專利名稱：燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池和燃料電池組。
背景技術(shù)：
燃料電池基本上由選擇性地輸送質(zhì)子的高分子電解質(zhì)膜以及夾持高分子電解質(zhì) 膜的一對(duì)催化電極(燃料極和空氣極)構(gòu)成。具有上述結(jié)構(gòu)的燃料電池能夠使用對(duì)燃料極 供給的燃料氣體(含有氫)以及對(duì)空氣極供給的氧化氣體(含有氧)，持續(xù)地取出電能。高分子電解質(zhì)膜由具有高分子離子交換膜等的電解質(zhì)構(gòu)成，所述高分子離子交換 膜為具有磺酸基的氟化樹脂類離子交換膜或者碳?xì)錁渲愲x子交換膜等。另外，為了使高 分子電解質(zhì)膜具有離子輸送功能，需要使高分子電解質(zhì)膜含有一定量的水分。催化電極由位于高分子電解質(zhì)膜側(cè)且促進(jìn)催化電極內(nèi)的氧化還原反應(yīng)的催化層 和位于催化層外側(cè)且具有通氣性以及導(dǎo)電性的氣體擴(kuò)散層構(gòu)成。另外，氣體擴(kuò)散層由位于 催化層側(cè)且提高與催化層的接觸性的碳涂層以及用于使從外部供給的氣體擴(kuò)散而供給到 催化層的氣體擴(kuò)散基材層構(gòu)成。燃料極的催化層例如包含鉬或鉬和釕的合金等，空氣極 的催化層例如包含鉬或鉬和鈷的合金等。將這些高分子電解質(zhì)膜以及一對(duì)催化電極(催 化層、碳涂層以及氣體擴(kuò)散基材層)一體化而形成的接合體稱為膜電極接合體(membrane electrode assembly ；以下稱為 “MEA” )。通過進(jìn)行層疊，能夠?qū)EA串聯(lián)地電連接。此時(shí)，為了不使燃料氣體和氧化氣體混 合以及為了串聯(lián)地電連接各個(gè)MEA，在各個(gè)MEA之間配置具有導(dǎo)電性的分離器。分離器中有與燃料極接觸的燃料極分離器以及與空氣極接觸的空氣極分離器。在 燃料極分離器中形成用于向MEA供給燃料氣體的燃料氣體流路，在空氣極分離器中形成用 于向MEA供給氧化氣體的氧化氣體流路。如上所述，為了使高分子電解質(zhì)膜具有離子輸送功能，需要使高分子電解質(zhì)膜含 有一定量的水分。因此，在燃料電池中，為了在燃料電池內(nèi)確保充足的水分，通常預(yù)先對(duì)反 應(yīng)氣體進(jìn)行加濕。但是，用于對(duì)反應(yīng)氣體進(jìn)行加濕的加濕器，并不直接有助于發(fā)電，需要空 間。因此，如果能夠開發(fā)出不需要加濕器的燃料電池，則能夠小型化燃料電池系統(tǒng)，并能夠 削減系統(tǒng)整體的成本。再有，如果能夠開發(fā)出不需要加濕器的燃料電池，則不存在由加濕器造成的能量 損失，所以能夠提高系統(tǒng)整體的效率。因此，要求開發(fā)即使在反應(yīng)氣體處于低加濕或不加濕 的狀態(tài)下，發(fā)電效率也不下降的燃料電池。以往，已知有下述方法，通過將燃料電池運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的水留在燃料電池內(nèi)，即使不 加濕反應(yīng)氣體，也在燃料電池內(nèi)確保一定量的水(例如參照專利文獻(xiàn)1)。在專利文獻(xiàn)1記載的燃料電池中，使氧化氣體在氧化氣體流路內(nèi)的流向與燃料氣 體在燃料氣體流路內(nèi)的流向相反，并且在氧化氣體流路的出口設(shè)置冷卻劑流路，局部地冷 卻氧化氣體流路的出口。圖1是專利文獻(xiàn)1記載的燃料電池的剖面圖。圖1所示的燃料電池具有MEA1以及夾持MEA1的空氣極分離器2和燃料極分離器3。空氣極分離器2具有氧化氣體流路8， 燃料極分離器3具有燃料氣體流路16。如圖1所示，氧化氣體的流向與燃料氣體的流向相反。另外，在氧化氣體的氣體出 口 10上設(shè)置了冷卻劑流路15。通過在氧化氣體的氣體出口 10上設(shè)置冷卻劑流路15，能夠 冷卻氣體出口 10附近的氧化氣體。若將氣體出口 10附近的氧化氣體冷卻，則能夠凝聚氧 化氣體中的水分，并回收氧化氣體中的水分，從而能夠?qū)⑷剂想姵貎?nèi)生成的水留在燃料電 池內(nèi)。另外，在專利文獻(xiàn)1記載的燃料電池中，為了能夠向燃料電池內(nèi)均勻地供給氧化 氣體，所有的氧化氣體流路的寬度和深度都一樣。另外，已知有下述技術(shù)，即，通過使分離器具有的反應(yīng)氣體流路的截面積沿流路的 長(zhǎng)軸方向增大或縮小，防止溢量(flooding)(例如，參照專利文獻(xiàn)2)。另外，已知有下述技術(shù)，即，在通過對(duì)金屬板進(jìn)行沖壓加工而制作出的、具有多個(gè) 氣體流路的分離器(金屬分離器)中，使相鄰的氣體流路相互的體積不同，由此降低分離器 的彎曲(例如參照專利文獻(xiàn)3)。另外，已知有下述技術(shù)，S卩，在具有多個(gè)氣體流路的分離器中，通過調(diào)節(jié)各個(gè)氣體 流路相互的體積，使燃料電池中的反應(yīng)氣體的分布均勻(例如，參照專利文獻(xiàn)4)。