專(zhuān)利名稱(chēng)：高分子電解質(zhì)型燃料電池及其運(yùn)轉(zhuǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于便攜式電源、電動(dòng)車(chē)輛用電源、家庭內(nèi)熱電聯(lián)供系統(tǒng)等的燃料電池，特別是使用高分子電解質(zhì)的高分子電解質(zhì)型燃料電池。
背景技術(shù)：
在使用高分子電解質(zhì)的燃料電池中，使含有氫的燃料氣體和含有空氣等氧的燃料氣體通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)產(chǎn)生電和熱。該燃料電池基本上是由下述部件所構(gòu)成的選擇性輸送氫離子的高分子電解質(zhì)膜，以及在高分子電解質(zhì)膜的兩面上形成的一對(duì)電極、即陽(yáng)極和陰極。前述電極以負(fù)載了鉑族金屬催化劑的碳粉作為主要成分，該電極是由在高分子電解質(zhì)膜的表面形成的催化劑層、以及在催化劑層外面形成的兼有透氣性和電子導(dǎo)電性的氣體擴(kuò)散層形成的。
由高分子電解質(zhì)膜以及將其夾在中間的一對(duì)電極形成電池單元，將多個(gè)這種電池單元連接起來(lái)可以得到一定的電壓。因此，在電池單元之間通過(guò)導(dǎo)電性的隔板層疊起來(lái)形成電池組。將燃料氣體和氧化氣體分別供給至隔板的兩側(cè)，以及將燃料氣體和氧化氣體分別供給至各個(gè)氣體擴(kuò)散電極，進(jìn)行高分子電解質(zhì)膜上的離子導(dǎo)電和各氣體擴(kuò)散電極的化學(xué)反應(yīng)，在一對(duì)氣體擴(kuò)散電極之間產(chǎn)生電壓，通過(guò)具有集電電極功能的位于兩端的一對(duì)隔板對(duì)外部電路供電。在這種發(fā)電方式中，使供給氣體盡可能均等地供給至氣體擴(kuò)散電極的電極面可以提高氣體的利用率，改良發(fā)電效率和輸出性能。
為了不使供給至電極的燃料氣體以及氧化劑氣體泄漏到外部，以及不使兩種氣體互相混合，在電極的周?chē)O(shè)有夾住高分子電解質(zhì)膜的氣封材料或密封墊。這些氣封材料或密封墊圈將電極和高分子電解質(zhì)膜預(yù)先地一體化組裝起來(lái)。其被稱(chēng)為MEA(電解質(zhì)膜電極接合體)。在MEA的外側(cè)，在其被機(jī)械地固定的同時(shí)，在鄰接的MEA之間設(shè)有導(dǎo)電性的隔板，以使其能以互相導(dǎo)電的方式串連連接起來(lái)。在隔板和MEA接觸的部分上，形成將反應(yīng)氣體供給至電極面、將生成的水和剩余的氣體帶走的氣體通路。氣體通路也可以和隔板分開(kāi)設(shè)置，通常的方式是在隔板的表面設(shè)置溝槽作為氣體通路。
為了將反應(yīng)氣體供給至氣體通路，以及為了排出來(lái)自氣體通路的反應(yīng)氣體、生成水，供給氣體的管路或來(lái)自氣體通路的管路按照所使用的隔板的片數(shù)分支，在該分支的前端必須具有直接接入隔板溝槽的管路夾具。該夾具稱(chēng)為復(fù)式接頭，將氣體的供給管路直接連接接入的樣式稱(chēng)為外部復(fù)式接頭。作為與該外部復(fù)式接頭不同的復(fù)式接頭，還有構(gòu)造更為簡(jiǎn)單的稱(chēng)為內(nèi)部復(fù)式接頭的樣式。內(nèi)部復(fù)式接頭是如下的一種裝置在形成氣體通路用溝槽的隔板上設(shè)有貫通的孔，氣體通路的出入口連通至該孔，反應(yīng)氣體直接通過(guò)該孔供給或排出。
為了形成內(nèi)部復(fù)式接頭，在隔板上設(shè)有稱(chēng)為復(fù)式接頭孔的貫通的孔，氣體通路的出入口和該復(fù)式接頭孔連通，通過(guò)復(fù)式接頭孔將反應(yīng)氣體分配至各氣體通路。
燃料電池由于在運(yùn)轉(zhuǎn)中放熱，為了維持電池在良好的溫度狀態(tài)，必須要通過(guò)冷卻水等進(jìn)行冷卻，通常每1～3個(gè)電池單元設(shè)有流通冷卻水的冷卻部。
一般的層狀電池的結(jié)構(gòu)是，通過(guò)互相重復(fù)這些MEA、隔板以及冷卻部，將10～200個(gè)電池單元疊加后，介由集電板和絕緣板，用端板將它們夾住，通過(guò)連接桿從兩端固定。
氣體擴(kuò)散電極上用于供給氣體的隔板的氣體通路的結(jié)構(gòu)不僅在氣體利用率的方面是重要的，在對(duì)氣體擴(kuò)散電極上發(fā)生的電流進(jìn)行有效率的集電和除去氣體擴(kuò)散電極上產(chǎn)生的熱量這些方面也是重要的。以前提出了一種使在隔板側(cè)形成的氣體通路蜿蜒成為螺旋型，或者形成和通路并行的多數(shù)條通路的結(jié)構(gòu)(例如可以參照特公昭50-8777號(hào)公報(bào)以及特開(kāi)平7-263003號(hào)公報(bào))。
在這種電池的高分子電解質(zhì)中，可以使用全氟磺酸類(lèi)的材料。由于該高分子電解質(zhì)膜在含有水分的狀態(tài)下表現(xiàn)出離子導(dǎo)電性，因此通常將燃料氣體和氧化劑氣體加濕后供給電池是必要的。此外，由于在陰極側(cè)通過(guò)反應(yīng)會(huì)生成水，若供給的加濕氣體使得達(dá)到了高于電池工作溫度的露點(diǎn)，則在電池內(nèi)部的氣體通路和電極內(nèi)部會(huì)發(fā)生凝結(jié)，由于積水等現(xiàn)象產(chǎn)生電池性能不穩(wěn)定、性能降低之類(lèi)的問(wèn)題。通常將這種由于過(guò)分濕潤(rùn)表現(xiàn)出的電池性能降低和運(yùn)作不穩(wěn)定的現(xiàn)象稱(chēng)為液泛現(xiàn)象。在將高分子電解質(zhì)型燃料電池作為發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，含有供給氣體的加濕等的系統(tǒng)化是必要的。為了使系統(tǒng)簡(jiǎn)單化、提高系統(tǒng)效率，優(yōu)選將供給的加濕氣體的露點(diǎn)稍稍降低。
如上所述，從防止液泛現(xiàn)象、提高系統(tǒng)效率、簡(jiǎn)化系統(tǒng)等的角度出發(fā)，通常供給氣體是以相對(duì)于電池溫度稍低的露點(diǎn)進(jìn)行加濕而供給的。
但是，為了實(shí)現(xiàn)電池的高性能化，提高高分子電解質(zhì)膜的離子傳導(dǎo)度是必要的，因此供給氣體的加濕優(yōu)選以接近相對(duì)濕度100％的濕度、或者以相對(duì)濕度100％以上的濕度進(jìn)行供給。此外，從高分子電解質(zhì)膜的耐久性的角度出發(fā)，供給氣體優(yōu)選以高度加濕而供給。在供給接近相對(duì)濕度100％的氣體時(shí)，會(huì)發(fā)生前述的液泛從而產(chǎn)生問(wèn)題。
為了防止該液泛現(xiàn)象，提出了如下所述的技術(shù)(例如可以參照特開(kāi)平10-106594號(hào)公報(bào))。
即隔板的氣體通路是由下述部分所構(gòu)成的分別與入口側(cè)復(fù)式接頭以及出口側(cè)復(fù)式接頭連接的入口側(cè)通路溝槽以及出口側(cè)通路溝槽，還有與入口側(cè)通路溝槽以及出口側(cè)通路溝槽連通的中間通路溝槽。然后使入口側(cè)通路溝槽以及出口側(cè)通路溝槽成為格柵狀，成為多次折返的形狀中間通路溝槽、多條平行的獨(dú)立通路溝槽以及獨(dú)立通路溝槽的折返部分成為格柵狀的通路溝槽。
為了防止由于反應(yīng)生成水引起的液泛所產(chǎn)生的供給氣體的停滯，以往著眼于對(duì)各種氣體通路溝槽的設(shè)計(jì)，有將氣體通路成為格柵狀的樣式、以及從入口到出口成為1條通路的樣式。格柵狀的樣式不會(huì)發(fā)生如到達(dá)液泛時(shí)的積水狀況，但是達(dá)到整體均勻的氣體擴(kuò)散性能較差，會(huì)產(chǎn)生部分閉塞等，在排水性能方面較差。此外，1條通路的樣式的氣體擴(kuò)散性優(yōu)良，但是流阻增加，必須提高供給裝置側(cè)的初壓，增加了輔機(jī)動(dòng)力，降低系統(tǒng)效率。
在特開(kāi)平10-106594號(hào)公報(bào)的結(jié)構(gòu)中，由于提高入口側(cè)通路溝槽部的氣體擴(kuò)散性，促進(jìn)了該部分的反應(yīng)，提高了整個(gè)電能轉(zhuǎn)換能量效率，反應(yīng)集中在入口側(cè)通路溝槽部，促進(jìn)了高分子電解質(zhì)膜和氣體擴(kuò)散電極的催化劑層的劣化，在耐久性方面還存在問(wèn)題。此外，在出口側(cè)通路溝槽部，擴(kuò)大了通路截面積以確保排水性，防止液泛，但由于通路截面積增大使得氣體的流動(dòng)分布不均勻，在流速較慢的部分產(chǎn)生通路溝槽的一部分被生成的水閉塞的狀況，在該部分不能供給氣體，所以不能完全防止液泛。
作為避免液泛的其它方法，可以考慮提高供給氣體的隔板通路部分的流速，以吹走冷凝的水。
然而，為了增加供給氣體的流速，必須以較高的壓力供給氣體，在系統(tǒng)化的情況下不得不極端地增加氣體供給鼓風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī)等的輔機(jī)動(dòng)力，導(dǎo)致系統(tǒng)效率的惡化。此外，若液泛現(xiàn)象在陽(yáng)極側(cè)發(fā)生，會(huì)導(dǎo)致燃料氣體的缺乏，這對(duì)于電池來(lái)說(shuō)是致命的問(wèn)題。若在燃料氣體不足的狀態(tài)下強(qiáng)制產(chǎn)生負(fù)載電流，在沒(méi)有燃料的狀態(tài)下為了制造出電子和質(zhì)子，陽(yáng)極的負(fù)載催化劑的碳和周?chē)h(huán)境中的水反應(yīng)。其結(jié)果是由于催化劑層的碳的溶出，陽(yáng)極的催化劑層被破壞。
