CN1574435A - 高分子电解质型燃料电池 - Google Patents

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Abstract

高分子电解质型燃料电池具备：具有包含氢离子导电性的高分子电解质膜和夹着该高分子电解质膜的阳极和阴极的MEA、在该MEA的一侧配置，并使正面与阳极接触，正面上形成燃料气体流动的燃料气体流路的阳极侧隔离板、以及在MEA的另一侧配置，并使正面与阴极接触，正面上形成氧化剂气体流动的氧化剂气体流路的阴极侧隔离板的单电池、多个单电池堆叠成的电池组、以及在电池组的至少规定的电池的阳极侧隔离板和阴极侧隔离板的至少任一方的背面上形成的冷却水流通的冷却水流路，燃料气体、氧化剂气体、以及冷却水分别在燃料气体流路、氧化剂气体流路、以及冷却水流路中不与重力逆向地流动。

Description

高分子电解质型燃料电池
技术领域
本发明涉及便携式电源、电动汽车用电源、家庭内热电同时供给系统等使用的燃料电池，特别是使用高分子电解质的高分子电解质型燃料电池。
背景技术
使用高分子电解质的燃料电池是使含有氢的燃料气体与空气等含有氧的氧化剂气体进行电化反应以同时生成热和电的电池。这种燃料电池基本上由选择性地输送氢离子的高分子电解质膜和在高分子电解质膜的两面上形成的一对电极、即阳极和阴极构成。所述电极由以承载铂族金属催化剂的碳粉为主成分，在高分子电解质膜的表面形成的催化剂层、以及在催化剂层的外表面形成的兼有通气性和电子导电性的气体扩散层构成。
使提供给电极的燃料气体和氧化剂气体不向外泄漏，不使两种气体互相混合地在高分子电解质膜的边缘部以外的部分的两面上分别形成电极，在高分子电解质膜的边缘部配置气体密封材料或气体密封垫，使其包围着各电极。这些气体密封材料或密封垫，以电极和高分子电解质膜形成一体预先组装。并且将其称为MEA(电解质膜电极接合体)。在MEA的两侧配置将MEA机械固定同时将相邻的MEA相互电气串联连接用的导电性隔离板。在隔离板的与MEA接触的部分形成向电极面提供反应气体，将生成的水和剩余气体运走用的气体流路。气体流路可以与隔离板分开设置，但是通常是在隔离板的表面设槽作为气体流路。
向该气体流路提供反应气体和从气体流路排除反应气体及生成的水，利用这样的方法进行，即在隔离板上设置称为集流孔的贯通孔，使气体流路的出入口与该集流孔连通，从该集流孔向各气体流路分配反应气体。燃料电池由于在工作中发热，为了使电池维持于良好的温度状态，有必要采用冷却水冷却。通常每1～3个单电池设置一个流通冷却水的冷却部。将这些MEA、隔离板、以及冷却部相互重叠起来，10～200个单电池叠层后，隔着集电板和绝缘板，用端板将其夹紧，再用紧固杆从两端加以固定，从而形成通常的叠层电池结构。
这种电池的高分子电解质膜，向来通常采用全氟磺酸系材料。这种高分子电解质膜在含水状态下发现有离子传导性，因此通常有必要将燃料气体和氧化剂气体加湿提供给电池。又，在阴极侧由于反应生成水，如果提供加湿到露点高于工作温度的气体，则发生电池内部的气体流路和电极内部结露，聚集水分等现象，因此产生电池失去稳定性或性能下降的问题。通常把这样的湿度过大引起的电池性能的下降和工作不稳定的现象称为溢流现象。另一方面，在将燃料电池形成发电系统的情况下，有必要实现包括提供的气体加湿等的系统化。为了简化这种系统，提高系统的效率，最好是稍微降低提供的加湿气体的露点。
这样，从溢流现象的防止、系统效率的提高、系统简化等的观点出发，提供的气体通常是加湿到比电池温度较低的露点提供。
但是，为了实现电池的高性能化，有必要提高高分子电解质膜的离子传导度，为此最好是使提供的气体有接近100％的相对湿度或100％以上的相对湿度。又连接到，从高分子电解质膜的耐久性的观点看来，也最好是对提供的气体加以高湿度。但是提供接近100％的相对湿度的气体的情况下，存在发生上述溢流现象的问题。也就是说，不能够通过调整所提供的气体的湿度的方法适当防止溢流现象的发生。
另一方面已经知道，为了避免溢流现象，提高供应的气体在隔离板的流路部分的流速，以吹散结露的水分的方法是有效的方法。但是，为了提高供应的气体的流速，有必要提高供气压力，在系统化的情况下，必须大大增加鼓风机或空压机等的辅助动力，因此会导致系统的效率变差。而且，一旦在阳极侧发生溢流现象，会导致燃料气体缺乏，这对于电池是致命伤。因为在燃料气体不足的状态下强行取得负荷电流，则在没有燃料的状态下为了形成电子和质子，承载阳极催化剂的碳与周围气氛中的水起反应。结果造成催化剂层的碳的溶出，阳极的催化剂层受到破坏。
又，在搭载叠层电池的系统中，考虑到商品的性能，不仅使电池在额定输出的条件下运行，而且能够根据电力需要，抑制输出进行低负荷运行也是不可缺少的。在低负荷运行时，为了维持效率，有必要维持在使燃料气体和氧化剂气体的利用率与额定运行相同的条件下。也就是说，与额定运行的情况相比，负荷抑制例如1/2的情况下，如果燃料气体和氧化剂气体的流量不能够减少到1/2左右，使用过多的燃料气体和氧化剂气体，发电效率就低。但是，如果维持气体利用率于一定的水平进行低负荷运行，则气体流路内的气体流速下降，凝聚的水和生成的水不能够排除到隔离板外，发生上面所述的溢流现象，就发生电池性能下降或不稳定的问题。
又已经了解到，如果在气体流路中存在逆重力方向流动的部分，凝集的水和生成的水在该部分滞留，就更容易这样的溢流现象。作为其对策，日本专利特开平11-233126号公报和特开2001-068131号公报提出了使氧化剂气体或燃料气体向不与重力逆向的方向流动的方法。采用这样的方法，使氧化剂气体或燃料气体向不与重力逆向的方向流动，以此使凝聚的水和生成的水能够顺利排出，能够抑制溢流现象的发生。
