專利名稱：燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，特別涉及具有高分子電解質(zhì)膜的固體高分子型燃料電池。

背景技術(shù)：
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)膜以及夾持高分子電解質(zhì)膜的一對(duì)催化電極(燃料極和空氣極)構(gòu)成。具有上述結(jié)構(gòu)的燃料電池能夠使用提供給燃料極(陽極)的燃料氣體(含有氫)以及提供給空氣極(陰極)的氧化氣體(含有氧)，而持續(xù)地取得電能。
催化電極由位于高分子電解質(zhì)膜側(cè)的、促進(jìn)催化電極內(nèi)的氧化還原反應(yīng)的催化層和位于催化層外側(cè)的、具有通氣性以及導(dǎo)電性的氣體擴(kuò)散層構(gòu)成。另外，氣體擴(kuò)散層由位于催化層側(cè)的、用于提高與催化層的接觸性的碳涂層和用于使從外部供給的氣體擴(kuò)散而提供給催化層的氣體擴(kuò)散基材層構(gòu)成。將這些高分子電解質(zhì)膜以及一對(duì)催化電極(催化層、碳涂層以及氣體擴(kuò)散基材層)一體化而成的接合體稱為膜電極組件(membrane electrodeassembly；以下稱為“MEA”)。
通過進(jìn)行層疊，能夠?qū)EA串聯(lián)地電連接。此時(shí)，為了不使燃料氣體和氧化氣體混合以及為了串聯(lián)地電連接各個(gè)MEA，而在各個(gè)MEA之間配置具有導(dǎo)電性的分離器。以一對(duì)分離器夾持MEA而成的單元稱為“燃料電池單元”或簡(jiǎn)稱為“單元”，多個(gè)燃料電池單元的層疊體稱為“燃料電池堆?！被蚝?jiǎn)稱為“堆棧”。
在燃料電池單元中，在分離器的與催化電極接觸的面上形成用于向催化電極提供反應(yīng)氣體(燃料氣體或氧化氣體)以及用于排出剩余氣體和剩余水分的氣體流路。分離器內(nèi)的氣體流路通常為直線狀的多個(gè)并行流路，并與被稱為歧管的貫穿燃料電池堆棧的管道連通。歧管對(duì)燃料電池堆棧內(nèi)的所有燃料電池單元，向氣體流路供給反應(yīng)氣體以及排出來自氣體流路的剩余氣體和剩余水分。
通常，以集電板、絕緣板以及端板來夾持單元或堆棧，而構(gòu)成通常使用的形狀的燃料電池。
在具有上述結(jié)構(gòu)的燃料電池中，將含有氫的燃料氣體提供給燃料極且將含有氧的氧化氣體提供給空氣極后，能夠通過以下的反應(yīng)獲得電能。
首先，提供給燃料極的氫在燃料極的氣體擴(kuò)散層擴(kuò)散而到達(dá)催化層。在催化層中，氫被分為氫離子和電子。氫離子通過保水狀態(tài)下的高分子電解質(zhì)膜而移動(dòng)到空氣極。電子通過外部回路而移動(dòng)到空氣極。此時(shí)，能夠?qū)⑼ㄟ^外部回路的電子利用為電能。在空氣極的催化層中，通過高分子電解質(zhì)膜而移動(dòng)來的氫離子與通過外部回路而移動(dòng)來的電子和提供給空氣極的氧進(jìn)行反應(yīng)，生成水。
燃料電池如上所述，伴隨發(fā)電反應(yīng)而生成水。燃料電池在單元內(nèi)部過分濕潤(rùn)后，發(fā)電效率下降，所以發(fā)電時(shí)所生成的水通過流經(jīng)分離器的氣體流路的氣體而被排出到外部。
氫離子移動(dòng)的高分子電解質(zhì)膜多采用全氟磺酸類材料。該高分子電解質(zhì)膜，在充分保水時(shí)具有離子傳導(dǎo)性，而在干燥后喪失離子傳導(dǎo)性。因此，為了在燃料電池單元的整個(gè)面中高效率地產(chǎn)生發(fā)電反應(yīng)，需要防止單元的干燥且使單元內(nèi)部的面內(nèi)方向的水分分布均勻。
以往，為了防止單元內(nèi)部的干燥，且使單元內(nèi)部的面內(nèi)方向的水分分布均勻，采用了從外部對(duì)單元內(nèi)部進(jìn)行加濕的外部加濕方式。在外部加濕方式中，外部加濕器對(duì)單元內(nèi)部供給露點(diǎn)溫度高于燃料電池單元內(nèi)部的溫度的反應(yīng)氣體，而使單元內(nèi)部為過濕狀態(tài)。但是，該方式存在以下問題容易產(chǎn)生下述溢流(flooding)現(xiàn)象，即在氣體擴(kuò)散層內(nèi)部產(chǎn)生水滴而阻礙向催化層供給反應(yīng)氣體。而且，還存在以下問題由于需要外部加濕器，所以燃料電池系統(tǒng)的低成本化很困難。另外，還存在以下問題由于燃料電池單元內(nèi)部的溫度必須低于由外部加濕器所能實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)氣體的露點(diǎn)溫度，從而不能在發(fā)電效率高的高溫下運(yùn)行。
作為解決上述外部加濕方式的問題點(diǎn)的方式，存在通過將由發(fā)電反應(yīng)所產(chǎn)生的水向單元內(nèi)部擴(kuò)散而對(duì)單元內(nèi)部進(jìn)行加濕的內(nèi)部加濕方式。但是，在內(nèi)部加濕方式中，由于從外部供給的反應(yīng)氣體干燥，所以反應(yīng)氣體的入口側(cè)的高分子電解質(zhì)膜容易干燥。另一方面，由于通過氣體流路的反應(yīng)氣體含有由發(fā)電反應(yīng)所生成的水分，所以反應(yīng)氣體的出口側(cè)的高分子電解質(zhì)膜往往過分濕潤(rùn)。這樣，內(nèi)部加濕方式存在以下問題由于在單元內(nèi)部的面內(nèi)方向的水分分布上產(chǎn)生偏差，而發(fā)電反應(yīng)主要產(chǎn)生在反應(yīng)氣體出口側(cè)，所以整體的發(fā)電效率下降。
作為解決上述內(nèi)部加濕方式的問題點(diǎn)的方式，存在使反應(yīng)氣體供給歧管與反應(yīng)氣體排出歧管相鄰的方式(例如，參照專利文獻(xiàn)1)。
圖1是專利文獻(xiàn)1的燃料電池單元的正面圖(立體圖)。燃料極側(cè)的分離器的結(jié)構(gòu)用實(shí)線表示，而空氣極側(cè)的分離器的結(jié)構(gòu)用虛線表示。在圖1中，燃料氣體供給歧管10以及燃料氣體排出歧管12彼此相鄰地配置，并通過矩形的燃料氣體流路14彼此連通。同樣，氧化氣體供給歧管20以及氧化氣體排出歧管22彼此相鄰地配置，并通過矩形的氧化氣體流路24彼此連通。通過采用上述結(jié)構(gòu)，反應(yīng)氣體的出口側(cè)(排出歧管側(cè))的水分通過電解質(zhì)膜轉(zhuǎn)移到反應(yīng)氣體的入口側(cè)(供給歧管側(cè))。由此，能夠?qū)崿F(xiàn)抑制氣體出口側(cè)的過分濕潤(rùn)以及抑制氣體入口側(cè)的干燥。
這樣，通過使反應(yīng)氣體供給歧管和反應(yīng)氣體排出歧管相鄰，能夠使水分通過電解質(zhì)膜而向面內(nèi)方向轉(zhuǎn)移，并能夠使高分子電解質(zhì)膜的面內(nèi)方向的水分分布均勻。
但是，專利文獻(xiàn)1的燃料電池存在以下問題為了增大單元的面積，必須使單元以及堆棧內(nèi)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。也就是說，專利文獻(xiàn)1的燃料電池形成為如下結(jié)構(gòu)，即，對(duì)于各個(gè)矩形的氣體流路，使反應(yīng)氣體供給歧管和反應(yīng)氣體排出歧管相鄰，因此隨著單元的一邊的長(zhǎng)度變長(zhǎng)，必須增加歧管以及附隨該歧管的結(jié)構(gòu)件的數(shù)量(參照?qǐng)D1)。因此，增大單元的面積后，單元以及堆棧內(nèi)的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，從而其制造成本變高。
此外，專利文獻(xiàn)1的燃料電池還存在面內(nèi)方向的水分轉(zhuǎn)移能力較低的問題。也就是說，反應(yīng)氣體的出口側(cè)和入口側(cè)具有的水分量的差越大，越能更高效率地進(jìn)行反應(yīng)氣體的出口側(cè)和入口側(cè)之間的水分轉(zhuǎn)移。為了增加出口側(cè)的反應(yīng)氣體的水分量，增長(zhǎng)反應(yīng)氣體流路的長(zhǎng)度即可。但是，由于專利文獻(xiàn)1的燃料電池的氣體流路為矩形，所以單元的邊的長(zhǎng)度以及歧管之間的距離限制了氣體流路的長(zhǎng)度(參照?qǐng)D1)。因此，專利文獻(xiàn)1的燃料電池在面內(nèi)方向的水分轉(zhuǎn)移能力較低。
