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：
燃料电池基本上由选择性地输送质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供给到燃 料极的燃料气体(含有氢)以及供给到空气极的氧化气体(含有氧)，持续地获取电能。高分子电解质膜由具有高分子离子交换膜等的电解质构成，所述高分子离子交换 膜为具有磺酸基的氟化树脂类离子交换膜或者碳氢树脂类离子交换膜等。另外，为了使高 分子电解质膜具有离子输送功能，需要高分子电解质膜含有一定量的水分。催化电极由位于高分子电解质膜侧且促进催化电极内的氧化还原反应的催化层 和位于催化层外侧且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 催化层侧且提高与催化层的接触性的碳涂层以及用于使从外部供给的气体扩散而供给到 催化层的气体扩散基材层构成。燃料极的催化层例如包含钼或钼和钌的合金等，空气极 的催化层例如包含钼或钼和钴的合金等。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)一体化而形成的接合体称为膜电极接合体(membrane electrode assembly ；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，在各个MEA之间配置导电性的分离器。分离器中包含与燃料极相接的燃料极分离器以及与空气极相接的空气极分离器。 通常，在燃料极分离器中形成用于向MEA供给燃料气体的燃料气体流路，在空气极分离器 中形成用于向MEA供给氧化气体的氧化气体流路。在以往的燃料电池中，气体流路为直线状的气体流路相互平行(例如参照专利 文献1)。图1是专利文献1中公开的燃料电池的分解立体图。图1所示的燃料电池具有膜 电极接合体1、空气极分离器2以及燃料极分离器3。空气极分离器2具有相互平行的多个 直线状的氧化气体流路8。在具有这样的结构的燃料电池中，通常氧化气体流路之间的间隔即肋(rib)的宽 度较小。肋不同于氧化气体流路，无助于氧化气体的供给，所以若减小肋的宽度，则能够将 更多的氧化气体供给到MEA。因此，在以往的燃料电池中，为了增加氧化气体的供给量，存在 减小肋的宽度的倾向。另外，如上所述，高分子电解质膜为了具有使离子透过的功能而需要一定量的水 分。因此，在以往的燃料电池中，为了在燃料电池内确保充足的水分，预先对燃料气体和氧 化气体进行加湿。但是，用于对氧化气体进行加湿的加湿器，并不直接有助于发电，而需要 空间。因此，如果能够开发出不需要加湿器的燃料电池热电联供系统，则能够小型化燃料电 池热电联供系统，并能够削减系统整体的成本。另外，如果能够开发出不需要加湿器的燃料 电池热电联供系统，则不存在因加湿器造成的能量损失，所以能够提高系统整体的效率。因此，一直要求开发出即使在氧化气体处于低加湿或无加湿的状态下，发电效率也不降低的 燃料电池。另外，已知有下述技术，即为了防止由于在反应气体流路内残存的发电时生成的 水所引起的溢流现象，分离器中形成两个以上的独立的反应气体流路(例如参照专利文献 2、专利文献3以及专利文献4)。在专利文献2、专利文献3以及专利文献4公开的燃料电 池中迂曲状地形成各自独立的反应气体流路。另外，已知有下述技术，即为了确保用于规定反应气体流路的肋的强度，平行地配 置两个以上的反应气体(例如，参照专利文献5)。专利文献5中公开的燃料电池的反应气 体流路分别是迂曲状。另外，专利文献5中公开的燃料电池的分离器是碳分离器。