但是，通常氧化剂气体和燃料气体从电池(cell)入口向出口越往下游气体量越减少，生成的水越增加，因此相对湿度上升。而且，在相对湿度超过100％的情况下，凝集的水的分量增加。相比之下，冷却水在进入电池的入口部温度最低，越向出口部温度越高。如上面也叙述过那样，对电池提供的气体有必要以相对湿度接近100％的加湿状态提供。通常，这种冷却水流向隔离板的流动反应气体的主面的相反侧的主面，以此通过隔离板对发热的电极部进行冷却。在这里，如果使冷却水与反应气体反向流动，则相对于高温的冷却水有必要提供加湿到相对湿度100％的反应气体。又，该提供的大量加湿水在冷却水温度低的反应气体下游部分全部形成凝集水，因此水堵塞等引起的溢流现象容易发生。而且，在实际使用的热电同时供给系统中使用冷却水对供给的气体进行加湿的情况下，使加湿温度上升到与冷却水的出口温度相同的温度是不可能的。其结果是反应气体不能以100％的相对湿度提供，因此在气体入口部高分子电解质膜发干，产生耐用性变差的问题。
而且如果将该冷却水从重力方向的上侧提供给叠层电池组，使其向下方流，则冷却水在重力作用下从冷却水的入口集流孔向各冷却水流入分叉，因此接近通向冷却水的集流孔的入口配管的一侧的电池越多则流过冷却水越多，冷却水的分配不均。特别是在部分负荷运行时，发电反应引起的发热量小，因此电池的温度要维持一定就必须限制冷却水的流量，因此使冷却水的分配更加不均匀。
发明内容
本发明是为解决上述问题而作出的。为了实现上述目的，本发明的高分子电解质型燃料电池具备：具有包含氢离子导电性的高分子电解质膜、和夹着所述高分子电解质膜的阳极和阴极的MEA、在所述MEA的一侧配置，使正面与所述阳极接触，所述正面形成燃料气体流动的燃料气体流路的阳极侧隔离板、以及在所述MEA的另一侧配置，使正面与所述阴极接触，所述正面形成氧化剂气体流动的氧化剂气体流路的阴极侧隔离板的单电池、多个所述单电池堆叠成的电池组、以及在所述电池组的至少规定的电池的所述阳极侧隔离板和阴极侧隔离板的至少任一方的背面上形成的冷却水流通的冷却水流路；所述燃料气体、所述氧化剂气体、以及所述冷却水分别在所述燃料气体流路、所述氧化剂气体流路、以及所述冷却水流路中不与重力逆向地流动。还有，燃料气体、氧化剂气体、以及冷却水在集流部分也可以与重力逆向地流动。
所述燃料气体流路、所述氧化剂气体流路以及所述冷却水流路也可以分别向下游水平或成下降梯度地形成。
所述燃料气体流路、所述氧化剂气体流路以及所述冷却水流路中的至少某一流路也可以实质上用水平部分和垂直部分构成。
在所述阴极侧隔离板上，所述氧化剂气体流路的上游部也可以位于所述冷却水流路入口的近旁。
在所述阳极侧隔离板上，所述燃料气体流路的上游部也可以位于所述冷却水流路入口的近旁。
在所述阴极侧隔离板上，从厚度方向看，所述冷却水流路和所述氧化剂气体流路也可以大致在整体上重合形成。
也可以形成这样的结构，即在所述阳极侧隔离板或所述阴极侧隔离板上，向所述冷却水流路提供冷却水的入口集流孔在厚度方向上贯通所述隔离板，并且具有由相对的内圆周面的局部接近部构成的节流部，位于这样设置的所述节流部的一侧的第1部分与冷却水供给配管连通，位于所述节流部的另一侧的第2部分与所述冷却水流路连通。
也可以形成这样的结构，即在所述阳极侧隔离板或所述阴极侧隔离板上，向所述冷却水流路提供冷却水的入口集流孔，在厚度方向上贯通所述隔离板，并且在内圆周的下部具有在圆周方向上的阶梯，位于所述阶梯之下的第1部分与冷却水供给配管连通，位于所述阶梯之上的第2部分与所述冷却水流路连通。
本发明的上述目的、其他目的、特征、以及优点在参照附图对下述最佳实施形态进行说明时将更加清楚。
附图说明
图1是使用于本发明实施形态1的燃料电池的阴极侧隔离板的正视图。
图2是使用于本发明实施形态1的燃料电池的阴极侧隔离板的背面图。
图3是使用于本发明实施形态1的燃料电池的阳极侧隔离板的正视图。
图4是使用于本发明实施形态1的燃料电池的阳极侧隔离板的背面图。
图5是使用于本发明实施形态2的燃料电池的阳极侧隔离板的背面图。
图6是使用于本发明实施形态3的燃料电池的阳极侧隔离板的背面图。
图7是本发明实施例1及比较例1的燃料电池的电流-电压特性图。
图8是本发明实施例1及实施例2的燃料电池的电池编号和电池电压的关系图。
图9是本发明实施例1及实施例2的燃料电池的耐久试验后的电池编号和电池电压的关系图。
图10是本发明实施例2及实施例3的燃料电池的电池编号和电池电压的关系图。
图11是本发明实施例2及实施例3的燃料电池的耐久试验后的电池编号和电池电压的关系图。
图12是本发明实施形态1的高分子电解质型燃料电池的概略结构立体图。
图13是图12的XIII-XIII平面的剖面图。
其中
1为电池组；101为电池叠层体；2为单电池；3A为第一端板；3B为第二端板；
4为氧化剂气体供给集流孔；5为燃料气体供给集流孔；6为燃料气体排出集流孔；7为氧化剂气体排出集流孔；8为冷却水供给集流孔；9为冷却水排出集流孔；
10为阴极隔离板；11为氧化剂气体入口集流孔；12为燃料气体入口集流孔；13为氧化剂气体出口集流孔；14为燃料气体出口集流孔；15为冷却水入口集流孔；16为冷却水出口集流孔；17为氧化剂气体流路；17a为氧化剂气体流路的水平部；17b为氧化剂气体流路的垂直部；19为冷却水流路；19a为冷却水流路的水平部；19b为冷却水流路的垂直部；