作為解決上述問題點(diǎn)的技術(shù)，例如有專利文獻(xiàn)2所示出的技術(shù)。
圖2是專利文獻(xiàn)2的燃料電池單元的空氣極側(cè)的分離器的正面圖。在圖2中，氧化氣體供給歧管1a以及氧化氣體排出歧管1b彼此相鄰地配置。而且，流路25是迂曲狀的往返流路且正向流路與反向流路相鄰。通過采用該結(jié)構(gòu)，能夠減少歧管的數(shù)量。由此，即使增大燃料電池單元的面積，單元以及堆棧的結(jié)構(gòu)也不會(huì)變得復(fù)雜。決定流路的輪廓的肋為多孔質(zhì)，并具有連結(jié)正向流路和反向流路的毛細(xì)管。通過采用該結(jié)構(gòu)，反應(yīng)氣體的出口側(cè)(排出歧管側(cè))的水分向反應(yīng)氣體的入口側(cè)(供給歧管側(cè))移動(dòng)。由此，能夠使高分子電解質(zhì)膜的面內(nèi)方向的水分分布均勻。
為了使反應(yīng)氣體入口(反應(yīng)氣體供給歧管)側(cè)的反應(yīng)氣體分壓和反應(yīng)氣體出口(反應(yīng)氣體排出歧管)側(cè)的氣體分壓均勻，有從上游側(cè)朝向下游側(cè)按規(guī)定的比例減少反應(yīng)氣體流路的截面面積的方式(例如，參照專利文獻(xiàn)3)。在專利文獻(xiàn)3，在多個(gè)并行連接的反應(yīng)氣體流路中，使下游部的并列數(shù)小于上游部的并列數(shù)，從而下游部的截面面積小于上游部的截面面積。而且，在專利文獻(xiàn)3中，為了減少歧管的數(shù)量，使氣體流路成迂曲狀。
專利文獻(xiàn)1(日本)特開2002-151105號(hào)公報(bào) 專利文獻(xiàn)2(日本)特開2003-109620號(hào)公報(bào) 專利文獻(xiàn)3(日本)特開昭56-134473號(hào)公報(bào) 專利文獻(xiàn)2的燃料電池通過連結(jié)正向流路和反向流路的毛細(xì)管，不僅使水分從流路的上游側(cè)向流路的下游側(cè)移動(dòng)，而且還使反應(yīng)氣體移動(dòng)。因此，在專利文獻(xiàn)2的燃料電池單元中，由于反應(yīng)氣體從流路的上游側(cè)向流路的下游側(cè)移動(dòng)，且反應(yīng)氣體在流路的上游側(cè)和流路與下游側(cè)之間循環(huán)，所以存在充分量的反應(yīng)氣體不能送到整個(gè)單元的問題。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供能夠使高分子電解質(zhì)的面內(nèi)方向的水分分布均勻且將氧化氣體高效率地提供給空氣極催化層的燃料電池。
本發(fā)明的燃料電池，包括高分子電解質(zhì)膜；膜電極組件，具有夾持所述高分子電解質(zhì)膜的一對(duì)催化電極；以及分離器，具有用于將燃料氣體或氧化氣體提供給所述膜電極組件的氣體流路、與氣體供給歧管連通的所述氣體流路的入口、以及與氣體排出歧管連通的所述氣體流路的出口，所述氣體流路形成為迂曲狀或渦旋狀，所述氣體流路的所述入口附近的上游流路與所述氣體流路的所述出口附近的下游流路相鄰，流經(jīng)所述上游流路的所述氣體的流向與流經(jīng)所述下游流路的所述氣體的流向相反，所述氣體流路的壁不具有使所述燃料氣體或氧化氣體透過的透過性，所述上游流路的截面面積大于所述下游流路的截面面積。
另外，本發(fā)明第二方面，提供一種燃料電池，包括高分子電解質(zhì)膜；膜電極組件，具有夾持所述高分子電解質(zhì)膜的一對(duì)催化電極；以及分離器，具有用于將燃料氣體或氧化氣體提供給所述膜電極組件的氣體流路、與氣體供給歧管連通的所述氣體流路的入口、以及與氣體排出歧管連通的所述氣體流路的出口，所述氣體流路形成為迂曲狀或渦旋狀，所述氣體流路的所述入口附近的上游流路與所述氣體流路的所述出口附近的下游流路相鄰，流經(jīng)所述上游流路的所述氣體的流向與流經(jīng)所述下游流路的所述氣體的流向相反，所述氣體流路的壁不具有使所述燃料氣體或氧化氣體透過的透過性，所述氣體流路中、所述上游流路的流路數(shù)多于所述下游流路的流路數(shù)。
本發(fā)明第三方面，提供一種燃料電池，包括高分子電解質(zhì)膜；膜電極組件，具有夾持所述高分子電解質(zhì)膜的一對(duì)催化電極；以及分離器，具有用于將燃料氣體或氧化氣體提供給所述膜電極組件的氣體流路、與氣體供給歧管連通的所述氣體流路的入口、以及與氣體排出歧管連通的所述氣體流路的出口，所述氣體流路是形成為迂曲狀或渦旋狀的往返流路，所述氣體流路的所述入口附近的上游流路與所述氣體流路的所述出口附近的下游流路相鄰，流經(jīng)包含所述上游流路的正向流路的所述氣體的流向與流經(jīng)包含所述下游流路的反向流路的所述氣體的流向相反，所述氣體流路的壁不具有使所述燃料氣體或氧化氣體透過的透過性，所述氣體流路的上游流路與相鄰且流向相反的下游流路之間的間隔大于正向流路與反向流路在往返流路折回部分的間隔。
根據(jù)本發(fā)明，能夠使高分子電解質(zhì)膜的面內(nèi)方向的水分分布均勻。特別是，即使在高溫低加濕或高溫?zé)o加濕下運(yùn)行，也能夠使高分子電解質(zhì)膜的面內(nèi)方向的水分分布均勻，從而能夠提供高溫低加濕或高溫?zé)o加濕運(yùn)行的燃料電池。由于還能夠抑制流路間的氧化氣體的移動(dòng)，所以能夠?qū)⒎磻?yīng)氣體高效率地提供給空氣極催化層。



圖1是以往的燃料電池的分離器的正面圖； 圖2是以往的其他燃料電池的分離器的正面圖； 圖3A、圖3B、圖3C是用于表示本發(fā)明的反應(yīng)氣體流路的流路結(jié)構(gòu)的例子的分離器的正面圖； 圖4是本發(fā)明實(shí)施方式1～8的燃料電池單元的剖面圖； 圖5是本發(fā)明實(shí)施方式1的燃料極分離器的正面圖； 圖6是本發(fā)明實(shí)施方式1的空氣極分離器的正面圖； 圖7是本發(fā)明實(shí)施方式2的燃料電池單元的剖面圖； 圖8是本發(fā)明實(shí)施方式2的燃料電池堆棧的剖面圖； 圖9是本發(fā)明實(shí)施方式3的空氣極分離器的正面圖； 圖10是本發(fā)明實(shí)施方式4的空氣極分離器的正面圖； 圖11是本發(fā)明實(shí)施方式5的空氣極分離器的正面圖； 圖12是本發(fā)明實(shí)施方式7的燃料電池單元的剖面圖； 圖13是本發(fā)明實(shí)施方式8的空氣極分離器的正面圖； 圖14是表示實(shí)驗(yàn)例1的結(jié)果的圖； 圖15是表示實(shí)驗(yàn)例2的結(jié)果的圖。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明的燃料電池至少具有一個(gè)燃料電池單元。也就是說，本發(fā)明的燃料電池既可以是燃料電池單元單體，也可以是具有多個(gè)單元的燃料電池堆棧。通常，燃料電池單元或堆棧被集電板、絕緣板以及端板夾持，并通過連接桿固定。
燃料電池單元包括高分子電解質(zhì)膜、夾持高分子電解質(zhì)膜的一對(duì)催化電極(燃料極和空氣極)以及夾持MEA(高分子電解質(zhì)膜和催化電極的集合體)的分離器。催化電極由位于高分子電解質(zhì)膜側(cè)的催化層和位于分離器側(cè)的氣體擴(kuò)散層構(gòu)成。
高分子電解質(zhì)膜是具有氫離子傳導(dǎo)性的高分子膜。高分子電解質(zhì)膜的材料只要是選擇性地使氫離子移動(dòng)的材料即可，并無特別限定。
催化層是含有對(duì)于氫或氧的氧化還原反應(yīng)的催化劑的層。催化層只要是具有導(dǎo)電性且具有對(duì)氫或氧的氧化反應(yīng)的催化作用的層即可，并無特別限定。
氣體擴(kuò)散層為具有導(dǎo)電性的多孔質(zhì)層。氣體擴(kuò)散層的材料只要是具有導(dǎo)電性且反應(yīng)氣體能夠擴(kuò)散的材料即可，并無特別限定。氣體擴(kuò)散層也可以由使從分離器側(cè)供給的氣體向催化層擴(kuò)散的氣體擴(kuò)散基材層和提高氣體擴(kuò)散基材層與催化層之間的接觸性的碳涂層構(gòu)成。
