燃料电池的制作方法

专利名称：燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池。
背景技术：
一直以来，已知有如日本特开2005-116205号公报所公开那样的，具 有多个反应气体供给用的阳极气体供给口 ， 一边^^应气体滞留在阳极内， 一边根据需要对阳极气体供给口的开闭状态进行切换的燃料电池。燃料电 池的发电是通过向阳极供给富含氢气的反应气，将反应气中的氢气在电化 学反应中消费掉来进行的。根据上述现有技术，通过一边使反应气体滞留 在阳极内一边进行发电，可以有效利用反应气。
为了有效进行发电，优选燃料电池内的气体分布基本均匀，氢气在阳 极内均衡分布的状态。但如果在阳极气体供给口的位置固定的状态下供给 反应气，则反应气的流通方向变成固定的。结果，随着反应气的流动，氮 气、水蒸气等与发电反应不相关的气体(反应不相关气体)被带到下游侧， 结果有时在下游位置反应不相关气体局部浓度升高(浓缩)。
此时，燃料电池内部的气体分布不均匀，所以不优选。因此，在上述 以往的燃料电池中，通过分别控制多个阳极气体供给口的开闭状态来适当 选择反应气体的供给位置，从而使燃料电池内的气体分布更接近均匀。
专利文献1:日本特开2005-116205号公报
专利文献2:日本特开2001-126746号7>才艮

发明内容
如上所述，人们在寻求抑制燃料电池内气体的浓度不均，可以使燃料 电池内部的气体浓度分布均匀化的技术。本申请的发明人等对该课题进行了反复深入研究，结果想出了可抑制反应不相关气体的局部滞留的新方法。 本发明是为了解决上述课题而完成的，其目的在于提供可以抑制与反
应不相关的气体在内部局部滞留的燃料电池。
第l发明是用于实现上述目的的燃料电池，
其是一种燃料电池，具有膜电极接合体、叠层在所述膜电极接合体
上的气体扩散层、被设置成与所述气体扩散层相接触的l条或多条气体流
路、和使供给到所述气体流路中的气体流通的气体供给路，所述气体流路
的上游侧端部与所述气体供给路连通，该气体流路的下游侧端部实质上是
闭塞的，其特征在于，
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与该气体流路的上游侧部分相邻，或所述 气体流路的下游侧部分与不同于该气体流路的另外的所述气体流路的上游 侧部分相邻。
另外，第2发明是具有下述特征的第l发明，所述特征为所述气体 流路的所述下游侧端部与所述气体流路的所述上游侧端部相邻，或所述气
侧端部相邻。
另外，第3发明是具有下述特征的第1或第2发明，所述特征为所 述气体供给路包括第1气体供给路和第2气体供给路，它们以沿所述膜电 极接合体的面方向夹着所述气体扩散层的方式设置，
所述气体流路包括第1气体流路和第2气体流路，所述第1气体流路 的上游侧端部与所述第1气体供给路连通，其下游侧端部实质上是闭塞的， 所述第2气体流路的上游侧端部与所述第2气体供给路连通，其下游侧端 部实质上是闭塞的，
所述第1气体流路的上游侧部分和所述第2气体流路的下游侧部分相 邻，该第1气体流路的下游侧部分和该第2气体流路的上游侧部分相邻。
另外，笫4发明是具有下述特征的第3发明，所述特征为所述第1 气体流路和所述第2气体流路交替配置。
另外，第5发明是具有下述特征的第l或第2发明，所述特征为所 述气体流路在所述上游侧部分和所述下游侧部分之间具有折回部，
5所述气体流路的所述下游侧部分和该气体流路的所述上游侧部分相邻。
另外，第6发明是具有下述特征的第1~5发明，所述特征为所述气 体流路的所述下游侧端部是完全闭塞的。
另外，第7发明是具有下述特征的第1~5发明，所述特征为具有 与所述下游侧端部连接的气体排出路；和，
配置在所述气体排出路上并可通过开闭来切换其连通状态的放气阀。 另外，第8发明是具有下述特征的第1~5发明，所述特征为具有 与所述下游侧端部连接的气体排出路；和， 配置在所述气体排出路上的节流阀。
根据第1发明，通过使氮气、水蒸气等与发电反应不相关的气体(下面 也称作"反应不相关气体")的浓度相对较高的气体流路的下游侧部分、与 该气体的浓度相对较低的气体流路的上游侧部分相邻，可以促进气体扩散， 使气体扩M内该气体的浓度梯度均匀化。结果可以抑制燃料电池内部与 反应不相关的气体局部滞留。
根据第2发明，通过使气体流路的下游侧端部和气体流路的上游侧端 部相邻，可以进一步促进气体扩散，使该气体的浓度梯度均匀化。
根据第3发明，可以交替配置第1气体流路和第2气体流路，容易设 置大量的气体流路的上游侧部分和下游侧部分相邻的部分。
根据第4发明，由于气体流路的上游侧部分和下游侧部分交替配置， 所以可以更有效地促进与发电反应不相关的气体的浓度分布的均匀化。
根据第5发明，通过使1条气体流路的上游侧部分和下游侧部分相邻， 可以减少气体分配路的数量。