先前技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1 (日本)特開2003-249243號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 (日本)特開2006_114387號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)3 (日本)特開2005-32578號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)4 美國專利申請(qǐng)公開第2007/0105001號(hào)說明書但是，在專利文獻(xiàn)1記載的燃料電池中，從氧化氣體流路移動(dòng)至燃料氣體流路的 水量較少且MEA內(nèi)的水分分布不均勻。以下說明，在專利文獻(xiàn)1記載的燃料電池中，從氧化 氣體流路移動(dòng)至燃料氣體流路的水量較少的原因。燃料電池發(fā)電時(shí)在空氣極催化層生成的水以水蒸氣的狀態(tài)擴(kuò)散到氧化氣體流路。 因此，氧化氣體中含有的水分的量多于燃料氣體中含有的水分的量。另一方面，如圖1所示，在專利文獻(xiàn)1記載的燃料電池中，燃料氣體流路的容量與 氧化氣體流路的容量之間沒有差別。另外，通常流過氧化氣體流路的氧化氣體的流量多于 流過燃料氣體流路的燃料氣體的流量。因此，在圖1所示的燃料電池中，即使氧化氣體中含 有的水分的量較多，由于氧化氣體的流量也較多，所以單位體積的氧化氣體中的水分量和 單位體積的燃料氣體中的水分量之間的差較小。氧化氣體中的水分量與燃料氣體中的水分量之間的差越大，越促進(jìn)水從氧化氣體 流路移動(dòng)至燃料氣體流路，因此在專利文獻(xiàn)1記載的燃料電池中，不能充分地促進(jìn)水從氧 化氣體流路移動(dòng)至燃料氣體流路。另外，即使如專利文獻(xiàn)1記載的燃料電池那樣僅在氧化氣體的出口冷卻氧化氣 體，使水凝聚，氧化氣體含有的大部分的水分也隨同氧化氣體從氧化氣體的出口排出到燃 料電池的外部。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供，即使不加濕或低加濕地供給反應(yīng)氣體時(shí)，也能夠在燃料 電池內(nèi)確保充足的量的水分并使水分布均勻的燃料電池。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)通過使相鄰的氧化氣體流路的橫截面的面積的大小不同，能夠促進(jìn) 水從氧化氣體流路移動(dòng)至燃料氣體流路，并經(jīng)過進(jìn)一步的研究而完成本發(fā)明。也就是說，本發(fā)明涉及下述的燃料電池。[1]、燃料電池包括膜電極接合體，具有高分子電解質(zhì)膜和夾持所述高分子電解 質(zhì)膜的一對(duì)催化電極；以及分離器A和分離器B，夾持所述膜電極接合體，所述分離器A具 有向所述膜電極接合體供給氧化氣體或燃料氣體的第一氣體流路al和與所述第一氣體流 路al相鄰的第二氣體流路a2，所述第一氣體流路al和所述第二氣體流路a2相互平行且交 替地配置，所述第一氣體流路al的橫截面的面積大于所述第二氣體流路a2的橫截面的面 積，所述分離器B具有向所述膜電極接合體供給氧化氣體或燃料氣體且與所述第一氣體流 路al和所述第二氣體流路a2平行的第一氣體流路bl以及與所述第一氣體流路bl相鄰的 第二氣體流路b2，所述第一氣體流bl和所述第二氣體流路b2相互平行且交替地配置，所述 第一氣體流路al和第二氣體流路a2內(nèi)的所述氧化氣體或燃料氣體的流向與所述第一氣體 流路bl和第二氣體流路b2內(nèi)的所述氧化氣體或燃料氣體的流向相反。[2]、如[1]所述的燃料電池，所述分離器A是空氣極分離器，所述第一氣體流路al 是第一氧化氣體流路，所述第二氣體流路a2是第二氧化氣體流路，所述分離器B是燃料極 分離器，所述第一氣體流路bl是第一燃料氣體流路，所述第二氣體流路b2是第二燃料氣體 流路。[3]、如[1]或[2]所述的燃料電池，所述第一氣體流路bl的橫截面的面積小于所 述第二氣體流路b2的橫截面的面積，所述第一氣體流路al與所述第一氣體流路bl夾著所 述膜電極接合體而對(duì)向，所述第二氣體流路a2與所述第二氣體流路b2夾著所述膜電極接 合體而對(duì)向。[4]、如[3]所述的燃料電池，所述第一氣體流路al的深度大于所述第二氣體流路 a2的深度，所述第一氣體流路bl的深度小于所述第二氣體流路b2的深度。[5]、如[1] [4]中任一所述的燃料電池，所述第一氣體流路al的寬度為 0. 8mm 1. 2mm,其深度為0. 3mm 0. 8mm,所述第二氣體流路a2的寬度為0. 8 1. 2mm,其 深度為0. 06 0. 1mm。[6]、如[1] [5]中任一所述的燃料電池，對(duì)所述燃料電池供給的所述氧化氣體 的露點(diǎn)為-10°C 75°C，燃料電池發(fā)電時(shí)的溫度為55°C 100°C。[7]、如[1] [6]中任一所述的燃料電池，所述分離器A和所述分離器B具有厚 度一定的波形截面。[8]、如[1] [7]中任一所述的燃料電池，所述分離器A和所述分離器B是金屬
