专利名称：燃料电池,燃料电池用氧化剂流场板的制作方法
技术领域：
本发明是关于具有流场板的燃料电池及燃料电池用氧化剂流场板方面的技术。
背景技术：
近年来，随着环境保护问题及人们对节约能源等的需要，燃料电池日益受到世人的关注。一般而言，燃料电池就是指利用氧化剂及燃料进行发电的装置。从结构方面来看，燃料电池首先由膜·电极接合体(下面也称MEA)组成，膜·电极接合体由具有离子传导性的电解质膜以及在电解质膜的厚度方向的一侧安装的燃料电极和在电解质膜的厚度方向的另外一侧安装的氧化剂电极组成。另外，燃料电池具备向燃料电极供应燃料并形成燃料流路的燃料流场板，以及向氧化剂电极提供氧化剂气体形成氧化剂气体流路的氧化剂流场板。一般的情况下，为了防止气体泄露，氧化剂流场板及燃料流场板一般不采用多孔质材料，而是采用致密材料制作。
依照前面所讲述的燃料电池的原理，具有离子传导性的电解质膜如果过度干燥，电解质膜的离子传导性就会下降。因此，必须设法控制电解质膜的过度干燥。按照前面所述，传统的燃料电池是在把氧化剂气体或者燃料提供给燃料电池之前，采用扩散器等的外部增湿装置主动地为氧化剂气体或者燃料实施增湿。
另外，近年以来也开发出了采用微细孔多孔质材料制备的氧化剂流场板、燃料流场板的固体高分子型燃料电池。这是使液相水渗透到氧化剂流场板的微细孔及燃料流场板的微细孔后，在提供给MEA的同时，利用水对氧化剂流场板微细孔及燃料流场板微细孔的渗透作用，封住微细孔，防止在微细孔处出现气体泄露现象。
如前面所述，作为采用微细孔多孔质材料的燃料电池，专利文献1公开了下列燃料电池。即，燃料流场板是由多孔质材料制成，同时，氧化剂流场板也是采用多孔质材料制成，在燃料流场板的内侧及氧化剂流场板的内侧形成通水路的固体高分子型燃料电池。根据该专利文献1介绍，各通水路的水通过多孔质燃料流场板及氧化剂流场板的微细孔提供给MEA，达到了控制电解质膜过度干燥的问题。
另外，专利文献2公开的是，采用具有很多微细孔的导电性多孔质材料形成亲水性的燃料流场板，同时，在燃料流场板的内侧与MEA相反的位置配置了采用疏水性导电性多孔质材料形成增湿水透过体的固体高分子型燃料电池。根据该专利文献2介绍，被增湿水透过体所保持的液相水经过导电性多孔质材料形成的燃料流场板微细孔向MEA渗透，控制了电解质的过度干燥。在该燃料电池中，由于燃料流场板是采用亲水性材料制成，液相水可以充分渗透到燃料流场板的微细孔，从而达到封住微细孔的目的。
在专利文献3和4中，公开了空气流场板及燃料流场板均为多孔质结构的固体高分子型燃料电池。根据该文献介绍，使在空气极侧生成的水沿着空气流场板的厚度方向通过，提供给空气流场板背面的通水路。同时，通过调节燃料通路的燃料气压，使该通水路的水沿着燃料流场板的厚度方向通过，提供给燃料通路，达到了为燃料增湿的目的。
(专利文献1)特开平6-338338号(专利文献2)专利号第2922132号(特开平8-250130号公报)(专利文献3)美国专利公报5853909(专利文献4)美国专利公报5700595
发明内容
在前面所介绍的燃料电池中，其氧化剂流场板并非是采用与MEA背向的背向流路及与MEA所对向的背向流路处于表和里的关系而形成的反应流路的双方提供氧化剂气体方式的燃料电池。同样，燃料流场板也不是采用与MEA背向的背向流路及与MEA所对向的背向流路处于表和里的关系而形成的反应流路的双方提供燃料气体的方式的燃料电池。
本发明是针对前面所介绍的情况而开发的技术，本发明的课题在于，提供一种采用从流场板的背向流路流向与其处于表里关系的反应流路的燃料电池及氧化剂流场板。
本发明涉及的燃料电池，是由具有离子传导性的电解质膜、安装在电解质膜的厚度方向一侧的氧化剂电极及电解质膜的厚度方向另一侧的燃料电极所组成的膜·电极接合体，在由面对氧化剂电极设置的向氧化剂电极提供氧化剂气体的氧化剂流场板及面对燃料电极设置的向燃料电极提供燃料的燃料流场板组成燃料电池中，其特征是氧化剂流场板与燃料流场板中的至少一方，具有在与膜·电极接合体相背的背面形成的背向流路；以及具有在与膜·电极接合体相对的对面形成，并与背向流路相连通，且可让背向流路中流有的氧化剂气体或燃料流通的反应流路。
本发明中的氧化剂流场板，设置在燃料电池的膜·电极接合体的氧化剂电极的对面，为氧化剂电极提供氧化剂气体，其特征是由在与膜·电极接合体相背的背面形成的可让氧化剂气体流动的背向流路；及在与膜·电极接合体相对的对面形成，并与背向流路相连通，且可让背向流路中的氧化剂气体流通的反应流路所构成。
根据本发明项中的燃料电池以及氧化剂流场板，氧化剂流场板及燃料流场板之中的至少一方，具有在与膜·电极接合体相背的背面形成的背向流路；以及具有在与膜·电极接合体相对的对面形成，并与背向流路相连通，且可让背向流路中流有的氧化剂气体流通的反应流路。
背向流路与反应流路在流场板中处于表和里的关系，而且，氧化剂气体或者燃料在流过背向流路之后，将流过处于该表里关系的反应流路。
正如以上说明的一样，本发明可以提供采用了从流场板的背向流路流入与其处于表里关系的反应流路这一方式的燃料电池及氧化剂流场板。
根据本发明，可以通过对燃料电池内部产生的水加以有效的利用，提供一种可以通过利用与MEA相背的背面所形成的背向流路，在燃料电池内部对反应前的氧化剂气体及/或反应前的燃料进行增湿的燃料电池，也就是说，实现了“单元内自增湿构造”。因此，可以减免对燃料电池所需的氧化剂气体及/或燃料进行增湿的增湿装置。
特别值得一提的是，在氧化剂流场板实现多孔质化的情况下，通过对发电反应在氧化剂电极处产生的生成水加以有效利用，也就是说，因发电反应而在氧化剂电极处产生了生成水，使该水分或者湿汽透过氧化剂流场板的厚度方向，就可以提供一种在燃料电池内部，对流过与MEA背向的氧化剂流场板背向流路的反应前的氧化剂气体进行增湿的燃料电池。
另外，在燃料流场板实现多孔质化的情况下，通过对发电反应产生的生成水加以有效利用，也就是说，因发电反应而产生了生成水，使该水分或者湿汽透过燃料流场板的厚度方向，就可以提供一种在燃料电池内部，对流过与MEA背向的燃料流场板背向流路的反应前的燃料气体进行增湿的燃料电池。
在本发明中，当提供给燃料电池的氧化剂气体及燃料的温度过低，氧化剂气体及燃料通过流场板的背向流路时，可以取得在燃料电池的内部对流过该背向流路的氧化剂气体及燃料进行预热的效果。另外，当提供给燃料电池的氧化剂气体及燃料的温度过高，氧化剂气体及燃料通过流场板的背向流路时，可以取得对流过该背向流路的氧化剂气体及燃料进行预冷的效果。
图1为实施例1中燃料电池概念的剖视图。
图2为实施例2中燃料电池概念的剖视图。
图3为实施例3中燃料电池概念的剖视图。
图4为实施例4中燃料电池概念的剖视图。
图5为实施例5中燃料电池概念的剖视图。
图6为实施例7中燃料电池概念的剖图。
图7为在实施例7中，从氧化剂流场板的上流端到下流端的微细孔直径的变化曲线图。
图8为实施例9中燃料电池概念的剖视图。
图9为在实施例9中，从氧化剂流场板的上流端到下流端的微细孔直径的变化曲线图。
图10为实施例10中燃料电池概念的剖视图。
图11为在实施例10中，从氧化剂流场板的上流端到下流端的微细孔直径的变化曲线图。
图12为实施例11中燃料电池概念的剖视图。
图13(A)～图13(C)为方式1的氧化剂流场板的示意图，图13(A)为该氧化剂流场板的平面图，图13(B)为该氧化剂流场板的剖视图，图13(C)为该氧化剂流场板的内面图。
图14(A)～图14(C)为方式2的氧化剂流场板的示意图，图14(A)为该氧化剂流场板的平面图，图14(B)为该氧化剂流场板的剖视图，图14(C)为该氧化剂流场板的内面图。
图15(A)～图15(C)为方式3的氧化剂流场板的示意图，图15(A)为该氧化剂流场板的平面图，图15(B)为该氧化剂流场板的剖视图，图15(C)为该氧化剂流场板的内面图。
具体实施例方式
在本发明中，氧化剂流场板与燃料流场板之中的至少一方，具有在与膜·电极接合体相背的背面形成的背向流路；以及具有在与膜·电极接合体相对的对面形成，并与背向流路相连通，且可让背向流路中流有的氧化剂气体或燃料流通的反应流路。背向指的是后背相向之意，对向指的是面与面相向之意。背向流路及反应流路在流场板中处于表和里的关系，互相连通，氧化剂气体及燃料气体流过背向流路后，流入反应流路，用于发电反应。
