專利名稱：高分子電解質(zhì)型燃料電池及其運(yùn)行方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于便攜式電源、電動(dòng)汽車電源、家庭發(fā)電及廢熱供暖系統(tǒng)等的常溫工作型高分子電解質(zhì)型燃料電池及其運(yùn)行方法。
背景技術(shù)：
高分子電解質(zhì)型燃料電池是使含氫的燃料氣體和空氣等含氧的氧化劑氣體等，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，以同時(shí)產(chǎn)生電能及熱的電池。其構(gòu)造為首先在有選擇地輸送氫離子的高分子電解質(zhì)膜的兩面上，形成以摻入鉑系金屬催化劑的碳粉為主成份的電極電極催化劑層。接著，在該催化劑層的外表面，形成一并具有燃料氣體或氧化劑氣體透氣性和電子導(dǎo)電性的電極擴(kuò)散層，將催化劑層和該擴(kuò)散層合在一起作為電極。將這一電極和電解質(zhì)膜的接合體稱為MEA。
接著，在電極的周圍夾著高分子電解質(zhì)膜配置密封墊片，使提供的氣體不外泄，燃料氣體和氧化劑氣體不相混合，根據(jù)情況，該墊片可以和電極及高分子電解質(zhì)膜預(yù)先組裝成形成一體，有時(shí)也將其稱為MEA。
在MEA的外側(cè)，將其機(jī)械固定，同時(shí)配置將相鄰的MEA相互在電氣上串聯(lián)連接用的導(dǎo)電性隔板。在和隔板的MEA接觸的部分，向電極面提供反應(yīng)氣體，形成運(yùn)走生成氣體或剩余氣體用的氣體流路。氣體流路可以和隔板分開設(shè)置，但在隔板的表面開設(shè)溝槽形成氣體流路是常用的方式。
通常在實(shí)際使用燃料電池時(shí)，采用將上述的為數(shù)眾多的單體電池重迭的疊層結(jié)構(gòu)。雖然在燃料電池運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生電能同時(shí)亦發(fā)熱，但迭層電池做成在單體電池每1-2單元上設(shè)置冷卻板，使電池溫度保持一定，并能以溫水等形式利用同時(shí)產(chǎn)生的熱能。作為冷卻板通常是在薄金屬板的內(nèi)部使冷卻水等載熱媒體貫穿流過的結(jié)構(gòu)，也有對(duì)構(gòu)成單體電池的隔板背面，即對(duì)欲使冷卻水流過的面加工形成流路，構(gòu)成冷卻板的構(gòu)造。這時(shí)也需要密封冷卻水等載熱媒用的O形圈、墊片。在進(jìn)行該密封時(shí)必須把O形圈墊好，并且確保冷卻板的上下之間有充分的導(dǎo)電性。
這樣的迭層電池需要稱為分流器(manifold)的向各單體電池提供排出燃料氣體的排出孔。對(duì)此，通常是在迭層電池內(nèi)部確保冷卻水的供給排出孔的所謂內(nèi)部分流器型。
無論用內(nèi)部分流器型或外部分流器型的任一種，都要在一個(gè)方向上將含冷卻部的多個(gè)單體電池重迭，在其兩端配一對(duì)端板，該兩片端板間用緊固桿固定。緊固方式最好是在面內(nèi)盡量將單體電池均勻緊固。根據(jù)機(jī)械強(qiáng)度的觀點(diǎn)，端板、緊固桿通常使用不銹鋼等金屬材料。端板、緊固桿和迭層電池利用絕緣板電氣絕緣，做成電流不會(huì)通過端板外漏的構(gòu)造。對(duì)于緊固桿也提出通過隔板內(nèi)部的貫穿孔中，或用金屬帶穿過端板系緊整個(gè)迭層電池的方案。
上述高分子電解質(zhì)型燃料電池，因?yàn)殡娊赓|(zhì)膜在含水狀態(tài)下作為電解質(zhì)起作用，所以要對(duì)提供的燃料氣體、氧化劑氣體加濕后提供。另外，高分子電解質(zhì)膜至少在100℃以下的溫度范圍含水率越高離子傳導(dǎo)率越增加，使電池內(nèi)阻降低，有提高性能的效果。所以，為了提高電解質(zhì)膜中含水率，要對(duì)提供的氣體高度加濕后再提供。
但是，若提供電池運(yùn)行溫度以上的高度加濕氣體，則在電池內(nèi)部將產(chǎn)生凝結(jié)水，水滴阻礙平穩(wěn)供氣，同時(shí)在提供氧化劑氣體的空氣極一側(cè)，由于發(fā)電而生成水，生成水的去除效率降低，產(chǎn)生電池性能低下的問題。因此，通常加濕至較電池運(yùn)行溫度稍低的露點(diǎn)后再供給氣體。
作為供給氣體的加濕方法，通常用將供給氣體向保持在規(guī)定溫度的去離子水中吹泡加濕的起泡器加濕方式、或在電解質(zhì)等的水分容易移動(dòng)的膜的一個(gè)面上使保持規(guī)定溫度的去離子水流過，在另一面上流過供給氣體進(jìn)行加濕的膜加濕方式。作為燃料氣體，使用水蒸汽將甲醇、甲烷等化石燃料改性后的氣體時(shí)，因改性的氣體中含水蒸汽，故有時(shí)也不必加濕。
加濕過的燃料氣體和氧化劑氣體提供高分子電解質(zhì)燃料電池供發(fā)電。這時(shí)，在電池迭層體中任意單體電池的單一面內(nèi)，發(fā)生電流密度分布。即燃料氣體雖在氣體提供入口部進(jìn)行規(guī)定量加濕后提供，但因燃料氣體中的氫由于發(fā)電而消耗，故產(chǎn)生越是氣體上游部氫分壓越高水蒸汽分壓越低，越是氣體下游部氫分壓越低水蒸汽分壓越高的現(xiàn)象。
另外，氧化劑氣體也在氣體提供入口部進(jìn)行規(guī)定的加濕后提供，但氧化劑氣體中的氧由于發(fā)電而消耗，產(chǎn)生因發(fā)電而生成的水，發(fā)生越是氣體上游部氧分壓越高水蒸汽分壓越低，越是氣體下游部氧分壓越低水蒸汽分壓越高的現(xiàn)象。還有，冷卻電池用的冷卻水溫度越近入口越低，越近出口越高，因此在電池的單一面內(nèi)發(fā)生溫度分布。由于以上的理由，在電池的單一方面內(nèi)發(fā)生電流密度分布(性能分布)。
另外，由于上述理由而產(chǎn)生的，在電池的單一面內(nèi)燃料氣體中的氫、水蒸汽分壓的不均勻，氧化劑氣體中氧、水蒸汽分壓的不均勻，還有溫度分布等，若極端地變大脫離最佳狀態(tài)，則會(huì)招致極端過干(過度干燥)狀態(tài)、極端過濕(過度潮濕)狀態(tài)，電流密度分由的發(fā)生程度不收斂，則有時(shí)就會(huì)失去作為電池的功能。
還有，由于以上述理由產(chǎn)生的，電池單一面內(nèi)燃料氣體中氫、水蒸汽分壓的不均勻、氧化劑氣體中氧、水蒸汽分壓的不均勻、含有溫度分布等，也會(huì)在電池的單一面內(nèi)有過度干燥和過度潮濕共存的現(xiàn)象發(fā)生。
在將電池高度迭層的情況下，一旦在迭層的多個(gè)電池中部分電池上產(chǎn)生上述問題，由于部分性能低下的電池，使迭層電池整體的運(yùn)行發(fā)生障礙。即迭層的電池的部分電池處于過濕狀態(tài)時(shí)，過濕的電池用于供給氣體的壓力損失增大。供氣的分流器因?yàn)樵诘鼘与姵貎?nèi)是公共的，故對(duì)于過濕的電池氣體就難以流動(dòng)，結(jié)果越來越過濕。反之，部分迭層電池過干，過干的電池供氣用的壓力損失減少。因此，對(duì)于過干的電池氣體就容易流動(dòng)，結(jié)果越來越過干。
尤其是過濕的情況下，由于上述理由氣體難以流動(dòng)的現(xiàn)象繼續(xù)下去，則最終發(fā)生無法確保電池反應(yīng)所需氣體流量的現(xiàn)象。在迭層電池的情況下，層電池中即便少量的電池產(chǎn)生這種不正常的情況，也因?yàn)殡姵亟M整體總的電壓要維持在高壓，所以在不正常的電池上仍要強(qiáng)制地流過電流，有不正常的電池就發(fā)生換極現(xiàn)象。該現(xiàn)象在空氣極側(cè)產(chǎn)生時(shí)，只是招致空氣極側(cè)的電池變差，所以只要不是電位極端低下，就不會(huì)產(chǎn)生大問題。然而，在因過濕引起燃料氣體提供不足的情況下，由于燃料極一側(cè)的電位上升，故會(huì)產(chǎn)生構(gòu)成電極催化劑層的碳粉氧化落下的問題。碳粉一旦溶出，因?yàn)槭遣豢赡娣磻?yīng)，所以存在電池受到不可恢復(fù)性的損壞的問題。
不論是在提供燃料氣體的燃料極一側(cè)，還是在提供氧化劑氣體的空氣極一側(cè)，與氣體入口側(cè)相比，越近氣體出口側(cè)氣體中水蒸汽分壓越高，這往往是上述問題的起因。
另外，如日本特表平9-511356所述，進(jìn)行了這樣的試驗(yàn)，即設(shè)氧化劑氣體的流向和冷卻水流向?yàn)橥颍ㄟ^利用冷卻水溫度分布使氧化劑氣體下游部溫度比上游高的方法，抑制空氣極下游部的過濕，降低電池單一面內(nèi)的電流密度分布。
但是，在向電池供燃?xì)鈺r(shí)，因在燃?xì)馊肟诓勘赜袎毫p失存在，電池內(nèi)部也存在供給的燃?xì)獾膲毫Ψ植迹嗜肟趥?cè)一定是高壓。在空氣極側(cè)，因生成水，水蒸汽分壓越近出口側(cè)越高，但由于壓力分布的影響，根據(jù)電池運(yùn)行條件，相對(duì)濕度不一定出口側(cè)就高。因此，以越近入口側(cè)相對(duì)濕度越高的運(yùn)行條件使電池發(fā)電，設(shè)氧化劑氣體流向和冷卻水流向同向，利用冷卻水的溫度分布使氧化劑氣體下游部的溫度比上游部高，則有時(shí)也有加速氣體入口側(cè)過濕，效果相反的情況。
這樣，為了使燃料電池工作，需要燃?xì)夤┙o系統(tǒng)，氣體加濕系統(tǒng)、冷卻水提供系統(tǒng)、排熱回收系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等系統(tǒng)，由于電力以DC形式輸出，有時(shí)還需要變換成AC等的電力管理系統(tǒng)。考慮到系統(tǒng)全體的效率、小型化、成本等，提供給燃料電池的燃?xì)獾穆饵c(diǎn)越低則越有利。但是，基于以上理由，如果供給的燃?xì)獾穆饵c(diǎn)降低，燃料電池性能就變差。還有發(fā)現(xiàn)，特別是提供的氧化劑氣體的露點(diǎn)一低，燃料電池的特性隨時(shí)間的特性劣化會(huì)加速。