20为阳极隔离板；21为氧化剂气体入口集流孔；22为燃料气体入口集流孔；23为氧化剂气体出口集流孔；24为燃料气体出口集流孔；25为冷却水入口集流孔；26为冷却水出口集流孔；28为燃料气体流路；28a为燃料气体流路的水平部；28b为燃料气体流路的垂直部；29为冷却水流路；29a为冷却水流路的水平部；29b为冷却水流路的垂直部；
30为冷却水供给配管；31为冷却水排出配管；
41为高分子电解质膜；42A为阴极；42B为阳极；43为MEA；46为密封垫；47为O形环；
51为氧化剂气体供给配管；52为氧化剂气体排出配管；53为燃料气体供给配管；54为燃料气体排出配管；
20A为阳极侧隔离板；25A为冷却水入口集流孔；31a为冷却水入口集流孔第1部分；31b为冷却水入口集流孔第2部分；32为节流部；
20B为阳极侧隔离板；25B为冷却水入口集流孔；41a为冷却水入口集流孔的第1部分；41b为冷却水入口集流孔的第2部分；47c为阶梯。
具体实施方式
发明概念
首先对本发明的概念进行说明。本发明人发现，使燃料气体、氧化剂气体、以及冷却水在与电极延伸面平行的面内的流动不与重力逆向，以促进凝集水的顺利排出，提高对溢流现象的耐受能力，并抑制在气体入口部的发生的电解质膜发干的现象，能够提高燃料电池的耐用性。本发明的第1方案是基于这一见解而作出的。
又，采用本发明的第2方案，通过在冷却水入口集流孔上设置节流部或阶梯，可以确保冷却水的分配。
为了提高燃料电池发电系统的商品性能，最好是能够根据电力需求改变燃料电池的负荷而又不降低发电效率。为此，有必要在相对于额定输出使负荷增加的情况下，使与其相抵的流量增大燃料气体和氧化剂气体的流量进行运行，在相对于额定输出使负荷减少的情况下，使与其相抵的流量减少燃料气体和氧化剂气体的流量进行运行。通常，燃料电池上使用的导电性隔离板上设置的气体流量设计得能够在额定输出中实现最佳气体流速。从而在使电力负荷增大的情况下，随着气体流量的增大，流路的气体流速增大，在使电力负荷减少的情况下，随着气体流量的减少，流路的气体流速减少。在流路的气体流速增大的情况下，提供的气体的压力损失增大，因此虽然发电效率由于辅助动力的增大而有一些下降，可是由于流路的气体流速增大，隔离板的气体流路内的结露水和生成水当然能够高效率地去除，不会发生溢流现象。
但是，在使电力负荷减少的情况下，随着气体流量的减少流路的气体流速也减少。在流路的气体流速减少的情况下，由于气体流速的减少情况，隔离板的气体流路内的结露水和生成水难以高效率地去除，将发生溢流现象。这时，尽管电力负荷减少，如果不使供应的气体的流量减少，则辅助动力相对于发电输出的比例变得比较大，整个发电系统的发电效率下降。又，为了将这时的燃料电池的温度维持于一定值，有必要使冷却水的流量随着电力负荷的增减而变化，特别是在低负荷时对冷却水的流量进行节流调节时，冷却水的均匀分配受到损害。
本发明使氧化剂气体流路、燃料气体流路以及冷却水流路的全部流动在不与重力逆向的方向上流动，以此促进凝集水的顺利排出，以防止溢流现象的发生，并且消除气体入口部发生的电解质膜发干的现象，提高耐用性。例如在最高负荷发电输出与最低负荷发电输出的比为4∶1的情况下，如果使气体的利用率为一定，使气体量减少，则流速为1/4。在已有的隔离板中，一旦气体流速下降，凝集水不能逆重力排出，发生溢流现象。与此相反，在本发明中发现，由于氧化剂气体和燃料气体通常不与重力方向逆向流动，凝集水能够顺利排出不发生溢流现象。又发现，从隔离板的厚度方向看来，利用使相对湿度最低的气体入口部与冷却水的入口部一致的方法，可以消除电解质膜发干的现象，可以提高耐用性。
而且了解到，通过在冷却水入口集流孔上设置节流阀，在将提供给电池组的冷却水分配给电池组内的多条冷却水流路时，可以使冷却水分配得更均匀。还有，使从冷却水入口集流孔将冷却水分配到各流路用的各流路的入口位置在重力方向上处于比向冷却水入口集流孔提供冷却水的位置高的位置，这样，即使是在对冷却水的流量进行节流的情况下，也能确保均匀分配，能够更加稳定地运行。
下面参照附图对本发明的实施形态进行说明。
实施形态1
图12是本发明实施形态1的高分子电解质型燃料电池(以下简称燃料电池)的概略结构立体图。图13是图12的XIII-XIII平面的剖面图。
在图12中将燃料电池的上下方向作为图中的上下方向表示。而且这对于下述图1～图6也相同。
如图12所示，本实施形态的燃料电池具有的电池组1。
电池组1具备：具有板状的整体形状的单电池2在其厚度方向上叠层形成的电池叠层体101、配置在电池叠层体101的两端的第1和第2端板3A、3B、以及将电池叠层体101和第1及第2端板3A、3B在单电池2的叠层方向上加以连接的未图示的连接构件。又在第1和第2端板3A、3B上分别配置集电端子(未图示)。
板状的单电池2在垂直面上平行延伸，从而单电池2的叠层方向为水平方向。
电池叠层体101的一个侧部(以下称为第1侧部)的上部，形成氧化剂气体供给集流孔4，使其在叠层方向上贯通该电池叠层体101。氧化剂气体供给集流孔4的一端，与第1端板3A上形成的贯通孔连通，该贯通孔上连接氧化剂气体供给配管51。氧化剂气体供给集流孔4的另一端利用第2端板3B封闭。又，在电池叠层体101的另一侧部(以下称为第2侧部)的下部形成氧化剂气体排出集流孔7，使其在叠层方向上贯通该电池叠层体101。氧化剂气体排出集流孔7的一端利用第1端板3A封闭。氧化剂气体排出集流孔7的另一端与第2端板3B上形成的贯通孔连通，该贯通孔上连接氧化剂气体排出配管52。
