的狀態(tài)向?qū)盈B體IOO供給。即，陰極氣體以水分飽和狀態(tài)被供給至層疊體100。
此外，加熱用電路140的可變電阻140A，以溫度測量器160的測量溫度約為70。C的方式進(jìn)行調(diào)整。g卩，PEFC系統(tǒng)，以在層疊體100內(nèi)陽極氣體和陰極氣體大致為水分飽和狀態(tài)的方式進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，如專利文獻(xiàn)1所示，可以將溫度測量器160的測量溫度調(diào)整為比露點(diǎn)溫度低rC至3。C左右的溫度。于是，能夠更加可靠地將MEA5的整個區(qū)域保持為水分飽和。
如果發(fā)電輸出降低，且為相當(dāng)于額定輸出的約30%的低輸出時，則陽極氣體供給裝置110將陽極氣體加濕至露點(diǎn)7(TC，并以約7(TC的狀態(tài)向?qū)盈B體100供給。S卩，陽極氣體與額定輸出時相同，以水分飽和狀態(tài)被供給至層疊體100。但是，陽極氣體供給裝置110以氧利用率與額定輸出時大致相等的方式減少陽極氣體供給量。
并且，同樣地，陰極氣體供給裝置120，在低輸出時，將陰極氣體加濕至露點(diǎn)7(TC，并以約7(TC的狀態(tài)向?qū)盈B體100供給。g卩，陰極氣體與額定輸出時相同，以水分飽和狀態(tài)被供給至層疊體IOO。但是，陰極氣體供給裝置120以氧利用率與額定輸出時大致相等的方式減少陰極氣體供給量。
此外，在低輸出時，加熱用電路140的可變電阻140A，以溫度測量器160的測量溫度為比額定輸出時低的溫度的方式進(jìn)行調(diào)整。艮P，可變電阻140A以被供給至流路槽21、 31的氣體的露點(diǎn)溫度相對地高于層疊體100的溫度的方式進(jìn)行調(diào)整。具體而言，優(yōu)選，比額定輸出時低5。C至l(TC左右。g卩，PEFC系統(tǒng)在發(fā)電輸出下降時，降低陽極氣體和陰極氣體的供給流量，并且，以向流路槽21、 31供給的氣體為進(jìn)一步的水分過飽和狀態(tài)的方式，使向流路槽21、 31供給的氣體的露點(diǎn) 溫度相對地高于層疊體100的溫度。于是，能夠穩(wěn)定低輸出時的發(fā)電 輸出。
對本實(shí)施方式的具體的實(shí)施例進(jìn)行說明。 [實(shí)施例1]
在本發(fā)明的第1實(shí)施方式的PEFC系統(tǒng)中，隔板9A、 9C均使用浸 漬了酚醛樹脂的石墨板。隔板9A、 9C的形狀為平面形狀150mm見方 左右，厚度3mm左右。
陽極氣體流路槽21和陰極氣體流路槽31通過切削加工形成。另 外，向陽極氣體流路槽21和陰極氣體流路槽31的表面實(shí)施氧等離子 體處理，水的接觸角為10'。
MEA5使用日本戈?duì)柟局频氖惺燮?PRIMEA (商品名)"。
PEFC系統(tǒng)在一定電壓下運(yùn)轉(zhuǎn)，額定輸出時的發(fā)電電流密度為 0.2A/cm2，低輸出時(30%輸出時)的發(fā)電電流密度為0.06A/cm2。
陽極氣體供給裝置110在額定輸出時以及低輸出時，以氧利用率 約為75%的方式調(diào)整陽極氣體流量。
陰極氣體供給裝置120在額定輸出時以及低輸出時，以燃料利用 率約為95%的方式調(diào)整陰極氣體流量。
并且，以露點(diǎn)溫度為66t:的方式加濕并加熱陽極氣體和陰極氣體， 向?qū)盈B體100供給。
在額定輸出時，層疊體100的溫度由加熱板40、 41加熱至66'C。
并且，在低輸出時，層疊體IOO的溫度由加熱板40、41加熱至58"C。
本實(shí)施例中，在額定輸出時和低輸出時，能夠使PEFC系統(tǒng)的發(fā) 電輸出穩(wěn)定并持續(xù)。
實(shí)施例1的比較例，使用實(shí)施例1中所使用的PEFC系統(tǒng)，以低 輸出時的層疊體100的溫度為66°C，即在層疊體100內(nèi)陽極氣體和陰 極氣體為水分飽和狀態(tài)的方式，進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。但是，PEFC系統(tǒng)的發(fā)電電 壓降低至OmV (不到測量界限)，不能發(fā)電。
對于該實(shí)施例1和比較例1的現(xiàn)象，推測出如下的流路槽21、 31 的排水構(gòu)造。即，在額定輸出時，由于流路槽21、 31中的陽極氣體和