發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述情況，本發(fā)明之目的為，提供具有高初始特性和長壽命的高分子電解質(zhì)型燃料電池及其運(yùn)行方法。
本發(fā)明第1種(對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求1)為一種高分子電解質(zhì)型燃料電池，這種高分子電解質(zhì)型燃料電池，具備有將配置在夾著氫離子高分子電解質(zhì)膜位置上的一對(duì)電極、以及向上述一電極提供或由其排出燃料氣體，向上述另一電極提供或由其排出氧化劑氣體的供給排出手段的單體電池，隔著導(dǎo)電性隔板層迭，使冷卻上述電極用的冷卻媒體流通的手段，調(diào)整從上述燃料氣體的供給量、上述燃料氣體的加濕量、上述氧化劑氣體的供給量、上述氧化劑氣體的加濕量、上述冷卻媒體的流量或溫度、或高分子電解質(zhì)型燃料電池的輸出電流值中選擇的至少一個(gè)量，使上述冷卻媒體的入口溫度(Twin(℃))或冷卻媒體的出口溫度(Twout(℃))為60℃以上。
本發(fā)明第2種(對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求2)為本發(fā)明第1種的高分子電解質(zhì)型燃料電池，且其特征在于，對(duì)從上述燃料氣體的供給量、上述燃料氣體的加濕量、上述氧化劑氣體的供給量、上述氧化劑氣體的加濕量、及上述冷卻媒體的流量或溫度、或高分子電解質(zhì)型燃料電池的輸出電流值中選擇的至少一個(gè)進(jìn)行調(diào)整，使得提供給上述高分子電解質(zhì)型燃料電池的燃料氣體提供口的燃料氣體供給總流量(Vain(NL/min)，包括水蒸汽)、提供上述燃料氣體提供口的上述燃料氣體中的含氫率(ΔPah(atm)，包括水蒸汽)、提供給上述燃料氣體提供口的上述燃料氣體中所含水蒸汽的分壓(ΔPain(atm))、上述高分子電解質(zhì)型燃料電池的燃料利用率(Uf、0≤Uf≤1)、提供給上述燃料提供口的上述燃料氣體中所含水蒸汽的露點(diǎn)(Rain(℃))、上述燃料氣體提供部的電池溫度(Tain(℃))、及燃料氣體排出部的電池溫度(Taout(℃))保持Rain＜Tain。
本發(fā)明的第3種(對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求3)為本發(fā)明第2種的高分子電解質(zhì)型燃料電池，且其特征在于，從上述燃料氣體的供給量、上述燃料氣體的加濕量、上述氧化劑氣體的供給量、上述氧化劑氣體的加濕量、及上述冷卻媒體的流量或溫度、或高分子電解質(zhì)型燃料電池的輸出電流值中選擇至少一個(gè)量加以調(diào)整，使得Rain≤(Tain-5)。
本發(fā)明的第4種(對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求4)為本發(fā)明第2種的高分子電解質(zhì)型燃料電池，且其特征在于，從上述燃料氣體的供給量、上述燃料氣體的加濕量、上述氧化劑氣體的供給量、上述氧化劑氣體的加濕量、及上述冷卻媒體的流量或溫度、或高分子電解質(zhì)型燃料電池的輸出電流值中選擇至少一個(gè)量加以調(diào)整，使得(Tain-15)≤Rain≤(Tain-5)。
本發(fā)明的第5種(對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求5)為本發(fā)明第2種的高分子電解質(zhì)型燃料電池，且其特征在于，從上述燃料氣體的供給量、上述燃料氣體的加濕量、上述氧化劑氣體的供給量、上述氧化劑氣體的加濕量、及上述冷卻媒體的流量或溫度、或高分子電解質(zhì)型燃料電池的輸出電流值中選擇至少一個(gè)量加以調(diào)整，使得能以ΔPain/(1-Uf×ΔPah)算出，從燃料氣體出口附近的水蒸汽分壓(ΔPaout(atm))根據(jù)近似式22.921Ln(ΔPaout×760)-53.988得到的，燃料氣體出口附近的露點(diǎn)(Raout(℃)滿足Raout≤(Taout+5)。
本發(fā)明第6種(對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求6)為本發(fā)明第1至5中任一的高分子電解質(zhì)型燃料電池，且其特征在于，在上述導(dǎo)電性隔板的上述燃料氣體和上述氧化劑氣體的流通方向相同，并且，從上述燃料氣體的供給量、上述燃料氣體的加濕量、上述氧化劑氣體的供給量、上述氧化劑氣體的加濕量、及上述冷卻媒體的流量或溫度、或高分子電解質(zhì)型燃料電池的輸出電流值中選擇至少一個(gè)量加以調(diào)整，使得上述氧化劑氣體提供部的電池溫度(Tcin(℃))或上述燃料氣體提供部的電池溫度(Tain(℃))或冷卻媒體的入口溫度(Twin(℃))或冷卻媒體的出口溫度(Twout(℃))大于60℃，并且，將上述高分子電解質(zhì)型燃料電池的氧化劑利用率(Uo、但0≤Uo≤1)、提供氧化劑氣體供給口的上述氧化劑氣體中所含水蒸汽的露點(diǎn)(Rcin)、氧化劑氣體提供部的電池溫度(Tcin(℃))、及氧化劑氣體排出部的電池溫度(Tcout)保持在Rcin較Twin或Twout低10℃以上。
本發(fā)明的第7種(對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求7)為本發(fā)明第5高分子電解質(zhì)型燃料電池，且其特征在于，上述Rcin保持在較Twin或Twout低20℃以上。
本發(fā)明的第8種(對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求8)為本發(fā)明第6種的高分子電解質(zhì)型燃料電池，且其特征在于，將上述氧化劑氣體的供給量加以調(diào)整，以使上述Uo滿足Uo≤0.5(即50％)。
本發(fā)明的第9種(對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求9)為本發(fā)明第6高分子電解質(zhì)型燃料電池，且其特征在于，上述Rain比上述Rcin高10℃以上、比上述Twin或上述Tain或上述Taout或上述Tcin或上述Tcout低。
本發(fā)明的第10種(對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求10)為本發(fā)明第6種的高分子電解質(zhì)型燃料電池，且其特征在于，上述Uo為0.6(60％)以上，0.9(90％)以下。
本發(fā)明的第11種(對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求11)為本發(fā)明第1至10中任一高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于，上述導(dǎo)電性隔板上上述燃料氣體和上述氧化劑氣體的流通方向相對(duì)于重力從上向下。
本發(fā)明的第12種(對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求12)為本發(fā)明第1至第11中任一高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于，從陰極及陽極排出的燃料氣體及氧化劑氣體除了與燃料氣體及氧化劑氣體流通的部分的壓力損失相當(dāng)?shù)牟豢杀苊獾牟糠滞猓瑢?shí)質(zhì)上被開放為常壓。
本發(fā)明第13種(對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求13)為本發(fā)明的第6的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于，從電池取出的電流值和上述Uo聯(lián)動(dòng)控制，上述電流值越小則上述Uo越大。
本發(fā)明第14種(對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求14)為本發(fā)明第6種的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于，設(shè)上述Twin或上述Twout或上述Tain或上述Taout或上述Tcin或上述Tcout為70℃以上、95℃以下。
本發(fā)明第15種(對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求15)為本發(fā)明第1至14中任一的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于，上述燃料氣體的折干計(jì)算組成中含15體積％以上、45體積％以下的二氧化碳?xì)怏w、或燃料利用率0.7(70％)以上。
本發(fā)明第16種(對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求16)為高分子電解質(zhì)型燃料電池的運(yùn)行方法，這種高分子電解質(zhì)型燃料電池的運(yùn)行方法，具備有將配置在夾著氫離子高分子電解質(zhì)膜的位置上的一對(duì)電極、以及向上述一電極提供或由其排出燃料氣體，向上述另一電極提供或由其排出氧化劑氣體的提供排手段的單體電池隔著導(dǎo)電性隔板層迭，使冷卻上述電極用的冷卻媒體流通的流通手段，其特征在于，從上述燃料氣體的供給量，上述燃料氣體的加濕量、上述氧化劑氣體的供給量、上述氧化劑氣體的加濕量、上述冷卻媒體的流量或溫度、或高分子電解質(zhì)型燃料電池的輸出電流值中選擇至少一個(gè)量加以調(diào)整，以使上述冷卻媒體的入口溫度(Twin(℃))、或冷卻媒體的出口溫度(Twout(℃))為60℃以上。