分罔器。[9]、燃料電池組具有層疊多個(gè)[7]或[8]所述的燃料電池所獲得的單元層疊體， 在所述單元層疊體中將相鄰的兩個(gè)燃料電池設(shè)為燃料電池X和燃料電池Y時(shí)，所述燃料電 池X和所述燃料電池Y經(jīng)由所述燃料電池X的分離器Ax和所述燃料電池Y的分離器By電 連接，所述分離器Ax的所述第一氣體流路al的背面與所述分離器By的所述第一氣體流路bl的背面接觸，所述分離器Ax的所述第二氣體流路a2的背面與所述分離器By的所述第二 氣體流路b2的背面接觸。本發(fā)明的燃料電池即使在不加濕或低加濕地供給反應(yīng)氣體時(shí)，也能夠在燃料電池 內(nèi)使水分循環(huán)。因此，本發(fā)明的燃料電池即使在不加濕或低加濕地供給反應(yīng)氣體時(shí)，也能夠 在燃料電池內(nèi)確保充足的量的水分并使水分布均勻，所以能夠維持MEA的耐久性和高輸出
也/又。


圖1是以往的燃料電池的剖面圖。圖2是本發(fā)明的燃料電池的空氣極分離器的平面圖。圖3是圖2所示的空氣極分離器的剖面圖。圖4是本發(fā)明的燃料電池的一部分的立體圖。圖5是本發(fā)明的燃料電池的空氣極分離器的平面圖。圖6是本發(fā)明的燃料電池組的剖面圖。圖7是本發(fā)明的燃料電池組的剖面圖。圖8是本發(fā)明的燃料電池的剖面圖。圖9是表示第二氧化氣體流路的深度與反應(yīng)氣體流路內(nèi)的濕度之間的關(guān)系的圖。圖10是表示第二氧化氣體流路的深度與發(fā)電電壓和質(zhì)子導(dǎo)電率之間的關(guān)系的 圖。符號(hào)說明100燃料電池101、102燃料電池組1,110 MEA111高分子電解質(zhì)膜113空氣極催化層115燃料極催化層117空氣極氣體擴(kuò)散層119燃料極氣體擴(kuò)散層2、120空氣極分離器8氧化氣體流路121第一氧化氣體流路122第二氧化氣體流路123 肋125氧化氣體的入口10、127氧化氣體的出口3、130、130’燃料極分離器16燃料氣體流路131、131，第一燃料氣體流路132、132’第二燃料氣體流路
135燃料氣體的入口137燃料氣體的出口15、140冷卻劑流路
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的燃料電池包括MEA以及夾持MEA的、由分離器A和分離器B構(gòu)成的一對(duì) 分離器。另外，在本發(fā)明的燃料電池中，所供給的反應(yīng)氣體是未加濕或低加濕。(1)關(guān)于膜電極接合體(MEA)MEA包括高分子電解質(zhì)膜、以及夾持高分子電解質(zhì)膜的、由燃料極和空氣極構(gòu)成 的一對(duì)催化電極。優(yōu)選的是，空氣極具有與高分子電解質(zhì)膜接觸的空氣極催化層和層疊在 空氣極催化層上的空氣極氣體擴(kuò)散層。同樣，優(yōu)選的是，燃料極具有與高分子電解質(zhì)膜接觸 的燃料極催化層和層疊在燃料極催化層上的燃料極氣體擴(kuò)散層。高分子電解質(zhì)膜是在濕潤狀態(tài)下具有選擇性輸送質(zhì)子的功能的高分子膜。只要 高分子電解質(zhì)膜的材料是選擇性地使質(zhì)子移動(dòng)的材料，并不特別限定。作為這樣的材料的 例子包括氟素類的高分子電解質(zhì)膜或碳?xì)漕惖母叻肿与娊赓|(zhì)膜等。作為氟素類的高分子 電解質(zhì)膜的具體例子包括杜邦公司的Nafion(注冊(cè)商標(biāo))膜、旭硝子公司的Flemion(注 冊(cè)商標(biāo))膜、旭化成株式會(huì)社的Aciplex(注冊(cè)商標(biāo))膜或Japan Gore-Tex公司的 GORE-SELECT (注冊(cè)商標(biāo))膜等?？諝鈽O催化層是含有促進(jìn)氫和氧的氧化還原反應(yīng)的催化劑的層。只要空氣極催化 層是具有導(dǎo)電性且具有促進(jìn)氫和氧的氧化還原反應(yīng)的催化作用的層，并不特別限定。空氣 極催化層例如包含鉬、鉬和鈷的合金或鉬和鈷和鎳的合金等作為催化劑。燃料極催化層是含有促進(jìn)氫的氧化反應(yīng)的催化劑的層。只要燃料極催化層是具有 導(dǎo)電性且具有促進(jìn)氫的氧化反應(yīng)的催化作用的層，并不特別限定。燃料極催化層例如包含 鉬或鉬和釕的合金等作為催化劑。例如，在承載這些催化劑的乙炔黑、科琴黑或炭黑(vulcan)等的碳微粒子中， 混合具有質(zhì)子導(dǎo)電性的電解質(zhì)和具有防水性的聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene， PTFE)等樹脂，并將其涂敷在高分子電解質(zhì)膜上，由此形成空氣極催化層和燃料極催化層。氣體擴(kuò)散層(空氣極氣體擴(kuò)散層和燃料極氣體擴(kuò)散層)是配置在MEA的最外側(cè) (與分離器接觸)且具有導(dǎo)電性的多孔質(zhì)層。只要?dú)怏w擴(kuò)散層的材料是具有導(dǎo)電性且能夠 擴(kuò)散反應(yīng)氣體的材料，并不特別限定。氣體擴(kuò)散層也可以由氣體擴(kuò)散基材層和碳涂層構(gòu)成。 所述氣體擴(kuò)散基材層使從分離器側(cè)供給的氣體向催化層擴(kuò)散，所述碳涂層提高氣體擴(kuò)散基 材層與催化層之間的接觸性。例如，也可以在催化層表面熱壓接碳素纖維、碳布或紙狀的碳紙等而制作氣體擴(kuò) 散層，所述碳素纖維附著了具有防水性的PTFE等的樹脂，所述碳布是通過編織絲狀的碳而 制作出的。