在电池叠层体101的第2侧部的上部，形成燃料气体供给集流孔5，使其在叠层方向上贯通该电池叠层体101。燃料气体供给集流孔5的一端与第1端板3A上形成的贯通孔连通，该贯通孔上连接燃料气体供给配管53。燃料气体供给集流孔5的另一端利用第2端板3B封闭。又，在电池叠层体101的第1侧部的下部，形成燃料气体排出集流孔6，并使其在叠层方向上贯通该电池叠层体101。燃料气体排出集流孔6的一端，利用第1端板3A封闭。燃料气体供给集流孔5的另一端与第2端板3B上形成的贯通孔连通，该贯通孔上连接燃料气体排出配管54。
氧化剂气体供给集流孔4的上部内侧，形成冷却水供给集流孔8，使其在叠层方向上贯通电池叠层体101。冷却水供给集流孔8的一端，与第1端板3A上形成的贯通孔连通，该贯通孔上连接冷却水供给配管30。冷却水供给集流孔8的另一端，利用第2端板3B封闭。又，氧化剂气体排出集流孔7的下部内侧，形成冷却水排出集流孔9，使其在叠层方向上贯通电池叠层体101。冷却水排出集流孔9的一端，利用第1端板3A封闭。冷却水排出集流孔9的另一端，与第2端板3B上形成的贯通孔连通，该贯通孔上连接冷却水排出配管31。冷却水供给集流孔8和冷却水排出集流孔9，在这里具有在水平方向上长的长孔形状(矩形的相对的直线状的两边置换为半圆形的两边的形状)的剖面。
如图13所示，单电池2由板状的MEA43、配置为与MEA43的两主面接触的阴极侧隔离板10和阳极侧隔离板20构成。而且将单电池2叠层，在相邻的单电池2，使一单电池2的阴极侧隔离板10的背面与另一单电池2的阳极侧隔离板20的背面相接触。MEA43、阴极侧隔离板10和阳极侧隔离板20形成大小相同的形状(在这里为矩形)。而且在MEA43、阴极侧隔离板10和阳极侧隔离板20上，在相互对应的规定处所分别形成在厚度方向上贯通这些构件的氧化剂入口集流孔、氧化剂出口集流孔、燃料入口集流孔、燃料出口集流孔、冷却水入口集流孔、以及冷却水出口集流孔，分别连接全部单电池2中的MEA43、阴极侧隔离板10和阳极侧隔离板20的氧化剂入口集流孔、氧化剂出口集流孔、燃料入口集流孔、燃料出口集流孔、冷却水入口集流孔、以及冷却水出口集流孔，分别形成氧化剂供给集流孔4、氧化剂排出集流孔7、燃料供给集流孔5、燃料排出集流孔6、冷却水供给集流孔8、以及冷却水排出集流孔9。
阴极侧隔离板10的正面和背面分别形成氧化剂气体流路17和冷却水流路19。氧化剂气体流路17如下所述，是将氧化剂气体入口集流孔与氧化剂气体出口集流孔相连而构成的，冷却水流路19如下所述是将冷却水的入口集流孔与冷却水的出口集流孔相连构成的。而且阴极侧隔离板10配置为正面与MEA43接触。
阳极侧隔离板20的正面和背面上分别形成燃料气体流路28和冷却水流路29。燃料气体流路19如下所述是将燃料气体入口集流孔与燃料气体出口集流孔相连构成的，冷却水流路29如下所述是将冷却水的入口集流孔与冷却水的出口集流孔相连构成的。而且阳极侧隔离板20配置为正面与MEA43接触。
各流路17、19、28、29由形成于阴极侧隔离板10或阳极侧隔离板20的主面上的槽构成。又，各流路17、19、28、29在图13中分别由两条流路构成，但是也可以用多条流路构成。
又，相邻的阴极侧隔离板10的冷却水流路19和阳极侧隔离板20的冷却水流路29是单电池2叠层时相互接合形成的，两者构成一个冷却水流路。
又，阴极侧隔离板10的背面和阳极侧隔离板20的背面上，分别围着冷却水的入口集流孔与出口集流孔以及冷却水流路、氧化剂入口集流孔、氧化剂出口集流孔、燃料入口集流孔、燃料出口集流孔，形成O形环收容槽，该槽中分别配置O形环47。以此将上述集流孔等相互密封。
MEA43具有高分子电解质膜41、阴极42A、阳极42B、以及一对密封垫46。而且在高分子电解质膜41的边缘以外的部分的两个面上分别形成阴极42A和阳极42B，高分子电解质膜41的边缘的两个面上分别包围着阴极42A和阳极42B配置着密封垫46。一对密封垫46、阴极42A、阳极42B、以及高分子电解质膜41相互形成一体。
又，阴极42A、阳极42B、阴极侧隔离板10的氧化剂气体流路17的形成区域以及冷却水流路19的形成区域、阳极侧隔离板20的燃料气体流路28的形成区域以及冷却水流路29的形成区域，从单电池2的叠层方向上看来，相互实质上全部重叠配置。
下面对阴极侧隔离板和阳极侧隔离板进行详细说明。
图1是阴极侧隔离板的正面图、图2是其背面图，图3是阳极侧隔离板的正面图，图4是其背面图。
如图1所示，阴极侧隔离板10具有氧化剂气体入口集流孔11和出口集流孔13、燃料气体入口集流孔12和出口集流孔14以及冷却水入口集流孔15及出口集流孔16。隔离板10还在与阴极相对的面上具有连接集流孔11和13的气体流路17，背面上具有连接冷却水集流孔15和16的流路19。
在图1中，氧化剂气体入口集流孔11设置于隔离板10的一个侧部(图中的左侧部，以下称为“第1侧部”)的上部，出口集流孔13设置于隔离板10的另一个侧部(图中的右侧部，以下称为“第2侧部”)的下部。燃料气体的入口集流孔12设置于隔离板10的第2侧部的上部，出口集流孔14设置于隔离板10的第1侧部的下部。冷却水的入口集流孔15设置于氧化剂气体的入口集流孔11的上部内侧，出口集流孔16设置于氧化剂气体的出口集流孔13的下部内侧。冷却水集流孔15、16形成水平方向上长的长孔形状。
氧化剂气体流路17在本实施形态中由两条流路构成。当然也可以用任意数目的流路构成。各流路实质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构成。具体地说，氧化剂气体流路17的各流路从氧化剂气体的入口集流孔11的上部水平延伸到隔离板10的第2侧部，从该处开始向下方延伸某一距离，然后从该处理水平延伸到隔离板10的第1侧部，从该处开始向下方延伸某一距离。然后，从该处两次重复上述延伸图形，再从该到达点开始水平延伸到氧化剂气体的出口的集流孔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，氧化剂气体流路17中，氧化剂气体交替通过水平部17a和垂直部17b地蜿蜒蛇行，不与重力逆向地流动，其结果是，能够抑制溢流现象的发生。