所以，氧化剂流场板可以采用具有在与膜·电极接合体的背面所形成的氧化剂气体的流路入口侧相连通的背向流路，及在与面对膜·电极接合体所形成且与背向流路相连通、并能够让流过背向流路的氧化剂气体所流通的反应流路的方式。氧化剂气体可以是空气等含有氧气的气体。
另外，燃料流场板可以采用具有在与膜·电极接合体的背面所形成的燃料流路入口侧相连通的背向流路，及在与面对膜·电极接合体所形成且与背向流路相连通、并能够让流过背向流路的燃料通过的反应流路的形态。燃料可以是氢气气体或含有氢气的气体。
在本发明中，可以在燃料电池内安装能够为流过背向流路的氧化剂气体或者燃料进行增湿的增湿要素。这种情况下，通过增湿要素，氧化剂流场板及燃料流场板之中的至少一方的流过背向流路的氧化剂气体或者燃料就可以在燃料电池内得到增湿。通过上述方式，在反应面进行发电反应的氧化剂气体或者燃料的水分也就得到了保证，进而电解质的过度干燥也得到了相应的控制。因此，电解质的离子传导性得到保证，达到可以确保燃料电池良好的发电性能。前面所介绍的增湿要素是在燃料电池的内部进行增湿的。增湿要素可以采用通过对氧化剂流场板中的至少一部分实现多孔质化来体现。上面所言及的一部分可以作为氧化剂流场板的反应流路的下流领域。另外，也可以通过对将氧化剂流场板的整体实现多孔质化来体现增湿要素的构造。根据不同的情况，也可以使氧化剂流场板的反应流路中的上流领域致密化。
另外，在本发明中，增湿要素可以采用通过对燃料流场板中的至少一部分实现多孔质化来体现。上面所言及的一部分可以作为燃料流场板的反应流路的下流领域。另外，也可以通过对燃料流场板的整体实现多孔质化来体现增湿要素的构造。根据不同的情况，也可以使燃料流场板的反应流路中的上流领域致密化。
在本发明中，通过在燃料电池内部对发电反应中在燃料电池内生成的生成水加以有效的利用，也就是说，因发电反应而在氧化剂电极处生成的生成水，使该水分或者湿汽透过氧化剂流场板及/或燃料流场板的厚度方向，就可以在燃料电池的内部对提供给MEA的反应面的反应前的氧化剂气体及/或燃料进行增湿。所以，也就是说可以采用“单元内自增湿构造”。
在本发明中，关于氧化剂流场板的气孔率，可以采用反应流路的下流领域与反应流路的上流领域相比，具备较大气孔率的方式。这样，可以使积存在反应流路下流领域的水分透过氧化剂流场板的厚度方向，有利于对背向流路的氧化剂气体进行增湿。另外，使背向流路的氧化剂气体的活性物质透过氧化剂流场板的厚度方向，有利于对反应流路的下流领域进行补充。反应流路的下流领域及上流领域是根据反应流路中所处相对位置来决定的。在一般情况下，反应流路的下流领域是指反应流路的流路长度中的下流一侧，反应流路的上流领域是指反应流路的流路长度中的上流一侧。
在本发明中，关于燃料流场板的气孔率，可以采用反应流路的下流领域与反应流路的上流领域相比，具备较大气孔率的方式。这样，可以使积存在反应流路下流领域的水分透过燃料流场板的厚度方向，有利于对背向流路的燃料进行增湿。另外，使背向流路的燃料的活性物质透过燃料流场板的厚度方向，有利于对反应流路的下流领域进行补充。
在本发明中，可以采用在氧化剂流场板之中安装在与膜·电极接合体相背对的一侧，用于输入冷却剂的冷却剂流场板的方式。这种情况下，增湿要素可以通过对冷却剂流场板中的至少一部分实现多孔质化来体现，也可以通过对冷却剂流场板的整体实现多孔质化来体现增湿要素的构造。冷却剂可以是冷却水或者冷却气体。
在本发明中，正如前面所述，氧化剂流场板可以拥有微细孔。微细孔的直径可以适当选择，可以选用0.1～200μm、0.1～100μm，也可以选用0.1～30μm、2～15μm甚至3～4μm，也可以不局限于上述指标。氧化剂流场板的气孔率也可以适当选择，体积比可以为10～90％、15～60％，也可以为20～40％。不过，微细孔的直径、气孔率可以不仅仅局限于前面所讲述的范围。而且，正如前面所讲述的那样，燃料流场板可以有微细孔。微细孔的直径可以适当选择，可以为0.1～200μm、0.1～100μm甚至0.1～30μm、2～15μm，也可以是3～4μm，也可以不局限于上述指标。燃料流场板的气孔率可以适当选择，体积比可以为10～90％、15～60％，也可以为20～40％。不过，微细孔的直径、气孔率可以不仅仅局限于前面所讲述的范围。
在本发明中，正如前面所述，氧化剂流场板及/或燃料流场板可以有微细孔。氧化剂流场板及/或燃料流场板可以具备亲水性，也可以具备疏水性。具备亲水性的情况下，在与MEA相向的对面，可采取利用毛细管现象，缩小氧化剂气流下流的微细孔的直径，同时，加大氧化剂气流上流的微细孔的直径的方式。这种情况下，可以断续或者连续改变微细孔的直径。
另外，当氧化剂流场板及/或燃料流场板具备疏水性的情况下，在与MEA相向的对面可采取调整水蒸气压，并在加大氧化剂气流下流的微细孔直径的同时，缩小氧化剂气流上流微细孔的直径的方式。这种情况下，同样可以断续或者连续改变微细孔的直径。
在本发明中，氧化剂流场板的微细孔的直径，可设定为下列3种构造形态中的任意一种。即从反应流路的下流领域到反应流路的上流领域，该微细孔的直径在实质上为均等的第1种构造形态；反应流路的下流领域与反应流路的上流领域相比，具备较小微细孔直径的第2种构造形态；反应流路的下流领域与反应流路的上流领域相比，具备较大微细孔直径的第3种构造形态。
在本发明中，燃料流场板的微细孔的直径，可设定为下列3种构造形态中的任意一种。即从反应流路的下流领域到反应流路的上流领域，该微细孔的直径在实质上为均等的第1种构造形态；反应流路的下流领域与反应流路的上流领域相比，具备较小微细孔直径的第2种构造形态；反应流路的下流领域与反应流路的上流领域相比，具备较大微细孔直径的第3种构造形态。
在本发明中，燃料电池可以不分车载用、固定用、携带用、家庭用、商业用等。
下面对本发明的实施例进行具体说明。
(实施例1)下面，参考图1介绍本发明的实施例1。图1是本实施例相关的固体高分子型燃料电池的概念图，显示了沿电解质膜11的厚度方向的剖面。正如图1所示，本实施例所涉及的固体高分子型燃料电池的MEA1具有下列组件，即由质子传导性高分子材料所形成的电解质膜11，设置在电解质膜11的厚度方向一侧进行氧化反应的燃料电极12，也被称为阳极，设置在电解质膜11的厚度方向另一侧进行还元反应的氧化剂电极15(也叫做空气极)，也被称为阴极。
另外，正如图1所示，固体高分子型燃料电池是由以下部件组成，即位于MEA1的燃料电极12的对面，设置在外侧为燃料电极12输送气态燃料(一般为氢气气体等含有氢气的气体)的燃料流场板4，位于MEA1的氧化剂电极15的对面，安置在氧化剂电极15的外侧为氧化剂电极15提供氧化剂气体(一般为空气等含有氧气的气体)的氧化剂流场板3。
图1所示的电池构造为厚度方向由多层叠积形成的固体高分子型燃料电池。虽然在图1中显示为MEA1、燃料流场板4、氧化剂流场板3等均为纵向配置，但是图1仅仅是概念图，上述各项也可以沿水平方向配置。
在图1中，MEA1的氧化剂电极15是与氧化剂流场板3所对向的，同时，具有多孔质性及导电性的碳系第1气体扩散层16，以及与电解质膜11所对向、以催化剂为主要成分且拥有多孔质性及导电性的第1催化剂层17。MEA1的燃料电极12具有与燃料流场板4所对向、具有多孔质性及导电性的碳系的第2气体扩散层13，以及与电解质膜11所对向、以催化剂为主要成分且拥有多孔质性及导电性的第2催化剂层14。图中例示的催化剂可以为白金、钯、钌、铑、金、銀等其中的至少1种。
氧化剂流场板3也可称为氧化剂/氧化剂·流场板或者空气/空气·流场板。氧化剂流场板3为了在其厚度方向具有透过性，由互相连通并能够构成连通孔的多数微细孔多孔质材料加工形成，具有多孔质性及导电性，一般以碳系材料或者耐腐蚀性金属材料为基体材料。
正如图1所示，氧化剂流场板3由在与MEA1的阴极侧的反应面1c相背的背向面形成的第1背向流路31，以及在与MEA1的阴极侧的反应面1c直接相对的对向面形成的第1反应流路32所构成。第1背向流路31与作为氧化剂气体入口的第1流路入口33相连通，同时与第1冷却剂流路50相对向。第1反应流路32与作为氧化剂气体出口的第1流路出口34相连通。