21陰極氣體的流速充分，因而，在層疊體100內(nèi)，無論陽極氣體和陰極 氣體為水分飽和狀態(tài)還是水分過飽和狀態(tài)，均能夠穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)。但是，
在低輸出時，由于陽極氣體和陰極氣體的流速降低，因而，流路槽21、 31的表面的結(jié)露水以水滴的狀態(tài)滯留。由于排水能力降低，因而發(fā)電 輸出變得不穩(wěn)定，嚴(yán)重時，陷入不能發(fā)電的狀態(tài)。在此，通過使層疊 體100的溫度為58°C，從而使陽極氣體和陰極氣體在流路槽21、 31 中為更進(jìn)一步的水分過飽和狀態(tài)。于是，在流路槽21、 31的表面上， 以從供給歧管孔(入口) 221、 33I至排出歧管孔(出口) 22E、 33E大 致連續(xù)的方式形成有水膜。然后，流路槽2K 31的表面的結(jié)露水被取 入至水膜，以在水膜之上流動的方式，被容易地沖至出口。通過這樣 的排水構(gòu)造，低輸出時的流路槽21、 31的排水能力上升，抑制了因結(jié) 露水而造成的流路槽2K 31的閉塞，穩(wěn)定了PEFC系統(tǒng)的發(fā)電輸出。 (第2實(shí)施方式)
在本發(fā)明的第2實(shí)施方式的層疊體200中，層疊有多個單電池10。 另外，PEFC系統(tǒng)的溫度調(diào)整裝置的構(gòu)造與第1實(shí)施方式不同。即，省 略了第1實(shí)施方式的電熱板40、 41和加熱用電路140，構(gòu)成有傳熱媒 體供給裝置150。因此，對PEFC系統(tǒng)的構(gòu)造的不同部分進(jìn)行說明，而 其它的部分由于與第1實(shí)施方式相同，因而省略說明。
圖7是本發(fā)明的第2實(shí)施方式中的PEFC系統(tǒng)的構(gòu)成的模式示意圖。
如圖7所示，在第2實(shí)施方式中，省略了第1實(shí)施方式的電熱板 40、 41和加熱用電路140，構(gòu)成有傳熱媒體供給裝置150。
傳熱媒體供給裝置150向?qū)盈B體200供給傳熱媒體，并且，以能 夠?qū)鳠崦襟w的溫度作為調(diào)整對象并進(jìn)行調(diào)整的方式構(gòu)成。本實(shí)施方 式中，在從傳熱媒體供給裝置150延伸至層疊體的傳熱媒體供給孔741 的流路、即傳熱媒體的出口側(cè)的流路上，配置有溫度測量器160?；蛘?， 溫度測量器160可以配置在傳熱媒體的出口側(cè)的流路、即從傳熱媒體 排出孔74E向前延伸的流路上。于是，能夠通過傳熱媒體的溫度來調(diào) 整層疊體200的溫度。
一般而言，傳熱媒體供給裝置150具有驅(qū)動傳熱媒體的泵、以及 能夠加熱和冷卻傳熱媒體的熱交換器。傳熱媒體一般使用水。但是，只要傳熱媒體的化學(xué)穩(wěn)定性、流動 性、以及傳熱特性優(yōu)異，就不限于水。例如，可以為硅油。
而且，傳熱媒體供給裝置150以能夠調(diào)整層疊體200的溫度的方
式構(gòu)成。因此，也可以以能夠調(diào)整傳熱媒體的流量的方式構(gòu)成。在該
情況下，溫度測量器160可以與第1實(shí)施方式相同，插入并配置于層 疊體200。或者，溫度測量器160可以配置在傳熱媒體的出口側(cè)的流路、 即從傳熱媒體排出孔74E向前延伸的流路上。
在此，雖然圖中未顯示，但是，在層疊體200內(nèi)，形成有傳熱媒 體供給歧管、傳熱媒體排出歧管、以及傳熱媒體流路。傳熱媒體流路， 在所層疊的單電池IO彼此的層疊面之間延伸，并連接傳熱媒體的入口 和出口。并且，傳熱媒體供給歧管和傳熱媒體排出歧管以沿層疊方向 貫通單電池10的方式形成。這樣的構(gòu)造，在例如專利文獻(xiàn)3的圖2和 專利文獻(xiàn)5的圖14中有所列舉。
而且，在層疊體200的一側(cè)的端板70、絕緣板60、以及集電板50 上，形成有相互連通的傳熱媒體供給孔741和傳熱媒體排出孔74E。即， 從傳熱媒體供給裝置150向傳熱媒體供給孔74I供給的冷卻媒體經(jīng)由傳 熱媒體供給歧管，在單電池10間的傳熱媒體流路上分支并流通。在傳 熱媒體流路中流通的傳熱媒體在傳熱媒體排出歧管集合，從傳熱媒體 排出孔74E向外部排出。