根据第6发明，在不需要用于排出气体流路的气体的特别结构的简易 结构中，可以抑制与反应不相关的气体在燃料电池内部局部滞留。
根据第7发明，可以根据需要进行气体流路的放气，另外，可以抑制 与反应不相关的气体在燃料电池内部局部滞留，所以可以降低放气的频率。
根据第8发明，在将抑制的气体排到气体排出路的燃料电池中，可以
6抑制与反应不相关的气体在燃料电池内部局部滞留。


图l是用于说明本发明的实施方式l的燃料电池的结构的图。
图2是用于说明本发明的实施方式1的燃料电池的结构的图。
图3是用于说明反应不相关气体滞留给燃料电池的发电带来的影响的图。
图4是测定在出现反应不相关气体滞留的部分中的氢气和氮气分压变 化的图。
图5是用于说明反应不相关气体滞留给燃料电池的发电带来的影响的图。
图6是说明用于与实施方式1进行比较的燃料电池的结构的图。 图7是用于说明与实施方式1的燃料电池具有同样结构的燃料电池、 和比较用的燃料电池的测定结果的图。
图8表示实施方式1的燃料电池、和比较用的燃料电池的测定结果的图。
图9是用于说明实施方式1的燃料电池的变形例的图。 图10是用于说明本发明的实施方式2的燃料电池的结构的图。 图11是用于说明本发明的实施方式3的燃料电池的结构的图。 图12是用于说明本发明的实施方式3的燃料电池的结构的图。 图13是用于说明本发明的实施方式4的燃料电池的结构的图。
符号说明
燃料电池10、 110、 210 分隔体12、 112、 212、 312 气体分配路14、 16、 114、 116、 214 气体流路20、 22、 120、 122、 220、 320、 322 电解质膜30 电极催化剂层32气体扩散层34 气体排出路324 放气阀354 燃料电池组350 氩气罐356 节流阀45具体实施方式
实施方式1 [实施方式l的结构J
图l是说明本发明的实施方式l的燃料电池10的结构的图。燃料电池 10在其中部具有通过在电解质膜的两面上叠层电极催化剂层而成的膜电 极接合体。并且，以夹着膜电极M体的方式依次叠层气体扩散层、分隔 体，形成的结构为膜电极掩^体的一面侧具有作为阳极的功能，而另一 面侧具有作为阴极的功能。图1对应的是从阳极侧观察到的燃料电池10 的图，示出了阳极侧的分隔体12。
图1表示将分隔体12从其平面方向切断而得到的截面。结果如图1 所示，可以目视到在分隔体12内形成的气体分配路14、 16和气体流路20、 22。气体分配路14、 16是在分隔体12的两端部沿着分隔体12的短边设置 的。气体分配路14、 16分别与储存氢气的燃,(没给图示)连通。
在分隔体12中并列形成了多条气体流路20、 22。气体流路20、 22在 分隔体12的平面内几乎均等地交替设置。气体流路20从气体分配路14 延伸至分隔体12面内的中途，其端头部完全闭塞。气体流路22与气体流 路20同样，从气体分配路16延伸至分隔体12面内的中途，端头部完全闭 塞。
气体流路20、 22，从方向相对的2条气体分配路14、 16彼此对向延 伸，形成梳状的两气体流路啮合的结构。于是具有下述结构，即气体流路 20的下游侧端部和气体流路22的上游侧端部、以及、气体流路20的上游侧端部和气体流路22的下游侧端部邻接。
由于气体流路20、 22的下游侧端部被闭塞，所以被供给到气体分配路 14中的氢气在分配到各气体流路20中后滞留在气体流路20内。在气体流 路22中也同样，从气体分配路16供给的氢气在其气体流路22内滞留。
图2是表示沿着图1中的燃料电池10的A-A线的截面的局部放大图。 图2中示出了燃料电池10的阳极侧的叠层结构。即在图2中分别示出了燃 料电池IO内部的电解质膜30、作为阳极结构的电极催化剂层32、气体扩 散层34、和分隔体12。
如图2所示，分隔体12的气体流路20、 22以与气体扩散层34相接触 的方式被设置。因此，在燃料电池10中，在气体流路20、 22内流通的气 体扩散到气体扩，34内，进而到达电极催化剂层32。
实施方式1的燃料电池10，具有阴极结构(没有给出图示)。阴极与阳 极同样，设置有电极催化剂层、气体扩散层、分隔体。在阴极的分隔体中 形成有用于空气流通的气体流路。并且具有可以从阴极的气体流路向气体 扩散层、电极催化剂层供给空气的结构。关于具体的阴极的结构，可以使 用已经Z/^知的各种结构，所以这里省略了对其详细的说明。
[反应不相关气体滞留对发电的影响l
燃料电池通过阳极的氢气和阴极的空气中的氧气介由电解质膜发生电 化学反应而进行发电。对于在阳极内一边使氢气滞留， 一边进行发电的燃 料电池而言，按照发电所消耗的氢气，来持续供给氢气。因此，在发电时， 从氢气供给口持续向阳极内部流入氢气。
电解质膜具有透气性。因此，在发电中，阴极的空气中的氧气，在发 电中被消耗的同时，从阴极透过电解质膜，而氮气、水蒸气等与发电反应 不相关的气体(下面也称作"反应不相关气体")向阳极移动。