正如图1所示，因为第1背向流路31的终点部31f与第1反应流路32的始点部32s相连通，所以，流过第1背向流路31的氧化剂气体经过终点部31f、始点部32s后，流向第1反应流路32。
正如图1所示，在本实施例中设置了为流过氧化剂流场板3的第1背向流路31的氧化剂气体进行增湿的第1增湿要素T1。第1增湿要素T1是由在氧化剂流场板3中与MEA1的反应面1c相对向的壁部分经过多孔质化后形成。所以，氧化剂流场板3形成有具备透过性的多数微细孔。通过这些微细孔，氧化剂流场板3在其厚度方向(箭头X1，X2方向)具有水分透过性及气体透过性。氧化剂流场板3的微细孔及气孔率可以适当选择，例如0.1μm～10μm，气孔率可以为5％～40％。不过，微细孔的直径及气孔率也可以不局限于上述指标。
燃料流场板4也称为燃料/燃料·流场板，燃料流场板4是以具有导电性的材料(碳系材料或者耐腐蚀性金属材料)为基体材料。燃料流场板4由在与MEA1的阳极侧的反应面1d相背的背向面形成的第2背向流路41，以及在与MEA1的反应面1c相对向的对面形成的第2反应流路42所构成。第2背向流路41与作为气态燃料入口的第2流路入口43相连通，同时，与第2冷却剂流路60相对向。第2反应流路42具有作为气态燃料出口的第2流路出口44。正如图1所示，第2背向流路41的终点部41f因为与第2反应流路42的始点部42s相连通，所以，流过第2背向流路41的燃料经过终点部41f、始点部42s流向第2反应流路42。
本实施例中设置了在燃料电池内对流过燃料流场板4的第2背向流路41的气态燃料进行增湿的第2增湿要素T2。第2增湿要素T2是由在燃料流场板4中与背对MEA1的反应面1c的壁部分经过多孔质化后形成。所以，在燃料流场板4形成有多数的微细孔。通过这些微细孔，燃料流场板4在其厚度方向(箭头X3，X4方向)具有水分透过性及气体透过性。燃料流场板4的微细孔及气孔率可以适当选择，例如，微细孔的直径可以为0.1μm～10μm，气孔率可以为5％～40％。不过，微细孔的直径及气孔率也可以不局限于上述指标。
另外，正如图1所示，在氧化剂流场板3中的与MEA1的氧化剂电极15相背向的一侧，设置了第1冷却剂流场板5。第1冷却剂流场板5具有输送用于冷却固体高分子型燃料电池的冷却剂(一般为液相的水)的第1冷却剂流路50。第1冷却剂流路50处于与氧化剂流场板3的第1背向流路31相背向的位置。第1冷却剂流场板5是以在厚度方向具有透过性并有很多微细孔的多孔质材料为基体材料，与多孔质的氧化剂流场板3共同构成第1增湿要素T1。
在燃料流场板4中与MEA1的燃料电极12相背向的一侧设置了第2冷却剂流场板6，第2冷却剂流场板6具有输送用于冷却固体高分子型燃料电池的冷却剂(一般为水)的第2冷却剂流路60。第2冷却剂流路60位于与燃料流场板4的第2背向流路41相背向的位置，第2冷却剂流场板6是以在其厚度方向具有透过性的很多微细孔的多孔质材料为基体材料，与多孔质的燃料流场板4共同构成第2增湿要素T2。
在启动固体高分子型燃料电池的时候，由设在燃料电池外部的氧化剂气体输送器90(风扇、泵、空压机等)进行驱动，氧化剂气体从氧化剂流场板3的第1流路入口33提供给氧化剂流场板3的第1背向流路31。该氧化剂气体沿着氧化剂流场板3的第1背向流路31流动，再沿着从第1背向流路31的终点部31f到达第1反应流路32的始点部32s，流经第1反应流路32后，从氧化剂流场板3的第1流路出口34排出。这样，氧化剂气体流入氧化剂流场板3的第1反应流路32后，氧化剂气体将从氧化剂流场板3的第1反应流路32朝着MEA1的氧化剂电极15的第1气体扩散层16、第1催化剂层17的流向，沿箭头E1的方向流动(参考图1)，进入参与到发电反应中。
另外，气态的燃料是通过燃料输送器92(风扇、泵、空压机等)从燃料流场板4的第2流路入口43提供给燃料流场板4的第2背向流路41。气态的燃料沿着燃料流场板4的第2背向流路41流动，从第2背向流路41的终点部41f到第2反应流路42的始点部42s，沿着燃料流场板4的第2反应流路42流动，从燃料流场板4的第2流路出口44排出。这样，燃料流入燃料流场板4的第2反应流路42后，燃料将从燃料流场板4的第2反应流路42朝着燃料电极12的第2气体扩散层13、第2催化剂层14的流向沿箭头E2的方向流动(参考图1)，进入参与到发电反应中。
根据发电反应，在燃料电极12的第2催化剂层14的催化作用下，燃料中所含的氢气将生成质子(氢气离子)和电子(e-)，所生成的质子沿厚度方向透过MEA1的电解质膜11到达氧化剂电极15。电子流入外部电路，在安装于外部电路上的负载用电元件处完成电流做功后，到达氧化剂电极15。在氧化剂电极15处，在氧化剂电极15的第1催化剂层17的催化作用下，氧化剂电极15的氧化剂气体(一般为空气)与质子及电子发生反应生成了水。因此根据上述发电反应，在MEA1的氧化剂电极15一处产生了水。
生成水积存在氧化剂流场板3的第1反应流路32中，而且因为生成水与氧化剂气体一起向下流流动，所以生成水积存在氧化剂流场板3的第1反应流路32的下流领域。
在本实施例中，因为氧化剂流场板3已经经过多孔质化，在氧化剂流场板3的第1反应流路32处积存的水通过氧化剂流场板3的微细孔，利用毛细管现象等的作用，沿厚度方向(箭头X1方向)渗透过氧化剂流场板3，并可以由氧化剂流场板3的第1反应流路32转移到第1背向流路31中。这样，就可以为流过氧化剂流场板3的内侧的第1背向流路31的氧化剂气体进行增湿。其结果是，当流过第1背向流路31的氧化剂气体到达氧化剂流场板3的第1反应流路32的始点部32s的时候，该氧化剂气体已经得到了适当的增湿。
这样，经过增湿处理的氧化剂气体从第1反应流路32的始点部32s流向氧化剂流场板3的第1反应流路32时被发电反应所消耗，电解质膜11的过度干燥得到了相应的控制，确保了燃料电池良好的发电性能。如上面所述，在本实施例中，通过对在发电反应过程中在电池内生成的生成水加以有效的利用，就可以有效地对供应给MEA1的阴极侧的反应面1c之前的氧化剂气体进行增湿，实现了“单元内自增湿构造”。
所以。在本实施例中，可以在将氧化剂气体提供给氧化剂流场板3的第1流路入口33之前，减少或者不用在燃料电池的外部对氧化剂气体进行增湿的增湿操作。因此，也就可以减少或者无需使用在燃料电池的外部对提供给氧化剂流场板3的第1流路入口33之前的氧化剂气体进行增湿的外部增湿装置。
需要注意的是，在发电反应过程中所生成的水由于受到氧化剂气流等的影响，易于集中于氧化剂流场板3的第1反应流路32的下流领域。所以，在氧化剂气体气流的下流领域存在发生溢流现象的可能性。溢流现象指的是水堵塞了气体流路后，限制了对MEA1进行气体供给的现象。因此，就如本实施例所示的那样，如果在氧化剂流场板3中，至少对第1反应流路32的下流领域采取多孔质化措施，在氧化剂气体气流的下流领域容易过度积存的水就可以通过氧化剂流场板3的微细孔，在毛细管现象等的作用下，沿厚度方向(箭头X1方向)渗透过氧化剂流场板3，转移到氧化剂流场板3的第1背向流路31中。所以，可以对容易积存生成水的氧化剂流场板3的下流领域进行除湿处理，来控制在氧化剂气体流下流领域发生的溢流现象。从这个意义上来讲，也可以减少氧化剂气体气流在下流领域出现的发电不稳定现象，就可以确保燃料电池良好的发电性能。
在本实施例中，正如图1所示，为了使第1冷却剂流场板5在厚度方向上也具有透过性，所以采用了多孔质结构，可以让流过第1冷却剂流场板5的第1冷却剂流路50的冷却剂(一般为水)通过毛细管现象等，沿第1冷却剂流场板5的厚度方向(箭头M1方向)渗透，对与第1冷却剂流路50所对向的氧化剂流场板3的第1背向流路31中的氧化剂气体进行增湿。
也就是说，在本实施例中，可以对氧化剂流场板3的第1背向流路31的氧化剂气体，通过利用流过第1冷却剂流场板5的第1冷却剂流路50的冷却剂，或者是在发电反应过程中生成并积存在氧化剂流场板3的第1反应流路32中的生成水来进行增湿，加强增湿能力。
