高分子电解质型燃料电池制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】
高分子电解质型燃料电池
本专利技术涉及便携式电源、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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术是为解决上述问题而作出的。为了实现上述目的，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
JP 2003-6-24 179577/20031.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：日下部弘树，羽藤一仁，小原英夫，竹口伸介，柴田础一，富泽猛，松本敏宏，安本荣一，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，富士电机控股株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]