分離器是在與燃料極接觸的面上具有燃料氣體流路、而在與空氣極接觸的面上具有氧化氣體流路的導(dǎo)電性的板。作為分離器材料的一例，包含碳或金屬等。分離器的具有氣體流路的面上包括凹部和凸部，凹部形成氣體流路。
分離器也可以是，將混合了碳粉末和樹脂粘結(jié)劑的原料粉供給模具、并對(duì)供給模具的原料粉施加壓力和熱而形成的器件(以下，稱為“碳分離器”)。例如，在(日本)特開2000-243409公報(bào)中記述的碳分離器。
而且，分離器也可以由金屬板構(gòu)成(以下，稱為“金屬分離器”)。例如，在(日本)特開2003-203644公報(bào)和(日本)特開2005-276637公報(bào)中記述的金屬分離器。
構(gòu)成金屬分離器的金屬板具有表面以及背面。金屬板可以是表面的凹部與該部分的背面的凸部對(duì)應(yīng)且表面的凸部與該部分的背面的凹部對(duì)應(yīng)的金屬板。在金屬板上形成反應(yīng)氣體流路的方法并無特別限定。例如，在金屬板上形成反應(yīng)氣體流路的方法是沖壓加工。
金屬板的材料只要是具有良好的導(dǎo)電性以及耐腐蝕性的材料即可，并無特別限定。作為金屬板材料的一例，包含不銹鋼。金屬板的厚度只要具有形成分離器的強(qiáng)度即可，并無特別限定。例如，金屬板的厚度為0.01mm～1mm。金屬分離器的大小只要能夾持MEA即可，并無特別限定，適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行設(shè)定即可。
通過使用金屬分離器，即使分離器的厚度在1mm以下也能夠獲得足夠的強(qiáng)度。由此，單元以及堆棧的小型化以及輕量化成為可能。而且，可通過沖壓加工等容易地制造金屬分離器，從而可以削減成本以及大量生產(chǎn)。
分離器內(nèi)的反應(yīng)氣體流路按下述方式形成氣體流路的入口附近的流路(以下，稱為“上游流路”)和氣體流路的出口附近的流路(以下，稱為“下游流路”)在同一面內(nèi)相鄰，并且能夠?qū)Υ呋姌O的整個(gè)面供給反應(yīng)氣體。反應(yīng)氣體流路的壁形成為不具有反應(yīng)氣體的透過性。這里，“反應(yīng)氣體流路的壁”是指位于相鄰的兩條反應(yīng)氣體流路之間的分離器的凸部。為了對(duì)催化電極的整個(gè)面供給反應(yīng)氣體，例如，形成迂曲狀或渦旋狀的反應(yīng)氣體流路即可。另外，不需要同一氣體流路的上游流路和下游流路相鄰，也可以使第一氣體流路的上游流路和第二氣體流路的下游流路相鄰。在氣體擴(kuò)散層的厚度為200μm～300μm、并且流路的寬度為1.1mm、流路的深度為1.1mm的情況下，上游流路與下游流路之間的間隔為2.2mm～3.3mm時(shí)，燃料電池單元的發(fā)電效率最高。因此，優(yōu)選在氣體擴(kuò)散層的厚度為200μm～300μm、并且流路的寬度為1.1mm、流路的深度為1.1mm的情況下，上游流路與下游流路之間的間隔為2.2mm～3.3mm。反應(yīng)氣體流路的流路結(jié)構(gòu)的例子如圖3所示。
在圖3A所示的例子中，在分離器100上形成的反應(yīng)氣體流路102為如下形成的往返流路，即，自往返流路折回部分112向流路入口108側(cè)的反應(yīng)氣體正向流路104和自往返流路折回部分112向流路出口110側(cè)的反應(yīng)氣體反向流路106在整個(gè)流路上相對(duì)地配置，并且反應(yīng)氣體流路102在保持正向流路104和反向流路106相鄰的狀態(tài)下形成迂曲狀。這里，“相對(duì)配置”是指兩條流路相鄰且兩條流路的反應(yīng)氣體的流向相反。這樣，優(yōu)選地，反應(yīng)氣體流路按下述方式形成，不僅反應(yīng)氣體流路出入口附近的流路(上游流路以及下游流路)相對(duì)配置，在整個(gè)流路都相對(duì)配置。此外，優(yōu)選地，流路入口108以及流路出口110彼此相鄰。
在圖3B所示的例子中，反應(yīng)氣體流路102是與圖3A所示的例子相同的往返流路，并且在保持反應(yīng)氣體正向流路104和反應(yīng)氣體反向流路106相鄰的狀態(tài)下形成渦旋狀。
圖3C所示的例子為在分離器100內(nèi)形成有兩條反應(yīng)氣體流路102a和102b的例子。反應(yīng)氣體流路102a和反應(yīng)氣體流路102b在整個(gè)流路相對(duì)配置，并且在保持反應(yīng)氣體流路102a和反應(yīng)氣體流路102b相鄰的狀態(tài)下形成迂曲狀。
在本發(fā)明的燃料電池中，將含有氫氣體的燃料氣體提供給分離器內(nèi)的燃料氣體流路并將含有氧氣體的氧化氣體提供給氧化氣體流路后，通過以下的反應(yīng)，能夠獲得電能。
首先，提供給燃料極的氫分子在燃料極的氣體擴(kuò)散層中擴(kuò)散而到達(dá)催化層。在催化層中，氫分子被分為氫離子和電子。氫離子通過被加濕的高分子電解質(zhì)膜而移動(dòng)到空氣極。電子通過外部回路而移動(dòng)到空氣極。此時(shí)，能夠?qū)⑼ㄟ^外部回路的電子利用為電能。在空氣極的催化層中，通過高分子電解質(zhì)膜而移動(dòng)來的氫離子與通過外部回路而移動(dòng)來的電子和提供給空氣極的氧進(jìn)行反應(yīng)，生成水。
在本發(fā)明的燃料電池中，通過使反應(yīng)氣體流路的上游流路與下游流路相鄰地形成，而進(jìn)行在燃料電池單元內(nèi)部面內(nèi)方向的水分轉(zhuǎn)移。以下，說明在空氣極側(cè)中的面內(nèi)方向的水分轉(zhuǎn)移。
由于發(fā)電時(shí)的燃料電池單元為高溫，所以發(fā)電時(shí)在空氣極的催化層所生成的水變成水蒸氣。該水蒸氣在空氣極的氣體擴(kuò)散層內(nèi)擴(kuò)散移動(dòng)，并對(duì)氧化氣體流路內(nèi)的氧化氣體進(jìn)行加濕。流經(jīng)氧化氣體流路的氧化氣體隨著從入口向出口前進(jìn)，其水蒸氣分壓被提高。也就是說，流經(jīng)氧化氣體流路的下游流路的氧化氣體的水蒸氣分壓高于流經(jīng)相鄰的上游流路的氧化氣體的水蒸氣分壓。由于該水蒸氣分壓的差，流經(jīng)下游流路的水蒸氣的一部分通過氣體擴(kuò)散層向相鄰的上游流路移動(dòng)。結(jié)果，水分從下游流路向上游流路在面內(nèi)方向轉(zhuǎn)移。
這樣，本發(fā)明的燃料電池通過使上游流路與下游流路相鄰，而能夠減少流經(jīng)上游流路的反應(yīng)氣體內(nèi)的水分量與流經(jīng)下游流路的反應(yīng)氣體的水分量之間的差。由此，能夠?qū)崿F(xiàn)抑制接近下游流路的部位的高分子電解質(zhì)膜的過分濕潤(rùn)，并且抑制接近上游流路的部位的高分子電解質(zhì)膜的干燥。也就是說，即使不進(jìn)行加濕(內(nèi)部加濕方式)而使用本發(fā)明的燃料電池，也能夠使單元內(nèi)部的面內(nèi)方向的水分分布均勻。
而且，在本發(fā)明的燃料電池中，反應(yīng)氣體流路維持上游流路與下游流路相鄰的狀態(tài)，同時(shí)形成為迂曲狀或渦旋狀。由此，能夠減少歧管和附隨該歧管的結(jié)構(gòu)件的數(shù)量，從而能夠使燃料電池單元以及燃料電池堆棧的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。此外，由于使氣體流路成迂曲狀或渦旋狀而能夠使氣體流路變長(zhǎng)，所以上游流路與下游流路之間的水蒸氣分壓的差變大，從而與以往技術(shù)相比能夠更高效率地進(jìn)行面內(nèi)方向的水分轉(zhuǎn)移。
而且，在本發(fā)明的燃料電池中，使反應(yīng)氣體流路的壁不具有反應(yīng)氣體的透過性，所以能夠抑制流路之間的反應(yīng)氣體的循環(huán)。由此，能夠高效率地將反應(yīng)氣體提供給催化層。
以下，參照附圖詳細(xì)地說明本發(fā)明的實(shí)施方式。
(實(shí)施方式1) 圖4是本發(fā)明的實(shí)施方式1的燃料電池單元的剖面圖。