此外，對(duì)于搭載了層狀電池的系統(tǒng)，考慮到市場(chǎng)性，電池不但要在額定輸出條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，根據(jù)電力需要抑制輸出的低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)也是不可缺少的。在低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，為了維持效率，必須要使燃料氣體和氧化劑氣體的利用率處于和額定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)同樣的條件下。也就是說(shuō)，相對(duì)于額定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，例如在負(fù)載抑制為1/2的情況下，如果不將燃料氣體和氧化劑氣體的流量降低至1/2左右，則由于使用了多余的燃料氣體和氧化劑氣體，發(fā)電效率降低。但是若氣體的利用率保持一定而進(jìn)行低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)，則氣體通路內(nèi)的氣體流速降低，冷凝水和生成水不能排出到隔板外，發(fā)生上述的液泛現(xiàn)象，而產(chǎn)生電池性能降低和不穩(wěn)定的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
在考慮了上述問(wèn)題的基礎(chǔ)上，本發(fā)明的目的是提供一種可以在低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)抑制液泛的高分子電解質(zhì)型燃料電池，及其運(yùn)轉(zhuǎn)方法。
為了解決上述的問(wèn)題，本發(fā)明的第1方面為如下所述的一種高分子電解質(zhì)型燃料電池，該電池具有疊層以下所述電池單元的電池單元疊層體，所述電池單元具有高分子電解質(zhì)膜，夾住前述高分子電解質(zhì)膜的陽(yáng)極和陰極，陰極側(cè)隔板和陽(yáng)極側(cè)隔板，在前述陰極側(cè)隔板上具有將氧化劑氣體供給至前述陰極的氧化劑氣體通路溝槽，在前述陽(yáng)極側(cè)隔板上具有將燃料氣體供給至前述陽(yáng)極的燃料氣體通路溝槽，一部分或全部的前述氧化劑氣體通路溝槽形成氧化劑氣體單位通路，該通路從前述陰極側(cè)隔板輸入后直至輸出，一部分或全部的前述燃料氣體通路溝槽形成燃料氣體單位通路，該通路從前述陽(yáng)極側(cè)隔板輸入后直至輸出，在前述電池單元疊層體中可以將2個(gè)以上的前述氧化劑氣體單位通路并聯(lián)或串聯(lián)連接，在前述電池單元疊層體中可以將2個(gè)以上的前述燃料氣體單位通路并聯(lián)或串聯(lián)連接。
本發(fā)明的第2方面在本發(fā)明的第1方面的基礎(chǔ)上，為如下所述的一種高分子電解質(zhì)型燃料電池，相對(duì)于其發(fā)電輸出的變更，改變前述并聯(lián)或串聯(lián)連接，以使通過(guò)前述氧化劑氣體通路溝槽的氧化劑氣體的速度維持在沒(méi)有水滯留在前述氧化劑氣體通路溝槽中的速度，通過(guò)前述燃料氣體通路溝槽的燃料氣體的速度維持在沒(méi)有水滯留在前述燃料氣體通路溝槽中的速度。
本發(fā)明的第3方面在本發(fā)明的第2方面的基礎(chǔ)上，為如下所述的一種高分子電解質(zhì)型燃料電池，前述氧化劑氣體單位通路由前述氧化劑氣體通路溝槽的一部分形成，前述燃料氣體單位通路由前述燃料氣體通路溝槽的一部分形成，在前述并聯(lián)連接的情況下，在前述各陰極側(cè)隔板上形成的多數(shù)的氧化劑氣體單位通路互相并聯(lián)連接，以同時(shí)供給前述氧化劑氣體，在前述各陽(yáng)極側(cè)隔板上形成的多數(shù)的燃料氣體單位通路互相并聯(lián)連接，以同時(shí)供給前述燃料氣體，在前述串聯(lián)連接的情況下，在前述各陰極側(cè)隔板上形成的多數(shù)的氧化劑氣體單位通路的全部或一部分互相串聯(lián)連接，以順次供給前述氧化劑氣體，在前述各陽(yáng)極側(cè)隔板上形成的多數(shù)的燃料氣體單位通路的全部或一部分互相串聯(lián)連接，以順次供給前述燃料氣體。
本發(fā)明的第4方面在本發(fā)明的第2方面的基礎(chǔ)上，為如下所述的一種高分子電解質(zhì)型燃料電池，前述氧化劑氣體單位通路由全部的前述氧化劑氣體通路溝槽形成，前述燃料氣體單位通路由全部的前述燃料氣體通路溝槽形成，在前述并聯(lián)連接的情況下，在前述各陰極側(cè)隔板上形成的多數(shù)的氧化劑氣體單位通路之間互相并聯(lián)連接，以同時(shí)供給前述氧化劑氣體，在前述各陽(yáng)極側(cè)隔板上形成的多數(shù)的燃料氣體單位通路之間互相并聯(lián)連接，以同時(shí)供給前述燃料氣體，在前述串聯(lián)連接的情況下，在前述各陰極側(cè)隔板上形成的多數(shù)的氧化劑氣體單位通路的全部或一部分之間互相串聯(lián)連接，以順次供給前述氧化劑氣體，在前述各陽(yáng)極側(cè)隔板上形成的多數(shù)的燃料氣體單位通路的全部或一部分之間互相串聯(lián)連接，以順次供給前述燃料氣體。
本發(fā)明的第5方面在本發(fā)明的第3或第4方面的基礎(chǔ)上，為如下所述的一種高分子電解質(zhì)型燃料電池，其具有連接到前述各氧化劑氣體單位通路入口處的入口側(cè)氧化劑氣體復(fù)式接頭、連接到前述各氧化劑氣體單位通路出口處的出口側(cè)氧化劑氣體復(fù)式接頭、連接到前述各燃料氣體單位通路入口處的入口側(cè)燃料氣體復(fù)式接頭、連接到前述各燃料氣體單位通路出口處的出口側(cè)燃料氣體復(fù)式接頭，前述氧化劑氣體單位通路之間互相串聯(lián)連接時(shí)，將連接到前述氧化劑氣體通路溝槽入口處的入口側(cè)氧化劑氣體復(fù)式接頭以及連接到前述氧化劑氣體通路溝槽出口處的出口側(cè)氧化劑氣體復(fù)式接頭以外的、入口側(cè)氧化劑氣體復(fù)式接頭和出口側(cè)氧化劑氣體復(fù)式接頭連接起來(lái)，前述燃料氣體單位通路之間互相串聯(lián)連接時(shí)，將連接到前述燃料氣體通路溝槽入口處的入口側(cè)燃料氣體復(fù)式接頭以及連接到前述燃料氣體通路溝槽出口處的出口側(cè)燃料氣體復(fù)式接頭以外的、入口側(cè)燃料氣體復(fù)式接頭和出口側(cè)燃料氣體復(fù)式接頭連接起來(lái)。
本發(fā)明的第6方面在本發(fā)明的第5方面的基礎(chǔ)上，為如下所述的一種高分子電解質(zhì)型燃料電池，前述氧化劑氣體單位通路之間、以及前述燃料氣體單位通路之間的串聯(lián)或并聯(lián)連接具有下述的結(jié)構(gòu)，設(shè)置在前述疊層電池單元外部的閥門(mén)可以根據(jù)其發(fā)電電力而開(kāi)閉。
本發(fā)明的第7方面在本發(fā)明的第5方面的基礎(chǔ)上，為如下所述的一種高分子電解質(zhì)型燃料電池，在連接到前述氧化劑氣體通路溝槽入口處的入口側(cè)氧化劑氣體復(fù)式接頭以及連接到前述氧化劑氣體通路溝槽出口處的出口側(cè)氧化劑氣體復(fù)式接頭以外的、入口側(cè)氧化劑氣體復(fù)式接頭和出口側(cè)氧化劑氣體復(fù)式接頭相連接的部分上，還有在連接到前述燃料氣體通路溝槽入口處的入口側(cè)燃料氣體復(fù)式接頭以及連接到前述燃料氣體通路溝槽出口處的出口側(cè)燃料氣體復(fù)式接頭以外的、入口側(cè)燃料氣體復(fù)式接頭和出口側(cè)燃料氣體復(fù)式接頭相連接的部分上，設(shè)有水霧收集器。
本發(fā)明的第8方面在本發(fā)明的第1方面的基礎(chǔ)上，為如下所述的一種高分子電解質(zhì)型燃料電池，前述氧化劑氣體單位通路之間并聯(lián)的連接使得前述氧化劑氣體流動(dòng)的方向位于不和重力相反的方向上，前述燃料氣體單位通路之間并聯(lián)的連接使得前述燃料氣體流動(dòng)的方向位于不和重力相反的方向上。
本發(fā)明的第9方面為如下所述的一種高分子電解質(zhì)型燃料電池的運(yùn)轉(zhuǎn)方法，該電池具有以下所述的電池單元疊層體，所述電池單元具有高分子電解質(zhì)膜，夾住前述高分子電解質(zhì)膜的陽(yáng)極和陰極，陰極側(cè)隔板和陽(yáng)極側(cè)隔板，前述陰極側(cè)隔板具有將氧化劑氣體供給至前述陰極的氧化劑氣體通路，前述陽(yáng)極側(cè)隔板具有將燃料氣體供給至前述陽(yáng)極的燃料氣體通路，一部分或全部的前述氧化劑氣體通路溝槽形成氧化劑氣體單位通路，該通路輸入至前述陰極側(cè)隔板后再輸出，一部分或全部的前述燃料氣體通路溝槽形成燃料氣體單位通路，該通路輸入至前述陽(yáng)極側(cè)隔板后再輸出，其中還包含在前述電池單元疊層體中將2個(gè)以上的前述氧化劑氣體單位通路并聯(lián)或串聯(lián)連接的工序，在前述電池單元疊層體中將2個(gè)以上的前述燃料氣體單位通路并聯(lián)或串聯(lián)連接的工序。
根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種在低負(fù)載時(shí)可以抑制液泛的發(fā)生的高分子電解質(zhì)型燃料電池，及其運(yùn)轉(zhuǎn)方法。


圖1為用于本發(fā)明實(shí)施方式1的高分子電解質(zhì)型燃料電池的導(dǎo)電性隔板的陰極側(cè)的主視圖。
圖2為用于本發(fā)明實(shí)施方式1的高分子電解質(zhì)型燃料電池的導(dǎo)電性隔板的陽(yáng)極側(cè)的主視圖。
圖3為用于本發(fā)明實(shí)施方式1的高分子電解質(zhì)型燃料電池的導(dǎo)電性隔板的陰極側(cè)氣體通路的切換的示意圖。
圖4為表示本發(fā)明實(shí)施方式1的疊層型高分子電解質(zhì)型燃料電池的陰極側(cè)的管路的立體圖。