不过，如果调整流过第1冷却剂流路50的冷却剂的压力，就可以调整从第1冷却剂流路50向氧化剂流场板3的第1背向流路31箭头M1所示方向流过的水量，从而达到利用冷却剂来调整对第1背向流路31的氧化剂气体进行增湿的增湿量。
然而，在流过氧化剂流场板3的第1反应流路32的氧化剂气体中，随着氧化剂流场板3的第1反应流路32向下流前进的同时，由于发电反应的消耗，作为活性物质的氧气的浓度将随之下降，成为发电不稳定的主要原因。关于这一问题，本实施例中，可以通过厚度方向具有气体透过性的氧化剂流场板3，使流过氧化剂流场板3的第1背向流路31的高氧气浓度且新鲜的氧化剂气体(反应前的氧化剂气体)沿氧化剂流场板3的厚度方向(箭头X2方向)，从氧化剂流场板3的第1背向流路31渗透补充进入第1反应流路32。因此，能够有效地从氧化剂流场板3的第1背向流路31积极地给第1反应流路32补充作为活性物质的氧气。
在这里，由于受到压力损失的影响，氧化剂流场板3的下流侧的第1反应流路32的压力P2在一般情况之下要低于氧化剂流场板3的上流侧的第1背向流路31的压力P1(P2＜P1)。因此，P2与P1的压力差，根据处于第1背向流路31与第1反应流路32之间的氧气浓度差形成的扩散等，将使流过第1背向流路31的新鲜的氧化剂气体(反应前的氧化剂气体)的氧气沿氧化剂流场板3的厚度方向(箭头X2方向)渗透，补充给第1反应流路32。
特别是，由于受到压力损失的影响，在一般情况下，氧化剂流场板3的第1反应流路32的最下流领域的压力P2a要低于氧化剂流场板3的第1背向流路31的最上流领域的压力P1a。因此，根据前面所讲述的压力差，氧气浓度差造成的扩散等，使流过第1背向流路31的最上流领域的新鲜的氧化剂气体的氧气沿氧化剂流场板3的厚度方向(箭头X2方向)渗透，补充到第1反应流路32的最下流领域(氧气浓度最低的领域)中。
换句话说，正如前面所介绍的那样，在氧化剂流场板3的第1反应流路32所处下流领域，由于发电反应造成活性物质氧气的浓度下降，从而有可能制约发电反应。为了克服这一问题，根据本实施例的氧化剂流场板3，第1反应流路32中的下流领域(氧气浓度低的领域)从氧化剂流场板3的剖面来看要尽量配置在与第1背向流路31的上流领域(氧气浓度高的领域)接近的位置。其结果是，可以通过多孔质且具有气体透过性的氧化剂流场板30，使流过第1背向流路31的上流领域的新鲜的氧化剂气体渗透过氧化剂流场板3的厚度方向(箭头X2方向)取得直接补充给氧化剂流场板3的第1反应流路32的下流领域的效果，有利于抑制发电不稳定现象。从这个意义上来讲，确保了燃料电池良好的发电性能。
燃料一侧也是如此。也就是说，在本实施例中，因为燃料流场板4是通过具有厚度方向透过性的多孔质化处理所形成的，燃料流场板4的第2反应流路42侧的水可以通过毛细管现象等的作用沿厚度方向(箭头X3方向)渗透过燃料流场板4，从第2反应流路42转移到第2背向流路41。这样就能够为流过燃料流场板4的第2背向流路41的气态燃料进行增湿，缓解电解质膜11的过度干燥。所以，就可以减少或者无需使用在气态燃料供应给第2流路入口43之前，在燃料电池的外部对燃料进行增湿处理的增湿操作。因此，就可以减少或者无需使用在气态燃料供应给第2流路入口43之前，在燃料电池的外部对燃料进行增湿处理的外部增湿装置。
另外在本实施例中，第2冷却剂流场板6也是通过具有厚度方向透过性的多孔质化处理形成，流过第2冷却剂流场板6的第2冷却剂流路60的冷却剂(一般为水)通过毛细管现象等的作用，可以向第2冷却剂流场板6的厚度方向(箭头M2方向)渗透，对燃料流场板4的第2背向流路41中的气态燃料进行增湿。也就是说，在本实施例中，燃料流场板4的第2背向流路41的燃料既可以利用流过第2冷却剂流场板6的第2冷却剂流路60的水，或者利用燃料流场板4的第2反应流路42所生成的水达到进行增湿的目的。在这里，只要调整流过第2冷却剂流路60的冷却剂的压力，就可以调整流过燃料流场板4的第2背向流路41的气态燃料的增湿量。
另外，流过燃料流场板4的第2反应流路42的气态燃料，将随着燃料流场板4的第2反应流路42向下流的前进，由于发电反应的消耗，使得活性物质氢气的浓度逐渐下降。由于受压力损失的影响，在一般情况下，燃料流场板4的下流侧的第2反应流路42的压力P4要低于燃料流场板4的上流侧第2背向流路41的压力P3(P4＜P3)。因此，由于第2背向流路41与第2背向流路41之间的压力差，氢气浓度差造成的扩散等影响，通过利用厚度方向具有气体透过性的燃料流场板4，将使得流过第2背向流路41的新鲜气态燃料的氢气沿燃料流场板4的厚度方向(箭头X4方向)由第2背向流路41直接渗透补充给第2反应流路42。由此，可有效地向燃料流场板4的第2反应流路42中补充作为活性物质的氢气。
在这里，燃料流场板4的第2反应流路42的下流领域由于发电反应的消耗，作为活性物质的氢气大幅减少，有可能使燃料的下流领域处的发电反应受到限制。为了克服这一问题，根据本实施例，燃料流场板4的第2反应流路42的下流领域(氢气浓度低的领域)的安置要尽量与燃料流场板4的第2背向流路41的上流领域(氢气浓度高的领域)接近。这种情况下，通过利用多孔质且具有气体透过性的燃料流场板4，就可以使得流过燃料流场板4的第2背向流路41的上流领域的新鲜的燃料沿燃料流场板4的厚度方向(箭头X4方向)渗透。由此，就可以取得从燃料流场板4的第2背向流路41的上流领域(氢气浓度高的领域)直接向燃料流场板4的第2反应流路42的下流领域(氢气浓度低的领域)补充活性物质的氢气的效果。
另外，正如图1所示，在本实施例中采用了第1冷却剂流路50的冷却剂的基本流动方向与氧化剂流场板3的第1反应流路32的氧化剂气体的基本流动方向相同或者几乎同样的配置构造。其结果是，第1冷却剂流路50的冷却剂流的下流领域与氧化剂流场板3的第1反应流路32的下流领域形成对应位置。这样，第1冷却剂流路50的冷却剂流的下流温度由于受热的影响，其温度要高于冷却剂流的上流的温度。因此，采用前面所讲述的配置构造，氧化剂流场板3的第1反应流路32的下流领域的温度存在比第1反应流路32的上流领域的温度高的趋势。因此，第1反应流路32的下流领域的蒸气量可以保持在较大的值。从而有利于控制第1反应流路32的下流领域的溢流现象。
不过，也可以不局限于前面所讲述的配置构造，第1冷却剂流路50的冷却剂的基本流动方向也可以采用与氧化剂流场板3的第1反应流路32的氧化剂气体的基本流动方向相反或者接近相反的配置构造。
在本实施例中，提供给燃料电池的氧化剂气体的温度处于过低的情况下，氧化剂气体流经氧化剂流场板3的第1背向流路31时，可以在燃料电池内部对流过第1背向流路31的氧化剂气体进行预热。另外，当提供给燃料电池的氧化剂气体温度处于过高的情况下，氧化剂气体流过氧化剂流场板3的第1背向流路31时，可以对流过第1背向流路31的氧化剂气体进行预冷。这样，有利于供应给氧化剂流场板3的第1反应流路32的氧化剂气体处于适当的温度。
同样，当提供给燃料电池的燃料气体的温度处于过低的情况下，燃料气体流过燃料流场板4的第2背向流路41时，可以在燃料电池的内部对流过第2背向流路41的燃料气体进行预热。另外，当提供给燃料电池的燃料气体的温度处于过高的情况下，燃料气体流过燃料流场板4的第2背向流路41时，可以对流过第2背向流路41的燃料气体进行预冷。这样，有利于提供给燃料流场板4的第2反应流路42的燃料气体处于适当的温度。
在前面所讲述的本实施例中，燃料流场板4、第1冷却剂流场板5、第2冷却剂流场板6均为多孔质化材料所形成，也可以使用致密体来制备。而氧化剂流场板3则是使用多孔质化材料来制备。
(实施例2)图2显示的是本发明的实施例2。实施例2具有与实施例1基本相同的构造，基本上可以取得同样的作用效果。在本实施例中，氧化剂流场板3B也是由在与MEA1的阴极侧的反应面1c相背向的背向面形成的第1背向流路31和在与MEA1的反应面1c相对向的对向面形成的第1反应流路32所组成的。构成第1增湿要素T1的氧化剂流场板3B因为经过多孔质化材料处理而具有厚度方向透过性，所以，与实施例1同样，发电反应过程所生成并积存于氧化剂流场板3B的第1反应流路32处的水可以通过氧化剂流场板3B的微细孔的毛细管现象等的作用，沿氧化剂流场板3B厚度方向(箭头X1方向)渗透，转移到氧化剂流场板3B的第1背向流路31。从而，可以使流过氧化剂流场板3B的第1背向流路31的氧化剂气体得到增湿。其结果是，流过第1背向流路31的氧化剂气体在到达氧化剂流场板3的第1反应流路32的始点部32s的时候，该氧化剂气体已经得到适当的增湿。这样，在本实施例中，可以通过发电反应所生成的生成水对氧化剂气体进行增湿，来实现“单元内自增湿构造”。