(2)關(guān)于分離器分離器是具有由肋(rib)規(guī)定的多個(gè)氣體流路的導(dǎo)電性的板。氣體流路是用于將 反應(yīng)氣體(氧化氣體或燃料氣體)供給到電極的流路。也可以通過在碳板上刻出氣體流路 而制造分離器(參照?qǐng)D3A)。另外，也可以通過對(duì)導(dǎo)電性的板進(jìn)行沖壓加工而形成氣體流路，由此制造分離器(參照?qǐng)D4)。導(dǎo)電性的板可以是碳板也可以是金屬板。通過對(duì)金屬板 進(jìn)行沖壓加工而制造出的分離器也被稱為金屬分離器。通過對(duì)導(dǎo)電性的板進(jìn)行沖壓加工而制造出的分離器(以下簡(jiǎn)稱為“具有波形截面 的分離器”)具有厚度一定的波形截面以及表里一體地形成的流路。也就是說，在具有波形 截面的分離器的第1面上交替地形成槽和肋，在與該槽和肋對(duì)應(yīng)的位置的第1面的背面分 別形成了肋和槽。本發(fā)明的特征在于分離器的結(jié)構(gòu)。以下，說明i)分離器A和ii)分離器B。i)關(guān)于分離器A分離器A是具有由肋規(guī)定的多個(gè)氣體流路的導(dǎo)電性的板。本發(fā)明的燃料電池的特 征在于，分離器A具有橫截面的面積較大(即，容量較大)的氣體流路(以下稱為“第一氣 體流路al”)和橫截面的面積較小(即，容量較小)的氣體流路(以下稱為“第二氣體流路 a2”)。這里所謂橫截面是指與流路的長(zhǎng)度方向垂直的截面。優(yōu)選的是，第一氣體流路al的 橫截面的面積與第二氣體流路a2的橫截面的面積之比率為5 1 9 1。優(yōu)選的是，第一氣體流路al與第二氣體流路a2相互平行。另外，優(yōu)選的是，交替 地配置第一氣體流路al和第二氣體流路a2。優(yōu)選的是第一氣體流路al和第二氣體流路 a2之間的間隔為0. 7 1. 3mm。為了調(diào)節(jié)氣體流路的容量可以調(diào)節(jié)氣體流路的寬度，也可以調(diào)節(jié)氣體流路的深 度，但優(yōu)選調(diào)節(jié)氣體流路的深度。優(yōu)選的的是，第一氣體流路al的寬度為0. 8 1. 2mm，深 度為0. 3 0. 8mm。優(yōu)選的的是，第二氣體流路a2的寬度為0. 8 1. 2mm，深度為0. 06 0. lmm0圖2表示通過調(diào)節(jié)氣體流路的深度，調(diào)節(jié)了分離器A的氣體流路的容量的例子。圖 2是一例本發(fā)明的分離器A的平面圖。如圖2所示，分離器A120具有第一氣體流路121、第 二氣體流路122以及用于規(guī)定氣體流路的肋123。如圖2所示，第一氣體流路121和第二氣 體流路122相互平行。另外，交替地配置了第一氣體流路121和第二氣體流路122。圖3A是圖2所示的分離器A120的AA線處的剖面圖。另外，圖3B是圖3A所示的 分離器A120中的用四邊形包圍的區(qū)域的放大圖。如圖3A和圖3B所示，第一氣體流路121 的深度121d大于第二氣體流路122的深度122d。因此，第一氣體流路121的橫截面的面積 大于第二氣體流路122的橫截面的面積。也就是說，第一氣體流路121的容量大于第二氣 體流路122的容量。在本發(fā)明中，分離器A優(yōu)選是空氣極分離器。因此，在本發(fā)明中，分離器A具有的氣 體流路優(yōu)選是用于向空氣極供給氧化氣體的氧化氣體流路。以下也將“分離器A”稱為“空 氣極分離器”，將“第一氣體流路al”稱為“第一氧化氣體流路”，將“第二氣體流路a2”稱為 “第二氧化氣體流路”。ii)關(guān)于分離器B分離器B是具有由肋規(guī)定的兩個(gè)以上的氣體流路的導(dǎo)電性的板。在本發(fā)明中，分 離器B的氣體流路與上述的分離器A的氣體流路是平行的。另外，分離器B優(yōu)選由與分離 器A相同的材料構(gòu)成。特別是，在分離器B和分離器A為金屬板時(shí)，具有一個(gè)流路圖案的金 屬分離器既可以作為分離器A與可以作為分離器B，因此在制造工序上具有優(yōu)點(diǎn)。在本發(fā)明的燃料電池中，分離器B具有第一氣體流路bl以及與第一氣體流路bl相鄰的第二氣體流路b2。優(yōu)選的是，第一氣體流路bl和第二氣體流路b2相互平行且交替 地配置。第一氣體流路bl的橫截面的面積可以與第二氣體流路b2的橫截面的面積相同， 但優(yōu)選的是，第一氣體流路bl的橫截面的面積小于第二氣體流路b2的橫截面的面積。也 就是說，優(yōu)選的是，第一氣體流路bl的容量小于第二氣體流路b2的容量。第一氣體流路bl 的橫截面的面積與第二氣體流路b2的橫截面的面積之比率優(yōu)選為1 5 1 9。為了調(diào)節(jié)氣體流路的容量可以調(diào)節(jié)氣體流路的寬度，也可以調(diào)節(jié)氣體流路的深 度，但優(yōu)選調(diào)節(jié)氣體流路的深度。優(yōu)選的的是，第一氣體流路bl的寬度為0.8 1.2mm，深 度為0. 06 0. 1mm。優(yōu)選的的是，第二氣體流路b2的寬度為0. 8 1. 2mm，深度為0. 3 0. 8mm。在本發(fā)明中，分離器B優(yōu)選是燃料極分離器。因此，在本發(fā)明中，分離器B具有的氣 體流路優(yōu)選是用于向燃料極供給燃料氣體的燃料氣體流路。