本发明专利技术提供能够使高分子电解质的面内方向的水分分布均匀且将反应气体高效率地提供给空气极催化层的燃料电池。本发明专利技术的燃料电池包括高分子电解质膜、一对催化电极以及一对金属分离器。空气极分离器（７００）具有用于将氧化气体提供给催化电极的氧化气体流路（７１４）。氧化气体流路（７１４）按氧化气体供给歧管（７１０）附近的流路与氧化气体排出歧管（７１２）附近的流路在同一面内相邻的方式而形成，且形成为迂曲状或涡旋状。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及燃料电池，特别涉及具有高分子电解质膜的固体高分子型燃料电池。
技术介绍
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以及夹持高分子电解质膜的一对催化电极(燃料极和空气极)构成。具有上述结构的燃料电池能够使用提供给燃料极(阳极)的燃料气体(含有氢)以及提供给空气极(阴极)的氧化气体(含有氧)，而持续地取得电能。 催化电极由位于高分子电解质膜侧的、促进催化电极内的氧化还原反应的催化层和位于催化层外侧的、具有通气性以及导电性的气体扩散层构成。另外，气体扩散层由位于催化层侧的、用于提高与催化层的接触性的碳涂层和用于使从外部供给的气体扩散而提供给催化层的气体扩散基材层构成。将这些高分子电解质膜以及一对催化电极(催化层、碳涂层以及气体扩散基材层)一体化而成的接合体称为膜电极组件(membrane electrodeassembly；以下称为“MEA”)。 通过进行层叠，能够将MEA串联地电连接。此时，为了不使燃料气体和氧化气体混合以及为了串联地电连接各个MEA，而在各个MEA之间配置具有导电性的分离器。以一对分离器夹持MEA而成的单元称为“燃料电池单元”或简称为“单元”，多个燃料电池单元的层叠体称为“燃料电池堆栈”或简称为“堆栈”。 在燃料电池单元中，在分离器的与催化电极接触的面上形成用于向催化电极提供反应气体(燃料气体或氧化气体)以及用于排出剩余气体和剩余水分的气体流路。分离器内的气体流路通常为直线状的多个并行流路，并与被称为歧管的贯穿燃料电池堆栈的管道连通。歧管对燃料电池堆栈内的所有燃料电池单元，向气体流路供给反应气体以及排出来自气体流路的剩余气体和剩余水分。 通常，以集电板、绝缘板以及端板来夹持单元或堆栈，而构成通常使用的形状的燃料电池。 在具有上述结构的燃料电池中，将含有氢的燃料气体提供给燃料极且将含有氧的氧化气体提供给空气极后，能够通过以下的反应获得电能。 首先，提供给燃料极的氢在燃料极的气体扩散层扩散而到达催化层。在催化层中，氢被分为氢离子和电子。氢离子通过保水状态下的高分子电解质膜而移动到空气极。电子通过外部回路而移动到空气极。此时，能够将通过外部回路的电子利用为电能。在空气极的催化层中，通过高分子电解质膜而移动来的氢离子与通过外部回路而移动来的电子和提供给空气极的氧进行反应，生成水。 燃料电池如上所述，伴随发电反应而生成水。燃料电池在单元内部过分湿润后，发电效率下降，所以发电时所生成的水通过流经分离器的气体流路的气体而被排出到外部。 氢离子移动的高分子电解质膜多采用全氟磺酸类材料。该高分子电解质膜，在充分保水时具有离子传导性，而在干燥后丧失离子传导性。因此，为了在燃料电池单元的整个面中高效率地产生发电反应，需要防止单元的干燥且使单元内部的面内方向的水分分布均匀。 以往，为了防止单元内部的干燥，且使单元内部的面内方向的水分分布均匀，采用了从外部对单元内部进行加湿的外部加湿方式。在外部加湿方式中，外部加湿器对单元内部供给露点温度高于燃料电池单元内部的温度的反应气体，而使单元内部为过湿状态。但是，该方式存在以下问题容易产生下述溢流(flooding)现象，即在气体扩散层内部产生水滴而阻碍向催化层供给反应气体。而且，还存在以下问题由于需要外部加湿器，所以燃料电池系统的低成本化很困难。另外，还存在以下问题由于燃料电池单元内部的温度必须低于由外部加湿器所能实现的反应气体的露点温度，从而不能在发电效率高的高温下运行。 作为解决上述外部加湿方式的问题点的方式，存在通过将由发电反应所产生的水向单元内部扩散而对单元内部进行加湿的内部加湿方式。但是，在内部加湿方式中，由于从外部供给的反应气体干燥，所以反应气体的入口侧的高分子电解质膜容易干燥。另一方面，由于通过气体流路的反应气体含有由发电反应所生成的水分，所以反应气体的出口侧的高分子电解质膜往往过分湿润。