圖5為表示本發(fā)明實(shí)施方式2的疊層型高分子電解質(zhì)型燃料電池的陰極側(cè)的管路的立體圖。
圖6為表示本發(fā)明實(shí)施方式1的高分子電解質(zhì)型燃料電池的電流—電壓特性的示意圖。
圖7為表示本發(fā)明實(shí)施方式2的高分子電解質(zhì)型燃料電池的電流—電壓特性的示意圖。
圖8為表示本發(fā)明實(shí)施方式3的高分子電解質(zhì)型燃料電池的電壓隨時(shí)間變化的示意圖。
圖9為本發(fā)明實(shí)施方式3的高分子電解質(zhì)型燃料電池中電池單元A的陰極側(cè)隔板的主視圖。
圖10為本發(fā)明實(shí)施方式3的高分子電解質(zhì)型燃料電池中電池單元A的陽(yáng)極側(cè)隔板的主視圖。
圖11為本發(fā)明實(shí)施方式3的高分子電解質(zhì)型燃料電池中電池單元B的陰極側(cè)隔板的主視圖。
圖12為本發(fā)明實(shí)施方式3的高分子電解質(zhì)型燃料電池中電池單元B的陽(yáng)極側(cè)隔板的主視圖。
圖13為在本發(fā)明實(shí)施方式3的高分子電解質(zhì)型燃料電池中，將反應(yīng)氣體串聯(lián)供給至電池單元A以及電池單元B時(shí)，表示電池單元A的氧化劑氣體的流動(dòng)的陰極側(cè)隔板的主視圖。
圖14為在本發(fā)明實(shí)施方式3的高分子電解質(zhì)型燃料電池中，將反應(yīng)氣體串聯(lián)供給至電池單元A以及電池單元B時(shí)，表示電池單元A的燃料氣體的流動(dòng)的陽(yáng)極側(cè)隔板的主視圖。
圖15為在本發(fā)明實(shí)施方式3的高分子電解質(zhì)型燃料電池中，將反應(yīng)氣體串聯(lián)供給至電池單元A以及電池單元B時(shí)，表示電池單元B的氧化劑氣體的流動(dòng)的陰極側(cè)隔板的主視圖。
圖16為在本發(fā)明實(shí)施方式3的高分子電解質(zhì)型燃料電池中，將反應(yīng)氣體串聯(lián)供給至電池單元A以及電池單元B時(shí)，表示電池單元B的燃料氣體的流動(dòng)的陽(yáng)極側(cè)隔板的主視圖。
圖17為表示本發(fā)明實(shí)施方式3的高分子電解質(zhì)型燃料電池的整體結(jié)構(gòu)的立體圖。
圖18為表示本發(fā)明實(shí)施方式4的高分子電解質(zhì)型燃料電池的整體結(jié)構(gòu)的立體圖。
圖19為在本發(fā)明的實(shí)施例4的高分子電解質(zhì)型燃料電池的連續(xù)發(fā)電試驗(yàn)中，表示電壓變化的圖。
圖中1MEA，5、131集電板，6、132絕緣板，7、133端板，10導(dǎo)電性隔板，11a、11b氧化劑氣體的入口側(cè)復(fù)式接頭孔，12a、12b燃料氣體的入口側(cè)復(fù)式接頭孔，13a、13b氧化劑氣體的出口側(cè)復(fù)式接頭孔，14a、14b燃料氣體的出口側(cè)復(fù)式接頭孔，21a氧化劑氣體的第1通路，21b氧化劑氣體的第2通路，22a燃料氣體的第1通路，22b燃料氣體的第2通路，30燃料電池，31連結(jié)至氧化劑氣體的供給源的導(dǎo)管，31a、31b分支導(dǎo)管，33a、33b出口側(cè)的分支導(dǎo)管，33出口側(cè)導(dǎo)管，35、37、39閥門(mén)，40集器，101、3L、3R、105氧化劑氣體的復(fù)式接頭，102、4L、4R、106燃料氣體的復(fù)式接頭，10A、10B陰極側(cè)的隔板，20A、20B陽(yáng)極側(cè)的隔板，11A、11B、21A、21B氧化劑氣體入口側(cè)的復(fù)式接頭孔，13A、13B、23A、23B 氧化劑氣體入口側(cè)的復(fù)式接頭孔，12A、12B、22A、22B燃料氣體入口側(cè)的復(fù)式接頭孔，14A、14B、24A、24B燃料氣體入口側(cè)的復(fù)式接頭孔，15A、15B、25A、25B氧化劑氣體出口側(cè)的復(fù)式接頭孔，16A、16B、26A、26B氧化劑氣體出口側(cè)的復(fù)式接頭孔，130電池單元疊層體。
具體實(shí)施例方式
(實(shí)施方式1)圖1為導(dǎo)電性隔板的陰極側(cè)的主視圖，圖2是其背面圖，即陽(yáng)極側(cè)的主視圖。該導(dǎo)電性隔板10具有氧化劑氣體的第1以及第2入口側(cè)復(fù)式接頭孔11a以及11b、第1以及第2出口側(cè)復(fù)式接頭孔13a以及13b、燃料氣體的第1以及第2入口側(cè)復(fù)式接頭孔12a以及12b、第1以及第2出口側(cè)復(fù)式接頭孔14a以及14b。該隔板10在陰極側(cè)的面上，具有從第1入口側(cè)復(fù)式接頭孔11a連接到第1出口側(cè)復(fù)式接頭孔13a、對(duì)應(yīng)于本發(fā)明的氧化劑氣體單位通路的第1氣體通路21a，以及從第2入口側(cè)復(fù)式接頭孔11b連接到第2出口側(cè)復(fù)式接頭孔13b、對(duì)應(yīng)于本發(fā)明的氧化劑氣體單位通路的第2氣體通路21b，在陽(yáng)極側(cè)的面上，具有從第1入口側(cè)復(fù)式接頭孔12a連接到第1出口側(cè)復(fù)式接頭孔14a、對(duì)應(yīng)于本發(fā)明的燃料氣體單位通路的第1氣體通路22a，以及從第2入口側(cè)復(fù)式接頭孔12b連接到第2出口側(cè)復(fù)式接頭孔14b、對(duì)應(yīng)于本發(fā)明的燃料氣體單位通路的第2氣體通路22b。本發(fā)明的氧化劑氣體通路溝槽由第1氣體通路21a和第2氣體通路21b構(gòu)成。本發(fā)明的燃料氣體通路溝槽由第1氣體通路22a和第2氣體通路22b構(gòu)成。
下面對(duì)使用該隔板的高分子電解質(zhì)型燃料電池的氣體供給方法進(jìn)行說(shuō)明。
首先根據(jù)圖1，對(duì)額定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的氧化劑氣體的供給方法進(jìn)行說(shuō)明。從箭頭A到A’的路徑、即從第1入口側(cè)復(fù)式接頭孔11a經(jīng)過(guò)第1氣體通路21a達(dá)到第1出口側(cè)復(fù)式接頭孔13a的路徑和從箭頭B到B’的路徑、即從第2入口側(cè)復(fù)式接頭孔11b經(jīng)過(guò)第2氣體通路21b達(dá)到第2出口側(cè)復(fù)式接頭孔13b的路徑這2條路徑并聯(lián)連接。然后在這2條路徑中同時(shí)流通氧化劑氣體。
然后，在以額定的1/2的負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，如圖3所示，前述的2條路徑，第1氣體通路21a和第2氣體通路21b串聯(lián)連接。即第1出口側(cè)復(fù)式接頭孔13a和第2入口側(cè)復(fù)式接頭孔11b在電池外部按照如箭頭AB所示那樣連接。即第1氣體通路21a和第2氣體通路21b串聯(lián)連接。由此，從箭頭A流入第1入口側(cè)復(fù)式接頭孔11a的氣體順次流過(guò)第1氣體通路21a和第2氣體通路21b，從第2出口側(cè)復(fù)式接頭孔13b排出至外部。關(guān)于燃料氣體的供給方法和上述完全相同。
圖4表示具有如上所述的隔板的疊層型高分子電解質(zhì)型燃料電池的氧化劑氣體的管路。該高分子電解質(zhì)型燃料電池30具有將MEA1和隔板10交互層疊而成的電池單元組，將其夾住的各一對(duì)的集電板5、絕緣板6、端板7以及將其系結(jié)為一體的系結(jié)機(jī)構(gòu)。連接至氧化劑氣體的供給源的導(dǎo)管31分支為第1導(dǎo)管31a和具有閥門(mén)35的第2導(dǎo)管31b。第1導(dǎo)管31a和隔板10的第1入口側(cè)復(fù)式接頭孔11a連通，和設(shè)在高分子電解質(zhì)型燃料電池上的復(fù)式接頭連接，第2導(dǎo)管31b和隔板10的第2入口側(cè)復(fù)式接頭孔11b連通，和設(shè)在高分子電解質(zhì)型燃料電池上的復(fù)式接頭連接。同樣地在隔板10的第1出口側(cè)復(fù)式接頭孔13a和第2出口側(cè)復(fù)式接頭孔13b上，設(shè)有連接到各自連通的復(fù)式接頭上的導(dǎo)管33a和33b。導(dǎo)管33a和閥門(mén)39連接，其再和導(dǎo)管33b一起與出口側(cè)導(dǎo)管33連接。導(dǎo)管31b的一端介由旁通閥37和導(dǎo)管33a連接。另外，各閥門(mén)都和控制器200連接。
圖4中為了簡(jiǎn)化，只表示了陰極側(cè)管路，陽(yáng)極側(cè)管路也可以在對(duì)稱(chēng)的位置同樣地配置而形成。從導(dǎo)管31分支的導(dǎo)管31a和31b以及與導(dǎo)管33連接的導(dǎo)管33a和33b具有同樣的管徑，其結(jié)構(gòu)可以將氣體均等地分配給分開(kāi)的導(dǎo)管。這里，對(duì)于均等地分配氣體，使分成2部分的導(dǎo)管長(zhǎng)度相等、各導(dǎo)管的壓力損失相等是重要的，同時(shí)使圖1中所示的2條氣體通路的通路長(zhǎng)度相等、獨(dú)立的2條氣體通路的壓力損失相等，對(duì)于進(jìn)行氣體均等分配也是重要的。
該高分子電解質(zhì)型燃料電池以額定負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，控制器200打開(kāi)閥門(mén)35以及39，關(guān)閉旁通閥37。從導(dǎo)管31供給的氧化劑氣體從導(dǎo)管31a以及31b、分別從復(fù)式接頭孔11a以及11b供給至第1氣體通路21a和第2氣體通路21b，經(jīng)過(guò)導(dǎo)管33a以及33b排出至導(dǎo)管33。此外，以額定的1/2負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，控制器200關(guān)閉閥門(mén)35以及39，打開(kāi)旁通閥37。從導(dǎo)管31a流經(jīng)第1氣體通路21a的氧化劑氣體從導(dǎo)管33a經(jīng)過(guò)旁通閥37以及導(dǎo)管31b流到第2氣體通路21b，從導(dǎo)管33b排出至導(dǎo)管33。即根據(jù)發(fā)電輸出的變更，改變各氣體通路的并聯(lián)連接和串聯(lián)連接，使在各氣體通路中維持沒(méi)有水滯留的氣體速度。