以下也將“分離器B”稱為“燃 料極分離器”，將“第一氣體流路bl”稱為“第一燃料氣體流路”，將“第二氣體流路b2”稱為 “第二燃料氣體流路”。(3)關(guān)于氧化氣體流路(分離器A的氣體流路)和燃料氣體流路(分離器B的氣 體流路)之間的位置關(guān)系在本發(fā)明的燃料電池中，優(yōu)選的是，氧化氣體流路和燃料氣體流路夾著MEA而對(duì) 向。更具體而言，特別優(yōu)選的是，第一氧化氣體流路與第一燃料氣體流路夾著MEA而對(duì)向， 第二氧化氣體流路與第二燃料氣體流路夾著MEA而對(duì)向。圖4是本發(fā)明的燃料電池的一部分的立體圖，其是表示氧化氣體流路(分離器A 的氣體流路)與燃料氣體流路(分離器B的氣體流路)之間的位置關(guān)系的圖。如圖4所示，燃料電池100具有MEA110、空氣極分離器(分離器A) 120以及燃料極 分離器(分離器B) 130。MEA110具有高分子電解質(zhì)膜111、空氣極催化層113、燃料極催化 層115、空氣極氣體擴(kuò)散層117以及燃料極氣體擴(kuò)散層119。圖4所示的空氣極分離器120 和燃料極分離器130是具有波形截面的分離器。空氣極分離器120具有第一氧化氣體流路(第一氣體流路al) 121和第二氣體 流路122 (第二氣體流路a2)。燃料極分離器130具有第一燃料氣體流路(第一氣體流路 bl) 131和第二燃料氣體流路132 (第二氣體流路b2)。第一氧化氣體流路121的橫截面的 面積大于第二氧化氣體流路122的橫截面的面積。第一燃料氣體流路131的橫截面的面積 小于第二燃料氣體流路132的橫截面的面積。圖4中示出的箭頭X表示氧化氣體在氧化氣體流路內(nèi)的流向，箭頭Y表示燃料氣 體在燃料氣體流路內(nèi)的流向。這樣，氧化氣體在氧化氣體流路內(nèi)的流向與燃料氣體在燃料 氣體流路內(nèi)的流向相反。這樣，通過交替地配置容量較大的第一氧化氣體流路和容量較小的第二氧化氣體 流路，并使氧化氣體在氧化氣體流路內(nèi)的流向與燃料氣體在燃料氣體流路內(nèi)的流向相反， 能夠促進(jìn)燃料電池發(fā)電中生成的水從氧化氣體流路移到至燃料氣體流路。在后面敘述促進(jìn) 水從氧化氣體流路移動(dòng)至燃料氣體流路的機(jī)理。另外，如圖4所示，優(yōu)選的是，氧化氣體流路和燃料氣體流路夾著MEA100而對(duì)向。 更具體而言，第一氧化氣體流路121與第一燃料氣體流路131夾著MEA而對(duì)向，第二氧化氣 體流路122與第二燃料氣體流路132夾著MEA而對(duì)向。優(yōu)選的是，第二氧化氣體流路的橫截面的面積與第二燃料氣體流路的橫截面的面積之比率為1 5 1 9。到此為止，說明了空氣極分離器內(nèi)的氧化氣體流路是直線狀的例子(參照?qǐng)D2)。 但是，在本發(fā)明中，氧化氣體流路也可以如圖5所示為迂曲狀。另外，如上所述在氧化氣體流路為迂曲狀時(shí)，優(yōu)選燃料氣體流路也為迂曲狀。也可以層疊本發(fā)明的燃料電池而制造燃料電池組。通常，燃料電池組包括層疊燃 料電池所得的單元層疊體、集電板、絕緣板以及端板。單元層疊體由集電板、絕緣板以及端 板夾持，進(jìn)而通過連接桿固定。在制造燃料電池組時(shí)，空氣極分離器和燃料極分離器優(yōu)選是具有波形截面的分離
o圖6是具有層疊了燃料電池所得的單元層疊體的燃料電池組101的剖面圖，所述 燃料電池包括空氣極分離器和燃料極分離器，所述空氣極分離器和所述燃料極分離器是具 有波形截面的分離器。如圖6所示在燃料電池組101中，燃料電池100X與燃料電池100Y相 鄰。燃料電池100X和燃料電池100Y經(jīng)由燃料電池100X的空氣極分離器120X和燃料電池 100Y的燃料極分離器130Y電連接。更具體而言，空氣極分離器120X的第一氧化氣體流路 121的背面與燃料極分離器130Y的第一燃料氣體流路131的背面接觸，空氣極分離器120X 的第二氧化氣體流路122的背面與燃料極分離器130Y的第二燃料氣體流路132的背面接 觸。由此，在空氣極分離器120X和燃料極分離器130Y之間形成容量一定的流路140。在燃 料電池組101中，流路140能夠用作冷卻劑流路。這樣在層疊具有空氣極分離器和燃料極分離器的燃料電池而制造出的燃料電池 組中，無需另外形成冷卻劑用的流路，所以能夠?qū)崿F(xiàn)燃料電池組的小型化，所述空氣極分離 器和燃料極分離器為金屬分離器。另外，也可以縮小燃料氣體流路或氧化氣體流路中的一方的寬度。圖7是具有層 疊燃料電池所獲得的單元層疊體的燃料電池組102的剖面圖，所述燃料電池為燃料氣體流 路的寬度小于氧化氣體流路的寬度的燃料電池。對(duì)于與圖6所示的燃料電池組101相同的 構(gòu)成部件附加同一符號(hào)，并省略其說明。如圖7所示，燃料極分離器130’具有的燃料氣體流路(131’ 132’ )的寬度小于氧 化氣體流路(121、122)的寬度。因此，燃料氣體流路的背面比氧化氣體流路的背面窄。由 此，在燃料電池組中，即使相鄰的燃料電池稍微偏移，燃料電池間的接觸面積也很難變動(dòng)。 因此，能夠抑制因燃料電池組中的燃料電池的偏移造成的輸出不均。本發(fā)明的燃料電池的特征在于，即使反應(yīng)氣體為未加濕或低加濕的氣體，也能夠 在燃料電池內(nèi)確保充分的量的水分，并維持高輸出密度。