这样，内部加湿方式存在以下问题由于在单元内部的面内方向的水分分布上产生偏差，而发电反应主要产生在反应气体出口侧，所以整体的发电效率下降。 作为解决上述内部加湿方式的问题点的方式，存在使反应气体供给歧管与反应气体排出歧管相邻的方式(例如，参照专利文献1)。 图1是专利文献1的燃料电池单元的正面图(立体图)。燃料极侧的分离器的结构用实线表示，而空气极侧的分离器的结构用虚线表示。在图1中，燃料气体供给歧管10以及燃料气体排出歧管12彼此相邻地配置，并通过矩形的燃料气体流路14彼此连通。同样，氧化气体供给歧管20以及氧化气体排出歧管22彼此相邻地配置，并通过矩形的氧化气体流路24彼此连通。通过采用上述结构，反应气体的出口侧(排出歧管侧)的水分通过电解质膜转移到反应气体的入口侧(供给歧管侧)。由此，能够实现抑制气体出口侧的过分湿润以及抑制气体入口侧的干燥。 这样，通过使反应气体供给歧管和反应气体排出歧管相邻，能够使水分通过电解质膜而向面内方向转移，并能够使高分子电解质膜的面内方向的水分分布均匀。 但是，专利文献1的燃料电池存在以下问题为了增大单元的面积，必须使单元以及堆栈内的结构复杂。也就是说，专利文献1的燃料电池形成为如下结构，即，对于各个矩形的气体流路，使反应气体供给歧管和反应气体排出歧管相邻，因此随着单元的一边的长度变长，必须增加歧管以及附随该歧管的结构件的数量(参照图1)。因此，增大单元的面积后，单元以及堆栈内的结构变得复杂，从而其制造成本变高。 此外，专利文献1的燃料电池还存在面内方向的水分转移能力较低的问题。也就是说，反应气体的出口侧和入口侧具有的水分量的差越大，越能更高效率地进行反应气体的出口侧和入口侧之间的水分转移。为了增加出口侧的反应气体的水分量，增长反应气体流路的长度即可。但是，由于专利文献1的燃料电池的气体流路为矩形，所以单元的边的长度以及歧管之间的距离限制了气体流路的长度(参照图1)。因此，专利文献1的燃料电池在面内方向的水分转移能力较低。 作为解决上述问题点的技术，例如有专利文献2所示出的技术。 图2是专利文献2的燃料电池单元的空气极侧的分离器的正面图。在图2中，氧化气体供给歧管1a以及氧化气体排出歧管1b彼此相邻地配置。而且，流路25是迂曲状的往返流路且正向流路与反向流路相邻。通过采用该结构，能够减少歧管的数量。由此，即使增大燃料电池单元的面积，单元以及堆栈的结构也不会变得复杂。决定流路的轮廓的肋为多孔质，并具有连结正向流路和反向流路的毛细管。通过采用该结构，反应气体的出口侧(排出歧管侧)的水分向反应气体的入口侧(供给歧管侧)移动。由此，能够使高分子电解质膜的面内方向的水分分布均匀。 为了使反应气体入口(反应气体供给歧管)侧的反应气体分压和反应气体出口(反应气体排出歧管)侧的气体分压均匀，有从上游侧朝向下游侧按规定的比例减少反应气体流路的截面面积的方式(例如，参照专利文献3)。在专利文献3，在多个并行连接的反应气体流路中，使下游部的并列数小于上游部的并列数，从而下游部的截面面积小于上游部的截面面积。而且，在专利文献3中，为了减少歧管的数量，使气体流路成迂曲状。 专利文献1(日本)特开2002-151105号公报 专利文献2(日本)特开2003-109620号公报 专利文献3(日本)特开昭56-13447本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种燃料电池，包括：高分子电解质膜；膜电极组件，具有夹持所述高分子电解质膜的一对催化电极；以及分离器，具有用于将燃料气体或氧化气体提供给所述膜电极组件的气体流路、与气体供给歧管连通的所述气体流路的入口、以及与气体排出歧管连通的所述气体流路的出口，所述气体流路形成为迂曲状或涡旋状，所述气体流路的所述入口附近的上游流路与所述气体流路的所述出口附近的下游流路相邻，流经所述上游流路的所述气体的流向与流经所述下游流路的所述气体的流向相反，所述气体流路的壁不具有使所述燃料气体或氧化气体透过的透过性，所述上游流路的截面面积大于所述下游流路的截面面积。
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：中川贵嗣，寺西正俊，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]
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