本發(fā)明的第17種(對(duì)應(yīng)于權(quán)利要求17)為本發(fā)明第16的高分子電解質(zhì)型燃料電池的運(yùn)行方法，其特征在于，上述導(dǎo)電性隔板上上述燃料氣體和上述氧化劑氣體的流通方向?yàn)橄嗤较颍⑶覐纳鲜鋈剂蠚怏w的供給量、上述燃料氣體的加濕量、上述氧化劑氣體的供給量、上述氧化劑氣體的加濕量、及上述冷卻媒體的流量或溫度、或高分子電解質(zhì)型燃料電池的輸出電流值中選擇至少一個(gè)量加以調(diào)整，以使上述氧化劑氣體提供部的電池溫度(Tcin(℃))、或上述燃料氣體提供部的電池溫度(Tain(℃))、或冷卻媒體的入口溫度(Twin(℃))、或冷卻媒體的出口溫度(Twout(℃))為60℃以上，并且將上述高分子電解質(zhì)型燃料電池的氧化劑氣體利用率Uo(0≤Uo≤1)、提供給氧化劑氣體提供口的上述氧化劑氣體中所含水蒸汽的露點(diǎn)(Rcin)、氧化劑氣體提供部的電池溫度(Tcin(℃))、及氧化劑氣體排出部的電池溫度(Tcout(℃))保持為Rcin比Twin或Twout低10℃以上。
圖1表示本發(fā)明第2-1實(shí)施例即高分子電解質(zhì)型燃料電池的空氣極側(cè)隔板的構(gòu)成。
圖2表示本發(fā)明第2-1實(shí)施例即高分子電解質(zhì)型燃料電池的燃料極側(cè)隔板的構(gòu)成。
圖3表示本發(fā)明第2-1實(shí)施例即高分子電解質(zhì)型燃料電池的冷卻水側(cè)隔板的構(gòu)成。
圖4表示本發(fā)明第2-3實(shí)施例即高分子電解質(zhì)型燃料電池的空氣極側(cè)隔板的構(gòu)成。
圖5表示本發(fā)明第2-3實(shí)施例即高分子電解質(zhì)型燃料電池的燃料極側(cè)隔板的構(gòu)成。
圖6表示本發(fā)明第2-3實(shí)施例即高分子電解質(zhì)型燃料電池的冷卻水側(cè)隔板的構(gòu)成。
圖7表示本發(fā)明第2-3實(shí)施例即高分子電解質(zhì)型燃料電池的空氣極側(cè)隔板的構(gòu)成。
圖8表示本發(fā)明第2-3實(shí)施例即高分子電解質(zhì)型燃料電池的燃料極側(cè)隔板的構(gòu)成。
圖9表示本發(fā)明第2-3實(shí)施例即高分子電解質(zhì)型燃料電池的冷卻水側(cè)隔板的構(gòu)成。
符號(hào)說明1氧化劑氣體入口分流器(manifold)孔2氧化劑氣體出口集流器(manifold)孔3燃料氣體入口分流器孔4燃料氣體出口集流器孔5冷卻水入口分流器孔6冷卻水出口集流器孔7氧化劑氣體流路溝8燃料氣體流路溝9冷卻水流路溝10接合密封部具體實(shí)施形態(tài)本發(fā)明的實(shí)施例說明如下。
(實(shí)施例1-1)首先說明形成催化劑層的電極的制作方法。將在碳黑粉中摻入平均粒徑約30的白金顆粒50重量％的材料作陰極催化劑材料。再將在碳黑粉中摻入平均粒徑約30的白金一釕合金顆粒50重量％的材料作為陽極催化劑材料。作為氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)，使用具有化學(xué)結(jié)構(gòu)式1所示的化學(xué)結(jié)構(gòu)的全氟化碳磺酸酯(Perfluorocarbon sulfonate)。將該催化劑20重量％球磨混合于溶解9wt％的氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)的乙醇溶液80重量％中，調(diào)制為制作電極用的油墨。
接著，將9wt％的氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)澆在平滑的玻璃基板上，干燥后得到平均膜厚30μm的氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜。接著在該氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜的兩面上，用網(wǎng)印法將上述電極制作用油墨印刷成電極形狀，得到附有催化劑層的高分子電解質(zhì)膜。
另一方面，對(duì)成為擴(kuò)散層的復(fù)寫紙(carbon paper)作防水處理，將外形尺寸16cm×20cm、厚360μm的碳無紡布(東レ生產(chǎn)的TGP-H-120)浸漬含氟樹脂的水性擴(kuò)散劑(大金工業(yè)制造的neoflon ND1)，使其干燥，在400℃下加熱30分鐘，形成防水性。
然后，將碳黑粉和PTFE粉末的水性擴(kuò)散劑混合，作為制作防水層用的油墨。在擴(kuò)散層即上述碳無紡布的一側(cè)的面上，用網(wǎng)印法涂布上述制作防水層用的油墨形成防水層。這時(shí)，防水層的一部分埋入碳無紡布中，另外剩余的部分以浮在碳無防布表面的方式存在。然后，用熱壓將一對(duì)附有防水層的擴(kuò)散層接合于附有催化劑層的高分子電解質(zhì)膜的里外兩面，使得防水層和高分子電解質(zhì)膜上的催化劑層接合，將其作為電極/膜接合體。
將該電極/膜接合體在120℃飽和水蒸汽氣氛中熱處理1小時(shí)，使氫離子傳導(dǎo)路徑得以充分形成。這里，化學(xué)結(jié)構(gòu)式1所示的氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)在100℃以上較高溫濕潤氣氛中進(jìn)行熱處理，則可以看到氫離子傳導(dǎo)路徑即親水通道十分發(fā)達(dá)，形成逆微胞(micell)結(jié)構(gòu)。
(化學(xué)結(jié)構(gòu)式1) 其中，5≤X≤13.5y1000m＝1n＝2這樣，在外形尺寸20cm×32cm的氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜的里外表面，接合外形尺寸16cm×20cm的電極，得到含摻入電極反應(yīng)用催化劑的導(dǎo)電體的電極/膜接合體。
然后，在上述電極/膜接合體的高分子電解質(zhì)膜的外周部接合橡膠制的密封墊片，形成冷卻水、燃料氣體、及氧化劑氣體流通用的分流器孔，作為MEA。
然后，準(zhǔn)備由外形尺寸20cm×32cm、厚1.3mm，氣體流路及冷卻水流路深度0.5mm的浸漬樹脂的石墨板構(gòu)成的隔板，用兩塊隔板，將在MEA板的一側(cè)的面上形成氧化劑氣體流路的隔板和在背面形成燃料氣體流路的隔板重合在一起，將其作為單體電池。該單體電池兩個(gè)單元層迭后，用形成冷卻水路溝的隔板將這兩個(gè)單元迭層電池夾著。重復(fù)進(jìn)行這種方式制成100個(gè)單元疊層的電池組。這時(shí)，在電池組的兩端部上，用不銹鋼的集電板和電氣絕緣材料的絕緣板，還有端板和緊固桿進(jìn)行固定。這時(shí)的緊固壓力為隔板每單位面積10kgf/cm2。
將這樣制成的本實(shí)施例高分子電解質(zhì)型燃料電池的燃料氣體入口附近的溫度(Tain)保持在60℃-85℃，向燃料極側(cè)提供調(diào)濕、調(diào)溫后調(diào)整露點(diǎn)(水蒸汽分壓)，把一氧化碳濃度降低到50ppm以下的甲烷的水蒸汽改性氣體，向空氣極側(cè)提供加濕、加溫成50℃至80℃露點(diǎn)的空氣?；蛱峁└稍锟諝?。這時(shí)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下折干計(jì)算的甲烷改性氣體的組成為H2約79％、CO2約20％、N2約1％、CO約20ppm。
本實(shí)施例中判明了這樣的情況，即在燃料氣體中含比氫擴(kuò)散性差的二氧化碳?xì)怏w時(shí)，或在要求燃料利用率高、氣體分配性良好時(shí)，更加有效。
以燃料利用率0.85(即85％)、氧氣利用率0.5(即50％)、電流密度0.3A/cm2、0.5A/cm2、及0.7A/cm2的條件對(duì)該電池進(jìn)行連續(xù)發(fā)電試驗(yàn)，測(cè)量輸出特性隨時(shí)間的變化。
表1表示采用本實(shí)施例的發(fā)電試驗(yàn)結(jié)果。
為了作比較，將采用非本實(shí)施例的運(yùn)行條件的例子示于表2。
(表1)采用本實(shí)施例的發(fā)電試驗(yàn)結(jié)果
(表2)不采用本實(shí)施例的發(fā)電試驗(yàn)結(jié)果
以下，說明本發(fā)明的其他實(shí)施例。
在說明各實(shí)施例之前，對(duì)本發(fā)明作概要說明。本發(fā)明為一種高分子電解質(zhì)型燃料電池，冷卻水入口溫度或電池溫度在60℃以上，提供給電極的氧化劑氣體的入口露點(diǎn)比冷卻水入口溫度或電池溫度低20℃以上，其特征在于，燃料氣體實(shí)質(zhì)的上游部和氧化劑氣體的實(shí)質(zhì)的上游部為同一方向，燃料氣體的實(shí)質(zhì)的下游部和氧化劑氣體的實(shí)質(zhì)的下游部為同一方向。
另外，這種高分子電解質(zhì)型燃料電池，冷卻水入口溫度或電池溫度在60℃以上，提供給電極的氧化劑氣體的入口露點(diǎn)比冷卻水的入口溫度或電池溫度低20℃以上，其特征在于，調(diào)整提供的氧化劑氣體的流量，以使氧化劑氣體的利用率為60％以上。
另外，這種高分子電解質(zhì)型燃料電池，冷卻水入口溫度或電池溫度在60℃以上，供電極的氧化劑氣體的入口露點(diǎn)比冷卻水入口溫度或電池溫度低20℃以上，從電極排出的燃料氣體及氧化劑氣體除去與熱交換器及配管等壓力損失相當(dāng)?shù)牟豢擅獾牟糠滞鈱?shí)質(zhì)上在常壓下開放，其特征在于，調(diào)整提供的氧化劑氣體流量，使得氧化劑氣體的利用率大于60％。
最好是，這種高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征為提供給電極的燃料氣體的入口露點(diǎn)比氧化劑氣體的入口露點(diǎn)高10℃以上，小于冷卻水入口溫度或電池溫度。