该反应不相关气体，随着氢气一起流向阳极，被带到下游侧。在阳极 内的气体的流通方向固定时，有时在下游位置会局部出现反应不相关气体 浓度上升(浓缩)。此时，在燃料电池内部，氢气和反应不相关气体的分布 出现偏差，气体分布不均匀。下面使用图3 5来说明这样的不均匀的气体分布对发电产生的影响。
图3是用于说明上述的反应不相关气体滞留对燃料电池的发电状态的 影响的图。图3示出了对长方形的燃料电池试样测定发电时的电流密度分 布的结果。另外，图中的浓淡表示电流密度的大小，浓的部分表示电流密 度大，淡的部分表示电流密度小。
该燃料电池试样具有下述结构从纸面右上端向阳极供给氢气，同时 在阳极内一边使氢气滞留一边进行发电。因此，在图3的燃料电池试样中， 纸面右上端相当于气流的上游部分，氩气在平面内从纸面右上向左下流动 (图3的箭头)。
如上所述，氮气、水蒸气等反应不相关气体介由电解质膜从阴极透向 阳极。随着向阳极供给氢气，该反应不相关气体随氢气一起流动。在图3 的燃料电池试样中，氢气从纸面右上向左下流动，所以与氢气一起，反应 不相关气体向纸面左下侧流动。结果，在纸面左下侧，反应不相关气体的 浓度，换而言之，反应不相关气体相对于阳极内的气体的总压的分压局部 增力口。
基于上述原因，氢气难以到达该位置，越接近图3的纸面左下侧(下游 侧)，阳极内的氢气分布量就越少。由于氢气量也决定发电量，所以在下游 侧发电量变小。
图4是对阳极中的出现反应不相关气体滞留的部分(即气流的下游侧端 部)测定氢气和氮气的分压变化的图。氮气、水蒸气从阴极向阳极的移动， 在两极之间出现这些气体的分压差时，就会继续出现。因而，在阳极内存 在的氮气的量，有随着时间变长逐渐增加的趋势。
移动到阳极的氮气，被氢气带向下游侧，局部聚集。在按照发电所消 耗的氢气而持续供给氢气的状态中，由于渗透到阳极的氮气快速向下游侧 聚集，所以在该位置的氮气分压'lt'匱增加。
结果如图4所示，在阳极内的气流的下游侧端部，随着时间变长而氮 气压力大幅升高，与此相应的是，氢气分压降低。就这样，在上述的燃料 电池试样中，出现了反应不相关气体的局部滞留，在该位置集中的反应不
10相关气体的量(浓度)慢慢增加。
图5示出了在图3和图4的测定所使用的燃料电池试样中，随时间推 移测定电压的结果的图。随着图4所述的反应不相关气体的聚集，在该气 体聚集的位置的氢气供给量降低，如图3所示，发电量的不均衡变的更大。 因此，对燃料电池整体的发电产生影响，如图5所示，随着时间变长，导 致电压降低。结果燃料电池难以有^iL电。
[实施方式1的特征和作用
这里，在实施方式l中，为了解决上述状况，使气体流路20的下游侧 端部和气体流路22的上游侧端部、以及、气体流路20的上游侧端部和气 体流路22的下游侧端部相邻。
如上所述，在燃料电池10的发电中，氢气从气体分配路14、 16流向 气体流路20、 22。与此相伴的是，阳极内的反应不相关气体被在气体流路 20、 22内流动的氢气带到气体流路20、 22的下游侧。因此，气体流路20、 22的下游侧反应不相关气体的浓度变得较高。特别是，在气体流路中，反 应不相关气体的浓度在气体流路20、 22的下游侧端部变得最高。
而在气体流路20、 22的上游侧，反应不相关气体的浓度变得较低(即， 氢气浓度在气体流路内相对变高)。特别是，在气体流路中，反应不相关气 体的浓度在气体流路20、 22的上游侧端部变得最低(即，在气体流路内氢 气浓度最高)。
如图2所示，气体流路20、 22以与气体扩散层34相接触的方式被设 置。因此，气体流路20、 22内的气体可向气体扩散层34扩散。因此，在 气体扩散层34中的与气体流路20、 22的下游侧部分相接触的部位，被供 给大量(高浓度)反应不相关气体。而在气体扩散层34中的与气体流路20、 22的上游侧部分相接触的部位，被供给相对较多的氢气。
由于气体流路20、 22的上游侧部分和下游侧部分相邻设置，所以在气 体扩散层34内，高浓度的反应不相关气体存在的部位、与高浓度氢气存在 的部位相邻。由此在这些部位之间出现气体扩散，佳反应不相关气体和氢 气的浓度梯度均衡化。具体地讲，如图2的箭头所示的那样，因氢气的浓度梯度，氬气在气 体扩散层34中从氢气分压高的与气体流路22的上游侧部分相接触的位置 向反应不相关气体(在图2中仅记载了氮气和水蒸气)分压高的与气体流路 20的下游侧部分相接触的位置扩散。另外，虽然没有给出图示，但在气体 扩散层34内，反应不相关气体也同样扩散使其浓度差得到緩和。
通过这样的气体扩散，在气体扩散层34内的气体分布均匀化，氩气在 燃料电池IO内基本均匀地分布。由此，可以抑制由于反应不相关气体的局 部滞留而导致的发电电压降低。
如上所述，根据实施方式1的燃料电池10，通过使气体流路20、 22 的下游侧部分与气体流路20、 22的上游侧部分相邻，可以促进气体扩散， 使反应不相关气体的浓度梯度均匀化。结果，通过简易的结构就可以控制 与反应不相关的气体在燃料电池内部的局部滞留。