在圖4中，燃料電池單元包括高分子電解質(zhì)膜200、夾持高分子電解質(zhì)膜200的一對(duì)催化電極(燃料極300和空氣極400)、以及夾持MEA500(高分子電解質(zhì)膜200以及催化電極300和400的集合體)的一對(duì)分離器(燃料極分離器600和空氣極分離器700)。分離器600和700的材料例如為碳。燃料極分離器600具有燃料氣體流路614?？諝鈽O分離器700具有氧化氣體流路714。燃料極300由位于高分子電解質(zhì)膜側(cè)的燃料極催化層310以及位于燃料極分離器側(cè)的燃料極氣體擴(kuò)散層320構(gòu)成。同樣，空氣極400由位于高分子電解質(zhì)膜側(cè)的空氣極催化層410以及位于空氣極分離器側(cè)的空氣極氣體擴(kuò)散層420構(gòu)成。燃料極氣體擴(kuò)散層320還由位于燃料極催化層側(cè)的燃料極碳涂層330以及位于燃料極分離器側(cè)的燃料極氣體擴(kuò)散基材層340構(gòu)成。同樣，空氣極氣體擴(kuò)散層420由位于空氣極催化層側(cè)的空氣極碳涂層430以及位于空氣極分離器側(cè)的空氣極氣體擴(kuò)散基材層440構(gòu)成。
高分子電解質(zhì)膜200、燃料極催化層310、燃料極碳涂層330、燃料極氣體擴(kuò)散基材層340、空氣極催化層410、空氣極碳涂層430、以及空氣極氣體擴(kuò)散基材層440使用上述的部件即可。
圖5是圖4所示的燃料極分離器600的燃料極側(cè)的面的正面圖。
在圖5中，燃料極分離器600包括燃料氣體供給歧管610、燃料氣體排出歧管612、燃料氣體流路614、氧化氣體供給歧管630、氧化氣體排出歧管632、冷卻水供給歧管640以及冷卻水排出歧管642。燃料氣體流路614由從燃料氣體供給歧管610至往返流路折回部分616為止的燃料氣體正向流路618和從往返流路折回部分616至燃料氣體排出歧管612為止的燃料氣體反向流路620構(gòu)成。
燃料氣體供給歧管610是用于將燃料氣體提供給燃料電池堆棧內(nèi)的各個(gè)燃料電池單元的孔，將燃料氣體提供給燃料氣體流路614。
燃料氣體排出歧管612是用于從燃料電池堆棧內(nèi)的各個(gè)燃料電池單元排出燃料氣體的孔，將燃料氣體從燃料氣體流路614排出。
燃料氣體流路614是將從燃料氣體供給歧管610供給的燃料氣體提供給燃料極300的整個(gè)面的流路，形成為迂曲狀。而且，燃料氣體正向流路618以及燃料氣體反向流路620按彼此相對(duì)配置的方式形成。燃料氣體流路614的壁形成為不具有燃料氣體的透過性。
氧化氣體供給歧管630是用于將氧化氣體提供給燃料電池堆棧內(nèi)的各個(gè)燃料電池單元的孔。而且，氧化氣體排出歧管632是用于從燃料電池堆棧內(nèi)的各個(gè)燃料電池單元排出氧化氣體的孔。
冷卻水供給歧管640是用于將冷卻水提供給燃料電池堆棧內(nèi)的孔。而且，冷卻水排出歧管642是用于從燃料電池堆棧內(nèi)排出冷卻水的孔。未圖示的冷卻水流路是連通冷卻水供給歧管640和冷卻水排出歧管642的流路，例如形成在燃料極分離器600或空氣極分離器700上。例如，在燃料電池堆棧內(nèi)，為了使冷卻水流路位于燃料極分離器600和空氣極分離器700之間，在沒有形成燃料極分離器600或空氣極分離器700的反應(yīng)氣體流路的面上形成冷卻水流路即可。此時(shí)，可以對(duì)每個(gè)單元形成冷卻水流路，也可以對(duì)每數(shù)個(gè)單元形成冷卻水流路。而且，冷卻水的流路結(jié)構(gòu)并不特別限定，可以為直線狀的多個(gè)并行流路，也可以為迂曲狀或渦旋狀。
圖6是圖4所示的空氣極分離器700的空氣極側(cè)的面的正面圖。
在圖6中，空氣極分離器700包括氧化氣體供給歧管710、氧化氣體排出歧管712、氧化氣體流路714、燃料氣體供給歧管730、燃料氣體排出歧管732、冷卻水供給歧管740以及冷卻水排出歧管742。氧化氣體流路714由從氧化氣體供給歧管710至往返流路折回部分716為止的氧化氣體正向流路718和從往返流路折回部分716至氧化氣體排出歧管712為止的氧化氣體反向流路720構(gòu)成。
氧化氣體供給歧管710是用于將氧化氣體提供給燃料電池堆棧內(nèi)的各個(gè)燃料電池單元的孔，將氧化氣體提供給氧化氣體流路714。氧化氣體供給歧管710與圖5所示的氧化氣體供給歧管630連通。
氧化氣體排出歧管712是用于從燃料電池堆棧內(nèi)的各個(gè)燃料電池單元排出氧化氣體的孔，將氧化氣體從氧化氣體流路714排出。氧化氣體排出歧管712與圖5所示的氧化氣體排出歧管632連通。
氧化氣體流路714是將從氧化氣體供給歧管710供給的氧化氣體提供給空氣極400的整個(gè)面的流路，并且形成迂曲狀。而且，氧化氣體正向流路718以及氧化氣體反向流路720按彼此相對(duì)配置的方式形成。氧化氣體流路714的壁形成為不具有氧化氣體的透過性。而且，優(yōu)選地，氧化氣體流路的寬度為1.1mm、深度為1.1mm。進(jìn)而，優(yōu)選地，下游流路(氧化氣體排出歧管712附近的氧化氣體流路714)與上游流路(氧化氣體供給歧管710附近的氧化氣體流路714)之間的間隔為2.2mm～3.3mm。也就是說，優(yōu)選地，上游流路與下游流路之間的間隔為氧化氣體流路714的寬度的2倍～3倍。
燃料氣體供給歧管730是用于將燃料氣體提供給燃料電池堆棧內(nèi)的各個(gè)燃料電池單元的孔。燃料氣體供給歧管730與圖5所示的燃料氣體供給歧管610連通。
燃料氣體排出歧管732是用于從燃料電池堆棧內(nèi)的各個(gè)燃料電池單元排出燃料氣體的孔。燃料氣體排出歧管732與圖5所示的燃料氣體排出歧管612連通。
冷卻水供給歧管740是用于將冷卻水提供給燃料電池堆棧內(nèi)的孔。冷卻水供給歧管740與圖5所示的冷卻水供給歧管640連通。而且，冷卻水排出歧管742是用于從燃料電池堆棧內(nèi)排出冷卻水的孔。冷卻水排出歧管742與圖5所示的冷卻水排出歧管642連通。
以下，說明在如上述結(jié)構(gòu)的燃料電池單元中的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的發(fā)電機(jī)理。
提供給燃料電池單元的燃料氣體供給歧管610和730的燃料氣體被提供給燃料極分離器600內(nèi)部的燃料氣體流路614。燃料氣體流路614內(nèi)的氧化氣體通過燃料極氣體擴(kuò)散層320向燃料極催化層310擴(kuò)散移動(dòng)。
另一方面，提供給燃料電池單元的氧化氣體供給歧管630和710的氧化氣體被提供給空氣極分離器700內(nèi)部的氧化氣體流路714。氧化氣體流路714內(nèi)的氧化氣體通過空氣極擴(kuò)散層420向空氣極催化層410擴(kuò)散移動(dòng)。
在燃料極催化層310中，從燃料氣體流路614移動(dòng)來的燃料氣體所包含的氫分子被分為氫離子和電子。氫離子通過保水的高分子電解質(zhì)膜200向空氣極催化層410擴(kuò)散移動(dòng)。另一方面，電子通過未圖示的外部回路向空氣極催化層410移動(dòng)。
在空氣極催化層410中，通過高分子電解質(zhì)膜200而移動(dòng)來的氫離子與通過外部回路而移動(dòng)來的電子和從氧化氣體流路714移動(dòng)來的氧進(jìn)行反應(yīng)，生成水。
由于發(fā)電時(shí)的燃料電池單元為高溫，所以生成的水變?yōu)樗魵?，該水蒸氣通過空氣極氣體擴(kuò)散層420而向氧化氣體流路714擴(kuò)散移動(dòng)，從而對(duì)氧化氣體流路714內(nèi)的氧化氣體進(jìn)行加濕。隨著氧化氣體在氧化氣體流路714內(nèi)前進(jìn)，其加濕量增加。因此，流經(jīng)氧化氣體反向流路720的氧化氣體內(nèi)的水蒸氣的分壓高于流經(jīng)相對(duì)配置的氧化氣體正向流路718的氧化氣體內(nèi)的水蒸氣的分壓。該水蒸氣的分壓差特別是在下游流路和上游流路之間變得明顯。由于該水蒸氣的分壓差，氧化氣體反向流路720內(nèi)的水蒸氣通過空氣極氣體擴(kuò)散層420，在面內(nèi)方向向相對(duì)配置的氧化氣體正向流路718內(nèi)移動(dòng)。由此，氧化氣體流路714內(nèi)的水蒸氣的分壓分布變得均勻。
在燃料極側(cè)也通過相同的作用，燃料氣體反向流路620內(nèi)的水蒸氣通過燃料極氣體擴(kuò)散層320，在面內(nèi)方向向燃料氣體正向流路618內(nèi)移動(dòng)。
如上所述，根據(jù)本實(shí)施方式，由于反應(yīng)氣體流路的正向流路和反向流路在整個(gè)流路相對(duì)配置地形成，所以能夠使反應(yīng)氣體流路內(nèi)的水蒸氣的分壓分布均勻。因此，根據(jù)本實(shí)施方式，能夠高效率地利用燃料電池單元的整個(gè)面，從而能夠獲得較高的發(fā)電性能和發(fā)電穩(wěn)定性。