依照這樣的構(gòu)成，基于溫度測量器160所測量的溫度，通過控制 從傳熱媒體供給裝置150供給的傳熱媒體的溫度，從而能夠調(diào)整層疊 體200的溫度。
具體而言，在66'C下供給傳熱媒體，在7rC下從層疊體200排出。
而且，在溫度7rc和露點(diǎn)溫度7rc下加濕和加熱陽極氣體和陰極氣體，
并向?qū)盈B體200供給。而且，在低輸出時，傳熱媒體供給裝置150以 溫度測量器160的測量溫度為比額定輸出時低的溫度的方式進(jìn)行調(diào)整。 具體而言，優(yōu)選比額定輸出時低5。C至l(TC左右。另一方面，仍以額 定輸出時的露點(diǎn)溫度加濕和加熱陽極氣體和陰極氣體，并向?qū)盈B體200 供給。即，在低輸出時，PEFC系統(tǒng)使陽極氣體和陰極氣體在流路槽 21、 31中為更進(jìn)一步的水分過飽和狀態(tài)。于是，與第1實(shí)施方式相同， 能夠穩(wěn)定低輸出時的發(fā)電輸出。
23而且，能夠以對應(yīng)于發(fā)電輸出的降低而大致自動地設(shè)定陽極氣體
供給量和陰極氣體供給量以及層疊體100的溫度的方式，構(gòu)成PEFC 系統(tǒng)。在多個的發(fā)電輸出中，預(yù)先通過運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)取得陽極氣體供給量 和陰極氣體供給量以及未顯現(xiàn)發(fā)電輸出的不穩(wěn)定化現(xiàn)象的傳熱媒體溫 度(調(diào)整對象)。然后，預(yù)先從輸入部301輸入由該陽極氣體供給量、 陰極氣體供給量、該設(shè)定值、以及發(fā)電輸出的設(shè)定值構(gòu)成的數(shù)據(jù)庫， 并將其存儲在存儲部302。然后，控制裝置300可以對應(yīng)于發(fā)電輸出的 降低，基于該數(shù)據(jù)庫，控制陽極氣體供給裝置IIO、陰極氣體供給裝置 120、以及傳熱媒體供給裝置150，從而使得陽極氣體供給量、陰極氣 體供給量、以及傳熱媒體溫度為設(shè)定值。如果如此地構(gòu)成，則能夠?qū)?應(yīng)于發(fā)電輸出的降低，更加可靠地降低層疊體200的溫度。
以上，對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行了說明。但是，本發(fā)明不限于上 述實(shí)施方式。
在上述實(shí)施方式中，對陽極氣體流路槽21和陰極氣體流路槽31 的表面實(shí)施親水性改善處理。但是，即使不對這些流路槽實(shí)施親水性 處理，也能夠得到本發(fā)明的效果。即，陽極氣體流路槽21和陰極氣體 流路槽31的表面沒有必要為富含親水性的性狀。
另外，在上述實(shí)施方式中，在低輸出時，使向陽極氣體和陰極氣 體的雙方的流路槽供給的氣體的露點(diǎn)溫度相對地高于層疊體100、 200 的溫度，從而使得向它們供給的氣體為進(jìn)一步的水分過飽和狀態(tài)。但 是，在低輸出時，向陽極氣體和陰極氣體的雙方的流路槽供給的氣體 沒有必要為進(jìn)一步的水分過飽和狀態(tài)。即，可以使向陽極氣體和陰極 氣體中的至少任一個的流路槽供給的氣體的露點(diǎn)溫度相對地高于層疊 體IOO、 200的溫度，從而使得向它們中的至少任一個供給的氣體為進(jìn) 一步的水分過飽和狀態(tài)。
另外，本發(fā)明能夠控制陽極氣體供給裝置110、陰極氣體供給裝置 120、以及溫度調(diào)整裝置(第1實(shí)施方式的可變電阻140A、第2實(shí)施 方式的傳熱媒體供給裝置150)中的至少任一個來進(jìn)行實(shí)施。例如，可 以在低輸出時，與額定輸出時相比，減少陽極氣體和陰極氣體的供給 流量，并且，控制陽極氣體供給裝置110、陰極氣體供給裝置120、以 及溫度調(diào)整裝置(第1實(shí)施方式的可變電阻140A、第2實(shí)施方式的傳熱媒體供給裝置150)中的至少任一個，使得向陽極氣體流路槽21和 陰極氣體流路槽31供給的氣體的露點(diǎn)溫度相對地高于層疊體100的溫 度。
例如，可以在低輸出時，在陽極氣體供給裝置110中增加加濕量， 提高陽極氣體的露點(diǎn)溫度并向?qū)盈B體IOO、 200供給陽極氣體。于是， 不需要調(diào)整層疊體100、 200的溫度，或者不需等待層疊體100、 200 的溫度調(diào)整，就能夠?qū)嵤┍景l(fā)明。