特别是，在实施方式l中，气体流路20、 22中的反应不相关气体浓度 最高的下游侧部分、与气体流路20、 22中的该气体浓度最低的上游侧部分 相邻。由此可以更有效的促进气体扩散，使该气体的浓度梯度均匀化，可 以更快速地实现该气体浓度梯度的均匀化。
另外，在实施方式l中，作为氢气供给口的气体分配路14、 16夹着气 体扩散层34，方向相对地配置。并且具有下述结构气体流路20、 22分 别从方向相对的气体分配路开始延伸。通过这样，可以使一条气体流路的 流路长度比较短。形成的气体流路越长，就有被带到其下游侧端部的反应 不相关气体的总量越多的趋势。基于这一点，在实施方式l中，可以缩短 气体流路，以减少被带到下游侧端部的反应不相关气体的总量。
另外，通过j吏气体分配路14、 16方向相对配置，可以使气体流路20、 22交替配置，所以容易设置大量的气体流路的上游侧部分和下游侧部分相 邻的部位。因此，容易实现对反应不相关气体的浓度分布均匀化的促进。
另外，在实施方式l中，气体流路20、 22几乎均匀地交替配置。根据 这样的结构，由于气体流路20、 22的上游侧端部和下游侧端部均匀地交替 配置，所以可以更有效促进反应不相关气体浓度分布的均匀化。
12另外，实施方式1的燃料电池10，由于气体流路20、 22的下游侧端 部完全堵塞，所以不能进行通气。但在实施方式l中，通过使气体流路的 下游侧端部和上游侧端部相邻，可以促进气体扩散，使反应不相关气体的 浓度梯度均匀化。因此，根据实施方式1，可以抑制反应不相关气体的局 部滞留，同时具有的优点是不具有排气用的结构(例如，避免了结构复杂化 等)。
另外，在实施方式1中，气体流路20、 22的下游侧端部和气体流路 20、 22的上游侧端部相邻。但在本发明中并不以此为限。如果不使气体流 路的上游侧端部和下游侧端部相邻，通过使气体流路20、 22的下游侧部分 和气体流路20、 22的上游侧部分相邻也可以促进气体扩散，使气体浓度梯 度均匀化。
即在本发明中，气体流路的下游侧部分可以改称为"气体流路内的反 应不相关气体浓度相对较高的部分"，而气体流路的上游侧部分可以改称 为"气体流路内反应不相关气体浓度相对较低的部分"。如果使反应不相 关气体浓度相对具有区别的部分相邻，就可以出现上述那样的气体扩散， 结果如实施方式l同样，可以抑制反应不相关气体的局部滞留。
于是，在作为"反应不相关气体浓度最高的部分，，的气体流路下游侧 端部、与作为"该气体浓度最低部分"的上游侧端部相邻时，可以更大幅 度地促进气体扩散，更加有效抑制反应不相关气体的局部滞留。
例如，在图1那样的梳齿状的气体流路啮合的结构中，两个气体流路 的啮合深度比实施方式1浅的情况也可以。在这样的情况中，可以通过简 易结构得到抑制与反应不相关的气体的局部滞留的效果。
另外，上述实施方式l所述的"气体流路的上游侧端部和气体流路的 下游侧端部相邻的结构，，的说明，换而言之，可以说成"各气体流路的上 游侧部分和下游侧部分在气体扩散层的面方向彼此相邻配置。例如，如果 是本实施方式的燃料电池多片叠层而成的燃料电池组，则有时各燃料电池 的气体流路20、 22在叠层方向上相邻。但在本发明中的气体流路的"相邻"， 并不意味着这样的在叠层方向上的相邻，而指的是在气体扩散层的平面方
13向的相邻。
另外，实施方式l具有下述结构，即，气体分配路14分别对多条气体 流路加分配氢气，气体分配路16分别对多条气体流路22分配氢气。但气 体分配路14、 16的主要作用是向气体流路20、 22供给氩气，在该位置分 配氢气的功能是在实施方式l的结构中附带产生的。因此，例如，在各气 体分配路分别与一条气体流路相连时，可以说发挥的不是"气体分配路" 的功能，而仅是"气体供给路"的功能。
另外，在上述实施方式l中，电解质膜30、电极催化剂层32的叠层 结构相当于上述第l发明中的"膜电极接合体"，气体扩散层34相当于上 述第l发明中的"气体扩散层"，气体分配路14、 16相当于第1发明中的 "气体供给路"，气体流路20、 22相当于上述第l发明中的"气体流路"。
另外，在上述实施方式l中，气体分配路14、 16分别相当于上述第3 发明中的"第1气体分配路"、"第2气体分配路"，气体流路20、 22 分别相当于上述第3发明中的"第1气体流路"、"第2气体流路，，。
另外，在上述实施方式l中，气体流路20、 22的状态是在纸面上下基 本均匀地交替排列，这相当于上述第4发明的"上述第1气体流路和上述 第2气体流路基本均匀地交替配置"。
另夕卜，在上述实施方式l中，气体流路20从气体分配路M开始延伸， 形成到分隔体12面内的中途，其下游侧端部完全闭塞，这一点与上述第6 发明的"完全闭塞"对应。
[实施方式1的燃料电池涉及的试验结果