另外，同样在本实施例中，如图2所示，构成增湿要素T2的燃料流场板4B也是由具有厚度方向透过性的多孔质化材料加工形成，从而能够利用燃料流场板4B的微细孔毛细管现象，将燃料流场板4B的第2反应流路42侧的水沿燃料流场板4B的厚度方向(箭头X3方向)渗透到燃料流场板4B的第2背向流路41中。因此，可以对流过燃料流场板4B的第2背向流路41的气态燃料进行增湿。
根据本实施例，正如图2所示，第1冷却剂流场板5B及第2冷却剂流场板6B不是由多孔质材料，而是由致密体所形成。所以，流过第1冷却剂流场板5B的第1冷却剂流路50的冷却剂(一般为水)，通过利用流过第2冷却剂流场板6B的第2冷却剂流路60的冷却剂(一般为水)对固体高分子型燃料电池的进行冷却。另外，在前面所讲述的本实施例中，燃料流场板4为由多孔质化材料形成，同时也可以由致密体形成。而，氧化剂流场板3则由多孔质化材料形成。
(实施例3)图3显示的是本发明的实施例3。实施例3具有与实施例1基本同样的构造，基本上可以取得同样的作用效果。同样在本实施例中，构成第1增湿要素的氧化剂流场板3C具有多孔质性，由在背对MEA1的阴极侧的反应面1c的背面形成的第1背向流路31和在面对MEA1的反应面1c的对面形成的第1反应流路32所组成。如图3所示，燃料流场板4C由致密体形成，并由在背对MEA1的阳极侧的反应面1d的背面形成的第2背向流路41和在面对MEA1的反应面1d对面形成的第2反应流路42所组成。在本实施例中，同样也是通过利用发电反应所生成的生成水对氧化剂气体进行增湿，来实现“单元内自增湿构造”。另外，燃料流场板4C、第1冷却剂流场板5C和第2冷却剂流场板6C是由致密体形成的，也可以采用多孔质化材料来制备。
(实施例4)图4显示的是本发明的实施例4。实施例4具有与实施例1基本相同的构造，基本上可以取得同样的作用效果。同样在本实施例中，构成第1增湿要素T1的氧化剂流场板3D由在背对MEA1的反应面1c背面形成的第1背向流路31和在面对MEA1的反应面1c对面形成的第1反应流路32所组成。氧化剂流场板3D是由具有厚度方向透过性的多孔质化材料形成。因此，与实施例1同样，在氧化剂流场板3D的第1反应流路32处生成的水可以通过毛细管现象等的作用，沿氧化剂流场板3D的厚度方向(箭头X1方向)渗透转移到氧化剂流场板3D的第1背向流路31中。从而，可以对流过氧化剂流场板3的第1背向流路31的反应前的氧化剂气体进行增湿，缓解电解质膜11的过度干燥。这样，在本实施例中，可以通过利用发电反应所生成的生成水对反应前的氧化剂气体进行增湿处理来实现“单元内自增湿构造”。因此，可以减少或者无需使用在氧化剂气体供应给固体高分子型燃料电池的第1流路入口33之前对氧化剂气体进行的增湿操作。
另外，在本实施例中，构成第2增湿要素T2的燃料流场板4D是由具有厚度方向透过性的多孔质化材料加工形成，从而能够使可以使燃料流场板4D的第2反应流路42侧的水沿燃料流场板4厚度方向(箭头X3方向)渗透转移到向燃料流场板4D的第2背向流路41中。从而，可以对流过燃料流场板4D的第2背向流路41的反应前的气态燃料进行增湿。如图4所示，本实施例没有安装第1冷却剂流场板及第2冷却剂流场板。另外，燃料流场板4D是由多孔质化材料形成的，同时也可以采用致密体材料来制备。
(实施例5)图5显示的是本发明的实施例5。实施例5具有与实施例1基本相同的构造，基本上可以取得同样的作用效果。如图5所示，氧化剂流场板3E由在与MEA1的反应面1c相背向的背向面形成的第1背向流路31和在与MEA1的反应面1c相背的背向面形成的第1反应流路32所组成。氧化剂流场板3E不是由多孔质材料，而是由致密体材料形成。
第1冷却剂流场板5E中，第1增湿要素由具有厚度方向透过性的多孔质材料形成，流过第1冷却剂流场板5E的第1冷却剂流路50的冷却剂(一般为水)沿第1冷却剂流场板5E的厚度方向(箭头M1方向)渗透，从而可以对氧化剂流场板3E的第1背向流路31的氧化剂气体进行增湿。这样，流过氧化剂流场板3E的第1背向流路31的氧化剂气体就可以在电池内得到增湿。所以，在向第1流路入口33提供氧化剂气体之前，就可以减少或者无需使用在燃料电池的外部对氧化剂气体进行增湿的增湿操作及外部增湿装置。在这里，只要调整流过第1冷却剂流路50的冷却剂的压力，就可以调整第1冷却剂流路50的冷却剂向第1冷却剂流场板5E的厚度方向(箭头M1方向)渗透的程度，从而，调整对氧化剂气体的增湿量。
燃料流场板4E由背对MEA1的阳极侧的反应面1d的背面形成的第2背向流路41和面对MEA1的反应面1d的对面形成的第2反应流路42所组成。燃料流场板4E不是由多孔质材料，而是由致密体材料形成。
第2冷却剂流场板6E中，第2增湿要素由具有厚度方向透过性的多孔质材料形成，流过第2冷却剂流场板6E的第2冷却剂流路60的冷却剂(一般为水)沿第2冷却剂流场板6E的厚度方向(箭头M2方向)渗透，从而可以对燃料流场板4E的第2背向流路41的气态的燃料进行增湿。这样，流过燃料流场板4E的第2背向流路41的气态燃料就可以获得增湿。
(实施例6)实施例6的说明可引用图1。实施例6具有与实施例1基本相同的构造，基本上可以取得同样的作用效果。在本实施例中，构成第1增湿要素的氧化剂流场板3F是由具有亲水性的多孔质材料为基体材料形成的。因此，积存在氧化剂流场板3F的第1反应流路32的液态水可以通过毛细管现象等的作用，沿氧化剂流场板3F厚度方向(箭头X1方向)积极渗透转移到氧化剂流场板3F的第1背向流路31中。因此，流过氧化剂流场板3F的第1背向流路31的氧化剂气体就可以通过该液态水取得良好的增湿效果。另外，上述亲水性可以通过氧化剂流场板3F的材质本身或者对氧化剂流场板3F进行亲水性处理来获得。
另外，构成第2增湿要素的燃料流场板4F是由具有亲水性的多孔质材料为基体材料形成的。因此，在燃料流场板4F的第2反应流路42处生成的水分可以作为液态的水通过微细孔的毛细管现象等作用，沿燃料流场板4F厚度方向(箭头X3方向)渗透转移到燃料流场板4F的第2背向流路41中。因此，可以通过利用液态水对流过燃料流场板4F的第2背向流路41的气态燃料进行增湿。另外，上述亲水性可以通过燃料流场板4E的材质本身或者对其进行亲水性处理来获得。
正如前面所讲述的那样，氧化剂流场板3F具有亲水性的时候，氧化剂流场板3F的微细孔的直径可以采取基本均一的方式。另外，当燃料流场板4F具有亲水性的时候，燃料流场板4F的微细孔的直径也可以采取基本均一的方式。
另外，在具有亲水性的氧化剂流场板3F之中，在面对MEA1的对面，也就是第1反应流路32，从第1反应流路32的上流到第1反应流路32的下流，微细孔的直径可以依次变小。这种情况下，微细孔的直径可以在0.1～10μm的范围内进行调整。微细孔的直径小时，可以增大毛细管压，利用毛细管压有利于水向氧化剂流场板3F的厚度方向透过。
另外，在具有亲水性的氧化剂流场板3F之中，在面对MEA1的对面，也就是第1反应流路32，气孔率可以沿着向下流的方向依次增大。这样，在第1反应流路32的下流领域，有利于提高箭头X1方向的水通过性、箭头X2方向的气体透过性。这种情况下，气孔率可以在5～40％的范围内调整。此外，燃料流场板4F的微细孔的直径和气孔率也可以采用与氧化剂流场板3F同样的方式。