还有，各流路在这里由水平部17a和垂直部17b构成，但是只要是向着气体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构成，则能够以高密度形成氧化剂气体流路17。
在图2中，冷却水流路19由两条流路构成。各流路实质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构成。具体地说，冷却水流路19的各条流路，从冷却水入口集流孔15的，接近氧化剂气体入口集流孔11的一端部开始向下方延伸某一距离，此后水平延伸到隔离板10的第2侧部(图中的左侧部)，然后由此向着下方延伸某一距离，再从此处开始水平延伸到第1侧部(图中的右侧部)。然后，从此处开始2次半重复上述延伸的形状，从其到达点至冷却水的出口集流孔16的，接近氧化剂气体出口集流孔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，在冷却水流路19，使得冷却水交替通过水平部19a和垂直部19b地蜿蜒蛇行，不与重力逆向地流动。
这样，在这里重要的是下述要点。也就是冷却水的入口集流孔15与氧化剂气体的入口集流孔11靠近配置，冷却水的出口集流孔16与氧化剂气体的出口集流孔13靠近配置，并且从隔离板10的厚度方向看来，冷却水流路19和氧化剂气体流路17实质上重叠形成，其结果是，冷却水与氧化剂气体夹着隔离板10实质上在相同的方向上流动。利用这样的结构，从隔离板10的厚度方向看来，相对湿度最低的氧化剂气体入口部分与冷却水的入口部分大致一致，因此能够消除高分子电解质膜发干的情况，从而能够提高高分子电解质膜的耐用性。
还有，在这里各流路实质上由水平部19a和垂直部19b构成。但是只要是向着冷却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构成各流路，则能够以高密度形成冷却水流路19。
阳极侧隔离板20具有氧化剂气体入口集流孔21和出口集流孔23、燃料气体入口集流孔22和出口集流孔24、以及冷却水入口集流孔25和出口集流孔26。隔离板20还在与阳极相对的面上具有将集流孔22与24加以连接的气体流路28，在背面上具有将冷却水集流孔25与26加以连接的流路29。
在图3中，氧化剂气体入口集流孔21设置于隔离板20的一个侧部(图中的右侧部，以下称为“第1侧部”)的上部，出口集流孔23设置于隔离板20的另一个侧部(图中的左侧部，以下称为“第2侧部”)的下部。燃料气体的入口集流孔22设置于隔离板20的第2侧部的上部，出口集流孔24设置于隔离板20的第1侧部的下部。冷却水的入口集流孔25设置于氧化剂气体的入口集流孔21的上部内侧，出口集流孔26设置于氧化剂气体的出口集流孔23的下部内侧。冷却水集流孔25、26形成水平方向上长的长孔形状。
燃料气体流路28在本实施形态中由两条流路构成。各流路实质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构成。具体地说，燃料气体流路28的各流路从燃料气体入口集流孔22的上部开始水平延伸到隔离板20的第1侧部，从该处开始向下方延伸某一距离，然后从该处理水平延伸到隔离板20的第2侧部，从该处开始向下方延伸某一距离。然后，从该处两次重复上述延伸图形，再从该到达点开始水平延伸到燃料气体的出口的集流孔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，燃料气体流路28中，燃料气体交替通过水平部28a和垂直部28b地蜿蜒蛇行，不与重力逆向地流动，其结果是，能够抑制溢流现象的发生。
还有，各流路在这里实质上由水平部28a和垂直部28b构成，但是只要是向着气体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构成各流路，则能够以高密度形成燃料气体流路28。
在图4中，冷却水流路29与形成于图2的阴极侧隔离板10的背面的冷却水流路19形成于图的左右相反。也就是说，各流路实质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构成。具体地说，冷却水流路29的各条流路，从冷却水入口集流孔25的，接近氧化剂气体入口集流孔21的一端部开始向下方延伸某一距离，此后水平延伸到隔离板20的第2侧部(图中的右侧部)，然后由此向着下方延伸某一距离，再从此处开始水平延伸到第1侧部(图中的左侧部)。然后，从此处开始2次半重复上述延伸的形状，从其到达点至冷却水的出口集流孔26的，接近氧化剂气体出口集流孔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，在冷却水流路29，使得冷却水交替通过水平部29a和垂直部29b地蜿蜒蛇行，不与重力逆向地流动。