下面，使用图6 8来说明实施方式1的燃料电池10的、涉^Jl应不相 关气体滞留抑制效果的试验结果。在该试验中，为了同与实施方式l同样
结构的燃料电池进行比较，还对其它结构的燃料电池调查了伴随时间经过 的电压变化。在测定中，相对于具有各种结构的燃料电池试样， 一边在阳 极中滞留氢气的状态下进行发电， 一边分别对各燃料电池测定电压。
图6示出了用于同实施方式1比较而准备的燃料电池的结构。图6是 从燃料电池50的阳极侧观察到的图，与实施方式l同样，示出了将阳极的分隔体沿其平面方向切断时的截面。
分隔体52具有相当于实施方式1的气体分配路14、 16的气体分配路 54、 56。并且在分隔体52的中央部分沿纸面横向形成有气体流路60。该 气体流路60是通过压模加工在分隔体52上形成的，与实施方式1的气体 流路20、 22不同，气体流路60与气体分配路54、 56两方连通。另外，在 本试验中准备了气体流路60的深度不同的3种燃料电池50(气体流路60 的深度为0.2mm的试样，为0.5mm的试样，以及为其中间值的试样)。
在测定燃料电池50的电压时，从外部向气体分配路54、 56供给氩气。 结果氢气向图6的箭头方向流动，阳极内的反应不相关气体被氢气带到纸 面中央部分。燃料电池50不具有实施方式l所述的用于抑制反应不相关气 体滞留的结构。因此，随着发电进行，反应不相关气体在燃料电池50的纸 面中央部分局部滞留。
图7表示对具有与实施方式1的燃料电池10同样结构的燃料电池、和 燃料电池50(气体流路深度为0.2mm)测定电压随时间变化的结果。图7的 实线是对具有与燃料电池10同样结构的燃料电池的测定结果，虛线是对燃 料电池50的测定结果。与虚线相比，实线的一方发电电压降低緩和，由此 可以判断，通过具有燃料电池10的结构可以抑制反应不相关气体的局部滞 留，緩和对发电的影响。
图8总结了图7所示的测定结果。另外对图6的燃料电池50，对气体 流路60的深度不同的3种试样分别测定的结果进行了总结。图8，横轴表 示燃料电池的单位反应面积的流路体积，纵轴表示表观反应面积减少10% 的时间。
这样，对于各试样，将燃料电池的单位反应面积的气体流路的体积即 反应不相关气体的浓度上升的容易性与基准进行比较，并将燃料电池的电 压降低量换算成发电面积的减少，然后进行比较。
结果如图8所示，对于流路体积相同程度的燃料电池，实施方式1的 燃料电池的结构表观发电面积减少10%花费的时间长。由此可以判断，通 过实施方式1的燃料电池的结构，可以促进气体扩散^^应不相关气体的
15浓度梯度均匀化，抑制反应不相关气体的局部集中。 [实施方式l的变形例I (第1变形例)
在实施方式1中，将气体流路20、 22以相隔一条流路的方式基本均等 地交替配置。但在本发明中并不以此为限。气体流路20、 22也可以不是相 隔一条流路，而是以相隔两条流路的方式交替配置。
具体地讲，可以是图9所示的燃料电池110那样的结构。燃料电池110 的分隔体112具有气体分配路114、 116、与气体分配路114相连通的气体 流路120、以及与气体分配路116相连通的气体流路122。于是具有下述结 构，即2条气体流路120与同样的2条气体流路122基本均匀地交替配置。
在这样的结构中，由于气体流路120的下游侧部分和气体流路122的 上游侧部分相邻，所以与实施方式l同样，可以抑制反应不相关气体的局 部滞留。另外，在图9所示的燃料电池的情况中，也可以说成"由多条气 体流路组成的气体流路组基本均匀地交替配置，，。
另外，但也可以是与实施方式l的燃料电池10和图9的燃料电池110 均不同的，尽管是气体流路20、 22交替配置，但其配置不均匀的结构。具 体地讲，例如在设置2条气体流路20后，设置1条气体流路22，再设置2 条气体流路20、 l条气体流路22，气体流路20、 22的根数比例不均等也 可以。
另外，也可以是与上述的任一结构不同的、尽管气体流路20、 22交替 配置，但其配置不规则的结构。具体地讲，例如，在设置3条气体流路20 后，设置1条气体流路22，再设置2条气体流路20， 3条气体流路22，这 样的气体流路20、 22的比例不规则的结构也可以。这样的气体流路的配置 不均等的情况中，通过交替配置气体流路，可以使一方的气体流路和另一 方的气体流路的上游侧部分和下游侧部分互相相邻，更加有效地促进与发 电反应不相关的气体的浓度分布均匀化。
另外，在上述实施方式1的结构中，采取了气体流路的形状为在纸面 上左右对称的结构。但本发明并不以此为限。气体流路的形状不必一定具有对称性，只要气体流路的上游侧部分和下游侧部分相邻配置即可。
实施方式实施方式2的结构、特征和作用j
图10是用于说明本发明的实施方式2的燃料电池210的结构的图，是 相当于实施方式1的图1的图。图10相当于从阳极侧观察到的燃料电池 210的图，示出了阳极的分隔体212。实施方式2与实施方式1同样，具有 电解质膜、电极催化剂层、气体扩散层。