(实施例7)图6及图7所示的实施例7具有与实施例1基本相同的构造，基本上可以取得同样的作用效果。在本实施例中，构成第1增湿要素的氧化剂流场板3G由具有亲水性的多孔质材料形成，具有厚度方向透过性。在与MEA1相对的对向面，也就是在第1反应流路32中，氧化剂流场板3G的微细孔的直径设定为第1反应流路32的下流的微细孔的直径相对较小的同时，而第1反应流路32的上流的微细孔的直径则依次相对较大。这种情况下，如图7的特性线S11所示，可以从第1反应流路32的上流向第1反应流路32的下流方向连续地减小微细孔的直径。另外，如图7的特性线S12、S13所示，从第1反应流路32的上流到第1反应流路32的下流，可以依次断续地减小微细孔的直径。这种情况下，气孔率可以在5～40％的范围内调整。
这种情况下，微细孔的直径越小的一侧就可以获得越大的毛细管压，有利于水渗透到氧化剂流场板3G的厚度方向的内部。因此，氧化剂流场板3中利用微细孔调整毛细管压，微细孔的直径设定为相对较小的第1反应流路32的下流领域与微细孔的直径设定为相对较大的第1反应流路32的上流领域相比，仍相对较大。
另外，关于具有亲水性的氧化剂流场板3G，在面对MEA1的对面，也就是在第1反应流路32，如图7的特性线S14所示，可以沿第1反应流路32的下流方向逐渐增大气孔率。这样，有利于提高第1反应流路32的下流领域的箭头X1方向的水通过性、箭头X2方向的气体透过性。这种情况下，气孔率可以在5～40％的范围内进行调整。
上述实施例，有利于使氧化剂流场板3G的第1反应流路32的下流领域所积存的生成水沿氧化剂流场板3G的厚度方向(箭头X1方向)渗透后向第1背向流路31转移。因此，可以确保在氧化剂流场板3G下流领域的除湿功能，有利于抑制在氧化剂流场板3G下流领域溢流现象的发生。
另外，构成第2增湿要素的燃料流场板4G具有亲水性。这种情况下，在面对MEA1的对面，第2反应流路42的下流的微细孔的直径设定为相对较小的同时，第2反应流路42的上流的微细孔直径设定为相对较大。这种情况下，正如图7的特性线S11所示，从第2反应流路42的上流到第2反应流路42的下流，可以依次连续地减小微细孔的直径。而且，如图7的特性线S12、S13所示，从第2反应流路42的上流到第2反应流路42的下流，可以阶段性地缩小微细孔的直径。因此，燃料流场板4G的微细孔产生的毛细管压，在微细孔的直径设定为相对较小的第2反应流路42的下流领域处相对地逐渐增大。其结果是有利于使积存在第2反应流路42的下流领域的水沿燃料流场板4G的厚度方向(箭头X3方向)渗透到第2背向流路41内。
关于燃料流场板4G的气孔率，在面对MEA1的对面，也就是在第2反应流路42，如图7的特性线S14所示，可以依次从第2反应流路42的上流向第2反应流路42的下流逐渐加大气孔率。这种情况下，气孔率可以在0.1～10μm的范围内进行调整。
(实施例8)实施例8引用图1。实施例8具有与实施例1基本相同的构造，基本上可以取得同样的作用效果。正如图1中所示，构成第1增湿要素的氧化剂流场板3H是以疏水性(拨水性)多孔质材料为基体材料形成的，所以具有厚度方向透过性。因此，可以使积存在氧化剂流场板3H的第1反应流路32的水分(水蒸气)、经氧化剂流场板3H向厚度方向(箭头X1方向)扩散，转移到氧化剂流场板3H的第1背向流路31。因此，有利于通过水蒸气对流过氧化剂流场板3H的第1背向流路31的氧化剂气体进行增湿。不过，疏水性可以由氧化剂流场板3H的本身的材质或者通过实施疏水性处理而形成。
另外，构成第2增湿要素的燃料流场板4H是以疏水性(拨水性)多孔质材料为基体材料形成的。因此，可以使在燃料流场板4H的第2反应流路42处生成的水分(水蒸气)经过微细孔沿燃料流场板4H的厚度方向(箭头X3方向)扩散，转移到燃料流场板4H的第2背向流路41。因此，有利于使流过燃料流场板4H的第2背向流路41的气态燃料通过该水蒸气进行增湿。不过，疏水性可以由燃料流场板4H的本身的材质或者通过实施疏水性处理而形成。正如前面所讲述的那样，当氧化剂流场板3H具有疏水性的时候，氧化剂流场板3H的微细孔可以采用基本均一的直径。另外，当燃料流场板4H具有疏水性的时候，燃料流场板4H的微细孔可以采用基本均一的直径。
在前面的说明中，对具有疏水性的氧化剂流场板3H、及燃料流场板4H的微细孔可以采用基本均一直径的方式进行了说明。但是，不仅如此，对于具有疏水性的氧化剂流场板3H、及具有疏水性的燃料流场板4H，在面对MEA1的对面，也就是在朝向第1反应流路32的下流，可以依次相对增大微细孔的直径，另外，在朝向第1反应流路32的下流也可以依次相对增大气孔率。这种情况下，气孔率可以在5～40％的范围内调整，气孔率可以在0.1～10μm的范围内进行调整。
(实施例9)图8、图9显示的是本发明的实施例9。实施例9具有与实施例1基本相同的构造，基本上可以取得同样的作用效果。构成第1增湿要素的氧化剂流场板3K，是以疏水性多孔质材料为基体材料形成的。而且，在面对MEA1的对面，关于氧化剂流场板3K的微细孔直径，第1反应流路32的下流微细孔的直径设定为相对较大的同时，第1反应流路32的上流的微细孔直径设定为相对较小。这种情况下，如图9的特性线S21所示，可以从第1反应流路32的上流向第1反应流路32的下流，依次连续增大微细孔的直径。另外，如图9的特性线S22、S23所示，可以从第1反应流路32的上流向第1反应流路32的下流，依次阶段性增大微细孔的直径。另外，微细孔的直径可以在0.1～10μm的范围内进行调整。
另外，关于具有疏水性的氧化剂流场板3K，在面对MEA1的对面，如图9的特性线S24所示，随着朝向第1反应流路32的下流，可以增加气孔率。这样，有利于提高第1反应流路32的下流领域箭头X1方向的水通过性、箭头X2方向的气体透过性。另外，气孔率可以在5～40％的范围内进行调整。
这种情况下，根据下面所示的Kelvin公式，在疏水性的情况下，当微细孔的直径大时，就可以降低水蒸气压，使其水蒸气凝缩，易于液相水的生成。所以，有利于使液相水沿氧化剂流场板3K的厚度方向(箭头X1方向)渗透到第1背向流路31。其结果是，有利于使积存在氧化剂流场板3K的第1反应流路32的下流领域液态生成水沿氧化剂流场板3K的厚度方向(箭头X1方向)渗透，转移到第1背向流路31转移。因此，有利于控制氧化剂流场板3K的下流领域溢流现象的发生。另外，第1冷却剂流场板5、第2冷却剂流场板6的强制冷却功能也有利于上述凝缩。
另外，公式1中的Kelvin的公式，基本上显示了微细孔的水蒸气压力。在这里，P代表微细孔内的液体平衡蒸气压，Po代表在该温度条件下液体的饱和蒸气压，σ是该液体的表面张力，M是该液体的分子摩尔质量，θ是该液体的接触角，ρ是该液体的密度，R是气体常数，T为绝对温度。一般情况下，亲水性要在θ为0～90度以内，疏水性要在θ为90度～180度以内。
公式1…P＝Po·exp[-{(2σMcosθ)/(rρRT)}]根据Kelvin的公式，微细孔的内壁面为疏水性的情况下，θ为90度～180度以内，cosθ成为负值(cosθ＜0)，P则大于Po(P＞Po)。根据Kelvin的公式，微细孔的内壁面为疏水性的情况下，微细孔的直径r越大，则微细孔的水蒸气压P就随之越小。另一方面，微细孔的直径r越小，则微细孔的水蒸气压P就随之越大。
另外，如图8所示，构成第2增湿要素的燃料流场板4K是由疏水性的多孔质材料所形成。这种情况下，在面对MEA1的对面，对于燃料流场板4K的微细孔的直径，第2反应流路42下流的微细孔直径设定为相对较大的同时，第2反应流路42上流的微细孔直径设定为相对较小。这种情况下，如图9的特性线S21所示，可以从第2反应流路42的上流到第2反应流路42的下流，连续地依次增大微细孔的直径。另外，如图9的特性线S22、S23所示，可以从采用从第2反应流路42的上流向第2反应流路42的下流，阶段性加大微细孔的直径。其结果是，有利于使积存在燃料的第2反应流路42下流领域的液相水沿燃料流场板4K的厚度方向(箭头X3方向)渗透，转移到第2背向流路41，从而有利于控制燃料流场板4K下流领域溢流现象的发生。另外，前面所介绍的实施例2～实施例4所涉及的氧化剂流场板3、燃料流场板4也可以采用具有疏水性的方式。