专利文献1 (日本)特开2003-249243号公报专利文献2 (日本)特开2004-247289号公报专利文献3 美国专利申请公开第2004/0157103号说明书专利文献4 (日本)特开2002-50392号公报专利文献5 (日本)特开2008-66242号公报为了在低加湿或无加湿下运行燃料电池，使发电中在空气极的催化层中生成的水 分留在燃料电池内成为课题。使用附图，说明燃料电池的发电时在空气极的催化层生成的 水的燃料电池内的移动。图2是燃料电池的MEA的垂直于面方向的部分剖面图。图2所示的燃料电池具有 MEA110、空气极分离器120以及燃料极分离器130。MEA还包括高分子电解质膜111、空气 极催化层113、燃料极催化层115、空气极气体扩散层117以及燃料极气体扩散层119。空气极分离器120具有氧化气体流路121和肋123。另外，燃料极分离器130具 有燃料气体流路131和肋133。多个箭头Z表示在空气极催化层113生成的水的移动。肋 123以及肋133形成气体流路间的间隔。如图2所示，在空气极催化层113生成的水通过扩散而使一部分的水移动到氧化 气体流路121内，一部分的水移动到肋123的下面。移动到氧化气体流路121内的水通过 氧化气体流路121而被排出到燃料电池的外部，移动到肋123的下面的水保持在肋123的 下面。因此，减少通过氧化气体流路排出的水的量，增加保持在肋的下面的水的量，由此能 够将发电时在空气极的催化层生成的水留在燃料电池内。如上所述，在专利文献1公开的燃料电池中，氧化气体流路间的间隔(肋宽度) 小，所以发电中生成的水的大部分移动到氧化气体流路内，通过氧化气体流路而被排出到 燃料电池的外部。另外，若肋宽度小，则保持在肋的下面的水分也通过扩散而容易移动到氧 化气体流路内。因此，MEA干燥，输出密度降低。另外，若MEA干燥，则不仅输出密度下降， 而且MEA容易劣化，并且燃料电池的寿命缩短。另外也考虑到，在专利文献1公开的燃料电池中，通过增大氧化气体流路间的间 隔(肋宽度)，增加保持在肋下面的水的量，保持MEA的湿度。但是，在单纯地增大肋宽度 时，供给到MEA的氧化气体的量下降，输出密度下降。

发明内容
本发明的目的在于提供，即使无加湿或低加湿地供给氧化气体时，也能够在燃料电池内确保充足量的水分，并且对MEA供给充足量的氧化气体的燃料电池。本发明涉及下述的燃料电池。[1]、燃料电池包括膜电极接合体，其具有高分子电解质膜、以及夹着所述高分子 电解质膜且由空气极和燃料极构成的一对催化电极；一对分离器，其由夹着所述膜电极接 合体的空气极分离器和燃料极分离器构成；两个以上的氧化气体流路，其向所述空气极供 给氧化气体且沿着特定方向；以及两个以上的直线状的燃料气体流路，其向所述燃料极供 给燃料气体且与所述特定方向平行，在相邻的两个所述氧化气体流路之间，沿所述特定方 向交替地配置所述氧化气体流路间的间隔大的区域和所述间隔小的区域，所述燃料气体流 路不与所述氧化气体流路中的平行于所述燃料气体流路平行的部分重叠。[2]、如[1]所述的燃料电池，所述氧化气体流路由对氧化气体具有透过性的肋来 规定，所述肋由导电性多孔质体构成。[3]、如[2]所述的燃料电池，所述导电性多孔质体中的平均孔径为ΙΟμπι以下。W]、如[1] [3]中的任一个所述的燃料电池，所述两个以上的氧化气体流路为 迂曲状，相邻的两个所述氧化气体流路彼此相对于与所述特定方向平行的线呈线对称。[5]、如[1] [4]中的任一个所述的燃料电池，所述氧化气体流路形成在所述空 气极分离器上。W]、如[5]所述的燃料电池，所述空气极分离器具有金属板以及配置在所述金属 板上且由导电性多孔质体构成的肋。[7]、如[1] W]中的任一个所述的燃料电池，所述空气极具有与所述高分子电 解质膜相接的催化层、以及层叠在所述催化层上且与所述空气极分离器相接的气体扩散 层，所述氧化气体流路形成在所述气体扩散层上。