实施方式1具有下述结构，即2条气体分配路即气体分配路14、 16 分别设置在分隔体12的一侧端部和另一侧端部上。与此相对的是，实施方 式2，如图10所示，采取了在分隔体212上仅具有1条气体分配路的结构。
在实施方式2的燃料电池210中，相对于1条气体分配路214连通有 3条气体流路220。气体流路220从气体分配路214开始沿一个方向延伸， 在中途折回。并且，气体流路220从该折回部分开始进一步延伸，其下游 侧端部在气体分配路214附近即上游侧端部的附近位置形成。
于是具有下述结构，即，从气体分配路214流入的气体通过折回部， 向闭塞的下游侧端部流动，氢气滞留在气体流路220内。这样的结构，由 于气体流路220的下游侧部分与上游侧部分相邻，所以与实施方式1同样， 可以抑制反应不相关气体的局部滞留。
另外，根据实施方式2,可以使一条气体流路的上游侧部分与下游侧 部分相邻。因此，与实施方式1那样的设置有2条方向相对的气体分配路、 且气体流路交替配置的情况相比，可以减少气体分配路的数量。结果可以 例如有效灵活利用分隔体212的空间。另外，分隔体212不需设置大量贯 通孔，可以避免其强度降低那样的缺点。
另外，气体流路的折回部，不限于图10所示的U字形状，可以制成 W字形状或其它各种形状。另外，上述实施方式2，气体流路220具有的 折回部相当于上述第5发明的"折回部"。
实施方式3
[实施方式3的燃料电池的结构图11是用于说明本发明的实施方式3的燃料电池310的图。对于燃料 电池310在实施方式1的燃料电池10的图2所示的位置(图1的A-A线的 位置)进行同样的切断，图ll表示该截面的局部放大图。虽然燃料电池MO 具有与燃料电池10几乎同样的结构，但安装在气体扩散层34上的分隔体 312的结构与燃料电池10的分隔体12结构不同。
分隔体312的气体流路320、 322具有与实施方式1的气体流路20、 22同样的结构。具体地讲，气体流路320、 322与图l所示的气体流路20、 22同样，采取了在312面内梳齿状互相交替延伸的结构。并且其结构是 气体流路320的下游侧端部和气体流路322的上游侧端部、以及气体流路 320的上游侧端部和气体流路322的下游侧端部相邻(参照图1)。
图11所示的部分相当于实施方式1的燃料电池10的图2所示的部分。 即，与图2所示的气体流路20的下游部分和气体流路22的上游部分相邻 的部分同样，图11表示气体流路320的下游部分与气体流路322的上游部 分相邻的部分。
分隔体312与实施方式1的分隔体12不同，内部具有气体排出路324。 气体排出路324以与各气体流路320的下游侧端部局部连通的方式构成。 并且是与气体流路322不连通的结构。根据该结构，气体流路320内的气 体流向下游侧后，从下游侧部分经气体排出路324流出。
另外，虽然没给出图示，但在分隔体312中设置有与气体流路322的 下游侧部分局部连通的第2气体排出路。第2气体排出路以与气体排出路 324互不干涉的方式在分隔体312内形成。并且，与气体排出路324同样， 气体从气体流路322内的下游侧部分经该第2气体排出路流出。
图12示出了含有实施方式3的燃料电池的燃料电池系统。图11示出 了叠层有多个实施方式3的燃料电池而成的燃料电池组350。在燃料电池 组350内各燃料电池310的气体排出路(包含气体排出路324和没给图示的 第2气体排出路)变成一个，与电池组的外部管道3"连接。
管道352与放气阀354连通。通过打开放气阀354，管道352与更下 游侧的没有给出图示的气体排出体系连通。通过关闭放气阀354，使气体
18在该位置被阻挡，成为气体在燃料电池310内滞留的状态。
燃料电池组350与氢气罐356连通。氢气罐356通过介由没有给出图
示的氢气供给阀，与燃料电池组350内的各燃料电池310的气体分配路(没
给图示)连通。根据这样的结构，氢气罐356的氢气被适宜地供给到燃料电
池310的气体分配路中，并流入气体流路320、 322中。 [实施方式3的特征和作用
实施方式3的燃料电池在进行发电时，在放气阀354关闭的状态下从 氩气罐356供给氢气。由此，与实施方式l同样，在燃料电池310的气体 流路320、 322内滞留有氢气的状态下进行发电。燃料电池310与实施方式 1的燃料电池10同样，具有气体流路320的上游侧端部和气体流路322的 下游侧端部相邻的结构。因此，燃料电池310可以抑制反应不相关气体的 局部滞留。
然后，在实施方式3中，如果通过继续发电而使燃料电池310内的反 应不相关气体的浓度达到规定量，则打开放气阀354。由此气体流路320 内的气体通过气体排出路324，被排出到气体排出体系。根据这样的结构， 通过适宜地打开放气阀354，可以根据需要进行气体流路320、 322的放气。