這里省略了冷卻水的通路，因而圖1以及圖2中也省略了冷卻水復(fù)式接頭孔。但是，和氣體通路同樣的，冷卻水通路的構(gòu)成也可以是將其分割成數(shù)個(gè)，和氣體通路的切換同樣地，根據(jù)負(fù)載而進(jìn)行切換。如上所示的隔板兼有陰極側(cè)隔板和陽(yáng)極側(cè)隔板，也可以如下所示構(gòu)成基于冷卻水的冷卻部。將在一方的面上形成如圖1的氧化劑氣體通路、在另一方的面上形成冷卻水通路的陰極側(cè)隔板和，在一方的面上形成如圖2的燃料氣體通路、在另一方的面上形成冷卻水通路的陽(yáng)極側(cè)隔板按照使冷卻水的通路對(duì)向接合的方式結(jié)合而形成隔板，將這些隔板適宜地插入至MEA之間。從此處所示的氣體通路的結(jié)構(gòu)，對(duì)于所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員也很容易想到形成分為數(shù)個(gè)冷卻水通路的結(jié)構(gòu)。另外，在不是對(duì)每個(gè)電池單元都設(shè)置冷卻部的情況下，其也可以不像氣體通路那樣分為數(shù)個(gè)。
本實(shí)施方式的要點(diǎn)在于，在隔板的面內(nèi)具有含有獨(dú)立的復(fù)式接頭孔的多個(gè)獨(dú)立的氣體通路，通過(guò)高分子電解質(zhì)型燃料電池系統(tǒng)中簡(jiǎn)單的閥門(mén)切換，可以避免在低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電池性能的降低或者不穩(wěn)定現(xiàn)象。
現(xiàn)有的高分子電解質(zhì)型燃料電池的隔板的結(jié)構(gòu)如下燃料氣體和氧化劑氣體各自的氣體從一個(gè)入口側(cè)復(fù)式接頭供給至隔板的氣體通路，再介由一個(gè)出口側(cè)復(fù)式接頭排出。為了提高高分子電解質(zhì)型燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的市場(chǎng)性，必須在不使發(fā)電效率降低的前提下，根據(jù)電力需要使高分子電解質(zhì)型燃料電池的負(fù)載可以變動(dòng)。因此，在相對(duì)于額定輸出使負(fù)載增大的情況下，必須將燃料氣體和氧化劑氣體的流量增大至與之適合的流量，在相對(duì)于額定輸出使負(fù)載減小的情況下，必須將燃料氣體和氧化劑氣體的流量減小至與之適合的流量。
通常，設(shè)在高分子電解質(zhì)型燃料電池的導(dǎo)電性隔板上的氣體通路被設(shè)計(jì)為在額定輸出中可以達(dá)到最適合的流速。從而，在增大電力負(fù)載的情況下，伴隨著氣體流量的增大氣體通路的氣體流速增大，在減小電力負(fù)載的情況下，伴隨著氣體流量的減小氣體通路的氣體流速減小。在氣體通路的氣體流速增大時(shí)，因?yàn)楣┙o氣體的壓力損失增大，由于輔機(jī)動(dòng)力的增大使發(fā)電效率會(huì)少許降低，但由于氣體通路的氣體流速增大，當(dāng)然可以更有效率地除去隔板的氣體通路內(nèi)的冷凝水或生成水，不會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象。然而，在使電力負(fù)載減小的情況下，伴隨著氣體流量的減小氣體通路的氣體流速也減小。在氣體通路的氣體流速減小時(shí)，根據(jù)流速減小的程度，隔板的氣體通路內(nèi)的冷凝水或生成水難以有效率地除去，發(fā)生液泛現(xiàn)象。這時(shí)，不僅電力負(fù)載減小，如果不使供給氣體流量減小，則相對(duì)于發(fā)電輸出輔機(jī)動(dòng)力的比例相對(duì)增大，發(fā)電系統(tǒng)整體的發(fā)電效率降低。
在本發(fā)明中，在隔板的面內(nèi)形成多數(shù)獨(dú)立的氣體通路，在這些通路上具有獨(dú)立的入口側(cè)以及出口側(cè)復(fù)式接頭孔，將這些通路串聯(lián)或并聯(lián)地連接起來(lái)，由此實(shí)現(xiàn)了特別是在低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生液泛現(xiàn)象的高分子電解質(zhì)型燃料電池。例如，當(dāng)最高負(fù)載發(fā)電輸出和最低負(fù)載發(fā)電輸出之比為4比1時(shí)，在隔板的面內(nèi)形成4條獨(dú)立的氣體通路，在最高負(fù)載發(fā)電時(shí)將所有的氣體通路并聯(lián)供給氣體，在最低負(fù)載發(fā)電時(shí)將所有的4個(gè)氣體通路串聯(lián)供給氣體。此外，在以中間的負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將4個(gè)通路之中相鄰的2個(gè)氣體通路串聯(lián)連接以供給氣體。因此，在負(fù)載變動(dòng)時(shí)，所有的氣體通路中都可以保持同樣的氣體流速。
由此，當(dāng)存在多數(shù)的各氣體單位通路時(shí)，當(dāng)氧化劑氣體單位通路之間串聯(lián)連接時(shí)，在連接到氧化劑氣體通路溝槽入口處的入口側(cè)氧化劑氣體復(fù)式接頭以及連接到氧化劑氣體通路溝槽出口處的出口側(cè)氧化劑氣體復(fù)式接頭以外的各氧化劑氣體單位通路中，可以將入口側(cè)氧化劑氣體復(fù)式接頭和出口側(cè)氧化劑氣體復(fù)式接頭連接起來(lái)。還有，當(dāng)燃料氣體單位通路之間串聯(lián)連接時(shí)，在連接到燃料氣體通路溝槽入口處的入口側(cè)燃料氣體復(fù)式接頭以及連接到燃料氣體通路溝槽出口處的出口側(cè)燃料氣體復(fù)式接頭以外的各燃料氣體單位通路中，可以將入口側(cè)燃料氣體復(fù)式接頭和出口側(cè)燃料氣體復(fù)式接頭連接起來(lái)。
此外，在各氣體通路串聯(lián)連接的情況下，在隔板的外部用導(dǎo)管連接獨(dú)立的復(fù)式接頭孔，通過(guò)各氣體通路的這種連接，在中間的復(fù)式接頭孔處凝結(jié)的冷凝水可以排出至隔板的外部，由于沒(méi)有將冷凝水供給至下游的通路中，因此可以穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)。
由此根據(jù)本實(shí)施方式的高分子電解質(zhì)型燃料電池，即使在以部分負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，由于在氣體通路內(nèi)的氣體流速?zèng)]有降低，可以抑制液泛的發(fā)生。
但是，一般燃料電池在額定負(fù)載下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的效益較好。因而，考慮到實(shí)際的使用狀況，設(shè)想使其在額定負(fù)載或接近額定負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間要遠(yuǎn)長(zhǎng)于部分負(fù)載下運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間。從而，如本實(shí)施方式的高分子電解質(zhì)型燃料電池所示，不論在額定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)或在部分負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，使得各單位通路內(nèi)部氣體沿著不和重力相反的方向流動(dòng)，通過(guò)這種結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步防止液泛的發(fā)生。而且，在上述各單位氣體通路中，使得一部分或全部?jī)?nèi)部氣體沿著不和重力相反的方向流動(dòng)，通過(guò)這種結(jié)構(gòu)可以在部分負(fù)載下防止液泛的發(fā)生，在這方面可以得到和上述同樣的效果。
(實(shí)施方式2)本實(shí)施方式如圖5所示，在實(shí)施方式1中連接第1出口側(cè)復(fù)式接頭和第2入口側(cè)復(fù)式接頭的管路上，插入水霧收集器40。在反應(yīng)氣體以大約100％的相對(duì)濕度進(jìn)行供給時(shí)，反應(yīng)氣體在通過(guò)第1氣體通路時(shí)由于生成水和冷凝水等，成為含有較多水霧的狀態(tài)。若該水霧供給至后段的氣體通路，由水霧引起的氣體通路的閉塞是發(fā)生液泛的原因，由此提高了發(fā)生液泛的危險(xiǎn)性。因此，為了使從上游側(cè)的第1氣體通路的出口一次排出至隔板以外的水霧不再次供給至下游側(cè)的氣體通路，通過(guò)插入水霧收集器40，使得液泛進(jìn)一步減小而可靠性較高的運(yùn)轉(zhuǎn)成為可能。該水霧收集器40收集的水被回收至燃料電池系統(tǒng)，可以進(jìn)行再利用。作為水霧收集器40，可以使用市售的機(jī)械水霧收集器，例如在實(shí)施例2中使用的，或者纖維狀具有吸水效果的燈芯狀的例如細(xì)繩狀的收集器。