这样，在这里重要的是下述要点。也就是冷却水的入口集流孔25与燃料气体的入口集流孔22一起配置于隔离板20上部，冷却水的出口集流孔26与燃料气体的出口集流孔24一起配置于隔离板20下部，并且从隔离板20的厚度方向看来，冷却水流路29和燃料气体流路28实质上重叠形成，其结果是，虽然水与氧化剂气体在水平方向上夹着隔离板20在相反的方向上流动，但是，在垂直方向上，作为整体都一起从上向下在相同的方向上流动。采用这样的结构，相对湿度最低的燃料气体流路28的上游部分位于在隔离板20的垂直方向上设置冷却水的入口部分，温度最低的上部，因此有助于消除高分子电解质膜发干的情况，从而能够有助于提高高分子电解质膜的耐用性。
还有，在这里各流路实质上由水平部29a和垂直部29b构成。但是只要是向着冷却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构成各流路，则能够以高密度形成冷却水流路29。
如已经说明的那样，由上述阴极侧隔离板10和阳极侧隔离板20夹着MEA以构成单电池。从而，在相邻的单电池之间，阴极侧隔离板10和阳极侧隔离板20与这些冷却水流路19、29相对配置构成冷却部。在对每一电池设置冷却部的情况下，适于使用一个面作为阴极侧隔离板，另一面作为阳极侧隔离板起作用的单一隔离板代替如上所述的复合隔离板。
下面对如上所述构成的燃料电池的燃料气体、氧化剂气体、(阳极)冷却水的流通动作进行说明。
在图1～图6、图12和图14中，燃料气体通过燃料气体供给配管53向电池组1的燃料气体供给集流孔5提供。该提供的燃料气体从燃料气体供给集流孔5流入各单电池2的入口集流孔22，通过燃料气体流路28。然后，在其间通过阳极、高分子电解质膜、以及阴极与氧化剂气体反应消耗掉，未消耗的燃料气体作为废气从出口集流孔24向燃料气体排出集流孔6排出，通过燃料气体排出配管54从电池组1排出。
另一方面，氧化剂气体通过氧化剂气体供给配管51向电池组1的氧化剂气体供给集流孔8提供。该提供的氧化剂气体从氧化剂气体供给集流孔4流入各单电池2的入口集流孔11，通过氧化剂气体流路17。然后，在其间，通过阳极、高分子电解质膜、以及阴极与燃料气体反应消耗掉，未消耗的氧化剂气体从出口集流孔13向氧化剂气体排出集流孔7流出，通过氧化剂气体排出配管52从电池组1排出。
又，冷却水通过冷却水供应配管30提供给电池组1的冷却水供给集流孔8。该提供的冷却水从冷却水供给集流孔8流入各单电池2的入口集流孔15、25，通过冷却水流路19、29。然后，在其间，通过阴极侧隔离板10和阳极侧隔离板20对阳极和阴极进行冷却，同时从阳极和阴极上回收热量，然后从出口集流孔16、26流向冷却水排出集流孔9，通过冷却水配管31从电池组1排出。
而且在该过程中，燃料气体和氧化剂气体分别不与重力逆向地流过燃料气体流路28和氧化剂气体流路17，以此防止溢流现象的发生。
又，在各隔离板10、20，相对湿度最低的燃料气体流路28或氧化剂气体流路17的上游部位于冷却水入口附近，因此能够防止高分子电解质膜发干。
实施形态2
图5是本发明实施形态2的燃料电池的阳极侧隔离板的背面图。在图5中，与图4相同符号表示相同或相当的部分。
在本实施形态中，在图12所示的实施形态1的电池组1中，冷却水供给集流孔8，与图5所示的阳极侧隔离板20A冷却水入口集流孔25A具有相同的剖面形状。
如图5所示阳极侧隔离板20A，其冷却水的入口集流孔25A被节流部32区分为第1部分31a和第2部分31b。而且，阴极侧隔离板和MEA的冷却水入口集流孔也形成与该阳极侧隔离板20A的冷却水入口集流孔25A相同的形状(未图示)。该入口集流孔25A的第1部分31a是从冷却水供给配管30向冷却水供给集流孔8通过的冷却水流通的地方，第2部分31b是向冷却水流路29提供冷却水的地方。本实施形态的其他要点与实施形态1相同。
参照图12和图5，如上所述构成的本实施形态的燃料电池中，冷却水从冷却水供给配管30向冷却水供给集流孔8的，与入口集流孔25A的第1部分31a对应的部分提供。然后该提供的冷却水一边向电池组1的叠层方向流动一边分配给各单电池2。在这里，在入口集流孔25A上没有设置节流部32的情况下，由于重力的影响，存在越是靠近冷却水供给配管30的电池流入的冷却水越多的倾向。在本实施形态中，由于节流部32的作用，提供给冷却水的入口集流孔25A的冷却水一旦充满节流部32的上游侧、即第1部分31a内之后就通过第2部分31b向各单电池2的冷却水流路29提供。因此能够对离冷却水供应配管30最近的单电池2到最远的单电池2均匀分配冷却水。在这里，节流部32的冷却水通过方向上的横截面积最好是设计为冷却水流路29的各流路横截面积总和的1～10倍范围内。还有，节流部32的冷却水通过的方向，是图5的箭头X的方向、即单电池2(还有隔离板20A)的延伸面内的水平方向。
实施形态3
图6是本发明实施形态3的燃料电池的阳极侧隔离板的背面图。在图6中与图4相同的符号表示相同或相当的部分。
在本实施形态中，在图12所示的实施形态1的电池组1中，冷却水供给集流孔8具有与图6所示的阳极侧隔离板20B的冷却水入口集流孔25B相同的剖面形状。
该隔离板20B中，冷却水的入口集流孔25B形成具有深底的第1部分41a和浅底的第2部分41b的二级结构的底。换句话说，入口集流孔25B在内圆周的下部具有圆周方向上的阶梯47c，形成有位于阶梯47c的下面的第1部分41a和位于阶梯47c的上面的第2部分41b。于是，阴极侧隔离板及MEA的冷却水入口集流孔也形成与该阳极侧隔离板20B的冷却水入口集流孔25B相同的形状(未图示)。而且该入口集流孔25B的第1部分41a是从冷却水供给配管30向冷却水供给集流孔8提供的冷却水的流通处，第2部分41b是向冷却水流路29提供冷却水的地方。