(实施例10)图10及图11显示的是本发明的实施例10。与实施例10或图8所示的实施例具有基本同样的构造，基本上可以取得同样的作用效果。构成第1增湿要素的氧化剂流场板3R是以疏水性(拨水性)多孔质材料为基体材料所形成的，构成第2增湿要素的燃料流场板4R是以疏水性(拨水性)多孔质材料为基体材料所形成的，而且，相对于图8所示的实施例而言，其微细孔直径的大小关系呈相反的关系。也就是说，如图11的特性线S11’、S12’、S13’所示，在面对MEA1的对面，关于氧化剂流场板3R的微细孔的直径，第1反应流路32的下流的微细孔直径设定为相对较小的同时，第1反应流路32的上流的微细孔直径设定为相对较大。
根据前面所讲述的Kelvin的公式，微细孔越小，则可以相应加大微细孔内的水蒸气压。因此，可以利用在氧化剂流场板3R的第1反应流路32处所生成的水分经蒸气化处理后的扩散作用，对氧化剂流场板3R的第1背向流路31的氧化剂气体进行增湿。燃料流场板4R也与此相同。
(实施例11)图12显示的是本发明的实施例11。实施例11具有与实施例1基本相同的构造，基本上可以取得同样的作用效果。但是，在氧化剂流场板3P上，第1反应流路32的下流采用的是多孔质材料，而第1反应流路32的上流采用的是非多孔质的致密体。采用致密体时可以有利于提高该部分的强度、导电性、集电性。燃料流场板4P也可以采用同样的构造。
(制造例)前面所讲述的多孔质氧化剂流场板3、燃料流场板4可以按如下制作方法形成。也就是说，可以使用碳系材料(天然石墨，人造石墨等)与粘接剂(热硬化性树脂，例如，酚树脂)及可以消除的造孔材(纤维素系有机质材料)混合而成的混合材料。该混合材料可以用成形模型的型腔模的型面进行冲压成形加工为成形体，将该成形体在烧成温度例如，(500～600℃)进行烧成，消除成形体的造孔材，从而形成拥有很多微细孔的氧化剂流场板3、燃料流场板4。为了使微细孔的直径从上流领域到下流领域发生变化，可以通过改变从上流领域到下流领域的造孔材的尺寸来获得。造孔材的尺寸大时，微细孔的直径就相应变大。造孔材的尺寸小时，微细孔的直径就相应变小。微细孔的直径可以为1～100μm、2～30μm、2～15μm，特别是3～4μm。气孔率可以是体积比为10～90％、15～60％，特别是20～40％。
赋予氧化剂流场板3疏水性的疏水性物质可以是含有氟原子、CF2基、CF3基、CH3基、CH2基等的材料，也可以为氟、氟树脂(PTFF、FEP、PFA、PVDF等)、氟化石墨、疏水性碳、硅烷化合物、链烷烃等。用于疏水处理的改性气体可以是以氟气或者氟气及惰性气体(氮等)为主要成分的气体。亲水处理可以使用将亲水性物质溶解或分散到液状媒体(水、乙醇等)中的溶液，通过该溶液与氧化剂流场板3的接触获得。亲水性物质可以使用过氧化氢水溶液、二氧化硅粉、氧化铝粉等，其表面含有大量的羟基及羧基等的亲水性官能基，此外，也可以使用吸水性树脂、如淀粉·丙烯酸共聚物、聚丙烯酸钠、聚乙烯醇等。另外，离子交换树脂、吸水性多糖类也可以作为亲水性物质使用。无论是哪一种，在其化学结构中至少要含有羟基、羧基、醛基、氨基、磺基等亲水性官能基的1种。
(氧化剂流场板3的形态例)从增湿的角度出发，前面所讲述的实施例1所涉及的氧化剂流场板3，随着反应前的氧化剂气体向第1背向流路31流动，能够实现在第1背向流路31的流路的整个领域或者接近整个领域进行增湿。所以，将第1背向流路31几乎未得到增湿的上流领域U1(UP)湿度与进行增湿的第1背向流路31的下流领域D1(DOWN)的湿度进行比较，就可以发现其具有第1背向流路31下流领域D1的湿度高于第1背向流路31上流领域U1湿度的特点。
另外，对于氧化剂流场板3的第1反应流路32，氧化剂气体经过第1背向流路31到达第1反应流路32上流领域U2时，氧化剂气体已经完成了增湿过程最为理想。因此，考虑到前面所讲述的情况，就可以发现第1背向流路31下流领域D1和第1反应流路32上流领域U2是处于氧化剂流场板3的表和里的关系，应尽量使其接近。这样，就可以提高第1反应流路32上流领域U2的湿度，确保第1反应流路32的始端的良好发电反应。
因此，可以采用图13～图15所示的各方式。如图13～图15所示，箭头表示氧化剂气体的基本流动方向，氧化剂流场板3具有边3a，3b，3c，3d。氧化剂流场板3上第1背向流路31及第1反应流路32处于表里的关系。100是引导流过第1背向流路31及第1反应流路32的氧化剂气体的引导突起。102是把新鲜的空气导入氧化剂流场板3的第1背向流路31的歧管。106是导出流经氧化剂流场板3的第1反应流路32，发电中所消耗的空气off气体的空气导出歧管。108是把新鲜的气态的燃料导入第2背向流路41的燃料导入歧管。112是把流经第2反应流路42发电中所消耗的燃料off气体导出的燃料导出歧管。500是向第1冷却剂流路50、第2冷却剂流路60提供冷却剂的冷却剂导入歧管，501是把第1冷却剂流路50、第2冷却剂流路60吐出的冷却剂导出的冷却剂导出歧管。
根据图13～图15所示的各方式，通过设定，第1背向流路31经过增湿的下流领域D1与第1反应流路32的上流领域U2处于氧化剂流场板3的表和里的关系。或者，使其接近这种关系。其结果是，在反应前的氧化剂气体的增湿方面，氧化剂气体经过第1背向流路31到达第1反应流路32上流领域U2时，氧化剂气体已经完成增湿过程。
(其他)其他，本发明不仅限于前面所讲述的实施例，可以在不遗漏要点的范围内进行适当变更实施。可以从前面记载的内容把握下列技术思想。
(附注1)一种设置在燃料电池的膜·电极接合体的燃料电极的对面，为上述燃料电极提供燃料的燃料电池用燃料流场板，其特征是由在与膜·电极接合体相背的背面形成的背向流路；及在与膜·电极接合体相对的对面形成，并与背向流路连通，且可让背向流路中的燃料流通的反应流路所构成。
(附注2)根据附注1所述燃料流场板，其特征是在燃料流场板中，至少反应流路的下流领域形成有多孔质化结构。
(附注3)一种氧化剂流场板，其特征是氧化剂流场板的第1背向流路的下流领域，与氧化剂流场板的第1反应流路的上流领域构成氧化剂流场板的表里关系。
(附注4)一种燃料流场板，其特征是燃料流场板的第2背向流路的下流领域，与燃料流场板的第2反应流路的上流领域构成燃料流场板的表里关系。
(附注5)一种设置在膜·电极接合体的氧化剂电极的对面，为氧化剂电极提供氧化剂气体的氧化剂流场板，其特征是由在与膜·电极接合体相背的背面形成的可让氧化剂气体流动的背向流路；及在与膜·电极接合体相对的对面形成，并与上述背向流路连通，且可让上述背向流路中的氧化剂气体流通的反应流路所构成，对面处形成的平均微细孔径，采用氧化剂气体气流的上流处与下流处不等同设定。
(附注6)一种燃料电池，包括由具有离子传导性的电解质膜，及在电解质膜的厚度方向的一侧设有的氧化剂电极，及在电解质膜的厚度方向的另一侧设有的燃料电极所组成的膜·电极接合体；以及设置在氧化剂电极的对面，并向氧化剂电极提供氧化剂气体的氧化剂流场板；以及设置在燃料电极的对面，并向燃料电极提供燃料的燃料流场板，其特征是氧化剂流场板及燃料流场板之中的至少一方包括具有在与膜·电极接合体相背的背面形成的背向流路；以及在与膜·电极接合体相对的对面形成、并与背向流路相连通，且可让背向流路中流有的氧化剂气体或者燃料流通的反应流路；以及使背对流路的至少一部分与反应流路的至少一部相连通的多孔质部分，并且，通过多孔质部分的微细孔，上述背向流路中流有的氧化剂气体所含有的活性物质，或燃料所含有的活性物质可被补充进入反应流路。这种情况下，通过多孔质部分的微细孔，使流过背向流路的新鲜的氧化剂气体所含有的活性物质或者新鲜的燃料所含有的活性物质沿氧化剂流场板的厚度方向透过，并补充进入反应流路。
(附注7)根据附注6所述燃料电池，其特征是反应流路的至少下流领域处形成有多孔质部分。
(附注8)一种设置在燃料电池的膜·电极接合体的氧化剂电极的对面，为上述氧化剂电极提供氧化剂气体的氧化剂流场板，其特征是由在与膜·电极接合体相背的背面形成的可让氧化剂气体流动的背向流路；及在与膜·电极接合体相对的对面形成，并与背向流路连通，且可让背向流路中的氧化剂气体流通的反应流路；以及背向流路的至少一部分及反应流路的至少一部分相连通的多孔质部分所构成，并且，
通过多孔质部分的微细孔，可以使流过上述背向流路的氧化剂气体所含有的活性物质能够补充进入反应流路。