由此，通過(guò)在復(fù)式接頭孔的連接部分插入水霧收集器40，可以確保進(jìn)行冷凝水的排出。在各氣體通路中流動(dòng)的氣體沿著不和重力相反的方向流動(dòng)時(shí)，進(jìn)一步促進(jìn)了冷凝水的排出。在各氣體通路進(jìn)行串聯(lián)和并聯(lián)的切換時(shí)，若其結(jié)構(gòu)使氣體的流動(dòng)方向不變，可以使氣體一直沿著不和重力相反的方向流動(dòng)，能夠更穩(wěn)定地運(yùn)行。另外，在圖5中省略了控制器200，各閥門(mén)和圖4的情況同樣地是通過(guò)控制器200進(jìn)行操作的。
(實(shí)施例1)下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。
向乙炔黑類(lèi)碳粉中負(fù)載25重量％的平均粒徑約30的鉑顆粒，制成陰極催化劑，向乙炔黑類(lèi)碳粉中負(fù)載25重量％的平均粒徑約30的鉑—釕合金顆粒，制成陽(yáng)極催化劑。將這些催化劑粉末分散至異丙醇中，將其混合至全氟化酸磺酸粉末的乙醇分散液(旭ガラス(株)制造的フレミオン(注冊(cè)商標(biāo)))中配置出糊狀的墨水。用絲網(wǎng)印刷法將這些墨水作為原料涂敷在厚度為250μm的碳無(wú)紡布(東レ(株)編號(hào)為T(mén)GP-H-090)的一面上，分別形成催化劑層。這些催化劑層中所含的鉑的量為0.3mG/cm2，全氟化碳磺酸的量為1.2mg/cm2。
將如上所述制得的在碳無(wú)紡布上形成催化劑層的陰極和陽(yáng)極通過(guò)熱壓，接合在具有比電極大一圈的面積的氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜(美國(guó)杜邦公司制造的ナフイオン112(注冊(cè)商標(biāo)))中心部位的兩面上，以使各自的催化劑層和電解質(zhì)膜接觸。在電極的外周邊緣部位露出的電解質(zhì)膜部分上，通過(guò)熱壓與厚度250μm由氟類(lèi)橡膠片形成的密封墊結(jié)合。由此制成電解質(zhì)膜電極接合體(MEA)。使用厚度為30μm的對(duì)全氟化碳磺酸進(jìn)行薄膜化的薄膜作為高分子電解質(zhì)膜。
導(dǎo)電性隔板是由厚度為3mm的各向同性石墨材料通過(guò)機(jī)械加工形成氣體通路以及復(fù)式接頭孔后制成的，具有如圖1和圖2所示的結(jié)構(gòu)。使各氣體通路的溝槽寬度為2mm，深度為1mm，溝槽間的肋寬為1mm，分別形成1條通道的氣體通路。此外，雖然在圖1以及圖2中沒(méi)有顯示，對(duì)應(yīng)于氣體通路的冷卻水的通路也進(jìn)行了分割。
然后，將上述的導(dǎo)電性隔板和MEA交互層疊，組裝成層疊了50個(gè)電池單元的如圖4所示的高分子電解質(zhì)型燃料電池。集電板使用表面鍍金的銅板，絕緣板使用聚苯硫醚板，端板使用不銹鋼制的板。疊層電池的系結(jié)壓，相對(duì)于電極的單位面積為10kgf/cm2，將圖1中所示的隔板的上部作為上，形成層狀電池。
該電池的額定運(yùn)轉(zhuǎn)條件為燃料利用率75％，氧利用率40％，電流密度0.3A/cm2。
將如此制成的本實(shí)施例的固體高分子型燃料電池保持在70℃，將露點(diǎn)為70℃的加濕·加熱的燃料氣體供給至陽(yáng)極，將露點(diǎn)為70℃的加濕·加熱的空氣供給至陰極。燃料氣體是由80％的氫氣、20％的二氧化碳以及10ppm的一氧化碳形成的。
使電流密度在從額定值的25％的低負(fù)載下的電流密度0.075A/cm2到額定負(fù)載下的0.3A/cm2的范圍內(nèi)變化，對(duì)該電池的電流-電壓特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。試驗(yàn)中的利用率和額定條件下相同。其結(jié)果如圖5所示。在圖5中，為了比較，將現(xiàn)有的高分子電解質(zhì)型燃料電池、也就是使用1條通道的氣體通路結(jié)構(gòu)的隔板的電池作為比較例1的電池，將其特性也記載在其中。
在本實(shí)施例中，在0.15A/cm2以下切換為串聯(lián)通路，在0.15A/cm2以上切換為并聯(lián)通路，由此進(jìn)行試驗(yàn)。
通過(guò)圖6可以看到，在0.075A/cm2附近比較例1的電池由于氣體流速的降低發(fā)生液泛，使得運(yùn)轉(zhuǎn)困難，而本實(shí)施例的高分子電解質(zhì)型燃料電池沒(méi)有發(fā)生液泛，可以穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)。在本實(shí)施例中，所示的是使用2條獨(dú)立的通路的情況，只要使各通路的壓力損失相同，也可以形成3條以上獨(dú)立的通路。
(實(shí)施例2)在本實(shí)施例中，如實(shí)施方式2所示，除了插入水霧收集器40以外其余部分制成和實(shí)施例1同樣的電池。水霧收集器40使用市售的機(jī)械水霧收集器(Armstrong公司制造的1-LDC)。將該電池在與實(shí)施例1相同的條件下測(cè)定電流-電壓特性。其中，將實(shí)施例2中通路整體的壓力損失設(shè)計(jì)為實(shí)施例1中通路整體的壓力損失的約60％。該結(jié)果如圖7所示。由圖7可以確認(rèn)，在實(shí)施例2中，在較低的壓力損失下也可以得到穩(wěn)定的電池輸出。
(實(shí)施例3)如圖1所示形成隔板，且優(yōu)選將電池如圖1所示那樣進(jìn)行配置。通常，根據(jù)冷卻水的流向決定電池面內(nèi)的溫度分布，為了降低氣體入口部分溫度，提高氣體出口部分的溫度，希望使冷卻水和氣體的流動(dòng)方向一致。通過(guò)這種結(jié)構(gòu)可以使出口附近大量產(chǎn)生的生成水順利地排出。也就是說(shuō)，若氣體的流動(dòng)方向變化，其與溫度分布之間的聯(lián)系破壞，變成容易產(chǎn)生積水的狀態(tài)。
此處，在本實(shí)施例中，和實(shí)施例1同樣地，如圖1所示形成隔板，將電池如圖1所示那樣進(jìn)行配置。在本實(shí)施例中，由于氣體通路在切換為并聯(lián)時(shí)氣體的流動(dòng)方向也不發(fā)生變化，因而可以總是抑制液泛，能夠穩(wěn)定地運(yùn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。
該電池在和實(shí)施例1相同的條件下，以額定的1/2的負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電壓隨時(shí)間變化如圖8所示。在圖8中，作為比較例3，還顯示了強(qiáng)制地將第2氣體通路的入口和出口逆轉(zhuǎn)，使氣體沿著和重力相反的方向流動(dòng)時(shí)的特性。由圖8可以看到，通過(guò)使氣體總是沿著不和重力相反的方向流動(dòng)，可以容易且確實(shí)地進(jìn)行穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)。
(實(shí)施方式3)圖9和圖10所示的是構(gòu)成電池單元A的陰極側(cè)隔板10A以及陽(yáng)極側(cè)隔板20A。隔板10A具有氧化劑氣體的復(fù)式接頭孔11A、13A和15A，還有燃料氣體的復(fù)式接頭孔12A、14A和16A，在朝向陰極的面上具有連接復(fù)式接頭孔11A和15A的氣體通路17A，該氣體通路17A對(duì)應(yīng)于本發(fā)明的氧化劑氣體單位通路。另一方面，隔板20A具有燃料氣體的復(fù)式接頭孔22A、24A和26A，還有氧化劑氣體的復(fù)式接頭孔21A、23A和25A，在朝向陽(yáng)極的面上具有連接復(fù)式接頭孔22A和26A的氣體通路28A，該氣體通路28A對(duì)應(yīng)于本發(fā)明的燃料氣體單位通路。
圖11和圖12所示的是構(gòu)成電池單元B的陰極側(cè)隔板10B以及陽(yáng)極側(cè)隔板20B。隔板10B具有氧化劑氣體的復(fù)式接頭孔11B、13B和15B，還有燃料氣體的復(fù)式接頭孔12B、14B和16B，在朝向陰極的面上具有連接復(fù)式接頭孔13B和15B的氣體通路17B，該氣體通路17B對(duì)應(yīng)于本發(fā)明的氧化劑氣體單位通路。另一方面，隔板20B具有燃料氣體的復(fù)式接頭孔22B、24B和26B，還有氧化劑氣體的復(fù)式接頭孔21B、23B和25B，在朝向陽(yáng)極的面上具有連接復(fù)式接頭孔24B和26B的氣體通路28B，該氣體通路28B對(duì)應(yīng)于本發(fā)明的燃料氣體單位通路。其中，氣體通路17A、氣體通路17B是由本發(fā)明的全部氧化劑氣體通路溝槽形成的，氣體通路28A、氣體通路28B是由本發(fā)明的全部燃料氣體通路溝槽形成的。
組裝到上述隔板上的電解質(zhì)膜電極接合體(MEA)是由下述部件構(gòu)成的與隔板具有相同尺寸的高分子電解質(zhì)膜，夾住前述電解質(zhì)膜的一對(duì)氣體擴(kuò)散電極、即陰極和陽(yáng)極，以及將從電極周邊部位露出部分的電解質(zhì)膜夾住的一對(duì)密封墊。
用隔板10A和20A夾住該MEA形成電池單元A，同樣地用隔板10B和20B夾住該MEA形成電池單元B。
將上述的電池單元A和電池單元B交互疊層形成電池單元疊層體。
圖17所示的是使用上述的電池單元疊層體的高分子電解質(zhì)型燃料電池。電池單元疊層體130的兩端介由集電板131以及絕緣板132，以端板133夾住，用螺栓(未圖示)系結(jié)起來(lái)。在一方的端板上，安裝有與隔板上的氧化劑氣體用復(fù)式接頭孔11A、11B、21A和21B連通的復(fù)式接頭101、與氧化劑氣體用復(fù)式接頭孔13A、13B、23A和23B連通的復(fù)式接頭3L、與燃料氣體用復(fù)式接頭孔12A、12B、22A和22B連通的復(fù)式接頭102、以及與燃料氣體用復(fù)式接頭孔14A、14B、24A和24B連通的復(fù)式接頭4L。