也就是說，本發(fā)明的燃料電池即使 在中溫不加濕條件下或高溫低加濕條件下也能夠維持高輸出密度。這里，所謂“中溫不加濕條件”是指沒有對(duì)供給到燃料電池的氧化氣體進(jìn)行加濕 的運(yùn)行條件。具體而言，所謂中溫不加濕條件是指下述條件，即，燃料電池發(fā)電時(shí)的溫度為 55°C 75°C;對(duì)燃料電池供給的氧化氣體的露點(diǎn)為45°C以下，優(yōu)選的是_10°C 45°C;以及 對(duì)燃料電池供給的燃料氣體的露點(diǎn)為50°C 70°C。若氣體中含有的水分較多則露點(diǎn)變高， 若氣體中含有的水分較少則露點(diǎn)變低。在這樣的中溫不加濕條件下，氧化氣體的露點(diǎn)通常 比燃料氣體的露點(diǎn)低20°C以上。另一方面，所謂“高溫低加濕條件”是指下述條件，S卩，燃料電池發(fā)電時(shí)的溫度為80°C 100°C ；氧化氣體的露點(diǎn)為55°C 75°C ；以及燃料氣體的露點(diǎn)為50°C 70°C。在這 樣的高溫低加濕條件下，氧化氣體的露點(diǎn)與燃料氣體的露點(diǎn)之差通常為10°C以下。通常使用燃料電池處理器對(duì)碳?xì)漕悮怏w進(jìn)行改質(zhì)而生成向燃料電池?zé)犭娐?lián)供系 統(tǒng)供給的燃料氣體。使用燃料電池處理器對(duì)碳?xì)漕悮怏w進(jìn)行改質(zhì)而生成的燃料氣體的露點(diǎn) 通常為50°C 70°C。(4)關(guān)于在本發(fā)明的燃料電池內(nèi)水分循環(huán)的機(jī)理接著，說明本發(fā)明的燃料電池即使不加濕或低加濕地供給反應(yīng)氣體時(shí)，也在燃料 電池內(nèi)確保充足的量的水分且使水分布均勻的機(jī)理。通過向氧化氣體流路供給含有氧的氧化氣體并向燃料氣體流路供給含有氫氣體 的燃料氣體，能夠從本發(fā)明的燃料電池獲得電能。通過以下的反應(yīng)獲得電能。首先，提供給燃料極的氫分子在燃料極氣體擴(kuò)散層中擴(kuò)散而到達(dá)燃料極催化層。 在燃料極催化層中，氫分子被分為質(zhì)子和電子。質(zhì)子通過被加濕的高分子電解質(zhì)膜而移動(dòng) 到空氣極側(cè)。電子通過外部電路而移動(dòng)到空氣極。此時(shí)，能夠?qū)⑼ㄟ^外部回路的電子利用 為電能。在空氣極催化層中，通過高分子電解質(zhì)膜而移動(dòng)來的質(zhì)子、通過外部電路而移動(dòng)來 的電子以及供給到空氣極的氧發(fā)生反應(yīng)，生成水。生成的水變成水蒸氣，主要擴(kuò)散在氧化氣 體流路內(nèi)。在以往的燃料電池中，擴(kuò)散在氧化氣體流路內(nèi)的水分與氧化氣體一起從氧化氣體 的出口排出到燃料電池的外部。本發(fā)明的燃料電池的特征在于，能夠使氧化氣體中的水分 在燃料電池內(nèi)循環(huán)。以下使用

本發(fā)明的燃料電池中的水分的移動(dòng)。圖8是圖4所示的本發(fā)明的燃料電池100的點(diǎn)劃線A處的剖面圖。也就是說，圖8 表示第二氧化氣體流路122和第二燃料氣體流路132的縱向剖面圖。另外，圖8中的箭頭表 示流動(dòng)的氣體的流向和量。如上所述，第二氧化氣體流路122的容量小于與其夾著MEA110 而對(duì)向的第二燃料氣體流路132的容量。因此，流過第二氧化氣體流路122內(nèi)的氧化氣體 的流量較少。因此，流過第二氧化氣體流路122內(nèi)的氧化氣體中的大部分的氧在第二氧化 氣體的入口 125側(cè)被消耗，流過第二氧化氣體流路122內(nèi)的氧化氣體中的氧的量較少。因 此，流過第二氧化氣體流路122內(nèi)的氧化氣體中的水分比率相對(duì)較高。另一方面，由于第二燃料氣體流路132的容量較大，所以流過第二燃料氣體流路 132的燃料氣體的流量較多。另外，如上所述，燃料電池的運(yùn)行時(shí)所生成的水主要擴(kuò)散在氧 化氣體流路內(nèi)，所以流過第二燃料氣體流路132的燃料氣體中的水分的量較少。因此，流過 第二燃料氣體流路132的燃料氣體中的水分的比率較低。因此，流過第二氧化氣體流路122內(nèi)的氧化氣體中的水分的比率也高于流過第二 燃料氣體流路132的燃料氣體中的水分的比率。通過該水分的比率之差，促進(jìn)水分從第二 氧化氣體流路122移動(dòng)至第二燃料氣體流路132。另外，如上所述，發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的水分?jǐn)U散在氧化氣體流路內(nèi)，所以氧化氣體在流過 氧化氣體流路內(nèi)的過程中獲得水分。因此，在氧化氣體的出口 127附近，氧化氣體中的水分