最好是，這種高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征為氧化劑氣體利用率在60％以上、90％以下。
最好是，這種高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征為提供給電極的氧化劑氣體實(shí)質(zhì)上未加濕。
最好是，這種高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征為根據(jù)電流密度，改變氧化劑氣體的利用率，電流密度越低則使氧化劑氣體的利用率越高。
最好是，這種高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征為冷卻水入口溫度或電池溫度在70℃以上、90℃以下。
這里，提供給空氣極側(cè)的氧化劑氣體的露點(diǎn)一降低，則當(dāng)然與其說電池內(nèi)過濕引起的過度濕潤現(xiàn)象難以產(chǎn)生，還不如說容易發(fā)生過度干燥的現(xiàn)象。一旦產(chǎn)生過度干燥現(xiàn)象，則電池性能降低，但從提供給迭層電池的氣體的分配的觀點(diǎn)看來，變成容易均勻分配的方向。因此發(fā)現(xiàn)以前困難的氧化劑氣體高利用率化變成容易的方向，故提供給高加濕的氧化劑氣體時(shí)，即使將通常以30％～50％左右運(yùn)行的一般的氧化劑氣體利用率提高到60％以上也能運(yùn)行。但是，從迭層電池的氣體分配的觀點(diǎn)看來，也發(fā)現(xiàn)尤其是將氧化劑氣體的供壓損失降低至0.1kgf/cm2以下時(shí)，取90％以上的氧化劑氣體利用率是件困難的事。
另外，也發(fā)現(xiàn)，作為燃料氣體實(shí)質(zhì)的上游部和氧化劑氣體實(shí)質(zhì)的下游部為同一方向，采用燃料氣體實(shí)質(zhì)的下游部和氧化劑氣體實(shí)質(zhì)的上游部成同方向的對(duì)流方式，一旦使提供給空氣極側(cè)的氧化劑氣體露點(diǎn)降低，在冷卻水入口溫度或平均電池溫度為60℃以下的較低溫度的情況下，加濕提供的燃料氣體中的水分通過高分子電解質(zhì)膜向氧化劑氣體側(cè)有效移動(dòng)，因此呈良好的運(yùn)行狀態(tài)。
但是也發(fā)現(xiàn)在冷卻水入口溫度或電池溫度在60℃以上的較高溫度的情況下，一旦使以對(duì)流方式提供給空氣極側(cè)的氧化劑氣體的露點(diǎn)降低，加濕提供的燃料氣體中的水分，在入口附近向空氣極側(cè)出口附近的氧化劑氣體移動(dòng)，在入口附近被奪去水分的燃料氣體，在燃料氣體出口附近，還被空氣極側(cè)的氧化劑氣體入口附近的最干燥的氧化劑氣體奪去水分，所以燃料氣體出口露點(diǎn)一直降低到大致等于氧化劑氣體入口露點(diǎn)的程度，出口附近的燃料氣體露點(diǎn)降得過低，存在性能降低的問題。這時(shí)，即使燃料氣體和氧化劑氣體的入口氣體露點(diǎn)是燃料氣體的一方高，一測(cè)量出口露點(diǎn)，就發(fā)現(xiàn)氧化劑氣體的露點(diǎn)比燃料氣體還高。
另外，還發(fā)現(xiàn)如果燃料氣體保持低出口露點(diǎn)繼續(xù)運(yùn)行，則燃料極一側(cè)的電極特性受加濕溫度(露點(diǎn))的影響甚大，所以性能繼續(xù)慢慢降低，最終燃料極側(cè)的極化變得過大，燃料極側(cè)的電極構(gòu)成材料之一的碳粉載體溶出，性能不可逆地、致命地降低。
還看到，如果采用燃料氣體實(shí)質(zhì)的上游部和氧化劑氣體實(shí)質(zhì)的上游部為同一方向，燃料氣體實(shí)質(zhì)的下游部和氧化劑氣體實(shí)質(zhì)的下游部成同一方向的并流方式，提供給空氣極側(cè)的氧化劑氣體的露點(diǎn)一旦降低，在冷卻水入口溫度或平均電池溫度在60℃以下較低溫度的情況下，加濕提供的燃料氣體中水分通過高分子電解質(zhì)膜向氧化劑氣體側(cè)移動(dòng)，燃料氣體和氧化劑氣體出口露點(diǎn)均為幾乎同一溫度。
因此，發(fā)現(xiàn)在冷卻水入口溫度或平均電池溫度為60℃以下較低溫度時(shí)，若氧化劑氣體的利用率不取40％左右以下的低利用率，則燃料氣體及氧化劑氣體出口露點(diǎn)在冷卻水入口溫度或平均電池溫度以上，電池內(nèi)存在水分結(jié)露難以運(yùn)行的狀況。
但是，可看到在冷卻水入口溫度或電池溫度為60℃以上的較高溫度的情況下，以并流方式提供給空氣極側(cè)的氧化劑氣體的露點(diǎn)一旦降低，加濕提供的燃料氣體中的水分，與冷卻水入口溫度或電池溫度較低的情況一樣，加濕提供的燃料氣體中的水分通過高分子電解質(zhì)膜向氧化劑氣體側(cè)移動(dòng)，燃料氣體和氧化劑氣體的出口露點(diǎn)均成幾乎同一溫度。
這時(shí)，發(fā)現(xiàn)水的飽和蒸汽壓因?yàn)樵?00℃以下的溫度范圍溫度越高就越是急劇增大，故在冷卻水入口溫度或電池溫度較高時(shí)，若不將氧化劑氣體利用率取60％以上高利用率，則電池內(nèi)干燥，性能得不到充分發(fā)揮。又發(fā)現(xiàn)氧化劑氣體的利用率保持60％以下的低利用率不變地繼續(xù)運(yùn)行時(shí)，則尤其是燃料極側(cè)的電極特性受加濕溫度(露點(diǎn))的影響甚大，故性能漸漸持續(xù)降低，最終燃料極側(cè)的極化變得過大，燃料極側(cè)的電極構(gòu)成材料之一的碳載體溶出，性能不可逆地致命地降低。
又可看到，以上的效果為在冷卻水入口溫度或平均電池溫度70℃以上的情況，水的飽和蒸汽壓從70℃以上附近開始尤為急劇地增大，故變得更加顯著。另外，還可看到，對(duì)于以上所述的效果，冷卻水入口溫度或平均電池溫度與提供的氧化劑氣體的露點(diǎn)，或提供的燃料氣體的露點(diǎn)與提供的氧化劑氣體的露點(diǎn)之差越大效果越顯著，鑒于以上理由，實(shí)質(zhì)上以不加濕方式提供氧化劑氣體時(shí)，變得更顯著。
下面參照附圖對(duì)本發(fā)明的各實(shí)施例進(jìn)行說明。
(實(shí)施例2-1)首先說明形成催化劑層的電極的制作方法。將在具有30nm平均原始粒子直徑的導(dǎo)電碳粒即荷蘭的AKZO chemie，Inc.制造的Ketjenblack EC中摻入平均粒徑約30的白金顆粒50重量％的材料作為陰極催化劑材料。還在相同的Ketjenblack EC中摻入平均粒徑約30的白金一釕合金顆粒(比重比1∶1)50重量％的材料作為陽極催化劑材料。氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)采用具有化學(xué)結(jié)構(gòu)式(1)所示的化學(xué)結(jié)構(gòu)的全氟化碳磺酸酯(Perfluorocarbon sulfonate)，將該催化劑材料20重量％球磨混合成于溶解10重量％的氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)的乙醇溶液80重量％中，調(diào)成電極制造用的油墨。
化學(xué)結(jié)構(gòu)式(1) 其中，5≤X≤13.5y1000m＝1n＝2接著，將20重量％的氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)的乙醇溶液澆在平滑的玻璃基板上，干燥后得到平均膜厚30μm的氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜。接著，在該氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜的兩面，將上述電極制造用的油墨用網(wǎng)印法印刷成電極形狀，得到附有催化劑層的高分子電解質(zhì)膜。
另一方面，對(duì)作為擴(kuò)散層的復(fù)寫紙(carbon paper)作防水處理。將外形尺寸16cm×20cm、厚360μm的碳無紡布(東レ生產(chǎn)的TGP-H-120)浸漬含氟樹脂的水性擴(kuò)散劑(大金工業(yè)制造的Neoflon ND1)后，將其干燥，400℃下加熱30分鐘，形成防水性。
接著，將碳黑粉末和PTFE粉末的水性擴(kuò)散劑混合，作為生成防水層用的油墨，在作為擴(kuò)散層的上述碳無紡布的一個(gè)面上，用網(wǎng)印法涂布上述防水層生成用油墨形成防水層。這時(shí)，防水層的一部分埋入碳無紡布中，剩余的部分存在于碳無紡布的表面。接著，在附有催化劑層的高分子電解質(zhì)膜表里兩面上，將一對(duì)附有防水層的擴(kuò)散層用熱壓接合，以使防水層和高分子電解質(zhì)膜上的催化劑層相接，將其作為電極/膜接合體。
將該電極/膜接合體在120℃飽和水蒸汽氣氛中熱處理1小時(shí)，充分形成氫離子傳導(dǎo)路徑。這里可看到，如果化學(xué)結(jié)構(gòu)式1所示的氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)在100℃以上較高溫濕潤的氣氛下熱處理，則氫離子傳導(dǎo)路徑即親水通道十分發(fā)達(dá)，形成逆微胞結(jié)構(gòu)。
這樣，就得到在外形尺寸20cm×32cm的氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜的表里兩面上接合外形尺寸為16cm×20cm的電極的，含摻入電極反應(yīng)用催化劑的導(dǎo)電體的電極/膜接合體。
接著，在上述電極/膜接合體的高分子電解質(zhì)膜的外周部接合橡膠制的墊圈片，形成冷卻水、燃料氣體、以及氧化劑氣體流通用的分流器孔，作為MEA。
以下表示隔板的構(gòu)成。隔板的尺寸全部為20cm×32cm、厚1.4cm、氣體流路和冷卻水流路的深度為0.5mm，對(duì)浸漬樹脂的石墨板切削加工作為隔板。