在另一方的端板上，安裝有與氧化劑氣體用復(fù)式接頭孔13A、13B、23A和23B連通的復(fù)式接頭3R、與燃料氣體用復(fù)式接頭孔14A、14B、24A和24B連通的復(fù)式接頭4R、與氧化劑氣體用復(fù)式接頭孔15A、15B、25A和25B連通的復(fù)式接頭105、以及與燃料氣體用復(fù)式接頭孔16A、16B、26A和26B連通的復(fù)式接頭106。
下面對(duì)該高分子電解質(zhì)型燃料電池在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的氧化劑氣體以及燃料氣體的供給方法進(jìn)行說(shuō)明。
首先，在額定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將氧化劑氣體、燃料氣體同時(shí)并聯(lián)地供給至電池單元A和電池單元B以發(fā)電。即關(guān)閉復(fù)式接頭3R，將氧化劑氣體均等地供給至復(fù)式接頭101以及復(fù)式接頭3L。由此，在隔板10A中，如圖9的箭頭所示，氧化劑氣體從復(fù)式接頭孔11A流經(jīng)氣體通路17A，由復(fù)式接頭孔15A排出。同樣地，在隔板10B中，如圖11的箭頭所示，氧化劑氣體從復(fù)式接頭孔11B流經(jīng)氣體通路17B，由復(fù)式接頭孔15B排出。即氣體通路17A和氣體通路17B并聯(lián)連接，氧化劑氣體從2條通路同時(shí)供給。
一方面，關(guān)閉復(fù)式接頭4R，將燃料氣體均等地供給至復(fù)式接頭102以及復(fù)式接頭4L。由此，在隔板20A中，如圖10的箭頭所示，燃料氣體從復(fù)式接頭孔22A流經(jīng)氣體通路28A，由復(fù)式接頭孔26A排出。同樣地，在隔板20B中，如圖12的箭頭所示，燃料氣體從復(fù)式接頭孔24B流經(jīng)氣體通路28B，由復(fù)式接頭孔26B排出。即氣體通路28A和氣體通路28B并聯(lián)連接，燃料氣體從2條通路同時(shí)供給。
如上所示，將氧化劑氣體和燃料氣體分別并聯(lián)地供給至電池單元A和電池單元B的陰極和陽(yáng)極以發(fā)電。
然后，在以額定的1/2的負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，關(guān)閉復(fù)式接頭3L、4L、5和6，將氧化劑氣體供給至復(fù)式接頭101，將燃料氣體供給至復(fù)式接頭102。氧化劑氣體和燃料氣體如以下的說(shuō)明所示，分別串聯(lián)地流向電池單元A和電池單元B，從復(fù)式接頭3R和4R排出。
供給至復(fù)式接頭101的氧化劑氣體如圖13的箭頭所示，從隔板10A的復(fù)式接頭孔11A流經(jīng)氣體通路17A，從復(fù)式接頭孔15A排出。然后如圖15的箭頭所示，進(jìn)入隔板10B的復(fù)式接頭孔15B，流經(jīng)氣體通路17B，從復(fù)式接頭孔13B排出。即氣體通路17A和氣體通路17B串聯(lián)連接，氧化劑氣體順次供給至2條通路。
同樣地，供給至復(fù)式接頭102的氧燃料氣體如圖14的箭頭所示，從隔板20A的復(fù)式接頭孔22A流經(jīng)氣體通路28A，從復(fù)式接頭孔26A排出。
然后如圖16的箭頭所示，進(jìn)入隔板20B的復(fù)式接頭孔26B，流經(jīng)氣體通路28B，從復(fù)式接頭孔24B排出。即氣體通路28A和氣體通路28B串聯(lián)連接，燃料氣體順次供給至2條通路。
本實(shí)施方式的高分子電解質(zhì)型燃料電池中，設(shè)在隔板上的一對(duì)復(fù)式接頭孔中入口側(cè)復(fù)式接頭孔至少有2個(gè)，通過(guò)適當(dāng)?shù)厍袚Q復(fù)式接頭孔的氣體供給，可以避免在低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電池性能的降低或不穩(wěn)定現(xiàn)象。
即至少要準(zhǔn)備2種夾住電解質(zhì)膜接合體(MEA)的隔板對(duì)，該電解質(zhì)膜電極接合體(MEA)是由高分子電解質(zhì)膜和將其夾住的陰極和陽(yáng)極形成的。第1隔板對(duì)所夾的電池單元A和第2隔板對(duì)所夾的電池單元B構(gòu)成電池單元疊層體，從第1入口側(cè)復(fù)式接頭孔供給氣體到電池單元A，從第2入口側(cè)復(fù)式接頭孔供給氣體到電池單元B。由此，可以并聯(lián)地將氣體供給至電池單元A和電池單元B。此外，將電池單元A和電池單元B的出口側(cè)復(fù)式接頭孔串聯(lián)地連接起來(lái)，從第1入口側(cè)復(fù)式接頭孔供給氣體，則氣體串聯(lián)地流過(guò)電池單元A和電池單元B，從第2入口側(cè)復(fù)式接頭孔排出。這樣，將氧化劑氣體和燃料氣體中的一方，優(yōu)選將其兩方根據(jù)負(fù)載并聯(lián)地或串聯(lián)地供給至電池單元A和電池單元B，這樣不論負(fù)載如何，可以使氣體通路中的氣體流速一定。由此，可以避免在低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生電池性能的降低和不穩(wěn)定現(xiàn)象。
現(xiàn)有的高分子電解質(zhì)型燃料電池隔板的結(jié)構(gòu)是如下構(gòu)成的燃料氣體和氧化劑氣體各自的氣體從一個(gè)入口側(cè)復(fù)式接頭供給至隔板的氣體通路，再介由一個(gè)出口側(cè)復(fù)式接頭排出。為了提高燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的市場(chǎng)性，必須在不使發(fā)電效率降低的前提下，根據(jù)電力需要使高分子電解質(zhì)型燃料電池的負(fù)載可以變動(dòng)。因此，在相對(duì)于額定輸出使負(fù)載增大的情況下，優(yōu)選可以將燃料氣體和氧化劑氣體的流量增大至與之適合的流量而運(yùn)轉(zhuǎn)，在相對(duì)于額定輸出使負(fù)載減小的情況下，優(yōu)選可以將燃料氣體和氧化劑氣體的流量減小至與之適合的流量而運(yùn)轉(zhuǎn)。
通常，設(shè)在燃料電池所用的導(dǎo)電性隔板上的氣體通路被設(shè)計(jì)為在額定輸出中可以達(dá)到最適合的流速。從而，在增大電力負(fù)載的情況下，伴隨著氣體流量的增大氣體通路的氣體流速增大，在減小電力負(fù)載的情況下，伴隨著氣體流量的減小氣體通路的氣體流速減小。在氣體通路的氣體流速增大時(shí)，因?yàn)楣┙o氣體的壓力損失增大，由于輔機(jī)動(dòng)力的增大使發(fā)電效率會(huì)少許降低，但由于氣體通路的氣體流速增大，當(dāng)然可以更有效率地除去隔板的氣體通路內(nèi)的冷凝水或生成水，不會(huì)發(fā)生液泛現(xiàn)象。然而，在使電力負(fù)載減小的情況下，伴隨著氣體流量的減小氣體通路的氣體流速也減小。
在氣體通路的氣體流速減小時(shí)，根據(jù)流速減小的程度，隔板的氣體通路內(nèi)的冷凝水或生成水難以有效率地除去，發(fā)生液泛現(xiàn)象。這時(shí)，不僅電力負(fù)載減小，如果不使供給氣體流量減小，則相對(duì)于發(fā)電輸出輔機(jī)動(dòng)力的比例相對(duì)增大，發(fā)電系統(tǒng)整體的發(fā)電效率降低。
在本發(fā)明中，如上所述，通過(guò)復(fù)式接頭將具有不同入口側(cè)復(fù)式接頭孔的電池單元的氣體供給切換為串聯(lián)或并聯(lián)的方式，由此實(shí)現(xiàn)了特別是在低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生液泛現(xiàn)象的高分子電解質(zhì)型燃料電池。例如，當(dāng)最高負(fù)載發(fā)電輸出和最低負(fù)載發(fā)電輸出之比為2比1時(shí)，設(shè)計(jì)2個(gè)氣體入口側(cè)復(fù)式接頭，將連接至第1復(fù)式接頭的氣體通路的電池單元A和連接至第2復(fù)式接頭的氣體通路的電池單元B交互疊層。由此，在高負(fù)載發(fā)電時(shí)第1和第2氣體入口側(cè)復(fù)式接頭并聯(lián)地供給氣體。此外，在最低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，從第1氣體入口側(cè)復(fù)式接頭供給氣體，第2氣體入口側(cè)復(fù)式接頭作為出口使用，在隔板外用導(dǎo)管將高負(fù)載發(fā)電時(shí)作為出口的復(fù)式接頭關(guān)閉，由此氣體串聯(lián)地供給至電池。這樣，即使在負(fù)載變動(dòng)時(shí)，所有的氣體通路中都可以保持同樣的氣體流速。
在氣體通路串聯(lián)連接時(shí)，在隔板外部使用導(dǎo)管將獨(dú)立的復(fù)式接頭孔連接起來(lái)，從此完成各氣體通路的連接，這樣在中間的復(fù)式接頭孔處凝結(jié)的冷凝水可以排出至隔板外部，由于沒(méi)有將冷凝水供給至下游的通路中，因此可以更穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)。
進(jìn)一步的，通過(guò)在復(fù)式接頭孔的連接部分插入水霧收集器，可以確保進(jìn)行冷凝水的排出。這時(shí)，優(yōu)選將通過(guò)復(fù)式接頭成為串聯(lián)的電池相鄰地配置起來(lái)。
由此，實(shí)現(xiàn)了特別是在低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生液泛現(xiàn)象的高分子電解質(zhì)型燃料電池。