如上所述，根据实施方式3,可以根据需要进行气体流路的放气。由 于可以抑制燃料电池310内部的与反应不相关的气体局部滞留，所以可以 降4氐放气的频率。
另外，在实施方式3中已对叠层有多个燃料电池310的燃料电池组350 进行了说明。但本发明并不以此为限。例如，对于1片燃料电池310而言， 可以具有气体排出路324与放气阀354连通的结构。只要是气体排出路与 放气阀连通，可适当进行放气的类型的燃料电池，就可以使用本发明的思 想。另外，也可以使用放气阀354以外的结构，采取气体排出路"4与外 部连通、阻断，适宜地进行放气的结构。
另外，在上述实施方式3中，气体排出路324相当于上述第7发明的 "气体排出路"，放气阀354相当于上述第7发明的"放气阀"，气体流 路320、 322相当于上述第7发明的"气体流路"。实施方式4 [实施方式4的结构
图13是用于说明本发明的实施方式4的图。实施方式4具有与实施方 式3几乎同样的结构，但其气体排出路324和气体排出体系通过介由节流 阀454连通，而不是介由放气阀354连通，在这一点上与实施方式3不同。 此外，对于实施方式3相同的结构使用了相同的标记，并省略了对其说明。
[实施方式4的特征和作用
实施方式4的燃料电池在进行发电时，与实施方式3同样，适宜地从 氢气罐356供给氢气。另外，调节节流阀454的打开度，以该位置的气体 流通量被控制的状态将气体排出到没有给出图示的气体排出体系(这样的 排气也称作"少量排气，，)。在进行少量排气时，能够继续将反应不相关气 体排出到气体排出体系中，从而控制燃料电池310内部的反应不相关气体
的增力口。
但是，在反应不相关气体从阴极到阳极的移动量大的情况中，阳极内 的反应不相关气体浓度有可能慢慢上升。此时，反应不相关气体可能会残 留在气体流路内，在气体流路的下游侧出现反应不相关气体的局部滞留。
与此相对的是，实施方式4，燃料电池組350内的燃料电池310以可 抑制反应不相关气体局部滞留的方式构成。因此，即使气体流路内的反应 不相关气体增加，也可以抑制该气体在燃料电池内的局部滞留。即，根据 实施方式4可以弥补仅少量排气的结构的不足之处。
如上所述，利用实施方式4的结构，可以抑制少量排气导致阳极内的 反应不相关气体量增加，同时促进气体扩散，使反应不相关气体的浓度梯 度均匀化。结果可以抑制燃料电池310内的反应不相关气体浓度(量)上升， 可以抑制内部反应不相关气体局部滞留。
另外，在实施方式4中，使用节流阀454实现少量排气。但本发明并 不以此为限。也可以使用节流阀454以外的各种气体流量调节机构来实现 少量排气。另外，不调节气体流量，仅通过使气体流出口的口径为适当的 规定尺寸，也可以实现少量排气。
20另外，在上述实施方式4中，没给图示的气体排出路相当于上述第8 发明的"气体排出路"，节流阀454相当于上述第8发明的"节流阀"。
另外，如上所述，本发明可以在气体流路的下游侧端部实质上是闭塞 状态的燃料电池中使用。这里，"实质上闭塞"的结构并不仅指完全不会 出现气体流通的状态。具体地讲，"实质上闭塞的结构"可以说成"使反 应不相关气体的浓度(分压)在气体流路的下游侧相对较高的结构"。
因此，本发明中的"实质上闭塞的结构"包括实施方式1 4所示的结 构。另外，有时将实施方式1~4中所述的气体流路处于下游侧端部闭塞状 态的燃料电池称作死端(deadend)型燃料电池、或非循环型燃料电池。
另外，在上述实施方式1 4和其变形例中，对具有多条气体流路的燃 料电池进行了说明。但本发明并不以此为限。对于仅具有一条气体流路的 燃料电池而言，通过采取该气体流路的上游侧部分和下游侧部分相邻的结 构，与实施方式l同样，也可以促进气体扩散层34内的气体扩散，使气体 浓度梯度均匀化。结果可以抑制反应不相关气体局部滞留。
2005-116205号公才艮所涉及的纟支术比较时，发现具有下述优点。如上述曰本 特开2005-116205号公报所涉及的燃料电池那样，具有多个气体供给口和 分别与各气体供给口连接的多个阀，并通过各阀的开闭状态的切换来使燃 料电池内部气体均匀化的方法可能会使装置结构复杂化。
与此相对的是，上述实施方式所涉及的燃料电池，通过研究在分隔体 中形成的气体流路的结构，通过采取较简单的结构就可以抑制反应不相关 气体的局部滞留。另外，才艮据上述的实施方式，可以有效抑制燃料电池内 的平面方向的气体浓度偏差。
另外，将以下述(i) (iii)的至少一种方式发电的燃料电池看作死端型燃 料电池。
(i) 在不从阳极(阳极侧的气体流路)排气的情况下持续进行发电的燃料 电池。
(ii) 在阳极内的杂质气体(在上述实施方式中，是通过介由电解质膜从阴极透过来的反应不相关气体)的分压与阴极的杂质气体几乎均衡的状态(或 基^目同的状态)下持续进行发电的燃料电池。换而言之，是在将阳极的杂 质气体的分压升高到阴极的杂质气体的分压的状态下发电的燃料电池。