第一隔板作為C/A隔板，在一個(gè)面上作圖1所示的加工，在其背面作圖2所示的加工，一面上流過氧化劑氣體，另一面上流過燃料氣體。
第二隔板作為C/W隔板，在一面上作圖1所示的加工，在其背面作圖3所示的加工，一面上流氧化劑氣體，另一面上流冷卻水。第三隔板作為A/W隔板，在一面上作圖2所示的加工，在其背面上作圖3所示的加工，一面上流過燃料氣體，另一面上流冷卻水。這里，C/W隔板和A/W隔板的流過冷卻水的面之間以接合密封部(10)上設(shè)置粘接劑的狀態(tài)粘合，制作成一面流過氧化劑氣體，另一面流過燃料氣體，隔板內(nèi)部流過冷卻水的C/W/A隔板。
用兩塊C/A隔板，在MEA密封的一個(gè)面上重疊形成氧化劑流路的面，在背面上則重疊形成燃料氣體流路的面，將其作為單體電池。將該單體電池兩單元層迭后，用形成冷卻水路溝的C/W/A隔板將該兩單元迭層電池夾著，重復(fù)這種模式，制成100單元迭層的電池組。這時(shí)，在電池組的兩端部，用緊固桿固定不銹鋼制的集電板與電氣絕緣材料的絕緣板、還有端板。這時(shí)的緊固壓力為每單位面積隔板10kgf/cm2。
在這里，采用這樣的結(jié)構(gòu)，即氧化劑氣體從氧化劑氣體入口分流孔(1)進(jìn)入，通過氧化劑氣體流路溝(7)中流動(dòng)，從氧化劑氣體出口集流器孔(2)中排出，燃料氣體從燃料氣體入口分流器孔(3)進(jìn)入，通過燃料氣體流路溝(8)流動(dòng)，從燃料氣體出口集流器孔(4)排出。因此，設(shè)定為燃料氣體實(shí)質(zhì)的上游部和氧化劑氣體實(shí)質(zhì)的上游部同一方向；燃料氣體實(shí)質(zhì)的下游部和氧化劑氣體實(shí)質(zhì)的下游部同一方向。另外，冷卻水設(shè)定成從冷卻水入口分流器孔(5)進(jìn)入，通過冷卻水流路溝(9)流動(dòng)，從冷卻水出口集流器孔(6)排出。從而，設(shè)定為燃料氣體實(shí)質(zhì)的上游部、氧化劑氣體實(shí)質(zhì)的上游部、以及冷卻水實(shí)質(zhì)的上游部為同一方向，燃料氣體實(shí)質(zhì)的下游部、氧化劑氣體實(shí)質(zhì)的下游部、以及冷卻水實(shí)質(zhì)的下游部為同一方向。即設(shè)定成氧化劑氣體、燃料氣體、冷卻水一起并流。另外，在各個(gè)氣體的出口部，通過將排出氣體中的水分凝聚、回收用的熱交換器向大氣開放，盡量做成不加背壓。又設(shè)置燃料電池組，并使氧化劑氣體、燃料氣體、和冷卻水都是實(shí)際上的上游部在上部、實(shí)際上的下游部在下部。
這樣制成的本實(shí)施例的高分子電解質(zhì)型燃料電池冷卻水入口附近的溫度Twin保持在60-85℃，對(duì)燃料極側(cè)提供調(diào)濕、調(diào)濕后調(diào)整露點(diǎn)(水蒸汽分壓)，將一氧化碳濃度減至50ppm以下的甲烷的水蒸汽改性氣體，對(duì)空氣極側(cè)提供加濕、加溫成50℃至80℃露點(diǎn)的空氣。這時(shí)，正常運(yùn)行狀態(tài)下折干計(jì)算的甲烷改質(zhì)氣體的組成為H2約79％、CO2約20％、N2約1％、CO約20ppm。
在本實(shí)施例中，判明燃料氣體中，含比氫擴(kuò)散性差的二氧化碳?xì)怏w時(shí)，或要求燃料利用率高，有良好的氣體分配性時(shí)，更加有效。
對(duì)于該電池，通過調(diào)整氧化劑氣體流量控制氧氣利用率，使燃料利用率為70％，以電流密度0.2A/cm2、及0.7A/cm2的條件進(jìn)行連續(xù)發(fā)電試驗(yàn)，測(cè)量輸出特性隨時(shí)間的變化、以及氧化劑氣體及燃料氣體的出口露點(diǎn)。
表3表示采用本實(shí)施例的發(fā)電試驗(yàn)結(jié)果。為了作比較，上述以外的運(yùn)行條件下的結(jié)果示于表4。
(表3)本發(fā)明的發(fā)電試驗(yàn)結(jié)果
表(4)
從實(shí)施例2-1結(jié)果可知，在高電流密度發(fā)電的情況下，若將氧化劑氣體利用率提高到90％左右運(yùn)行，5000小時(shí)后會(huì)因過濕致使性能降低，因此判明利用電流密度，改變氧化劑氣體利用率，電流密度越低氧化劑氣體利用率越增大是有效的。
另外，測(cè)量以0.24A/cm2發(fā)電時(shí)氧化劑氣體及燃料氣體的壓力損失。氧化劑氣體利用率40％、空氣入口露點(diǎn)45℃時(shí)，電池入口部處氧化劑氣體側(cè)的壓力損失為80mmAq、燃料氣體入口部處的壓力損失為100mmAq。另外，燃料電池組出口部的壓力損失(熱交換器的壓力損失)，氧化劑氣體側(cè)為40mmAq、燃料氣體側(cè)為20mmAq。因此，僅燃料電池組的壓力損失，氧化劑氣體側(cè)為40mmAq、燃料氣體側(cè)為80mmAq。
同樣，在以0.2A/cm2發(fā)電時(shí)，氧化劑氣體利用率60％、空氣入口露點(diǎn)0℃時(shí)，電池入口部的氧化劑氣體側(cè)壓力損失為50mmAq，燃料氣體入口側(cè)的壓力損失為80mmAq。另外，燃料電池出口部的壓力損失(熱交換器的壓力損失)氧化，劑氣體側(cè)為30mmAq，燃料氣體側(cè)為10mmAq。因此，僅燃料電池組的壓力損失，氧化劑氣體側(cè)為20mmAq、燃料氣體側(cè)為70mmAq。
從以上結(jié)果發(fā)現(xiàn)，提供燃料電池組的氣體的壓力損失設(shè)計(jì)成讓燃料氣體側(cè)的壓力損失比氧化劑氣體側(cè)大，這從分配性等角度出發(fā)是有利的。
另外，發(fā)現(xiàn)氧化劑氣體及燃料氣體的出口露點(diǎn)在氧化劑氣體和燃料氣體實(shí)際流向是同向流動(dòng)的情況下幾乎相等。從這點(diǎn)也發(fā)現(xiàn)高分子電解質(zhì)膜中水的移動(dòng)速度也相當(dāng)快。又發(fā)現(xiàn)若供給氣體的入口露點(diǎn)和供給氣體的利用率相同，則供給氣體的出口露點(diǎn)與電流密度無關(guān)，成為幾乎相同的出口露點(diǎn)。但是，可以確認(rèn)在80％以上的高氧化劑氣體利用率的情況下，低電流密度時(shí)的性能和高電流密度時(shí)的性能相比，低電流密度時(shí)即使90％的氧化劑氣體利用率也能充分發(fā)揮性能，但是，高電流密度時(shí)，用90％的氧化劑氣體利用率時(shí)性能低下。從這一點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，最佳氧化劑氣體利用率因電流密度而變化，為了實(shí)現(xiàn)最佳運(yùn)行，有必要利用電流密度改變氧化劑氣體利用率。
(實(shí)施例2-2)首先用和實(shí)施例2-1相同的方法制作電極/膜接合體。接著，用和實(shí)施例2-1相同的方法制作隔板，同樣裝配電池。這里，氧化劑氣體從氧化劑氣體入口分流孔(1)進(jìn)入，通過氧化劑氣體流路溝(7)流動(dòng)，從氧化劑氣體出口集流器孔(2)排出，燃料氣體從燃料氣體入口分流器孔(3)進(jìn)入，通過燃料氣體流路溝(8)流動(dòng)，從燃料氣體出口集流器孔(4)排出。因此，設(shè)定成燃料氣體實(shí)質(zhì)的上游部和氧化劑氣體實(shí)質(zhì)的上游部為同一方向、燃料氣體實(shí)質(zhì)的下游部和氧化劑氣體實(shí)質(zhì)的下游部為同一方向。又，設(shè)定冷卻水從冷卻水出口集流器孔(6)進(jìn)入，通過冷卻水流路溝(9)流動(dòng)，從冷卻水入口分流器孔(5)排出。從而，設(shè)定成燃料氣體實(shí)質(zhì)的上游部、氧化劑氣體實(shí)質(zhì)的上游部及冷卻水實(shí)質(zhì)的下游部為同一方向，燃料氣體實(shí)質(zhì)的下游部、氧化劑氣體實(shí)質(zhì)的下游部、及冷卻水實(shí)質(zhì)的的上游部為同一方向。即配置為燃料氣體和氧化劑氣體并流，與此相反，只有冷卻水反向流動(dòng)。另外，在各氣體出口部，排出氣體向大氣開放，盡量不加背壓。另外，燃料電池組設(shè)置為氧化劑氣體及燃料氣體實(shí)質(zhì)的上游部在上部，實(shí)質(zhì)的下游部在下部。因此，將燃料電池組配置成，對(duì)于冷卻水，其實(shí)質(zhì)的上游部在下部，實(shí)質(zhì)的下游部在上部。
這樣制成的本實(shí)施例的高分子電解質(zhì)型燃料電池的冷卻水入口附近的溫度保持在70℃，通過調(diào)整冷卻水流量控制發(fā)電時(shí)冷卻水出口附近溫度為75℃，對(duì)于燃料極側(cè)提供調(diào)濕、調(diào)溫后調(diào)整露點(diǎn)(水蒸汽分壓)為70℃，一氧化碳濃度降至50ppm以下的甲烷的水蒸汽改性氣體，對(duì)空氣極側(cè)提供加濕、加溫為45℃露點(diǎn)的空氣或干燥空氣(露點(diǎn)0℃)。這時(shí)正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的折干計(jì)算的甲烷改質(zhì)氣體的組成為，H2約79％、CO2約20％、N2約1％、CO約20ppm。
對(duì)于該電池，通過調(diào)整氧化劑氣體流量控制氧氣利用率，使燃料利用率為70％，在電流密度0.2A/cm2及0.7A/cm2的條件下進(jìn)行連續(xù)發(fā)電試驗(yàn)，測(cè)量輸出特性隨時(shí)間的變化和氧化劑氣體及燃料氣體的出口露點(diǎn)。
結(jié)果，確認(rèn)能得到和實(shí)施例2-1所示結(jié)果一樣的良好的結(jié)果，冷卻水流動(dòng)方向與其說在本發(fā)明中無影響，還不如說冷卻水流動(dòng)方向與氧化劑氣體、燃料氣體的流動(dòng)方向相反對(duì)于運(yùn)行條件來說是理想的。另外，也確認(rèn)了將燃料電池組設(shè)置成氧化劑氣體及燃料氣體流動(dòng)與重力方向平行，冷卻水的方向與重力方向相反，這樣做完全沒有問題。