而且，通過不使反應(yīng)氣體流路的壁具有反應(yīng)氣體的透過性，能夠抑制流路之間的反應(yīng)氣體的循環(huán)。由此，能夠高效率地將反應(yīng)氣體提供給催化層。
進(jìn)而，根據(jù)本實(shí)施方式，由于反應(yīng)氣體流路形成為迂曲狀，所以即使反應(yīng)氣體流路以及各種歧管的數(shù)量較少，也能夠?qū)θ剂想姵貑卧麄€(gè)面供給反應(yīng)氣體。因此，根據(jù)本實(shí)施方式，即使增大單元的面積，也能夠不使單元以及堆棧的結(jié)構(gòu)復(fù)雜而獲得較高的發(fā)電性能和發(fā)電穩(wěn)定性。
另外，在本實(shí)施方式中，反應(yīng)氣體流路的正向流路和反向流路在同一面內(nèi)相對(duì)配置地形成的分離器，適用于燃料極側(cè)和空氣極側(cè)雙方，但是也可以僅適用于生成水蒸氣的空氣極側(cè)。
此外，在本實(shí)施方式中，連通一對(duì)歧管之間的氣體流路的數(shù)量設(shè)為兩條，但是氣體流路的數(shù)量可以是一條，也可以是三條以上。
(實(shí)施方式2) 在實(shí)施方式2中，示出使用金屬作為分離器材料的例子。
實(shí)施方式2的燃料電池單元是將圖4所示的實(shí)施方式1的燃料電池單元中的空氣極分離器700替換為空氣極分離器900，并將燃料極分離器600替換為燃料極分離器800后所得的單元。因此，對(duì)空氣極分離器900以及燃料極分離器800以外的重復(fù)的構(gòu)成要素，賦予相同的標(biāo)號(hào)，并省略其說明。
圖7是本發(fā)明的實(shí)施方式2的燃料電池單元的剖面圖。對(duì)與實(shí)施方式1的空氣極分離器700以及燃料極分離器600相同的構(gòu)成要素，賦予相同的標(biāo)號(hào)，并省略重復(fù)之處的說明。
在圖7中金屬分離器由金屬板構(gòu)成。燃料極分離器具有燃料氣體流路814?？諝鈽O分離器900具有氧化氣體流路914。
氧化氣體流路914以及燃料氣體流路814的形狀可以與氧化氣體流路714相同。也就是說，氧化氣體流路914是將從氧化氣體供給歧管供給的氧化氣體提供給空氣極400的整個(gè)面的流路，并且形成為迂曲狀。氧化氣體正向流路以及氧化氣體反向流路按彼此相對(duì)配置的方式形成。而且，燃料氣體流路814是將從燃料氣體供給歧管供給的氣體提供給燃料極300的整個(gè)面的流路，并且形成為迂曲狀。燃料氣體正向流路以及燃料氣體反向流路按彼此相對(duì)配置的方式形成。
圖8是通過層疊圖7的燃料電池單元而構(gòu)成的燃料電池堆棧的剖面圖。
在圖8中，燃料電池堆棧通過交替地層疊MEA500與由金屬分離器800以及金屬分離器900構(gòu)成的復(fù)合金屬分離器1000而構(gòu)成。在復(fù)合金屬分離器1000的燃料氣體擴(kuò)散層側(cè)形成燃料氣體流路814，而在復(fù)合金屬分離器1000的氧化氣體擴(kuò)散層側(cè)形成氧化氣體流路914。在金屬分離器1000內(nèi)的空間形成冷卻水流路。
使如上述結(jié)構(gòu)的燃料電池單元?jiǎng)幼鲿r(shí)，與實(shí)施方式1的燃料電池單元相同，氧化氣體流路內(nèi)的水蒸氣的分壓分布變得均勻。
而且，由于金屬板不具有反應(yīng)氣體的透過性，所以通過使用金屬分離器能夠更加抑制流路之間的反應(yīng)氣體的循環(huán)。由此，能夠?qū)⒎磻?yīng)氣體高效率地提供給空氣極催化層。
進(jìn)而，即使金屬板的厚度在1mm以下，也表現(xiàn)出足夠的強(qiáng)度。由此，單元以及堆棧的小型化以及輕量化成為可能。而且，可通過沖壓加工等容易地制造金屬分離器，從而可以削減成本以及大量生產(chǎn)。
(實(shí)施方式3) 在實(shí)施方式1中，示出了使一個(gè)流路的正向流路和反向流路相對(duì)配置的例子。實(shí)施方式3表示兩個(gè)不同的流路彼此相對(duì)配置的例子。
實(shí)施方式3的燃料電池單元是將圖4所示的實(shí)施方式1的燃料電池單元中的空氣極分離器700替換為空氣極分離器702后所得的單元。因此，對(duì)空氣極分離器702以外的重復(fù)的構(gòu)成要素，賦予相同的標(biāo)號(hào)，并省略其說明。
圖9是本發(fā)明實(shí)施方式3的燃料電池的空氣極分離器的空氣極側(cè)的面的正面圖。對(duì)與實(shí)施方式1的空氣極分離器700相同的構(gòu)成要素，賦予相同的標(biāo)號(hào)，并省略重復(fù)之處的說明。
在圖9中，空氣極分離器702包括第一氧化氣體供給歧管710a、第二氧化氣體供給歧管710b、第一氧化氣體排出歧管712a、第二氧化氣體排出歧管712b、第一氧化氣體流路714a、第二氧化氣體流路714b、第一燃料氣體供給歧管730a、第二燃料氣體供給歧管730b、第一燃料氣體排出歧管732a、第二燃料氣體排出歧管732b、冷卻水供給歧管740以及冷卻水排出歧管742。
第一氧化氣體供給歧管710a以及第二氧化氣體供給歧管710b為用于將氧化氣體提供給燃料電池堆棧內(nèi)的各個(gè)燃料電池單元的孔。第一氧化氣體供給歧管710a將氧化氣體提供給第一氧化氣體流路714a。同樣，第二氧化氣體供給歧管710b將氧化氣體提供給第二氧化氣體流路714b。
第一氧化氣體排出歧管712a以及第二氧化氣體排出歧管712b為用于從燃料電池堆棧內(nèi)的各個(gè)燃料電池單元排出氧化氣體的孔。第一氧化氣體排出歧管712a從第一氧化氣體流路714a排出氧化氣體。同樣，第二氧化氣體排出歧管712b從第二氧化氣體流路714b排出氧化氣體。
第一氧化氣體流路714a以及第二氧化氣體流路714b為用于，將由第一氧化氣體供給歧管710a或第二氧化氣體供給歧管710b供給的氧化氣體提供給空氣極400整個(gè)面的流路。第一氧化氣體流路714a與第一氧化氣體供給歧管710a以及第一氧化氣體排出歧管712a連通。同樣，第二氧化氣體流路714b與第二氧化氣體供給歧管710b以及第二氧化氣體排出歧管712b連通。第一氧化氣體流路714a與第二氧化氣體流路714b在整體上相對(duì)配置，并且在保持第一氧化氣體流路714a和第二氧化氣體流路714b相鄰的狀態(tài)下形成為迂曲狀。氧化氣體流路(714a和714b)的壁形成為不具有氧化氣體的透過性。優(yōu)選地，第一氧化氣體流路714a的上游流路與第二氧化氣體流路714b的下游流路之間的間隔或第一氧化氣體流路714a的下游流路與第二氧化氣體流路714b的上游流路之間的間隔為2.2mm～3.3mm。
第一燃料氣體供給歧管730a以及第二燃料氣體供給歧管730b為用于將燃料氣體提供給燃料電池堆棧內(nèi)的各個(gè)燃料電池單元的孔。而且，第一燃料氣體排出歧管732a以及第二燃料氣體供給歧管732b是用于從燃料電池堆棧內(nèi)的各個(gè)燃料電池單元排出燃料氣體的孔。
使如上述結(jié)構(gòu)的燃料電池單元?jiǎng)幼鲿r(shí)，與實(shí)施方式1的燃料電池單元相同，氧化氣體流路內(nèi)的水蒸氣的分壓分布變得均勻。也就是說，第一氧化氣體流路714a的下游流路內(nèi)的水蒸氣在面內(nèi)方向向相對(duì)配置的第二氧化氣體流路714b的上游流路內(nèi)移動(dòng)。同樣，第二氧化氣體流路714b的下游流路內(nèi)的水蒸氣在面內(nèi)方向向相對(duì)配置的第一氧化氣體流路714a的上游流路內(nèi)移動(dòng)。
如上所述，根據(jù)本實(shí)施方式，除了實(shí)施方式1的效果以外，還能夠在燃料電池單元面內(nèi)對(duì)稱地形成氧化氣體流路，從而能夠使氧化氣體流路內(nèi)的水蒸氣的分壓分布更加均勻。因此，能夠更高效率地利用燃料電池單元的整個(gè)面，從而能夠獲得更高的發(fā)電性能和發(fā)電穩(wěn)定性。
而且，根據(jù)本實(shí)施方式，除了實(shí)施方式1的效果以外，還能夠使氧化氣體流路的長(zhǎng)度變短，從而能夠降低氧化氣體供給歧管內(nèi)的反應(yīng)氣體的壓力。因此，能夠降低供給氧化氣體的鼓風(fēng)機(jī)的負(fù)荷，從而能夠更加提高發(fā)電系統(tǒng)整體的發(fā)電效率。