此外，在高負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，如上述的說(shuō)明所述，因?yàn)樵诟鳉怏w通路中流動(dòng)的氣體的方向?yàn)椴慌c重力相反的方向，這樣可以進(jìn)一步抑制液泛的發(fā)生。但是，在低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，如圖1、5、16所示，在各氣體通路中流動(dòng)的氣體的方向有時(shí)會(huì)處于與重力相反的方向上。因此，也就意味著存在發(fā)生液泛的可能性，在實(shí)際的系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況中，由于上述的在額定負(fù)載下的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)于在部分負(fù)載下的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，所以還沒(méi)有達(dá)到會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題的程度。
另外，在本實(shí)施方式的說(shuō)明中，是將電池單元A和電池單元B這樣2種電池疊層而形成的，也可以將3種以上的電池疊層。即在額定負(fù)載時(shí)，向各電池單元形成的氣體單位通路中同時(shí)輸入氣體，在部分負(fù)載時(shí)，可以根據(jù)負(fù)載的大小，將各氣體單位通路中的至少任何一個(gè)串聯(lián)連接而順次地輸入氣體。
這時(shí)，當(dāng)氧化劑氣體單位通路之間串聯(lián)連接時(shí)，在連接到氧化劑氣體通路溝槽入口處的入口側(cè)氧化劑氣體復(fù)式接頭以及連接到氧化劑氣體通路溝槽出口處的出口側(cè)氧化劑氣體復(fù)式接頭以外的各氧化劑氣體單位通路中，可以將入口側(cè)氧化劑氣體復(fù)式接頭和出口側(cè)氧化劑氣體復(fù)式接頭連接起來(lái)。還有，當(dāng)燃料氣體單位通路之間串聯(lián)連接時(shí)，在連接到燃料氣體通路溝槽入口處的入口側(cè)燃料氣體復(fù)式接頭以及連接到燃料氣體通路溝槽出口處的出口側(cè)燃料氣體復(fù)式接頭以外的各燃料氣體單位通路中，可以將入口側(cè)燃料氣體復(fù)式接頭和出口側(cè)燃料氣體復(fù)式接頭連接起來(lái)。
(實(shí)施方式4)本實(shí)施方式中高分子電解質(zhì)型燃料電池的整體結(jié)構(gòu)如圖18所示。和實(shí)施方式3的不同之處在于，在各復(fù)式接頭的導(dǎo)管上設(shè)有閥門(mén)。氧化劑氣體的入口側(cè)復(fù)式接頭101以及復(fù)式接頭3L分別通過(guò)閥門(mén)V2和V1和1條氧化劑氣體供給導(dǎo)管連接。在氧化劑氣體的入口側(cè)復(fù)式接頭3R上設(shè)置閥門(mén)V5，在出口側(cè)復(fù)式接頭105上設(shè)置閥門(mén)V8。燃料氣體的入口側(cè)復(fù)式接頭102以及復(fù)式接頭4L分別通過(guò)閥門(mén)V4和V3和1條燃料氣體供給導(dǎo)管連接。在氧燃料氣體的入口側(cè)復(fù)式接頭4R上設(shè)置閥門(mén)V6，在出口側(cè)復(fù)式接頭106上設(shè)置閥門(mén)V7。然后各閥門(mén)和控制器300連接。
在這種結(jié)構(gòu)中，當(dāng)氧化劑氣體并聯(lián)地供給至電池單元A和電池單元B時(shí)，控制器300打開(kāi)閥門(mén)V1、V2以及V8同時(shí)關(guān)閉閥門(mén)V5，分別從復(fù)式接頭101以及復(fù)式接頭3L供給氧化劑氣體，從復(fù)式接頭105排出。同樣地，打開(kāi)閥門(mén)V3、V4以及V7同時(shí)關(guān)閉閥門(mén)V6，分別從復(fù)式接頭102以及復(fù)式接頭4L供給燃料氣體，從復(fù)式接頭106排出。
另一方面，當(dāng)氧化劑氣體串聯(lián)地供給至電池單元A和電池單元B時(shí)，控制器300打開(kāi)閥門(mén)V2和V5同時(shí)關(guān)閉閥門(mén)V7和V8，從復(fù)式接頭101供給氧化劑氣體，從復(fù)式接頭3R排出。還有，打開(kāi)閥門(mén)V4和V6同時(shí)關(guān)閉閥門(mén)V3和V7，從復(fù)式接頭102供給燃料氣體，從復(fù)式接頭4R排出。
這樣，根據(jù)發(fā)電輸出的變更，改變各氣體通路的并聯(lián)連接和串聯(lián)連接，使在各氣體通路中維持沒(méi)有水滯留的氣體速度。
在上述實(shí)施方式3、4中，使用的是各自單一的隔板，也可以使用在一方的面上具有陰極側(cè)隔板的功能，其內(nèi)面具有陽(yáng)極側(cè)隔板的功能的隔板。例如將電池單元A和電池單元B鄰接起來(lái)配置時(shí)，電池單元A的陰極側(cè)隔板的內(nèi)面作為電池單元B的陽(yáng)極側(cè)隔板。此外，在上述的實(shí)施方式中，為了說(shuō)明的方便，省略了冷卻電池單元的冷卻水的復(fù)式接頭孔。通常在陰極側(cè)隔板和陽(yáng)極側(cè)隔板相對(duì)的面上形成冷卻水的通路，由此構(gòu)成冷卻部。在各個(gè)電池單元或每2～3個(gè)電池單元上設(shè)置該冷卻部。
(實(shí)施例4)下面對(duì)和本實(shí)施方式3、4對(duì)應(yīng)的實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。
向乙炔黑類(lèi)碳粉中負(fù)載25重量％的平均粒徑約30的鉑顆粒。將其作為陰極催化劑。向乙炔黑類(lèi)碳粉中負(fù)載25重量％的平均粒徑約30的鉑—釕合金顆粒。將其作為陽(yáng)極催化劑。在這些催化劑粉末的異丙醇分散液中，混合全氟化酸磺酸粉末的乙醇分散液，成為糊狀。將這些糊狀物作為原料，用絲網(wǎng)印刷法涂敷在厚度為250μm的碳無(wú)紡布的一面上，干燥后分別形成陰極催化劑層和陽(yáng)極催化劑層。這些催化劑層中所含的鉑的量為0.3mg/cm2，全氟化碳磺酸的量為1.2mg/cm2。
由具有這種催化劑層的碳無(wú)紡布形成的電極除了催化劑材料以外的結(jié)構(gòu)，其陰極·陽(yáng)極負(fù)極具有同樣的構(gòu)成。這些電極接合在具有比電極大一圈的面積的氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜中心部位的兩面上，通過(guò)熱壓以使印刷的催化劑層和電解質(zhì)膜側(cè)接觸。在電極的外周邊緣部位露出的電解質(zhì)膜的兩面上，進(jìn)而配置將由厚度250μm的彈性體(杜邦公司制造的バイトンAP、硬度500)薄片中切去一定的大小后形成的密封墊，通過(guò)熱壓接合后使其一體化，由此制成MEA。使用厚度為30μm的全氟化碳磺酸的薄膜作為氫離子傳導(dǎo)性高分子電解質(zhì)膜。
在本實(shí)施例中，如圖9～圖12所示使用了隔板10A、10B、20A以及20B。這些導(dǎo)電性隔板是由厚度為3mm的各向同性石墨材料通過(guò)機(jī)械加工形成氣體通路以及復(fù)式接頭孔后制成的。使各氣體通路的溝槽寬度為2mm，深度為1mm，溝槽間的肋寬為1mm，任何一個(gè)氣體通路形成1條通道。
將上述的陰極側(cè)隔板10A和陽(yáng)極側(cè)隔板10B和MEA組裝在一起成為電池單元A，將上述的陰極側(cè)隔板10B和陽(yáng)極側(cè)隔板10A和MEA組裝在一起成為電池單元B，將電池單元A和電池單元B交互層疊，組裝成層疊了50個(gè)電池單元的電池單元疊層體。集電板使用表面鍍金的銅板，絕緣板使用聚苯硫醚板，端板使用不銹鋼制的板，電池單元疊層體介由集電板和絕緣板，以端板夾住，用系結(jié)桿連結(jié)兩端板。使層狀電池的系結(jié)壓成為相對(duì)于電極的單位面積為10kgf/cm2。此外，如各圖所示將隔板的上部作為上，形成疊層電池。
接著對(duì)使用該電池單元疊層體的實(shí)際的運(yùn)轉(zhuǎn)方法進(jìn)行說(shuō)明。如在前面的實(shí)施方式中所述，電池在額定條件下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)將氧化劑氣體、燃料氣體并聯(lián)地供給至電池單元A和電池單元B。另外，以相對(duì)于額定值在50％以下的低負(fù)載進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將氧化劑氣體串聯(lián)地供給至電池單元A和電池單元B，燃料氣體也串聯(lián)地供給至電池單元A和電池單元B。該電池的額定運(yùn)轉(zhuǎn)條件為燃料利用率75％，氧利用率40％，電流密度0.3A/cm2。
將該高分子電解質(zhì)型燃料電池保持在70℃，將露點(diǎn)為70℃的加濕·加熱的以氫為主體的氣體(80％的氫氣/20％的二氧化碳/10ppm的一氧化碳)供給至陽(yáng)極，將露點(diǎn)為70℃的加濕·加熱的空氣供給至陰極。使電流密度在從額定值的25％的低負(fù)載下的電流密度0.075A/cm2到額定負(fù)載下的0.3A/cm2的范圍內(nèi)變化，對(duì)該電池的電流—電壓特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。試驗(yàn)中的利用率和額定條件下相同。其結(jié)果如圖19所示。在圖19中，為了比較，將現(xiàn)有的高分子電解質(zhì)型燃料電池、也就是只疊層了電池單元A的電池特性也記載在其中。在本實(shí)施例中，在0.15A/cm2以下切換為串聯(lián)通路，在0.15A/cm2以上切換為并聯(lián)通路，由此進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)圖19可以看到，在0.075A/m2附近現(xiàn)有的電池由于氣體流速的降低發(fā)生液泛，使得運(yùn)轉(zhuǎn)困難，而本實(shí)施例的高分子電解質(zhì)型燃料電池沒(méi)有發(fā)生液泛，可以穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)。在本實(shí)施例中，使用2種的電池，隨著復(fù)式接頭的增加串聯(lián)的電池的種類(lèi)也可以進(jìn)一步增加。