又和實(shí)施例2-1一樣測(cè)定供給氣體的壓力損失，得到幾乎和實(shí)施例2-1相同的結(jié)果。
(比較例)為了作比較，示出不采用本發(fā)明的，氧化劑氣體和燃料氣體反向流動(dòng)的構(gòu)成例。
首先，用和實(shí)施例2-1相同的方法制作電極/膜接合體，接著用和實(shí)施例2-1同樣的方法制作隔板，同樣地裝配電池。這里，氧化劑氣體從氧化劑氣體入口分流器孔(1)進(jìn)入，通過氧化劑氣體流路溝(7)流動(dòng)，從氧化劑出口集流器孔(2)排出，燃料氣體從燃料氣體出口集流孔(4)進(jìn)入，通過燃料氣體流路溝(8)流動(dòng)，從燃料氣體入口分流器孔(3)排出。因此，設(shè)定成燃料氣體實(shí)質(zhì)的上游部和氧化劑氣體實(shí)質(zhì)的下游部為同方向，燃料氣體實(shí)質(zhì)的下游部和氧化劑氣體實(shí)質(zhì)的上游部為同一方向。因此，設(shè)定成燃料氣體和氧化劑氣體反向流動(dòng)。
又，設(shè)定成冷卻水從冷卻水入口分流器孔(5)進(jìn)入，通過冷卻水流路溝(9)流動(dòng)，從冷卻水出口集流器孔(6)排出。即配置成燃料氣體和氧化劑氣體反向流動(dòng)，與此相反冷卻水和氧化劑氣體同向流動(dòng)。另外，做成在各氣體的出口部，排出氣體向大氣開放，盡量不加背壓。另外，將燃料電池組設(shè)置成燃料氣體實(shí)質(zhì)的上游部在上部，實(shí)質(zhì)的下游部在下部。因此，對(duì)于氧化劑氣體及冷卻水，將燃料電池組設(shè)置成實(shí)質(zhì)的上游部在下部，實(shí)質(zhì)的下游部在上部。
這樣制作成的本例的高分子電解質(zhì)型燃料電池的冷卻水入口附近的溫度保持在70℃，通過調(diào)整冷卻水流量控制發(fā)電時(shí)冷卻水出口附近的溫度為75℃，對(duì)燃料極一側(cè)提供調(diào)濕、調(diào)溫后調(diào)整露點(diǎn)(水蒸汽分壓)為70℃，一氧化碳濃度減至50ppm以下的甲烷的水蒸汽改性氣體，對(duì)空氣極一側(cè)提供加濕、加溫成45℃露點(diǎn)的空氣或干燥空氣(露點(diǎn)0℃)。這時(shí)，正常的運(yùn)行狀態(tài)下折干計(jì)算的甲烷改性氣體的組成為H2約79％、CO2約20％、N2約1％、CO約20ppm。
對(duì)于該電池，通過調(diào)整氧化劑氣體流量控制氧氣利用率，使燃料利用率為70％，以電流密度0.2A/cm2及0.7A/cm2的條件，進(jìn)行連續(xù)發(fā)電試驗(yàn)，測(cè)量輸出特性隨時(shí)間的變化、氧化劑氣體及燃料氣體的出口露點(diǎn)。其結(jié)果示于表5。
(表5)本發(fā)明的發(fā)電試驗(yàn)結(jié)果
另外，為了比較，改變?nèi)剂想姵亟M的設(shè)置方向，將燃料電池組設(shè)置成氧化劑氣體及冷卻水實(shí)質(zhì)的上游部在上部，實(shí)質(zhì)的下游部在下部，再作試驗(yàn)。因此，將燃料電池組設(shè)置成，對(duì)于燃料氣體，實(shí)質(zhì)的上游部在下部，實(shí)質(zhì)的下游部在上部。
其結(jié)果是，發(fā)電時(shí)各單元的電壓離散增大，也出現(xiàn)了換極的單元，故陷入甚至于無法測(cè)量特性的狀態(tài)。因此發(fā)現(xiàn)，要將燃料電池組設(shè)置成，對(duì)于燃料氣體，實(shí)質(zhì)的上游部在上部，實(shí)質(zhì)的下游部在下部，燃料氣體順著重力方向流動(dòng)。
但是發(fā)現(xiàn)，通過減小燃料供給氣體側(cè)隔板的流路斷面積使燃料氣體提供時(shí)的壓力損失上升，或增大電流密度并增加燃料氣體的流量，或降低燃料利用率增加燃料氣體的流量，進(jìn)行同樣的試驗(yàn)時(shí)，在燃料氣體供給壓力損失有300mmAg以上的高壓力損失的燃料電池組或電池運(yùn)行條件的情況下，即使不把燃料氣體的流沿重力方向設(shè)置，而設(shè)置為與重力方向相反也能順利運(yùn)行。
(實(shí)施例2-3)首先，用和實(shí)施例2-1相同的方法制作電極/膜接合體。下面敘述隔板的構(gòu)成。隔板的尺寸全部為20cm×32cm、厚1.4cm、氣體流路及冷卻水流路深度為0.5mm，對(duì)浸漬樹脂的石墨板作切削加工后形成隔板。
第一隔板為對(duì)一個(gè)面作圖4所示的加工，對(duì)于其背面作圖5所示的加工，在一個(gè)面上流通氧化劑氣體，在另一面上流通燃料氣體的C/A隔板。第二隔板為對(duì)一個(gè)面上作圖4所示的加工，對(duì)其背面作圖6所示的加工，在一個(gè)面上流通氧化劑氣體、另一面上流通冷卻水的C/W隔板。第三隔板為對(duì)一個(gè)面作圖5所示的加工，對(duì)其背面作圖6所示加工，在一面上流通燃料氣體，在另一面上流通冷卻水的A/W隔板。這里，以在接合密封部(10)上設(shè)置接合劑的狀態(tài)將C/W隔板和A/W隔板的冷卻水流過的面相互粘接，制作一個(gè)面上流通氧化劑氣體，另一面上流通燃料氣體，隔板的內(nèi)部流通冷卻水的C/W/A隔板。
用兩塊C/A隔板，在MEA薄板的一個(gè)面上重疊形成氧化劑氣體流路的面，在背面上重疊形成燃料氣體流路的面，將其作為單體電池。將該單體電池兩個(gè)單元層迭后，用形成冷卻水路溝的C/W/A隔板夾著這個(gè)兩單元迭層電池，重復(fù)進(jìn)行這樣的模式，制成100單元迭層的電池組。這時(shí)，在電池組的兩端部，用不銹鋼制的集電板和電氣絕緣材料的絕緣板，還有端板和緊固桿加以固定。這時(shí)的緊固壓力為每隔板單位面積10kgf/cm2。
這里，氧化劑氣體從氧化劑氣體入口分流器孔(1)進(jìn)入，通過氧化劑氣體流路溝(7)流動(dòng)，從氧化劑氣體出口集流器孔(2)排出，燃料氣體從燃料氣體入口分流器孔(3)進(jìn)入，通過燃料氣體流路溝(8)流動(dòng)，從燃料氣體出口集流器孔(4)排出。因此，設(shè)置成燃料氣體實(shí)質(zhì)的上游部和氧化劑氣體實(shí)質(zhì)的上游部為同一方向，燃料氣體實(shí)質(zhì)的下游部和氧化劑氣體實(shí)質(zhì)的下游部為同一方向。又，設(shè)定成冷卻水從冷卻水入口分流器孔(5)進(jìn)入，通過冷卻水流路構(gòu)(9)流動(dòng)，從冷卻水出口集流孔(6)中排出。
因此，設(shè)置成燃料氣體實(shí)質(zhì)的上游部、氧化劑氣體實(shí)質(zhì)的上游部、及冷卻水實(shí)質(zhì)的上游部為同一方向，燃料氣體實(shí)質(zhì)的下游部、氧化劑氣體實(shí)質(zhì)的下游部、及冷卻水實(shí)質(zhì)的下游部為同一方向。即氧化劑氣體、燃料氣體、冷卻水一起同向流動(dòng)。又做成在各氣體的出口部，排出氣體向大氣開放，盡量不加背壓。
這樣制成的本實(shí)施例的高分子電解質(zhì)型燃料電池的冷卻水入口附近的溫度保持在75℃，通過調(diào)整冷卻水流量控制發(fā)電時(shí)冷卻水出口附近的溫度為80℃，對(duì)燃料極側(cè)提供調(diào)濕、調(diào)溫后調(diào)整露點(diǎn)(水蒸汽分壓)為75℃，一氧化碳濃度降至50ppm以下的甲烷的水蒸汽改性氣體，對(duì)空氣極側(cè)提供干燥空氣(露點(diǎn)0℃)。這時(shí)，正常運(yùn)行狀態(tài)下折干計(jì)算的甲烷改性氣體的組成為H2約79％、CO2約20％、N2約1％、CO約20ppm。
對(duì)于該電池，通過調(diào)整氧化劑氣體流量控制氧氣利用率，使燃料利用率為70％，在電流密度0.2A/cm2及0.7A/cm2的條件進(jìn)行連續(xù)發(fā)電試驗(yàn)，測(cè)量輸出特性隨時(shí)間的變化、氧化劑氣體及燃料氣體的出口露點(diǎn)。本實(shí)施例發(fā)電試驗(yàn)結(jié)果示于表6。
(表6)
(實(shí)施例2-4)首先，用和實(shí)施例2-1同樣的方法制作電極/膜接合體。接著用和實(shí)施例2-3相同的方法制作隔板，同樣地裝配電池，同樣地設(shè)定氣體及冷卻水全部同向流動(dòng)。
這樣制成的本實(shí)施例的高分子電解質(zhì)型燃料電池冷卻水入口附近的溫度保持在85℃，通過調(diào)整冷卻水流量控制發(fā)電時(shí)冷卻水出口附近的溫度為90℃，對(duì)燃料極側(cè)提供調(diào)濕、調(diào)溫后調(diào)整露點(diǎn)(水蒸汽分壓)為85℃，一氧化碳濃度降至50ppm以下的甲烷的水蒸汽改性氣體，對(duì)空氣極側(cè)提供干燥空氣(露點(diǎn)0℃)。這時(shí)的正常運(yùn)行狀態(tài)下的折干計(jì)算的甲烷改性氣體的組成為H2約79％、CO2約20％、N2約1％、CO約20ppm。
對(duì)于該電池，通過調(diào)整氧化劑氣體流量控制氧氣利用率，使燃料利用率為70％，在電流密度0.2A/cm2及0.7A/cm2的條件下，進(jìn)行連續(xù)發(fā)電試驗(yàn)，測(cè)量輸出特性隨時(shí)間的變化、氧化劑氣體及燃料氣體的出口露點(diǎn)。本實(shí)施例的發(fā)電試驗(yàn)結(jié)果示于表7。
(表7)
(實(shí)施例2-5)首先，用和實(shí)施例2-1同樣的方法制作電極/膜接合體。接著，用和實(shí)施例2-3同樣的方法制作隔板，同樣地裝配電池，同樣地設(shè)定氣體及冷卻水全部成同向流動(dòng)。