[8]、如[1] [7]中的任一个所述的燃料电池，所述燃料气体流路形成在所述燃 料极分离器上，所述燃料极分离器具有用于规定所述燃料气体流路的肋，所述肋对所述燃 料气体不具有透过性。[9]、如[8]所述的燃料电池，所述燃料极分离器是碳分离器或金属分离器。[10]、如[1] [9]中的任一个所述的燃料电池，流过所述氧化气体流路的所述氧 化气体的流向和流过所述燃料气体流路的所述燃料气体的流向与所述特定方向相同，供给 所述燃料电池的所述氧化气体的露点为45°C以下。[11]、如[1] [9]中的任一个所述的燃料电池，流过所述氧化气体流路的所述氧 化气体的流向和流过所述燃料气体流路的所述燃料气体的流向与所述特定方向相同，供给 所述燃料电池的所述氧化气体的露点为-10°C 45°C，并且供给所述燃料电池的所述氧化 气体不加湿。[12]、如[1] [9]中的任一个所述的燃料电池，流过所述氧化气体流路的所述氧 化气体的流向与所述特定方向相同，而流过所述燃料气体流路的所述燃料气体的流向与所 述特定方向相反，供给所述燃料电池的所述氧化气体的露点为 75°C。[13]、燃料电池包括膜电极接合体，其具有高分子电解质膜以及夹着所述高分子 电解质膜的、由空气极和燃料极构成的一对催化电极；一对分离器，其由夹着所述膜电极接 合体的空气极分离器和燃料极分离器构成；以及两个以上的氧化气体流路，其向所述空气 极供给氧化气体且沿着特定方向；所述氧化气体流路由上游区域和下游区域构成，在所述上游区域中，在相邻的两个所述氧化气体流路之间，沿所述特定方向交替地配置所述氧化 气体流路间的间隔大的区域和间隔小的区域，在所述下游区域中，相邻的两个所述下游氧 化气体流路间的间隔的大小是恒定的，所述下游区域中的相邻的两个所述氧化气体流路间 的间隔小于所述上游区域中的相邻的两个所述氧化气体流路间的间隔的最大值。根据本发明的燃料电池，即使无加湿或低加湿地供给氧化气体时，也能够在燃料 电池内确保充足量的水分，并且向MEA供给充足量的氧化气体。另外，根据本发明，高分子 电解质膜的膜阻低，且向氧化气体的浓度高的区域选择性地供给燃料气体。因此，本发明的 燃料电池即使在无加湿或低加湿地供给氧化气体时，也能够维持MEA的耐久性和高输出密 度。


图1是以往的燃料电池的分解立体图。图2是表示以往的燃料电池内的水的移动的图。图3是表示本发明的燃料电池的氧化气体流路的图案的图。图4是表示本发明的燃料电池的氧化气体流路的图案的图。图5是本发明的燃料电池的剖面的立体图。图6是表示本发明的燃料电池中的氧化气体流路和燃料气体流路之间的位置关 系的图。图7是表示本发明的燃料电池的氧化气体流路的图案的图。图8是表示以往的燃料电池内的水的移动的图。图9是实施方式1的燃料电池的立体图；图10是实施方式1的燃料电池的分解立体图。图11是实施方式1的燃料电池的空气极分离器的俯视图。图12是实施方式1的燃料电池的燃料极分离器的俯视图。图13是实施方式2的燃料电池的空气极分离器的俯视图。图14是实施方式3的燃料电池的分解立体图。图15是表示本发明的燃料电池的中温无加湿条件下的发电电压和膜阻的图表。图16是表示本发明的燃料电池的中温无加湿条件下的气体流路内的相对湿度的 图表。图17是表示本发明的燃料电池的高温低加湿条件下的发电电压和膜阻的图表。图18是表示本发明的燃料电池的高温低加湿条件下的气体流路内的相对湿度的 图表。图19是表示实验例3的结果的图表。附图标号的说明100、300 燃料电池110 MEA111高分子电解质膜113空气极催化层115燃料极催化层
117,317空气极气体扩散层
119燃料极气体扩散层
120,220,320空气极分离器