的比率最高。另一方面，燃料氣體中的氫在流過燃料氣體流路的過程中被消耗，所以燃料氣體 中的氫的比率在燃料氣體的入口 135附近最高。因此，在燃料氣體的入口 135附近，燃料氣 體中的水分的比率最低。因此，氧化氣體中的水分比率與燃料氣體中的水分比率之差在圖8的氧化氣體的出口 127和燃料氣體的入口 135附近(圖8中的用四邊形包圍的區(qū)域)最 大。因此，最促進(jìn)水從氧化氣體流路的出口 127附近移動(dòng)至燃料氣體流路的入口 135附近。另外，在氧化氣體的出口 127附近由于氧化氣體中的氧的量較少，所以發(fā)電量下 降。發(fā)電量下降后從燃料極至空氣極的由電浸透造成的水的移動(dòng)下降，所以更加促進(jìn)水從 第二氧化氣體流路移動(dòng)至第二燃料氣體流路。這樣，通過使水從第二氧化氣體流路移動(dòng)至第二燃料氣體流路，能夠使以往隨同 氧化氣體一起排出到燃料電池的外部的水分在燃料電池內(nèi)高效率地循環(huán)。移動(dòng)至燃料氣體 流路內(nèi)的水分與燃料氣體一起在燃料氣體流路內(nèi)流動(dòng)，并再次擴(kuò)散在燃料電池內(nèi)，所以使 燃料電池內(nèi)的水分分布均勻。另一方面，第一氧化氣體流路的容量足夠大，所以能夠向燃料電池供給充足的量 的氧化氣體。這樣，通過使容量較小的氧化氣體流路與容量較大的燃料氣體流路夾著MEA而對(duì) 向，并使氧化氣體的流向與燃料氣體的流向相反，從而即使在不加濕或低加濕地供給反應(yīng) 氣體時(shí)，也能夠在燃料電池內(nèi)確保充足的量的水分，并維持輸出密度和MEA的耐久性。(5)本發(fā)明的燃料電池的模擬1由于表現(xiàn)出下述事實(shí)，即通過使第二氧化氣體流路的容量相對(duì)較小，能夠使燃料 電池內(nèi)的水分的分布均勻，所以對(duì)改變第二氧化氣體流路的深度后的反應(yīng)氣體流路內(nèi)的濕 度進(jìn)行模擬。在本模擬中，將第一氧化氣體流路和第二氧化氣體流路的寬度設(shè)定為1mm，將 第一氧化氣體流路的深度設(shè)定為0. 5mm。另外，將第一燃料氣體流路和第二燃料氣體流路的 寬度設(shè)定為1mm，將第二燃料氣體流路的深度設(shè)定為0.5mm。另外，使第一燃料氣體流路的 深度與第二氧化氣體流路的深度相同。另外，發(fā)電時(shí)的燃料電池的溫度設(shè)定為90°C。圖9A是表示第二氧化氣體流路的深度與氧化氣體流路內(nèi)的濕度之間的關(guān)系。如 圖9A所示，在第一氧化氣體流路的容量與第二氧化氣體流路的容量之間沒有差別時(shí)(第二 氧化氣體流路的深度為0. 5mm時(shí))，在氧化氣體流路的上游相對(duì)濕度約為35 %，另外在氧化 氣體流路的下游相對(duì)濕度約為55%。在第二氧化氣體流路的深度為0. 1mm時(shí)，在氧化氣體流路的上游相對(duì)濕度約為 35%,另外在氧化氣體流路的下游相對(duì)濕度約為53%。另一方面，在第二氧化氣體流路的深度為0. 02mm時(shí)，在氧化氣體流路的上游相對(duì) 濕度約為37%，另外在氧化氣體流路的下游相對(duì)濕度約為51%。這樣表現(xiàn)出氧化氣體流路 的深度越小，氧化氣體流路內(nèi)的相對(duì)濕度的偏差越少。圖9B是表示第二氧化氣體流路的深度與燃料氣體流路內(nèi)的濕度之間的關(guān)系。如 圖9B所示，第一氧化氣體流路的容量與第二氧化氣體流路的容量之間沒有差別時(shí)(第二氧 化氣體流路的深度為0. 5mm時(shí))，在燃料氣體流路的上游相對(duì)濕度約為42 %，在燃料氣體流 路的下游相對(duì)濕度約為37%，另外最高的相對(duì)濕度約為52%。在第二氧化氣體流路的深度為0. 1mm時(shí)，在燃料氣體流路的上游相對(duì)濕度約為 43%，在燃料氣體流路的下游相對(duì)濕度約為39%，另外最高的相對(duì)濕度約為53%。另一方面，在第二氧化氣體流路的深度為0.02mm時(shí)，在燃料氣體流路的上游相 對(duì)濕度約為45%，在燃料氣體流路的下游相對(duì)濕度約為39%，另外，最高的相對(duì)濕度約為 53%。這樣表現(xiàn)出氧化氣體流路的深度越小，燃料氣體流路內(nèi)的相對(duì)濕度的偏差越少。
圖9A和圖9B示出的結(jié)果暗示了下述事實(shí)，即氧化氣體流路的深度越小，燃料電池 內(nèi)的水分分布越均勻。(6)本發(fā)明的燃料電池的模擬2如上所述，第二氧化氣體流路的深度越小，燃料電池內(nèi)的水分分布越均勻。但是， 考慮到若第二氧化氣體流路的深度過小，則經(jīng)由氧化氣體流路而供給的氧化氣體的量減 少，發(fā)電效率也減少。因此，對(duì)為了導(dǎo)出最合適的第二氧化氣體流路的深度而改變第二氧化 氣體流路的深度時(shí)的、發(fā)電電壓與高分子電解質(zhì)膜的質(zhì)子導(dǎo)電率進(jìn)行模擬。模擬條件也可 以與模擬1的條件相同。圖10是表示第二氧化氣體流路的深度與發(fā)電電壓和高分子電解質(zhì)膜的質(zhì)子導(dǎo)電 率之間的關(guān)系的圖。如圖10所示，在第二氧化氣體流路的深度為0.06mm時(shí)高分子電解質(zhì) 膜的質(zhì)子導(dǎo)電率最高。另一方面，發(fā)電電壓在第二氧化氣體流路的深度為0.06mm 0. 1mm 時(shí)較高，在第二氧化氣體流路的深度為0.08mm時(shí)最高。因此，暗示了第二氧化氣體流路的 最合適的深度為0. 06mm 0. 1mm。這樣，在本發(fā)明的燃料電池中，通過使容量較小的第二氧化氣體流路與容量較大 的第二燃料氣體流路對(duì)向以及使氧化氣體的流向與燃料氣體的流向相反，能夠促進(jìn)水從氧 化氣體流路擴(kuò)散到燃料氣體流路。因此，本發(fā)明的燃料電池即使在不加濕或低加濕地供給 反應(yīng)氣體時(shí)，也能夠維持MEA的耐久性和高輸出密度。本申請(qǐng)主張基于2008年12月2日申請(qǐng)的(日本)特愿2008-307651的優(yōu)先權(quán)。 該申請(qǐng)說明書中所記載內(nèi)容全部被本申請(qǐng)引用。工業(yè)上的可利用性本發(fā)明的燃料電池對(duì)不加濕或低加濕地供給反應(yīng)氣體的固體高分子型燃料電池 等極為有用。