將這樣制成的本實(shí)施例的高分子電解質(zhì)型燃料電池冷卻水入口附近的溫度保持在60℃，通過調(diào)整冷卻水流量控制發(fā)電時(shí)冷卻水出口附近的溫度為65℃，對(duì)燃料極側(cè)提供調(diào)濕、調(diào)溫后調(diào)整露點(diǎn)(水蒸汽分壓)為60℃，一氧化碳濃度降至50ppm以下的甲烷的水蒸汽改性氣體，對(duì)空氣極側(cè)提供干燥氣體(露點(diǎn)0℃)。這時(shí)，正常運(yùn)行狀態(tài)下折干計(jì)算的甲烷改性氣體的組成為H2約79％、CO2約20％、N2約1％、CO約20ppm。
對(duì)于該電池，通過調(diào)整氧化劑氣體流量控制氧氣利用率，使燃料利用率為70％，在電流密度0.2A/cm2及0.7A/cm2的條件下，進(jìn)行連續(xù)發(fā)電試驗(yàn)，測(cè)量輸出特性隨時(shí)間的變化及氧化劑氣體及燃料氣體的出口露點(diǎn)。本實(shí)施例的發(fā)電試驗(yàn)結(jié)果示于表8。
(表8)
(實(shí)施例2-6)首先，用和實(shí)施例2-1同樣的方法制作電極/膜接合體。接著用和實(shí)施例2-3同樣的方法制作隔板，同樣裝配電池，同樣地將氣體及冷卻水設(shè)定成全部同向流動(dòng)。
為了比較，將這樣制成的高分子電解質(zhì)型燃料電池冷卻水入口附近的溫度保持在本發(fā)明以下的溫度即45℃，通過調(diào)整冷卻水流量控制發(fā)電時(shí)冷卻水出口附近的溫度為50℃，對(duì)燃料極側(cè)提供調(diào)濕、調(diào)溫后調(diào)整露點(diǎn)(水蒸汽分壓)為45℃的純氫氣，對(duì)空氣極側(cè)提供干燥空氣(露點(diǎn)0℃)。
對(duì)于該電池，通過調(diào)整氧化劑氣體流量控制氧氣利用率，使燃料利用率為70％，在電池密度0.2A/cm2及0.7A/cm2的條件下進(jìn)行連續(xù)發(fā)電試驗(yàn)，測(cè)量輸出特性隨時(shí)間的變化、氧化劑氣體及燃料氣體的出口露點(diǎn)，本實(shí)施例的發(fā)電試驗(yàn)結(jié)果示于表9。
(表9)
如上所述，發(fā)現(xiàn)在冷卻水入口溫度或平均電池溫度低于60℃時(shí)，有必要降低氧化劑氣體利用率，60％以上的利用率時(shí)反而會(huì)給工作造成障礙。另外，本發(fā)明的意義上的并流為氧化劑氣體和燃料氣體實(shí)質(zhì)的入口和出口的關(guān)系當(dāng)然是同一方向。從以上的實(shí)施例中也可知，即使存在部分的反向流動(dòng)或正交流動(dòng)的地方，只要隔板整個(gè)面上總體上氣體流動(dòng)方向一致就能奏效。
(實(shí)施例2-7)首先，用和實(shí)施例2-1相同的方法制成電極/膜接合體。以下敘述隔板的構(gòu)成。隔板的尺寸為全部20cm×32cm、厚1.4mm、氣體流路及冷卻水流路的深度為0.5mm，對(duì)浸漬樹脂的石墨板作切削加工制成隔板。
第一隔板在一個(gè)面上作圖7所示的加工，在其背面上作圖8所示的加工，作成一個(gè)面上流動(dòng)氧化劑氣體，另一面上流動(dòng)燃料氣體的C/A隔板。第二隔板為一面上作圖7所示的加工，在其背面上作圖9所示的加工，作成一個(gè)面上流動(dòng)氧化劑氣體，另一面上流動(dòng)冷卻水的C/W隔板。第三隔板一個(gè)面上作圖8所示的加工，其背面上作圖9所示的加工，作成一面上流動(dòng)燃料氣體，另一面上流動(dòng)冷卻水的A/W隔板。這里將C/W隔板和A/W隔板的流過冷卻水的面以接合密封部上設(shè)置粘接劑的狀態(tài)粘接，制作一個(gè)面上流過氧化劑氣體、另一面上流過燃料氣體，隔板內(nèi)部流過冷卻水的C/W/A隔板。
用兩塊C/A隔板，將形成氧化劑氣體流路的面重疊于MEA薄板的一個(gè)面上，將形成燃料氣體流路的面重疊于其背面上，將其作為單體電池。將兩個(gè)單元的該單體電池層迭后，用形成冷卻水路溝的C/W/A隔板將該兩單元迭層電池夾著，重復(fù)該模式制成100單元迭層的電池組。這時(shí)，在電池組的兩端，用不銹鋼制的集電極及電氣絕緣材料的絕緣板，還有端板和緊固桿固定。這時(shí)的緊固壓力為每隔板的單位面積10kgf/cm2。
這里，氧化劑氣體從氧化劑氣體入口分流器孔(1)進(jìn)入，通過氧化劑氣體流路溝(7)流動(dòng)，從氧化劑氣體出口集流器孔(2)排出，燃料氣體從燃料氣體入口分流器孔(3)進(jìn)入，通過燃料氣體流路溝(8)流動(dòng)，從燃料氣體出口集流器孔(4)排出。因此，設(shè)定成燃料氣體實(shí)質(zhì)的上游部和氧化劑氣體實(shí)質(zhì)的上游部為同一方向，燃料氣體實(shí)質(zhì)的下游部和氧化劑氣體實(shí)質(zhì)的下游部為同一方向，另外，設(shè)定成冷卻水從冷卻水入口分流器孔(5)進(jìn)入，通過冷卻水流路溝(9)流動(dòng)，從冷卻水出口集流器孔(6)排出。因此，設(shè)定成燃料氣體實(shí)質(zhì)的上游部、氧化劑氣體實(shí)質(zhì)的上游部、及冷卻水實(shí)質(zhì)的上游部為同一方向，燃料氣體實(shí)質(zhì)的下游部、氧化劑氣體實(shí)的下游部、及冷卻水實(shí)質(zhì)的下游部為同一方向。即氧化劑氣體、燃料氣體、及冷卻水一起并流。另外，做成在各氣體的出口部處，排出氣體向大氣開放，盡量不加背壓。
將這樣制成的本實(shí)施例的高分子電解質(zhì)型燃料電池冷卻水入口附近的溫度保持在75℃，通過調(diào)整冷卻水流量控制發(fā)電時(shí)冷卻水出口附近的溫度為80℃，對(duì)燃料極側(cè)提供調(diào)濕、調(diào)溫后調(diào)整露點(diǎn)(水蒸汽分壓)為75℃，一氧化碳濃度降至50ppm以下的甲烷的水蒸汽改性氣體，對(duì)空氣極側(cè)提供干燥空氣(露點(diǎn)燃℃)。這時(shí)，正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下折干計(jì)算的甲烷改性氣體的組成為H2約79％、CO2約20％、N2約1％、CO約20ppm。
對(duì)于該電池，通過調(diào)整氧化劑氣體流量控制氧氣利用率，使燃料利用率為70％，在電池密度0.2A/cm2及0.7A/cm2的條件下進(jìn)行連續(xù)發(fā)電試驗(yàn)，測(cè)量輸出特性隨時(shí)間的變化、氧化劑氣體與燃料氣體的出口露點(diǎn)。表10表示本實(shí)施例的發(fā)電試驗(yàn)結(jié)果。
(表10)
從以上實(shí)施例發(fā)現(xiàn)，燃料氣體出口露點(diǎn)及氧化劑出口露點(diǎn)都比電池平均運(yùn)行溫度或冷卻水入口溫度低5℃以上時(shí)，通過降低以保持在5℃以內(nèi)，能得到良好的電池特性及壽命特性。還發(fā)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，在提供的氧化劑氣體露點(diǎn)低的情況下，要提高氧化劑氣體利用率，而且與燃料氣體并向流動(dòng)。
(實(shí)施例2-8)首先，用和實(shí)施例2-1同樣的方法制作電極/膜接合體。接著用和實(shí)施例2-3同樣的方法制作隔板，同樣地裝配電池，同樣地將氣體及冷卻水全部設(shè)定為并流。
將這樣制作成的本實(shí)施例的高分子電解質(zhì)型燃料電池冷卻水入口附近溫度保持在70℃，通過調(diào)整冷卻水流量控制發(fā)電時(shí)冷卻水出口附近溫度為80℃，對(duì)燃料極側(cè)提供調(diào)濕、調(diào)溫后調(diào)整露點(diǎn)(水蒸汽分壓)為65℃、一氧化碳濃度降至50ppm以下的甲烷部分氧化改性氣體，對(duì)空氣極側(cè)提供加濕為露點(diǎn)60℃的空氣。這時(shí)，正常運(yùn)行狀態(tài)下折干計(jì)算的甲烷改性氣體的組成為H2約52％、CO2約43％、N2約5％、CO約20ppm。
對(duì)該電池，通過調(diào)整氧化劑氣體流量控制氧氣利用率，使燃料利用率為70％，在電流密度0.2A/cm2及0.7A/cm2的條件下進(jìn)行連續(xù)發(fā)電試驗(yàn)，測(cè)量輸出特性隨時(shí)間的變化、氧化劑氣體及燃料氣體的出口露點(diǎn)。
表11表示采用本發(fā)明的實(shí)施例及不用本發(fā)明的比較例的發(fā)電試驗(yàn)結(jié)果。
(表11)
又發(fā)現(xiàn)這時(shí)同時(shí)將純氫氣用作燃料氣體，從露點(diǎn)65℃加濕至露點(diǎn)80℃后提供，進(jìn)行同樣的試驗(yàn)。其結(jié)果是，在將純氫氣用作燃料氣體時(shí)，因?yàn)樵谌剂蠘O側(cè)純氫一被使用，余留的氣體只是水蒸汽，因此在假定發(fā)生分配不良的情況下也極不容易發(fā)生因燃料窒息而造成性能降低的情況。特別是因?yàn)槎趸細(xì)怏w擴(kuò)散性差，燃料氣體中的二氧化碳含量在折干計(jì)算含15％以上時(shí)，本發(fā)明的效果更加顯著。
綜合以上的實(shí)施例可知，本發(fā)明最為有效的條件是，冷卻水入口附近的溫度在65℃以上80℃以下，燃料氣體加濕溫度以冷卻水入口溫度或比冷卻水出口溫度低5℃至10℃的露點(diǎn)提供，燃料氣體的利用率為70％至80％；燃料氣體為含二氧化碳的改性氣體；氧化劑氣體為空氣；在空氣被加濕至冷卻水入口附近溫度或比冷卻水出口附近溫度低10℃至20℃的露點(diǎn)后提供的情況下，氧化劑氣體利用率設(shè)成50％至60％，設(shè)電流密度為0.2至0.7A/cm2，具有同向流動(dòng)(coflow)的氣體流路相對(duì)于重力從上向下流動(dòng)的形態(tài)的燃料電池是最有效的。
工業(yè)應(yīng)用性從以上說明可知，本發(fā)明能提供有良好初始特性及長壽命特性的高分子電解質(zhì)型燃料電池及其運(yùn)行方法。
權(quán)利要求