在該情況下，由于陽極氣體的露點(diǎn)溫度相對地高于層疊體100、200 的溫度，因而，在陽極氣體流路槽21中，陽極氣體為進(jìn)一步的水分過 飽和狀態(tài)。具體而言，在第2實(shí)施方式中，陽極氣體供給裝置110采 用了使用水分透過膜的傳熱交換型加濕裝置。該傳熱交換型加濕裝置 在飽和狀態(tài)下加熱陽極氣體，因而，陽極氣體以飽和狀態(tài)、即供給溫 度為大致與露點(diǎn)溫度相同的溫度的狀態(tài)被供給至層疊體200。而且，在 額定輸出時，陽極氣體的供給溫度為66t:、即露點(diǎn)溫度66t:且傳熱媒
體在7rc下被排出的情況下，在低輸出時，可以使陽極氣體的供給溫 度上升到7rc、即露點(diǎn)溫度7rc。于是，能夠增加陽極氣體的加濕量。 可是，發(fā)明者們，在本發(fā)明的起初，發(fā)現(xiàn)了控制陽極氣體供給裝
置110和陰極氣體供給裝置120，增加陽極氣體和陰極氣體的加濕量的方法。
但是，在如此地構(gòu)成的情況下，需要調(diào)整陽極氣體供給裝置iio
和陰極氣體供給裝置120中的陽極氣體和陰極氣體的露點(diǎn)溫度，PEFC 系統(tǒng)的控制變得稍微復(fù)雜化，給本發(fā)明的經(jīng)濟(jì)性帶來影響。
因此，發(fā)明者們，認(rèn)真研討了更加經(jīng)濟(jì)地實(shí)施本發(fā)明的方法，想 到了第1實(shí)施方式和第2實(shí)施方式。即，發(fā)現(xiàn)了通過降低層疊體100、 200的溫度，從而能夠使陽極氣體和陰極氣體為進(jìn)一步的水分過飽和狀 態(tài)。根據(jù)這樣的創(chuàng)造結(jié)果，在本發(fā)明中，能夠不需要調(diào)整陽極氣體供 給裝置110和陰極氣體供給裝置120中的陽極氣體和陰極氣體的露點(diǎn) 溫度。換言之，在本發(fā)明中，能夠省略除了陽極氣體供給裝置110和 陰極氣體供給裝置120的供給流量以外的調(diào)整。因此，能夠更加容易 地實(shí)施本發(fā)明。產(chǎn)業(yè)上的利用可能性
本發(fā)明可用作PEFC系統(tǒng)，該P(yáng)EFC系統(tǒng)不使PEFC的構(gòu)造復(fù)雜化， 且不導(dǎo)致高分子電解質(zhì)膜的濕潤不足的可能性，即使在低輸出狀態(tài)下， 也能夠使發(fā)電輸出更加穩(wěn)定。
權(quán)利要求
1. 一種高分子電解質(zhì)型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，具有單電池，具有形成有陽極氣體流路槽的陽極隔板、形成有陰極氣體流路槽的陰極隔板、以及被它們夾著的MEA；層疊體，由所述單電池層疊而成；溫度調(diào)整裝置，調(diào)整所述層疊體的溫度；陽極氣體供給裝置，向所述陽極氣體流路槽供給具有水蒸氣分壓的陽極氣體；陰極氣體供給裝置，向所述陰極氣體流路槽供給具有水蒸氣分壓的陰極氣體；以及控制裝置，控制所述溫度調(diào)整裝置、所述陽極氣體供給裝置、以及所述陰極氣體供給裝置，在所述層疊體的發(fā)電輸出下降時，所述控制裝置控制所述陽極氣體供給裝置和所述陰極氣體供給裝置，降低所述陽極氣體和所述陰極氣體的供給流量，并且，控制所述陽極氣體供給裝置、所述陰極氣體供給裝置、以及所述溫度調(diào)整裝置中的至少任一個，使向所述陽極氣體流路槽和所述陰極氣體流路槽中的至少任一個供給的氣體的露點(diǎn)溫度相對地高于所述層疊體的溫度，從而使該氣體成為進(jìn)一步的水分過飽和狀態(tài)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述陽極氣體流路槽和所述陰極氣體流路槽中的至少任一個的表面的接觸角為90°以下。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述陽極隔板和所述陰極隔板中的至少任一個是通過將含有導(dǎo)電性碳素和粘合劑的混合物壓縮成型而形成的壓縮成型隔板，形成于所述壓縮成型隔板上的所述陽極氣體流路槽和所述陰極氣體流路槽中的至少任一個在表面上實(shí)施過親水性改善處理。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述親水性改善處理為氧等離子體處理。