在隔离板20B中，用于将冷却水从冷却水的入口集流孔25B向各流路分配用的第2部分41b，形成于在垂直方向上比从冷却水供给配管30提供冷却水的第1部分41a高的位置上。通过将冷却水的入口集流孔25B做成这样的形状，第2部分41b的上游侧、即第1部分41a中充满的冷却水在第2部分41b加速在隔离板20B的延伸面内的水平方向上流动，由于维持该流速向各流路分配冷却水，所以能够进一步提高冷却水的均匀分配性能。又，
如实施形态2所述，如果是在第2部分31b的入口侧仅仅设置节流部32的结构，则在部分负荷运行时对冷却水的流量进行节流时，节流效果低下，冷却水的均匀分配性能有下降的危险。但是在本实施形态中，位于下游侧的第2部分41b的底比位于上游侧的第1部分41a的底浅，所以在冷却水的流量少的情况下，冷却水供给配管30提供的冷却水也是在第1部分41a一度滞留之后又流向以冷却水流路29的各流路连通的第2部分41b，因此能够确保均匀分配。而且在冷却水中混有异物等的情况下，由于会在第1部分41a沉淀，所以能够防止其流入冷却水流路29，能够防止异物等导致冷却水堵塞。
实施例
以下说明本发明的实施例。
实施例1
乙炔黑系碳粉(电气化学株式会社制，DENKA BLACK FX-35)，使其承载25重量％的平均粒径约30的白金颗粒。以此作为阴极的催化剂。又使乙炔黑系碳粉(电气化学株式会社制，DENKA BLACK FX-35)承载25重量％的平均粒径约30的白金-钌合金(Pt∶Ru＝1∶1重量比)颗粒。将其作为阳极催化剂。在这些催化剂粉末的异丙醇分散液中，混合全氟碳磺酸粉末的乙醇分散液(旭硝子株式会社制造的Flemion FSS-1)，形成浆液状。以这些浆液为原料使用网板印刷方法分别在厚度250微米碳无纺布(东丽工业株式会社制造的TGP-H-090)的一个面上形成电极催化剂层。这样形成的电极的催化剂层中的铂含量为0.3mg/cm2，全氟碳磺酸的含量为1.2mg/cm2。
这些电极，其催化剂材料以外的构成对于阴极和阳极是相同的。这些电极利用热压方法接合于具有比电极大一圈的面积的质子传导性高分子电解质膜(美国杜邦公司制造的NAFION 122)的中心部的两面上，使印刷的催化剂层与电解质膜一侧接触。又，露出于电极的外围的高分子电解质膜的周边部用厚度250微米的氟橡胶(旭硝子株式会社制造的アフラス(注册商标))薄片构成的密封垫夹着，利用热压接合成为一体。就这样制造出电解质膜电极接合体(MEA)。质子传导性高分子电解质膜使用形成30微米厚的薄膜的全氟碳磺酸。
在本实施例中使用实施形态1所示的结构的导电性隔离板。图4是实际运行时设置将该隔离板叠层的燃料电池的状态，以与重力方向相反的方向为上方向。该导电性隔离板是利用机械加工在厚度3毫米的各向同性石墨板上形成气体流路和集流孔的。气体流路17和28的槽宽为2毫米，深度为1毫米，流路间的宽度为1毫米，分别形成两条通道的流路结构。冷却水流路除了槽的深度采用0.5毫米以外，其他与气体流路相同。该电池的额定运行条件为燃料利用率75％，氧利用率40％，电流密度0.3A/cm2。
将用如上所述的阴极侧隔离板和阳极侧隔离板夹着MEA构成的单电池50个叠层。相邻的单电池之间利用两块隔离板形成冷却水流路。用不锈钢制端板将该电池叠层体隔着表面镀金的铜制集电板和聚苯撑硫化物制绝缘板夹住，用紧固杆将两端板系住。系紧压力为每单位电极面积10kgf/cm2。又，设置叠层电池，使其在运行时图中所示的隔离板的上部向上。
这样制作的本实施例的燃料电池保持于70℃，对阳极提供加温、加湿使其露点为70℃的燃料气体(80％氢气、20％二氧化碳、10ppm一氧化碳)，对阴极提供加温、加湿使其露点为70℃的空气。对该电池，使电流密度在从额定的25％的低负荷时的电流密度0.075A/cm2到作为额定负荷的0.3/cm2的范围改变，对其电流-电压特性进行评价。但是，试验中的利用率采用与额定条件下的利用率相同的利用率。其结果示于图7。图7中也记录了比较例的燃料电池的特性。对于比较例的燃料电池，使其冷却水入口、出口与实施例1相反，气体在入口部被加湿到相对湿度100％。从图中可以看出，即使是比较例的燃料电池由于气体流速下降，发生溢流现象运行发生困难的0.075A/cm2附近，本实施例的燃料电池中，也不发生溢流现象，能够稳定运行。本实施例中，将冷却部分别设置于相邻的单电池的阳极隔离板和阴极隔离板之间，但是，每多个单电池配置一个冷却部也能够得到同样的效果。
实施例2
在本实施例中，使用实施形态2说明的隔离板。节流部32的冷却水通过方向的截面积设计为各冷却面的冷却水流路的截面积总和的1～10倍范围内。在本实施例中，两条冷却水流路的总截面积为4平方毫米，因此节流部32的截面积设计在4～40平方毫米的范围内。
对该燃料电池在实施例1所示的运行条件测定额定负荷运行时的各单电池的电压。其结果示于图8。在图8中也记载了实施例1的燃料电池的各单电池的电压。在这里形成冷却水从编号为1号的单电池一侧提供，通过集流孔、冷却水流路，向编号50号单电池的一侧排出这样的结构。可以看出实施例1的燃料电池，在冷却水的入口侧电压值高，随着向出口侧靠近逐步下降。这是由于冷却水的流量不均匀，形成了温度低的单电池和温度高的单电池。而本实施例的燃料电池中，可以看出由于冷却水的分配更加均匀，所以温度分布均匀，电池电压也均匀了。还有，图9表示在1000小时运行之后对这些燃料电池进行比较的结果。从图9可以看出，在实施例1的电池中，冷却水出口近旁的电池电压变差比较严重，而本实施例的电池中，全部单电池都没有发现极端劣化的情况。从而可以知道本实施例的冷却水均匀分配情况的改善对耐用性变差也有抑制效果。
实施例3
在本实施例中采用实施形态3的隔离板。与入口集流孔25B的流路连通的部分41b的入口侧的节流部的剖面积用与实施例2相同的方法设计。