而且，在本實(shí)施方式中，僅說明了空氣極側(cè)的流路結(jié)構(gòu)，但是燃料極側(cè)的流路結(jié)構(gòu)也可以是與空氣極側(cè)的流路結(jié)構(gòu)相同的結(jié)構(gòu)。此時(shí)，在燃料極側(cè)，也能夠使面內(nèi)方向的水分分布的分壓分布更加均勻。
(實(shí)施方式4) 在實(shí)施方式1～3中，示出了反應(yīng)氣體流路的截面面積在上游流路和下游流路相同的例子。在實(shí)施方式4中，示出反應(yīng)氣體流路的截面面積在上游流路與下游流路不同的例子。
實(shí)施方式4的燃料電池是將圖4所示的實(shí)施方式1的燃料電池中的空氣極分離器700替換為空氣極分離器704后所得的燃料電池。因此，對(duì)空氣極分離器704以外的重復(fù)的構(gòu)成要素，賦予相同的標(biāo)號(hào)，并省略其說明。
圖10是本發(fā)明實(shí)施方式4的燃料電池單元的空氣極分離器的空氣極側(cè)的面的正面圖。對(duì)與實(shí)施方式3的空氣極分離器702相同的構(gòu)成要素，賦予相同的標(biāo)號(hào)，并省略重復(fù)之處的說明。
在圖10中，空氣極分離器704包括第一氧化氣體供給歧管710a、第二氧化氣體供給歧管710b、第一氧化氣體排出歧管712a、第二氧化氣體排出歧管712b、第一氧化氣體流路714a、第二氧化氣體流路714b、第一燃料氣體供給歧管730a、第二燃料氣體供給歧管730b、第一燃料氣體排出歧管732a、第二燃料氣體排出歧管732b、冷卻水供給歧管740以及冷卻水排出歧管742。
第一氧化氣體流路714a以及第二氧化氣體流路714b與實(shí)施方式3相同在整體上相對(duì)配置，并且在保持第一氧化氣體流路714a和第二氧化氣體流路714b相鄰的狀態(tài)下形成迂曲狀。進(jìn)而，第一氧化氣體流路714a以及第二氧化氣體流路714b按下游流路的寬度窄于上游流路的寬度的方式形成。也可以使所述寬度從上游流路到下游流路臺(tái)階狀地或逐漸變小。氧化氣體流路(714a和714b)的壁還形成為不具有氧化氣體的透過性。
使如上述結(jié)構(gòu)的燃料電池單元?jiǎng)幼鲿r(shí)，與實(shí)施方式3的燃料電池單元相同，氧化氣體流路714a和714b內(nèi)的水蒸氣的分壓分布變得均勻。此外，由于氧化氣體流路714a和714b的下游流路的截面面積小于上游流路的截面面積，所以能夠抑制隨氧化氣體的消耗所產(chǎn)生的氧化氣體分壓的減少。由此，氧化氣體不在面內(nèi)方向上移動(dòng)，而氧化氣體流路714a和714b內(nèi)的氧化氣體的分壓分布變得均勻。
如上所述，根據(jù)本實(shí)施方式，除了實(shí)施方式1～3的效果以外，還能夠使氧化氣體流路上游流路的氧化氣體分壓低于下游流路的氧化氣體分壓，從而能夠防止上游流路的氧化氣體通過空氣極氣體擴(kuò)散層向下游流路移動(dòng)。由此，能夠?qū)⒎磻?yīng)氣體高效率地提供給空氣極催化層，從而能夠更加提高發(fā)電效率。
另外，在本實(shí)施方式中，通過改變反應(yīng)氣體流路的寬度來調(diào)整反應(yīng)氣體流路的截面面積，但是也可以通過改變流路的深度來調(diào)整氣體流路的截面面積。
而且，在本實(shí)施方式中，僅說明了空氣極側(cè)的流路結(jié)構(gòu)，但是燃料極側(cè)的流路結(jié)構(gòu)也可以是與空氣極側(cè)的流路結(jié)構(gòu)相同的結(jié)構(gòu)。此時(shí)，在燃料極側(cè)也能夠使面內(nèi)方向的水分分布以及燃料氣體的分壓分布更加均勻。
(實(shí)施方式5) 在實(shí)施方式1～4中，示出了連通一對(duì)歧管的反應(yīng)氣體流路的條數(shù)在上游流路和下游流路相同的例子。在實(shí)施方式5中，示出連通一對(duì)歧管的反應(yīng)氣體流路的條數(shù)在上游流路與下游流路不同的例子。
實(shí)施方式5的燃料電池單元是將圖4所示的實(shí)施方式1的燃料電池中的空氣極分離器700替換為空氣極分離器706后所得的燃料電池單元。因此，對(duì)空氣極分離器706以外的重復(fù)的構(gòu)成要素，賦予相同的標(biāo)號(hào)，并省略其說明。
圖11是本發(fā)明實(shí)施方式5的燃料電池的空氣極分離器的空氣極側(cè)的面的正面圖。對(duì)與實(shí)施方式3的空氣極分離器702相同的構(gòu)成要素，賦予相同的標(biāo)號(hào)，并省略重復(fù)之處的說明。
在圖11中，空氣極分離器706包括第一氧化氣體供給歧管710a、第二氧化氣體供給歧管710b、第一氧化氣體排出歧管712a、第二氧化氣體排出歧管712b、第一氧化氣體流路714a、第二氧化氣體流路714b、第一燃料氣體供給歧管730a、第二燃料氣體供給歧管730b、第一燃料氣體排出歧管732a、第二燃料氣體排出歧管732b、冷卻水供給歧管740以及冷卻水排出歧管742。
第一氧化氣體流路714a以及第二氧化氣體流路714b與實(shí)施方式3相同在流路整體上相對(duì)配置，并且在保持第一氧化氣體流路714a和第二氧化氣體流路714b相鄰的狀態(tài)下形成迂曲狀。進(jìn)而，第一氧化氣體流路714a以及第二氧化氣體流路714b按下游流路的流路數(shù)少于上游流路的流路數(shù)的方式形成。氧化氣體流路(714a和714b)的壁還形成為不具有氧化氣體的透過性。
使如上述結(jié)構(gòu)的燃料電池單元?jiǎng)幼鲿r(shí)，與實(shí)施方式4的燃料電池單元相同，氧化氣體流路714a和714b內(nèi)的水蒸氣以及氧化氣體的分壓分布變得均勻。而且，由于流路的寬度和深度在整個(gè)流路是一定的，所以與實(shí)施方式4的燃料電池單元相比，分離器與MEA之間的接觸阻抗在整個(gè)流路均等。
如上所述，根據(jù)本實(shí)施方式，除了實(shí)施方式1～4的效果以外，還能夠使空氣極分離器與MEA之間的接觸性均等，同時(shí)使上游流路的氧化氣體分壓低于下游流路的氧化氣體分壓。由此，能夠抑制由接觸電阻(抵抗)產(chǎn)生的發(fā)熱分布的偏差，從而能夠使發(fā)電反應(yīng)分布更加均勻，并能夠更加提高發(fā)電效率。
另外，在本實(shí)施方式中，在氧化氣體流路的拐彎部減少氧化氣體流路的條數(shù)，但是也可以在氧化氣體流路的直線部減少氧化氣體流路的條數(shù)。
而且，在本實(shí)施方式中，僅說明了空氣極側(cè)的流路結(jié)構(gòu)，但是燃料極側(cè)的流路結(jié)構(gòu)也可以是與空氣極側(cè)的流路結(jié)構(gòu)相同的結(jié)構(gòu)。此時(shí)，在燃料極側(cè)，也能夠使面內(nèi)方向的水分分布以及燃料氣體的分壓分布更加均勻。
(實(shí)施方式6) 實(shí)施方式6示出使空氣極氣體擴(kuò)散基材層的水蒸氣透過性以及反應(yīng)氣體透過性(以下，稱為“水蒸氣等透過性”)低于空氣極碳涂層的水蒸氣等透過性的例子。
實(shí)施方式6的燃料電池單元為，在圖4所示的實(shí)施方式1的燃料電池單元中，使空氣極氣體擴(kuò)散基材層440的水蒸氣等透過性低于空氣極碳涂層430的水蒸氣等透過性后所得的燃料電池單元。因此，對(duì)空氣極氣體基材層440以及空氣極碳涂層430以外的重復(fù)的構(gòu)成要素，省略其說明。
如上所述，空氣極氣體擴(kuò)散基材層440按其水蒸氣等透過性低于空氣極碳涂層430的水蒸氣等透過性的方式形成。為此目的，降低空氣極氣體擴(kuò)散基材層440的水蒸氣等透過性，或提高空氣極碳涂層430的水蒸氣等透過性即可。
降低空氣極氣體擴(kuò)散基材層440的水蒸氣等透過性的方法并無特別限定，例如使由碳纖維形成的細(xì)孔的直徑變小、使空氣極氣體擴(kuò)散基材層440變厚、對(duì)空氣極氣體擴(kuò)散基材層440進(jìn)行防水處理等即可。另一方面，作為提高空氣極碳涂層430的水蒸氣等透過性的方法，使空氣極碳涂層430變薄、對(duì)空氣極碳涂層430進(jìn)行親水處理等即可。
使如上述結(jié)構(gòu)的燃料電池單元?jiǎng)幼鲿r(shí)，防止在空氣極催化層410生成的水蒸氣排出到氧化氣體流路，而使其在碳涂層內(nèi)部在面內(nèi)方向移動(dòng)。