權(quán)利要求
燃料電池，包括膜電極接合體，具有高分子電解質(zhì)膜和夾持所述高分子電解質(zhì)膜的一對(duì)催化電極；以及分離器(A)和分離器(B)，夾持所述膜電極接合體，所述分離器(A)具有向所述膜電極接合體供給氧化氣體或燃料氣體的第一氣體流路(a1)和與所述第一氣體流路(a1)相鄰的第二氣體流路(a2)，所述第一氣體流路(a1)和所述第二氣體流路(a2)相互平行且交替地配置，所述第一氣體流路(a1)的橫截面的面積大于所述第二氣體流路(a2)的橫截面的面積，所述分離器(B)具有向所述膜電極接合體供給氧化氣體或燃料氣體且與所述第一氣體流路(a1)和所述第二氣體流路(a2)平行的第一氣體流路(b1)以及與所述第一氣體流路(b1)相鄰的第二氣體流路(b2)，所述第一氣體流路(b1)和所述第二氣體流路(b2)相互平行且交替地配置，所述第一氣體流路(a1)和第二氣體流路(a2)內(nèi)的所述氧化氣體或所述燃料氣體的流向與所述第一氣體流路(b1)和第二氣體流路(b2)內(nèi)的所述氧化氣體或所述燃料氣體的流向相反。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池， 所述分離器(A)是空氣極分離器，所述第一氣體流路(al)是第一氧化氣體流路， 所述第二氣體流路(a2)是第二氧化氣體流路， 所述分離器(B)是燃料極分離器， 所述第一氣體流路(bl)是第一燃料氣體流路， 所述第二氣體流路(b2)是第二燃料氣體流路。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料電池，所述第一氣體流路(bl)的橫截面的面積小于所述第二氣體流路(b2)的橫截面的面積，所述第一氣體流路(al)與所述第一氣體流路(bl)夾著所述膜電極接合體而對(duì)向， 所述第二氣體流路(a2)與所述第二氣體流路(b2)夾著所述膜電極接合體而對(duì)向。
4.如權(quán)利要求3所述的燃料電池，所述第一氣體流路(al)的深度大于所述第二氣體流路(a2)的深度，所述第一氣體流 路(bl)的深度小于所述第二氣體流路(b2)的深度。
5.如權(quán)利要求1所述的燃料電池，所述第一氣體流路(al)的寬度為0. 8mm 1. 2mm，其深度為0. 3mm 0. 8mm, 所述第二氣體流路(a2)的寬度為0. 8 1. 2mm，其深度為0. 06 0. 1mm。
6.如權(quán)利要求1所述的燃料電池，對(duì)所述燃料電池供給的所述氧化氣體的露點(diǎn)為-10°C 75°C，燃料電池發(fā)電時(shí)的溫度 為 55°C 100°C。
7.如權(quán)利要求4所述的燃料電池，所述分離器(A)和所述分離器(B)具有厚度一定的 波形截面。
8.如權(quán)利要求7所述的燃料電池，所述分離器(A)和所述分離器⑶是金屬分離器。
9.燃料電池組，其具有層疊多個(gè)權(quán)利要求7所述的燃料電池所獲得的單元層疊體，在所述單元層疊體中將相鄰的兩個(gè)燃料電池設(shè)為燃料電池(X)和燃料電池(Y)時(shí)，所 述燃料電池⑴和所述燃料電池⑴經(jīng)由所述燃料電池⑴的分離器(Ax)和所述燃料電 池⑴的分離器(By)電連接，所述分離器(Ax)的所述第一氣體流路(al)的背面與所述分離器(By)的所述第一氣 體流路(bl)的背面接觸，所述分離器(Ax)的所述第二氣體流路(a2)的背面與所述分離器(By)的所述第二氣 體流路(b2)的背面接觸。
全文摘要
燃料電池具有膜電極接合體以及分離器(A)和分離器(B)，所述分離器(A)具有向所述膜電極接合體供給反應(yīng)氣體的第一氣體流路(a1)和與所述第一氣體流路(a1)相鄰的第二氣體流路(a2)，所述第一氣體流路(a1)和所述第二氣體流路(a2)相互平行且交替地配置，所述第一氣體流路(a1)的橫截面的面積大于所述第二氣體流路(a2)的橫截面的面積，所述分離器(B)具有向所述膜電極接合體供給反應(yīng)氣體且與所述第一氣體流路(a1)和所述第二氣體流路(a2)平行的第一氣體流路(b1)和第二氣體流路(b2)，所述第一氣體流(b1)和所述第二氣體流路(b2)相互平行且交替地配置，所述第一氣體流路(a1)和第二氣體流路(a2)內(nèi)的反應(yīng)氣體的流向與所述第一氣體流路(b1)和第二氣體流路(b2)內(nèi)的反應(yīng)氣體的流向相反。
文檔編號(hào)H01M8/10GK101878557SQ200980101110
公開日2010年11月3日 申請(qǐng)日期2009年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月2日
發(fā)明者中川貴嗣, 吉本美由紀(jì), 松本敏宏, 竹口伸介 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社