与实施例1所示的运行条件，在额定的1/4的负荷使该燃料电池运行时测定将冷却水调节为额定流量的1/4之前的各单电池的电压。其结果示于图10。在图10中也记载实施例2所示的燃料电池的各单电池的电压。在这里形成冷却水从编号1号的单电池一侧提供，通过集流孔、冷却水流路，向编号50号的单电池一侧排出的结构。从图10可以了解到，实施例2和本实施例的单电池都是在1/4负荷运行中也能够稳定运行。又可以了解到，实施例2的单电池在冷却水流量调整到1/4的情况下冷却水的均匀分配情况恶化，有一些单电池有这样的倾向，即各单电池的电压偏差增大。这是被认为是由于在入口集流孔25B，冷却水一度在其上游侧的第1部分41a滞留之后，经过下游侧的第2部分41b提供给流路29，因此，冷却水量低的时候的均匀分配情况得到改善。
图11表示这些单电池在低负荷运行条件下运行1000小时后，各单电池间的电压比较结果。从图11中可知，实施例2的电池中，靠近冷却水出口的单电池的电压恶化率只是稍大，而本实施例的电池中、单电池的电压的降低率也是相同的。电池电压的劣化被认为是由于冷却水流量减少的电池温度上升，电解质膜发干引起劣化而造成的。可知本实施例的冷却水的均匀分配情况的改善对耐用性的劣化也有有效的抑制作用。特别是可以了解到，对于控制低负荷运行时的冷却水的流量，运行时间长的系统，采用本实施例这样的节流孔形状是有效的。
如上所述采用本发明，隔离板上的所有氧化剂气体、燃料气体、以及冷却水的流动都是在不与重力相逆的方向上流动，因此，能够促进凝集水的顺利排出，在低负荷运行时也不发生溢流现象，能够高效率稳定运行，并且在气体入口部发生的电解质膜发干的现象也能够消除，能够提高耐用性。
又，冷却水入口集流孔上设置节流部，以此可以在将单电池叠层时改善冷却水的均匀分配情况，可以使各单电池间的温度分布均匀化，因此，能够减少各单电池间电压的偏差。而且由于不使电池温度偏高，因此可以避免耐用性的劣化。
而且，使从冷却水的入口集流孔将冷却水分配到各流路用的连通部的连接部处于重力方向上的、比向冷却水入口集流孔提供冷却水的位置高的位置上，以此可以在低负荷运行时控制冷却水流量的情况下，也确保其均匀分配，可以抑制温度偏差增大引起电压偏差的增大。
根据以上说明可以知道，对于本行业的普通技术人员来说，本发明的许多改良和其他实施形态是清楚的。从而，上述说明只应该解释为例示，是对本行业普通技术人员提示如何实施本发明的最佳实施形态的例示。在不超出本发明精神的条件下，其结构和/或功能的详细情况可以有实质上的变更。

Claims (8)

1.一种高分子电解质型燃料电池，其特征在于，具备：
具有包含氢离子导电性的高分子电解质膜、和夹着所述高分子电解质膜的阳极和阴极的MEA、在所述MEA的一侧配置，使正面与所述阳极接触，所述正面形成燃料气体流动的燃料气体流路的阳极侧隔离板、以及在所述MEA的另一侧配置，使正面与所述阴极接触，所述正面形成氧化剂气体流动的氧化剂气体流路的阴极侧隔离板的单电池、
多个所述单电池堆叠成的电池组、以及
在所述电池组的至少规定的电池的所述阳极侧隔离板和阴极侧隔离板的至少任一方的背面上形成的冷却水流通的冷却水流路；
所述燃料气体、所述氧化剂气体、以及所述冷却水分别在所述燃料气体流路、所述氧化剂气体流路、以及所述冷却水流路中不与重力逆向地流动。
2.如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于，所述燃料气体流路、所述氧化剂气体流路以及所述冷却水流路分别向下游水平或有梯度地形成。
3.如权利要求2所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于，所述燃料气体流路、所述氧化剂气体流路以及所述冷却水流路中的至少某一流路实质上用水平部分和垂直部分构成。
4.如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于，
在所述阴极侧隔离板上，所述氧化剂气体流路的上游部位于所述冷却水流路入口的近旁。
5.如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于，
在所述阳极侧隔离板上，所述燃料气体流路的上游部位于所述冷却水流路入口的近旁。
6.如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于，
在所述阴极侧隔离板上，从厚度方向看，所述冷却水流路和所述氧化剂气体流路大致在整体上重合形成。
7.如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于，在所述阳极侧隔离板或所述阴极侧隔离板上，向所述冷却水流路提供冷却水的入口集流孔在厚度方向上贯通所述隔离板，并且具有由相对的内圆周面的局部接近部构成的节流部，位于这样设置的所述节流部的一侧的第1部分与冷却水供给配管连通，位于所述节流部的另一侧的第2部分与所述冷却水流路连通。
8.如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于，在所述阳极侧隔离板或所述阴极侧隔离板上，向所述冷却水流路提供冷却水的入口集流孔是这样设置的，即在厚度方向上贯通所述隔离板，并且在内圆周的下部具有在圆周方向上的阶梯，位于所述阶梯之下的第1部分与冷却水供给配管连通，位于所述阶梯之上的第2部分与所述冷却水流路连通。
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