如上所述，根據(jù)本實(shí)施方式，除了實(shí)施方式1的效果以外，還能夠防止在空氣極催化層生成的水變成水蒸氣后排出到氧化氣體流路，從而能夠使催化層以及高分子電解質(zhì)膜保持適當(dāng)?shù)乃?。而且，能夠使滯留在碳涂層?nèi)部的水蒸氣容易在面內(nèi)方向移動(dòng)。由此，能夠使燃料電池單元內(nèi)的水分量更加均勻，從而能夠使發(fā)電反應(yīng)分布更加均勻，并進(jìn)一步提高發(fā)電效率。本實(shí)施方式的燃料電池即使在高溫?zé)o加濕下動(dòng)作，也能夠使催化層以及高分子電解質(zhì)膜均勻地保持適當(dāng)?shù)乃?，所以特別適合高溫?zé)o加濕運(yùn)行的燃料電池。
另外，在本實(shí)施方式中，說明了對(duì)水蒸氣以及氣體雙方的透過性進(jìn)行調(diào)整的例子，但是也可以僅調(diào)整水蒸氣透過性。
而且，在本實(shí)施方式中，說明了在空氣極側(cè)中進(jìn)行調(diào)整的例子，但是在燃料極側(cè)中也可以進(jìn)行相同的調(diào)整。此時(shí)，在燃料極側(cè)中，能夠使催化層以及高分子電解質(zhì)膜保持適當(dāng)?shù)乃郑⑶沂姑鎯?nèi)方向的水分分布更加均勻。
(實(shí)施方式7) 在實(shí)施方式6中，示出了氣體擴(kuò)散基材層由單一層構(gòu)成的例子。在實(shí)施方式7中，示出氣體擴(kuò)散基材層由多個(gè)層構(gòu)成，越是外側(cè)的層，使其水蒸氣透過性以及反應(yīng)氣體透過性(水蒸氣等透過性)越低的例子。
圖12是本發(fā)明的實(shí)施方式7的燃料電池單元的剖面圖。對(duì)與實(shí)施方式1的燃料電池單元相同的構(gòu)成要素，賦予相同的標(biāo)號(hào)，并省略重復(fù)之處的說明。
在圖12中，燃料電池單元包括高分子電解質(zhì)膜200、一對(duì)催化電極(燃料極300和空氣極400)、以及一對(duì)分離器(燃料極分離器600和空氣極分離器700)。燃料極300由位于高分子電解質(zhì)膜200側(cè)的燃料極催化層310和位于燃料極分離器600側(cè)的燃料極氣體擴(kuò)散層320構(gòu)成。同樣，空氣極400由位于高分子電解質(zhì)膜200側(cè)的空氣極催化層410和位于空氣極分離器700側(cè)的空氣極氣體擴(kuò)散層420構(gòu)成。進(jìn)而，從燃料極催化層310側(cè)開始，按燃料極碳涂層330、第一燃料極氣體擴(kuò)散基材層342、第二燃料極氣體擴(kuò)散基材層344以及第三燃料極氣體擴(kuò)散基材層346的順序進(jìn)行層疊而構(gòu)成燃料極氣體擴(kuò)散層320。同樣，從空氣極催化層410側(cè)開始，按空氣極碳涂層430、第一空氣極氣體擴(kuò)散基材層442、第二空氣極氣體擴(kuò)散基材層444以及第三空氣極氣體擴(kuò)散基材層446的順序進(jìn)行層疊而構(gòu)成空氣極氣體擴(kuò)散層420。
構(gòu)成燃料極氣體擴(kuò)散層320的燃料極碳涂層330、第一燃料極氣體擴(kuò)散基材層342、第二燃料極氣體擴(kuò)散基材層344以及第三燃料極氣體擴(kuò)散基材層346分別具有不同的水蒸氣等透過性。最接近于燃料極催化層310的燃料極碳涂層330具有最高的水蒸氣等透過性。此后，越靠近燃料極分離器600，水蒸氣等透過性越低。也就是說，最接近于燃料極分離器600的第三燃料極氣體擴(kuò)散基材層346具有最低的水蒸氣透過性。
同樣，構(gòu)成空氣極氣體擴(kuò)散層420的空氣極碳涂層430、第一空氣極氣體擴(kuò)散基材層442、第二空氣極氣體擴(kuò)散基材層444以及第三空氣極氣體擴(kuò)散基材層446分別具有不同的水蒸氣等透過性。最接近于空氣極催化層410的空氣極碳涂層430具有最高的水蒸氣等透過性。此后，越接近于空氣極分離器700，水蒸氣等透過性越低。也就是說，最接近于空氣極分離器700的第三空氣極氣體擴(kuò)散基材層446具有最低的水蒸氣透過性。
使如上述結(jié)構(gòu)的燃料電池單元?jiǎng)幼鲿r(shí)，防止了在空氣極催化層410生成的水蒸氣排出到反應(yīng)氣體流路，而使其在碳涂層內(nèi)部在面內(nèi)方向移動(dòng)。
如上所述，根據(jù)本實(shí)施方式，除了實(shí)施方式1的效果以外，還能夠防止在空氣極催化層生成的水變成水蒸氣后排出到氧化氣體流路，從而使催化層以及高分子電解質(zhì)膜保持適當(dāng)?shù)乃帧６?，能夠使滯留在碳涂層?nèi)部的水蒸氣在面內(nèi)方向容易移動(dòng)。由此，能夠使燃料電池單元內(nèi)的水分量更加均勻，從而能夠使發(fā)電反應(yīng)分布更加均勻，并進(jìn)一步提高發(fā)電效率。本實(shí)施方式的燃料電池即使在高溫?zé)o加濕下動(dòng)作，也能夠使催化層以及高分子電解質(zhì)膜均勻地保持適當(dāng)?shù)乃?，所以特別適合高溫?zé)o加濕運(yùn)行的燃料電池。
另外，在本實(shí)施方式中，說明了對(duì)水蒸氣以及氣體雙方的透過性進(jìn)行調(diào)整的例子，但是也可以僅調(diào)整水蒸氣透過性。
而且，在本實(shí)施方式中，對(duì)層疊了多個(gè)氣體擴(kuò)散基材層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了說明，也可以在單一的氣體擴(kuò)散基材層中，使水蒸氣透過性以及氣體透過性遞增或遞減。
(實(shí)施方式8) 在實(shí)施方式1～7中，示出了反應(yīng)氣體流路的正向流路與反向流路之間的間隔一定的例子。在實(shí)施方式8中，示出反應(yīng)氣體流路的正向流路與反向流路之間的間隔變化的例子。
實(shí)施方式8的燃料電池單元是將圖4所示的實(shí)施方式1的燃料電池中的空氣極分離器700替換為空氣極分離器902后所得的燃料電池單元。因此，對(duì)空氣極分離器902以外的重復(fù)的構(gòu)成要素，賦予相同的標(biāo)號(hào)，并省略其說明。
圖13是本發(fā)明實(shí)施方式8的燃料電池單元的空氣極分離器的空氣極側(cè)的面的正面圖。對(duì)與實(shí)施方式1的空氣極分離器700相同的構(gòu)成要素，賦予相同的標(biāo)號(hào)，并省略重復(fù)之處的說明。
在圖13中，空氣極分離器902包括氧化氣體供給歧管910、氧化氣體排出歧管912、氧化氣體流路914、燃料氣體供給歧管930、燃料氣體排出歧管932、冷卻水供給歧管740以及冷卻水排出歧管742。
氧化氣體流路914是將從氧化氣體供給歧管910供給的氧化氣體提供給整個(gè)空氣極400的流路，并且形成為迂曲狀。而且，氧化氣體正向流路918以及氧化氣體反向流路920按彼此相對(duì)配置的方式形成。進(jìn)而，使正向流路918與反向流路920之間的間隔，在A部分(氧化氣體供給歧管910以及氧化氣體排出歧管912附近)較大，在B部分(往返流路折回部分916附近)較小。也可以使所述間隔從A部分到B部分臺(tái)階狀地或逐漸變小。而且，優(yōu)選地，在A部分的所述間隔為2.2mm～3.3mm。氧化氣體流路914的壁還形成為不具有氧化氣體的透過性。
使如上述結(jié)構(gòu)的燃料電池單元?jiǎng)幼鲿r(shí)，與實(shí)施方式1的燃料電池單元相同，氧化氣體流路914內(nèi)的水蒸氣的分壓分布變得均勻。而且，由于上游流路與下游流路之間的間隔與往返流路折回部分916的正向流路918與反向流路920之間的間隔相比較大，所以能夠抑制上游流路的氧化氣體通過空氣極擴(kuò)散層而向下游流路移動(dòng)。
如上所述，根據(jù)本實(shí)施方式，能夠?qū)⒎磻?yīng)氣體高效率地提供給空氣極催化層，從而能夠進(jìn)一步提高發(fā)電效率。
而且，在本實(shí)施方式中，僅說明了空氣極側(cè)的流路結(jié)構(gòu)，但是燃料極側(cè)的流路結(jié)構(gòu)也可以是與空氣極側(cè)的流路結(jié)構(gòu)相同的結(jié)構(gòu)。此時(shí)，在燃料極側(cè)，也能夠使面內(nèi)方向的水分分布的分壓分布更加均勻。
以下，對(duì)導(dǎo)出了上游流路與下游流路之間的間隔的實(shí)驗(yàn)例進(jìn)行說明。