1.一種高分子電解質(zhì)型燃料電池，具備有將配置在夾著氫離子高分子電解質(zhì)膜的位置上的一對(duì)電極、以及向所述一電極提供或由其排出燃料氣體，向所述另一電極提供或由其排出氧化劑氣體的供給排出手段的單體電池，隔著導(dǎo)電性隔板層迭，使冷卻所述電極用的冷卻媒體流通的手段，其特征在于，調(diào)整從所述燃料氣體的供給量、所述燃料氣體的加濕量、所述氧化劑氣體的供給量、所述氧化劑氣體的加濕量、所述冷卻媒體的流量或溫度、或高分子電解質(zhì)型燃料電池的輸出電流值中選擇的至少一個(gè)量，使所述冷卻媒體的入口溫度Twin或冷卻媒體的出口溫度Twout為60℃以上。
2.根據(jù)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，對(duì)從所述燃料氣體的供給量、所述燃料氣體的加濕量、所述氧化劑氣體的供給量、所述氧化劑氣體的加濕量、及所述冷卻媒體的流量或溫度、或高分子電解質(zhì)型燃料電池的輸出電流值中選擇的至少一個(gè)量進(jìn)行調(diào)整，使得提供給所述高分子電解質(zhì)型燃料電池的燃料氣體提供口的燃料氣體供給總流量Vain(NL/min)，包括水蒸汽、提供給所述燃料氣體提供口的所述燃料氣體中的含氫率ΔPah(atm)，包括水蒸汽、提供給所述燃料氣體提供口的所述燃料氣體中所含水蒸汽的分壓ΔPain(atm)、所述高分子電解質(zhì)型燃料電池的燃料利用率Uf，0≤Uf≤1、提供給所述燃料提供口的所述燃料氣體中所含水蒸汽的露點(diǎn)Rain(℃)、所述燃料氣體提供部的電池溫度Tain(℃)、以及燃料氣體排出部的電池溫度Taout(℃)保持為Rain＜Tain。
3.根據(jù)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，對(duì)從所述燃料氣體的供給量、所述燃料氣體的加濕量、所述氧化劑氣體的供給量、所述氧化劑氣體的加濕量、及所述冷卻媒體的流量或溫度、或高分子電解質(zhì)型燃料電池的輸出電流值中選擇的至少一個(gè)量加以調(diào)整，使得Rain≤Tain-5。
4.根據(jù)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，對(duì)從所述燃料氣體的供給量、所述燃料氣體的加濕量、所述氧化劑氣體的供給量、所述氧化劑氣體的加濕量、及所述冷卻媒體的流量或溫度、或高分子電解質(zhì)型燃料電池的輸出電流值中選擇的至少一個(gè)量加以調(diào)整，使得Tain-15≤Rain≤Tain-5。
5.根據(jù)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，對(duì)從所述燃料氣體的供給量、所述燃料氣體的加濕量、所述氧化劑氣體的供給量、所述氧化劑氣體的加濕量、及所述冷卻媒體的流量或溫度、或高分子電解質(zhì)型燃料電池的輸出電流值中選擇的至少一個(gè)量加以調(diào)整，使得能以ΔPain/(1-Uf×ΔPah)算出，從燃料氣體出口附近的水蒸汽分壓ΔPaout(atm)根據(jù)近似式22.921Ln(ΔPaout×760)-53.988得到的，燃料氣體出口附近的露點(diǎn)Raout(℃)滿足Raout≤Taout+5。
6.根據(jù)權(quán)利要求1～5中的任一項(xiàng)所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于，在所述導(dǎo)電性隔板的所述燃料氣體和所述氧化劑氣體的流通方向相同，并且，對(duì)從所述燃料氣體的供給量、所述燃料氣體的加濕量、所述氧化劑氣體的供給量、所述氧化劑氣體的加濕量、及所述冷卻媒體的流量或溫度、或高分子電解質(zhì)型燃料電池的輸出電流值中選擇的至少一個(gè)量加以調(diào)整，使得所述氧化劑氣體提供部的電池溫度Tcin(℃)、或所述燃料氣體提供部的電池溫度Tain(℃)、或冷卻媒體的入口溫度Twin(℃)、或冷卻媒體的出口溫度Twout(℃)大于60℃，并且，將所述高分子電解質(zhì)型燃料電池的氧化劑利用率Uo、但0≤Uo≤1、提供給氧化劑氣體供給口的所述氧化劑氣體中所含水蒸汽的露點(diǎn)Rcin、氧化劑氣體提供部的電池溫度Tcin(℃)、及氧化劑氣體排出部的電池溫度Tcout保持為Rcin較Twin或Twout低10℃以上。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于，所述Rcin保持為較Twin或Twout低20℃以上。
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，其特征在于，將所述氧化劑氣體的供給量加以調(diào)整，以使所述Uo滿足Uo≥0.5。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于，所述Rain比所述Rcin高10℃以上，比所述Twin或所述Tain或所述Taout或所述Tcin或所述Tcout低。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于，所述Uo為0.6以上，0.9以下。
11.根據(jù)權(quán)利要求1～10中的任一項(xiàng)所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于，所述導(dǎo)電性隔板上的所述燃料氣體和所述氧化劑氣體的流通方向相對(duì)于重力從上向下。
12.根據(jù)權(quán)利要求1～11中的任一項(xiàng)所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于，從陰極及陽極排出的燃料氣體及氧化劑氣體除了與燃料氣體及氧化劑氣體流通的部分的壓力損失相當(dāng)?shù)牟豢杀苊獾牟糠滞猓瑢?shí)質(zhì)上被開放為常壓。
13.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于，對(duì)從電池取出的電流值和所述Uo進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，所述電流值越小則使所述Uo越大。
14.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于，使所述Twin或所述Twout或所述Tain或所述Taout或所述Tcin或所述Tcout為70℃以上、95℃以下。
15.根據(jù)權(quán)利要求1～14中的任一項(xiàng)所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于，所述燃料氣體的折干計(jì)算組成中含15體積％以上、45體積％以下的二氧化碳?xì)怏w、或燃料利用率0.7以上。
16.一種高分子電解質(zhì)型燃料電池的運(yùn)行方法，具備具有將配置在夾著氫離子高分子電解質(zhì)膜的位置上的一對(duì)電極、以及向所述一電極提供或由其排出燃料氣體，向所述另一電極提供或由其排出氧化劑氣體的提供排手段的單體電池隔著導(dǎo)電性隔板層迭，使冷卻所述電極用的冷卻媒體流通的流通手段，其特征在于，對(duì)從所述燃料氣體的供給量，所述燃料氣體的加濕量、所述氧化劑氣體的供給量、所述氧化劑氣體的加濕量、所述冷卻媒體的流量或溫度、或高分子電解質(zhì)型燃料電池的輸出電流值中選擇的至少一個(gè)量加以調(diào)整，以使所述冷卻媒體的入口溫度Twin、或冷卻媒體的出口溫度Twout為60℃以上。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池的運(yùn)行方法，其特征在于，所述導(dǎo)電性隔板上所述燃料氣體和所述氧化劑氣體的流通方向?yàn)橄嗤较?，并且?duì)從所述燃料氣體的供給量、所述燃料氣體的加濕量、所述氧化劑氣體的供給量、所述氧化劑氣體的加濕量、及所述冷卻媒體的流量或溫度、或高分子電解質(zhì)型燃料電池的輸出電流值中選擇的至少一個(gè)量加以調(diào)整，以使所述氧化劑氣體提供部的電池溫度Tcin、或所述燃料氣體提供部的電池溫度Tain、或冷卻媒體的入口溫度Twin、或冷卻媒體的出口溫度Twout為60℃以上，并且將所述高分子電解質(zhì)型燃料電池的氧化劑氣體利用率Uo、提供給氧化劑氣體提供口的上述氧化劑氣體中所含水蒸汽的露點(diǎn)Rcin、氧化劑氣體提供部的電池溫度Tcin、以及氧化劑氣體排出部的電池溫度Tcout保持為Rcin比Twin或Twout低10℃以上；其中0≤Uo≤1。
全文摘要
一種高分子電解質(zhì)型燃料電池及其運(yùn)行方法，該方法具備下述流通手段，即有配置在夾著氫離子高分子電解質(zhì)膜的位置上的一對(duì)電極以及對(duì)所述一電極提供排出燃料氣體，對(duì)所述另一電極提供排出氧化劑氣體的供給排出手段的單體電池，通過導(dǎo)電性隔板疊層，使冷卻所述電極用冷卻媒體流動(dòng)用的流通手段。從所述燃料氣體供給量、所述燃料氣體加濕量、所述氧化劑氣體供給量、所述氧化劑氣體加濕量、所述冷卻媒體的流量或溫度，或高分子電解質(zhì)型燃料電池的輸出電流值中至少選擇一個(gè)進(jìn)行調(diào)整，以使所述冷卻媒體的入口溫度(Twin(℃))或冷卻媒體的出口溫度(Twout(℃))為60℃以上。
文檔編號(hào)H01M4/92GK1484870SQ01820015
公開日2004年3月24日 申請(qǐng)日期2001年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月5日
發(fā)明者羽藤一仁, 二, 新倉順二, 神原煇壽 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社