如实施方式1所述，电解质膜具有透气性。如果阴极和阳极之间具有 气体分压差，则气体通过介由电解质膜进行移动使该分压差缩小。结果， 阳极和阴极中的杂质气体分压马上变成几乎均等的状态。(ii)的方式是在这 样的状态下进行发电的燃料电池。
(iii)将供给到阳极中的燃料(在上述实施方式中，如前所述，是包括氩 气的反应气体)在发电反应中几乎全部消费掉的燃料电池。
这里，"几乎全部"优选指除了通过介由密封结构、电解质膜而泄露 到阳极外的部分燃料以外的，供给的全部燃料。
另夕卜，对于不是在通常状况下而是仅限于在特定状况下(例如，仅为小 负荷时等)进行死端型工作(死端工作)的燃料电池，也可以采用本发明所涉 及的燃料电池的结构。即，作为本发明的对象的燃料电池，并不限于一定 在全部发电情况下进行死端工作的燃料电池。在至少部分的发电情况下(例 如，仅为小负荷等时)进行死端工作的燃料电池中可以使用本发明的思想。
另外，在本发明的燃料电池中，可以使阴极侧的气体流路具有与阳极 侧的气体流路相同的结构，但从例如减小压力损失等观点来看，也可以使 阴极侧的气体流路的结构与阳极侧的气体流路的结构不同。
例如，从减小压力损失等观点来看，优选阴极侧的气体流路是与阴极 气体(在上述实施方式中，如前所述是空气)的供给口和排出口两者连通的 流路。即，在使用本发明的燃料电池构成燃料电池组时，优选使各燃料电通。
该阴极侧的气体流路，优选制成例如沟流路、凹(dimple)流路、孔 体流路(使用多孔质体作为气体流通用的材料的结构)。通过采用阴极侧的 气体流路比阳极侧的气体流路压力损失小的结构，或采用使压力损失相同 的流路结构，可以使阴极侧气体流路中的气体供给、排出顺利进行。
权利要求
1. 一种燃料电池，具有膜电极接合体、叠层在所述膜电极接合体上的气体扩散层、被设置成与所述气体扩散层相接触的1条或多条气体流路、和使供给到所述气体流路中的气体流通的气体供给路，所述气体流路的上游侧端部与所述气体供给路连通，该气体流路的下游侧端部实质上是闭塞的，其特征在于，所述气体流路的下游侧部分与该气体流路的上游侧部分相邻，或所述气体流路的下游侧部分与不同于该气体流路的另外的所述气体流路的上游侧部分相邻。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述气体流路的所 述下游侧端部与所述气体流路的所述上游侧端部相邻，或所述气体流路的邻。
3. 根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于，所迷气体供给 路包括第1气体供给路和第2气体供给路，它们以沿所述膜电极接合体的 面方向夹着所述气体扩散层的方式设置，所述气体流路包括第1气体流路和第2气体流路，所述第1气体流路 的上游侧端部与所述第1气体供给路连通，其下游侧端部实质上是闭塞的， 所述第2气体流路的上游侧端部与所述第2气体供给路连通，其下游侧端部实质上是闭塞的，所述第1气体流路的上游侧部分和所述第2气体流路的下游侧部分相 邻，该第1气体流路的下游侧部分和该第2气体流路的上游侧部分相邻。
4. 根据权利要求3所述的燃料电池，其特征在于，所述第l气体流路 和所述第2气体流路交替配置。
5. 根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于，所述气体流路 在所述上游侧部分和所述下游侧部分之间具有折回部，所述气体流路的所述下游侧部分和该气体流路的所述上游侧部分相邻。
6. 才艮据权利要求1 5的任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述气 体流路的所述下游侧端部是完全闭塞的。
7. 根据权利要求1 5的任一项所述的燃料电池，其特征在于，具有 与所述下游侧端部连接的气体排出路；和，配置在所述气体排出路上并可通过开闭来切换其连通状态的放气阀。
8. 根据权利要求1 5的任一项所述的燃料电池，其特征在于，具有 与所述下游侧端部连接的气体排出路；和， 配置在所述气体排出路上的节流阀。
全文摘要
本发明的目的在于提供可以抑制反应不相关的气体在内部局部滞留的燃料电池。在电解质膜和电极催化剂层叠层而成的膜电极接合体上叠层气体扩散层。以与气体扩散层相接触的方式设置具有气体流路的分隔体。分隔体中设置有用于使供给到膜电极接合体的气体流通的气体分配路。气体流路的上游侧端部与气体分配路连通，气体流路的下游侧端部实质上是闭塞的。气体流路的下游侧部分与气体流路的上游侧部分相邻。
文档编号H01M8/02GK101523648SQ20078003713
公开日2009年9月2日 申请日期2007年10月18日 优先权日2006年10月19日
发明者加藤育康, 堀尾公秀, 小川朋宏, 角川优 申请人:丰田自动车株式会社;株式会社日本自动车部品综合研究所