(實(shí)驗(yàn)例1) 在本實(shí)驗(yàn)例中，對(duì)使用計(jì)算機(jī)仿真而導(dǎo)出了流路與流路之間的最合適的間隔的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行說明。
使用的程序 在本實(shí)驗(yàn)例中使用的程序?yàn)椋現(xiàn)LUENT社的FLUENT(固體高分子型燃料電池(PEM)模塊)的電化學(xué)子模式(http://www.fluent.co.jp/contents/service/service_12.html)。該程序?yàn)橛糜?，通過設(shè)定各個(gè)參數(shù)來預(yù)測(cè)使該燃料電池單元?jiǎng)幼鲿r(shí)所產(chǎn)生的電壓的程序。
解析條件 在以下的參數(shù)條件下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。
膜厚度30μm 催化劑厚度10μm GDL(氣體擴(kuò)散層)厚度300μm 陰極流路深度1.1mm 陰極流路寬度1.1mm 陽極流路深度1mm 陽極流路寬度1.1mm 單元溫度90℃ 陽極露點(diǎn)溫度65℃ 陰極露點(diǎn)溫度35℃ 電極面積6.1468cm2 氫利用率10％ 氧利用率50～90％ GDL孔隙率0.75 電流密度0.16cm2 表1表示在上述條件下，流路與流路之間的間隔(以下稱為“肋寬度”)以及氧利用率與電壓(mV)之間的關(guān)系。
表1
表2表示肋寬度與接觸電阻以及電阻損耗(電壓降低量)之間的關(guān)系。從表2可知，隨著肋寬度變大，接觸電阻以及電阻損耗也增加了。其理由如下所述。肋寬度變大后，分離器與GDL的接觸面積增大。分離器與GDL的接觸面積增加后，在對(duì)單元施加相同的緊固力的情況下，單位面積的負(fù)荷下降。而且，由于單位面積的負(fù)荷下降，接觸電阻呈指數(shù)級(jí)增加。因此，由于肋寬度增大，接觸電阻增加，阻抗損耗變大。
表2 表3是從表1的結(jié)果中減去表2的電阻損耗后所得的結(jié)果。由于表3考慮到假設(shè)的電阻損耗，所以與表1相比，表示更接近實(shí)際值的數(shù)值。
表3
圖14表示在表3中的氧利用率80％下的肋寬度與電壓之間的關(guān)系的圖。
在圖14的圖中，豎軸表示電壓，橫軸表示肋寬度。在肋寬度從1.1mm至3.3mm為止的區(qū)域中，隨著肋寬度的增大，電壓也增加。電壓在肋寬度為3.3mm時(shí)，具有峰值。肋寬度為4.4mm時(shí)的電壓小于肋寬度為3.3mm時(shí)的電壓以及肋寬度為2.2mm時(shí)的電壓。
根據(jù)以上結(jié)果，可知在上述解析條件下，為了維持較高的電壓，最適合的肋寬度為2.2mm～3.3mm。
(實(shí)驗(yàn)例2) 在本實(shí)驗(yàn)例中使用與實(shí)驗(yàn)例1相同的程序，說明導(dǎo)出了流路與流路之間的最合適的間隔的實(shí)驗(yàn)。在本實(shí)驗(yàn)例中，與實(shí)驗(yàn)例1不同，將GDL厚度的參數(shù)設(shè)為200μm。GDL膜以外的解析條件與實(shí)驗(yàn)例1相同。
表4表示在上述條件下，肋寬度以及氧利用率與電壓(mV)之間的關(guān)系。
表4
表5是從表4的結(jié)果中減去表2的電阻損耗后所得的結(jié)果。由于表5考慮到估計(jì)的電阻損耗，所以與表4相比，表示更接近實(shí)際值的數(shù)值。
表5
圖15表示在表5中的氧利用率80％下的肋寬度與電壓之間的關(guān)系的圖。
在圖15的圖中，豎軸表示電壓，橫軸表示肋寬度。在肋寬度從1.1mm至2.2mm為止的區(qū)域中，隨著肋寬度的增大，電壓也增加。電壓在肋寬度為2.2mm時(shí)，具有峰值。在肋寬度從2.2mm至4.4mm為止的區(qū)域中，隨著肋寬度的增大，電壓減少。肋寬度為4.4mm時(shí)的電壓明顯小于肋寬度為2.2mm時(shí)的電壓以及肋寬度為3.3mm時(shí)的電壓。
根據(jù)以上結(jié)果，可知在上述解析條件下，為了維持較高的電壓，最適合的肋寬度為2.2mm～3.3mm。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)例1以及實(shí)驗(yàn)例2的結(jié)果，可知，在GDL厚度為200μm～300μm、流路寬度為1.1mm、流路深度為1.1mm的情況下，在肋寬度為2.2mm～3.3mm時(shí)，即肋寬度為流路寬度的2倍到3倍時(shí)，燃料電池單元能夠進(jìn)行最有效率的發(fā)電。
本申請(qǐng)主張基于2006年6月21日提交的(日本)特愿2006-171995的優(yōu)先權(quán)。該申請(qǐng)說明書中所記載內(nèi)容全部被本申請(qǐng)引用。
工業(yè)上的可利用性 本發(fā)明的燃料電池單元以及燃料電池單元堆棧，在高溫低加濕或高溫?zé)o加濕運(yùn)行的固體高分子型燃料電池等中是有用的。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，包括
高分子電解質(zhì)膜；
膜電極組件，具有夾持所述高分子電解質(zhì)膜的一對(duì)催化電極；以及
分離器，具有用于將燃料氣體或氧化氣體提供給所述膜電極組件的氣體流路、與氣體供給歧管連通的所述氣體流路的入口、以及與氣體排出歧管連通的所述氣體流路的出口，
所述氣體流路形成為迂曲狀或渦旋狀，
所述氣體流路的所述入口附近的上游流路與所述氣體流路的所述出口附近的下游流路相鄰，流經(jīng)所述上游流路的所述氣體的流向與流經(jīng)所述下游流路的所述氣體的流向相反，
所述氣體流路的壁不具有使所述燃料氣體或氧化氣體透過的透過性，
所述上游流路的截面面積大于所述下游流路的截面面積。
2.一種燃料電池，包括
高分子電解質(zhì)膜；
膜電極組件，具有夾持所述高分子電解質(zhì)膜的一對(duì)催化電極；以及
分離器，具有用于將燃料氣體或氧化氣體提供給所述膜電極組件的氣體流路、與氣體供給歧管連通的所述氣體流路的入口、以及與氣體排出歧管連通的所述氣體流路的出口，
所述氣體流路形成為迂曲狀或渦旋狀，
所述氣體流路的所述入口附近的上游流路與所述氣體流路的所述出口附近的下游流路相鄰，流經(jīng)所述上游流路的所述氣體的流向與流經(jīng)所述下游流路的所述氣體的流向相反，
所述氣體流路的壁不具有使所述燃料氣體或氧化氣體透過的透過性，
所述氣體流路中、所述上游流路的流路數(shù)多于所述下游流路的流路數(shù)。
3.一種燃料電池，包括
高分子電解質(zhì)膜；
膜電極組件，具有夾持所述高分子電解質(zhì)膜的一對(duì)催化電極；以及
分離器，具有用于將燃料氣體或氧化氣體提供給所述膜電極組件的氣體流路、與氣體供給歧管連通的所述氣體流路的入口、以及與氣體排出歧管連通的所述氣體流路的出口，
所述氣體流路是形成為迂曲狀或渦旋狀的往返流路，
所述氣體流路的所述入口附近的上游流路與所述氣體流路的所述出口附近的下游流路相鄰，流經(jīng)包含所述上游流路的正向流路的所述氣體的流向與流經(jīng)包含所述下游流路的反向流路的所述氣體的流向相反，
所述氣體流路的壁不具有使所述燃料氣體或氧化氣體透過的透過性，
所述氣體流路的上游流路與相鄰且流向相反的下游流路之間的間隔大于正向流路與反向流路在往返流路折回部分的間隔。
全文摘要
本發(fā)明提供能夠使高分子電解質(zhì)的面內(nèi)方向的水分分布均勻且將反應(yīng)氣體高效率地提供給空氣極催化層的燃料電池。本發(fā)明的燃料電池包括高分子電解質(zhì)膜、一對(duì)催化電極以及一對(duì)金屬分離器?？諝鈽O分離器(700)具有用于將氧化氣體提供給催化電極的氧化氣體流路(714)。氧化氣體流路(714)按氧化氣體供給歧管(710)附近的流路與氧化氣體排出歧管(712)附近的流路在同一面內(nèi)相鄰的方式而形成，且形成為迂曲狀或渦旋狀。
文檔編號(hào)H01M8/10GK101728552SQ20091025929
公開日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2007年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月21日
發(fā)明者中川貴嗣, 寺西正俊 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社