(附注9)一种设置在燃料电池的膜·电极接合体的氧化剂电极的对面，为上述氧化剂电极提供氧化剂气体的燃料流场板，其特征是由在与膜·电极接合体相背的背面形成的可让氧化剂气体流动的背向流路；及在与膜·电极接合体相对的对面形成，并与背向流路连通，且可让背向流路中的氧化剂气体流通的反应流路；以及背向流路的至少一部分及反应流路的至少一部分相连通的多孔质部分所构成，并且，通过多孔质部分的微细孔，可以使流过背向流路的氧化剂气体所含有的活性物质能够补充进入反应流路。
产业利用前景本发明的燃料电池可使用在车辆、固定、携带、电气机械设备和电子设备等方面。
权利要求
1.一种燃料电池，包括由具有离子传导性的电解质膜，及在该电解质膜的厚度方向的一侧设有的氧化剂电极，及在该电解质膜的厚度方向的另一侧设有的燃料电极所组成的膜·电极接合体；以及设置在上述氧化剂电极的对面，并向该氧化剂电极提供氧化剂气体的氧化剂流场板；以及设置在上述燃料电极的对面，并向该燃料电极提供燃料的燃料流场板，其特征是上述氧化剂流场板以及上述燃料流场板之中的至少一方包括具有在与上述膜·电极接合体相背的背面形成的背向流路；以及具有在与上述膜·电极接合体相对的对面形成，并与上述背向流路相连通，且可让该背向流路中流有的氧化剂气体或燃料流通的反应流路。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征是在上述氧化剂流场板以及上述燃料流场板之中的至少一方，在燃料电池内部设置有，对上述流过背向流路的氧化剂气体或者燃料在燃料电池内进行增湿的增湿要素。
3.根据权利要求3所述的燃料电池，其特征是在上述增湿要素的构成中，上述氧化剂流场板及/或者燃料流场板之中的至少一部分具备在其厚度方向上形成的具有透过性的多孔质化结构。
4.一种燃料电池，包括由具有离子传导性的电解质膜，及在电解质膜的厚度方向的一侧设有的氧化剂电极，及在电解质膜的厚度方向的另一侧设有的燃料电极所组成的膜·电极接合体；以及设置在氧化剂电极的对面，并向氧化剂电极提供氧化剂气体的氧化剂流场板；以及设置在燃料电极的对面，并向燃料电极提供燃料的燃料流场板，其特征是氧化剂流场板及燃料流场板之中的至少一方包括具有在与膜·电极接合体相背的背面形成的背向流路；以及在与膜·电极接合体相对的对面形成、并与背向流路相连通，且可让背向流路中流有的氧化剂气体或者燃料流通的反应流路；以及使背对流路的至少一部分与反应流路的至少一部相连通的多孔质部分，并且，通过多孔质部分的微细孔，上述背向流路中流有的氧化剂气体所含有的活性物质，或燃料所含有的活性物质可被补充进入反应流路。
5.根据权利要求4所述的燃料电池，其特征是上述中所言及的一部分是指上述氧化剂流场板以及/或燃料流场板的反应流路的下流领域。
6.根据权利要求1～5项中的任意一项所述的燃料电池，其特征是在上述氧化剂流场板以及/或燃料流场板上，背对于上述膜·电极接合体的一侧，设有可使冷却剂流动的冷却剂流场板，在上述增湿要素的构成中，使上述冷却剂流场板在其厚度方向上形成具有透过性的多孔质化结构，使冷却剂流场板中流有的冷却剂可向上述氧化剂流场板以及/或燃料流场板的上述背向流路内进行补充。
7.根据权利要求1～6项中的任意一项所述的燃料电池，其特征是上述氧化剂流场板的上述背向流路的下流领域，与上述氧化剂流场板的上述反应流路的上流领域构成上述氧化剂流场板的表里关系。
8.根据权利要求1～7项中的任意一项所述的燃料电池，其特征是上述氧化剂流场板以及/或燃料流场板具有亲水性。
9.根据权利要求1～7项中的任意一项所述的燃料电池，其特征是上述氧化剂流场板以及/或燃料流场板具有疏水性。
10.根据权利要求1～9项中的任意一项所述的燃料电池，其特征是上述反应流路的下流领域的氧化剂流场板的气孔率相对大于上述反应流路的上流领域的气孔率。
11.根据权利要求1～10项中的任意一项所述的燃料电池，其特征是从上述反应流路的下流领域到上述反应流路的上流领域，上述氧化剂流场板的微细孔径构成在实质上为等同设定。
12.根据权利要求1～10项中的任意一项所述的燃料电池，其特征是在上述氧化剂流场板的微细孔径构成设定中，上述反应流路的下流领域的微细孔径相对小于上述反应流路的上流领域的微细孔径。
13.根据权利要求1～10项中的任意一项所述的燃料电池，其特征是上述氧化剂流场板具有亲水性，并且在上述氧化剂流场板的微细孔径构成设定中，上述反应流路的下流领域的微细孔径相对小于上述反应流路的上流领域的微细孔径。
14.根据权利要求1～10项中的任意一项所述的燃料电池，其特征是上述氧化剂流场板具有疏水性，并且在上述氧化剂流场板的微细孔径构成设定中，上述反应流路的下流领域的微细孔径相对小于上述反应流路的上流领域的微细孔径。
15.根据权利要求1～10项中的任意一项所述的燃料电池，其特征是在上述氧化剂流场板的微细孔径构成设定中，上述反应流路的下流领域的微细孔径相对大于上述反应流路的上流领域的微细孔径。
16.根据权利要求1～10项中的任意一项所述的燃料电池，其特征是上述氧化剂流场板具有疏水性，并且在上述氧化剂流场板的微细孔径构成设定中，上述反应流路的下流领域的微细孔径相对大于上述反应流路的上流领域的微细孔径。
17.一种设置在燃料电池的膜·电极接合体的氧化剂电极的对面，为上述氧化剂电极提供氧化剂气体的燃料电池用氧化剂流场板，其特征是由在与上述膜·电极接合体相背的背面形成的可让氧化剂气体流动的背向流路；及在与上述膜·电极接合体相对的对面形成，并与上述背向流路相连通，且可让上述背向流路中的氧化剂气体流通的反应流路所构成。
18.根据权利要求17所述燃料电池用氧化剂流场板，其特征是在上述氧化剂流场板中，至少上述反应流路的下流领域形成有多孔质化结构。
19.根据权利要求17或者权利要求18中的任意一项所述燃料电池用氧化剂流场板，其特征是上述反应流路的下流领域的气孔率相对大于上述反应流路的上流领域的气孔率。
20.根据权利要求17～19项中的任意一项所述燃料电池用氧化剂流场板，其特征是从上述反应流路的下流领域到上述反应流路的上流领域，上述氧化剂流场板的微细孔径构成在实质上为等同设定。
21.根据权利要求17～19项中的任意一项所述燃料电池用氧化剂流场板，其特征是在上述氧化剂流场板的微细孔径构成设定中，上述反应流路的下流领域的微细孔径相对小于上述反应流路的上流领域的微细孔径。
22.根据权利要求17～19项中的任意一项所述燃料电池用氧化剂流场板，其特征是上述氧化剂流场板具有亲水性，并且在上述氧化剂流场板的微细孔径构成设定中，上述反应流路的下流领域的微细孔径相对小于上述反应流路的上流领域的微细孔径。
23.根据权利要求17～19项中的任意一项所述燃料电池用氧化剂流场板，其特征是上述氧化剂流场板具有疏水性，并且在上述氧化剂流场板的微细孔径构成设定中，上述反应流路的下流领域的微细孔径相对小于上述反应流路的上流领域的微细孔径。
24.根据权利要求17～19项中的任意一项所述燃料电池用氧化剂流场板，其特征是上述氧化剂流场板的微细孔径构成设定中，上述反应流路的下流领域的微细孔径相对大于上述反应流路的上流领域的微细孔径。
25.根据权利要求17～19项中的任意一项所述燃料电池用氧化剂流场板，其特征是上述氧化剂流场板具有疏水性，并且在上述氧化剂流场板的微细孔径构成设定中，上述反应流路的下流领域的微细孔径相对大于上述反应流路的上流领域的微细孔径。
全文摘要
本发明提供了一种通过对燃料电池的内部的水加以有效的利用，可以在燃料电池内部，对流过背对MEA的背向流路的氧化剂气体及/或燃料进行增湿的燃料电池及燃料电池用氧化剂流场板。本发明之燃料电池由MEA1和面对氧化剂电极设置的向氧化剂电极提供氧化剂气体的氧化剂流场板3，以及面对燃料电极设置的向燃料电极提供燃料的燃料流场板4所组成。氧化剂流场板3及燃料流场板4之中的至少一方应具有在MEA1的背面形成的背向流路31、41，及在MEA1的对面形成的并与背向流路31、41相连通的反应流路32、42。
文档编号H01M8/24GK1799159SQ20048000595
公开日2006年7月5日 申请日期2004年3月1日 优先权日2003年3月5日
发明者曾一新, 梶尾克宏 申请人:丰田自动车株式会社