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述控制裝置在所述層疊體的發(fā)電輸出下降時，控制所述溫度調(diào)整裝置，降低所述層疊體的溫度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述層疊體具有在所述層疊的單電池彼此的層疊面之間形成的傳熱媒體流路，所述溫度調(diào)整裝置為傳熱媒體供給裝置，該傳熱媒體供給裝置向所述傳熱媒體供給路供給所述傳熱媒體，并且，以能夠?qū)⑺鰝鳠崦襟w的溫度和流量中的至少任一個作為調(diào)整對象并進(jìn)行調(diào)整的方式構(gòu)成，所述控制裝置在所述層疊體的發(fā)電輸出下降時，通過調(diào)整所述調(diào)整對象，降低所述層疊體的溫度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述傳熱媒體供給裝置以能夠調(diào)整所述傳熱媒體的溫度的方式構(gòu)成，所述控制裝置在所述層疊體的發(fā)電輸出下降時，通過降低所述傳熱媒體的溫度，降低所述層疊體的溫度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述控制裝置具有存儲部，存儲與所述層疊體的發(fā)電輸出和在該發(fā)電輸出未顯現(xiàn)所述層疊體的發(fā)電輸出的不穩(wěn)定化現(xiàn)象的所述調(diào)整對象的設(shè)定值相關(guān)的數(shù)據(jù)；以及控制裝置，基于所述數(shù)據(jù)，控制所述傳熱媒體供給裝置，使得所述調(diào)整對象成為所述設(shè)定值。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述陰極氣體流路槽形成為，多個流路槽從入口至出口并行且蜿蜒行進(jìn)，并且，隨著從所述入口向所述出口行進(jìn)，所述并行的流路槽的條數(shù)減少。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在所述層疊體的發(fā)電輸出下降時，所述控制裝置通過控制所述陽極氣體供給裝置和所述陰極氣體供給裝置中的至少任一個，增加所述陽極氣體和所述陰極氣體中的至少任一個的加濕量，從而使所述陽極氣體和所述陰極氣體中的至少任一個的露點(diǎn)溫度上升。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，控制所述陽極氣體供給裝置、所述陰極氣體供給裝置、以及所述溫度調(diào)整裝置中的至少任一個，在所述層疊體的發(fā)電輸出下降之前，使向所述陽極氣體流路槽和所述陰極氣體流路槽中的至少任一個供給的所述氣體的露點(diǎn)溫度高于所述層疊體的溫度，在所述層疊體的發(fā)電輸出下降時，使該氣體的露點(diǎn)溫度相對地高于所述層疊體的溫度，從而使所述氣體成為進(jìn)一步的水分過飽和狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明的高分子電解質(zhì)型燃料電池系統(tǒng)具有單電池(10)、層疊體(100)、溫度調(diào)整裝置(160、140、40、41)、陽極氣體供給裝置(110)、陰極氣體供給裝置(120)、以及控制裝置(300)，在層疊體(100)的發(fā)電輸出下降時，控制裝置(300)控制陽極氣體供給裝置(110)和陰極氣體供給裝置(120)，降低陽極氣體和陰極氣體的供給流量，并且，控制陽極氣體供給裝置(110)、陰極氣體供給裝置(120)、以及溫度調(diào)整裝置(140A)中的至少任一個，使向所述陽極氣體流路槽和所述陰極氣體流路槽中的至少任一個供給的氣體的露點(diǎn)溫度相對地高于層疊體(100)的溫度，從而使該氣體成為進(jìn)一步的水分過飽和狀態(tài)。
文檔編號H01M8/10GK101512812SQ20078003220
公開日2009年8月19日 申請日期2007年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月17日
發(fā)明者日下部弘樹, 竹口伸介, 辻庸一郎 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社