(實(shí)施例5)在本實(shí)施例中，如實(shí)施方式4所示在管路上設(shè)置閥門(mén)。通過(guò)閥門(mén)的開(kāi)閉，切換氣體的供給，進(jìn)行和實(shí)施例1同樣的試驗(yàn)。結(jié)果得到和實(shí)施例1同等的性能。
另外，在上面的這些說(shuō)明中，在實(shí)際的系統(tǒng)中，在各氣體通路的入口側(cè)可以連接加濕器，在各氣體通路的出口側(cè)可以連接廢熱交換機(jī)。
還有，在上面的這些說(shuō)明中，各圖中所示的各隔板、各電池的設(shè)置方向都和圖1所示的方向相同。
工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明所涉及的高分子電解質(zhì)型燃料電池及其運(yùn)轉(zhuǎn)方法可以抑制在低負(fù)載時(shí)液泛的發(fā)生，可以用于燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)等。
權(quán)利要求
1.一種高分子電解質(zhì)型燃料電池，具有疊層了電池單元的疊層體，所述電池單元具有高分子電解質(zhì)膜，夾住前述高分子電解質(zhì)膜的陽(yáng)極和陰極，陰極側(cè)隔板和陽(yáng)極側(cè)隔板，前述陰極側(cè)隔板具有將氧化劑氣體供給至前述陰極的氧化劑氣體通路溝槽，前述陽(yáng)極側(cè)隔板具有將燃料氣體供給至前述陽(yáng)極的燃料氣體通路溝槽，一部分或全部的前述氧化劑氣體通路溝槽形成氧化劑氣體單位通路，該通路從前述陰極側(cè)隔板輸入后直至輸出，一部分或全部的前述燃料氣體通路溝槽形成燃料氣體單位通路，該通路從前述陽(yáng)極側(cè)隔板輸入后直至輸出，在前述電池單元疊層體中可以將2個(gè)以上的前述氧化劑氣體單位通路并聯(lián)或串聯(lián)連接，在前述電池單元疊層體中可以將2個(gè)以上的前述燃料氣體單位通路并聯(lián)或串聯(lián)連接。
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，相對(duì)于其發(fā)電輸出的變更，改變前述并聯(lián)或串聯(lián)連接，以使通過(guò)前述氧化劑氣體通路溝槽的氧化劑氣體的速度維持在沒(méi)有水滯留在前述氧化劑氣體通路溝槽中的速度，通過(guò)前述燃料氣體通路溝槽的燃料氣體的速度維持在沒(méi)有水滯留在前述燃料氣體通路溝槽中的速度。
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，前述氧化劑氣體單位通路由前述氧化劑氣體通路溝槽的一部分形成，前述燃料氣體單位通路由前述燃料氣體通路溝槽的一部分形成，在前述并聯(lián)連接的情況下，在前述各陰極側(cè)隔板上形成的多數(shù)的氧化劑氣體單位通路互相并聯(lián)連接，以同時(shí)供給前述氧化劑氣體，在前述各陽(yáng)極側(cè)隔板上形成的多數(shù)的燃料氣體單位通路互相并聯(lián)連接，以同時(shí)供給前述燃料氣體，在前述串聯(lián)連接的情況下，在前述各陰極側(cè)隔板上形成的多數(shù)的氧化劑氣體單位通路的全部或一部分互相串聯(lián)連接，以順次供給前述氧化劑氣體，在前述各陽(yáng)極側(cè)隔板上形成的多數(shù)的燃料氣體單位通路的全部或一部分互相串聯(lián)連接，以順次供給前述燃料氣體。
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，前述氧化劑氣體單位通路由全部的前述氧化劑氣體通路溝槽形成，前述燃料氣體單位通路由全部的前述燃料氣體通路溝槽形成，在前述并聯(lián)連接的情況下，在前述各陰極側(cè)隔板上形成的多數(shù)的氧化劑氣體單位通路之間互相并聯(lián)連接，以同時(shí)供給前述氧化劑氣體，在前述各陽(yáng)極側(cè)隔板上形成的多數(shù)的燃料氣體單位通路之間互相并聯(lián)連接，以同時(shí)供給前述燃料氣體，在前述串聯(lián)連接的情況下，在前述各陰極側(cè)隔板上形成的多數(shù)的氧化劑氣體單位通路的全部或部分之間互相串聯(lián)連接，以順次供給前述氧化劑氣體，在前述各陽(yáng)極側(cè)隔板上形成的多數(shù)的燃料氣體單位通路的全部或部分之間互相串聯(lián)連接，以順次供給前述燃料氣體。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，具有連接到前述各氧化劑氣體單位通路入口處的入口側(cè)氧化劑氣體復(fù)式接頭、連接到前述各氧化劑氣體單位通路出口處的出口側(cè)氧化劑氣體復(fù)式接頭、連接到前述各燃料氣體單位通路入口處的入口側(cè)燃料氣體復(fù)式接頭、連接到前述各燃料氣體單位通路出口處的出口側(cè)燃料氣體復(fù)式接頭，前述氧化劑氣體單位通路之間互相串聯(lián)連接時(shí)，將連接到前述氧化劑氣體通路溝槽入口處的入口側(cè)氧化劑氣體復(fù)式接頭以及連接到前述氧化劑氣體通路溝槽出口處的出口側(cè)氧化劑氣體復(fù)式接頭以外的、入口側(cè)氧化劑氣體復(fù)式接頭和出口側(cè)氧化劑氣體復(fù)式接頭連接起來(lái)，前述燃料氣體單位通路之間互相串聯(lián)連接時(shí)，將連接到前述燃料氣體通路溝槽入口處的入口側(cè)燃料氣體復(fù)式接頭以及連接到前述燃料氣體通路溝槽出口處的出口側(cè)燃料氣體復(fù)式接頭以外的、入口側(cè)燃料氣體復(fù)式接頭和出口側(cè)燃料氣體復(fù)式接頭連接起來(lái)。
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，前述氧化劑氣體單位通路之間、以及前述燃料氣體單位通路之間的串聯(lián)或并聯(lián)連接具有下述的結(jié)構(gòu)，設(shè)置在前述疊層電池單元外部的閥門(mén)可以根據(jù)其發(fā)電電力而開(kāi)閉。
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，在連接到前述氧化劑氣體通路溝槽入口處的入口側(cè)氧化劑氣體復(fù)式接頭以及連接到前述氧化劑氣體通路溝槽出口處的出口側(cè)氧化劑氣體復(fù)式接頭以外的、入口側(cè)氧化劑氣體復(fù)式接頭和出口側(cè)氧化劑氣體復(fù)式接頭相連接的部分上，以及在連接到前述燃料氣體通路溝槽入口處的入口側(cè)燃料氣體復(fù)式接頭以及連接到前述燃料氣體通路溝槽出口處的出口側(cè)燃料氣體復(fù)式接頭以外的、入口側(cè)燃料氣體復(fù)式接頭和出口側(cè)燃料氣體復(fù)式接頭相連接的部分上，設(shè)有水霧收集器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，前述氧化劑氣體單位通路之間并聯(lián)的連接使得前述氧化劑氣體流動(dòng)的方向位于不和重力相反的方向上，前述燃料氣體單位通路之間并聯(lián)的連接使得前述燃料氣體流動(dòng)的方向位于不和重力相反的方向上。
9.一種高分子電解質(zhì)型燃料電池的運(yùn)轉(zhuǎn)方法，該高分子電解質(zhì)型燃料電池具有疊層了電池單元的疊層體，所述電池單元具有高分子電解質(zhì)膜，夾住前述高分子電解質(zhì)膜的陽(yáng)極和陰極，陰極側(cè)隔板和陽(yáng)極側(cè)隔板，前述陰極側(cè)隔板具有將氧化劑氣體供給至前述陰極的氧化劑氣體通路溝槽，前述陽(yáng)極側(cè)隔板具有將燃料氣體供給至前述陽(yáng)極的燃料氣體通路溝槽，一部分或全部的前述氧化劑氣體通路溝槽形成氧化劑氣體單位通路，該通路從前述陰極側(cè)隔板輸入后直至輸出，一部分或全部的前述燃料氣體通路溝槽形成燃料氣體單位通路，該通路從前述陽(yáng)極側(cè)隔板輸入后直至輸出，其中還包含在前述電池單元疊層體中將2.個(gè)以上的前述氧化劑氣體單位通路并聯(lián)或串聯(lián)連接的工序，在前述電池單元疊層體中將2個(gè)以上的前述燃料氣體單位通路并聯(lián)或串聯(lián)連接的工序。
全文摘要
一種可以抑制在低負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生液泛的高分子電解質(zhì)型燃料電池。該電池具有疊層了含有氧化劑氣體通路溝槽的陰極側(cè)隔板和含有燃料氣體通路溝槽的陽(yáng)極側(cè)隔板的電池單元的電池單元疊層體(10)，一部分或全部的前述氧化劑氣體通路溝槽形成氧化劑氣體單位通路(22a、22b)，該通路從前述陰極側(cè)隔板輸入后直至輸出，一部分或全部的前述燃料氣體通路溝槽形成燃料氣體單位通路(21a、21b)，該通路從前述陽(yáng)極側(cè)隔板輸入后直至輸出，在前述電池單元疊層體中可以將2個(gè)以上的前述氧化劑氣體單位通路(22a、22b)，2個(gè)以上的前述燃料氣體單位通路(21a、21b)并聯(lián)或串聯(lián)連接，氧化劑氣體單位通路(22a、22b)之間、燃料氣體單位通路(21a、21b)之間并聯(lián)的連接使得氣體流動(dòng)的方向位于不和重力相反的方向上。
文檔編號(hào)H01M8/10GK1774830SQ20048000003
公開(kāi)日2006年5月17日 申請(qǐng)日期2004年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月20日
發(fā)明者松本敏宏, 富澤猛, 粉川勝蔵, 神原輝壽, 小林晉, 羽藤一仁, 日下部弘樹(shù), 小原英夫, 竹口伸介, 柴田礎(chǔ)一 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社