121,221氧化气体流路
123、133、155 肋
125保水区域
127氧化气体供给区域
130燃料极分离器
131燃料气体流路
140氧化气体供给歧管孔
141氧化气体排出歧管孔
150制冷剂供给歧管孔
151制冷剂排出歧管孔
153制冷剂流路
160燃料气体供给歧管孔
161燃料气体排出歧管孔
具体实施例方式本发明的燃料电池包括(1)MEA、(2)由空气极分离器和燃料极分离器构成的一 对分离器、(4)多个氧化气体流路、以及( 多个燃料气体流路。另外，本发明的燃料电池 涉及被供给低加湿或无加湿的氧化气体的燃料电池。(1)关于膜电极接合体(MEA)MEA包括高分子电解质膜、以及夹持高分子电解质膜且由燃料极和空气极构成 的一对催化电极。优选的是，空气极具有与高分子电解质膜相接的空气极催化层和层叠在 空气极催化层上的空气极气体扩散层。同样，优选的是，燃料极具有与高分子电解质膜相接 的燃料极催化层和层叠在燃料极催化层上的燃料极气体扩散层。高分子电解质膜是在湿润状态下具有选择性输送质子的功能的高分子膜。只要 高分子电解质膜的材料是选择性地使质子移动的材料，并不特别限定。作为这样的材料的 例子包括氟素类的高分子电解质膜或碳氢类的高分子电解质膜等。作为氟素类的高分子 电解质膜的具体例子包括杜邦公司的Nafion (注册商标)膜、旭硝子公司的Flemion (注 册商标)膜、旭化成株式会社的Aciplex(注册商标)膜或Japan Gore-Tex公司的 GORE-SELECT (注册商标)膜等。空气极催化层是含有促进氢和氧的氧化还原反应的催化剂的层。只要空气极催化 层是具有导电性且具有促进氢和氧的氧化还原反应的催化作用的层，并不特别限定。空气 极催化层例如包含钼、钼和钴的合金或钼和钴和镍的合金等作为催化剂。燃料极催化层是含有促进氢的氧化反应的催化剂的层。只要燃料极催化层是具有 导电性且具有促进氢的氧化反应的催化作用的层，并不特别限定。燃料极催化层例如包含 钼或钼和钌的合金等作为催化剂。例如，在承载这些催化剂的乙炔黑、科琴黑或炭黑(vulcan)等的碳微粒子中，混合具有质子导电性的电解质和具有防水性的聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene， PTFE)等树脂，并将其涂敷在高分子电解质膜上，由此形成空气极催化层和燃料极催化层。气体扩散层(空气极气体扩散层和燃料极气体扩散层)配置在膜电极接合体的最 外侧，而且是与后述的分离器相接且具有导电性的多孔质层。只要气体扩散层的材料是具 有导电性且能够扩散反应气体的材料，并不特别限定。气体扩散层也可以由气体扩散基材 层和碳涂层构成。所述气体扩散基材层使从分离器侧供给的气体向催化层扩散，所述碳涂 层提高气体扩散基材层与催化层之间的接触性。例如，也可以在催化层表面热压接碳素纤维、碳布或纸状的碳纸等而制作气体扩 散层，所述碳素纤维浸渗了具有防水性的PTFE等的树脂，所述碳布是通过编织丝状的碳而 制作出的。(2)关于分离器分离器是用于机械性地固定MEA并且不使供给到MEA的氧化气体和燃料气体混合 的导电性的板。空气极分离器与空气极相接，而燃料极分离器与燃料极相接。(3)关于氧化气体流路氧化气体流路是用于将氧化气体供给到空气极的流路。氧化气体流路的宽度优选 为0. 8mm 1. 2mm左右，氧化气体流路的深度优选为0. 3mm 0. 8mm。氧化气体流路由肋规定。用于规定氧化气体的肋优选具有导电性且对氧化气体具有透过性。肋对氧化气体 具有透过性，由此氧化气体不仅能够在氧化气体流路扩散，而且也扩散到肋内。因此，能够 不仅从氧化气体流路而且也从用于规定氧化气体流路的肋，向空气极供给氧化气体。因此， 能够向空气极的整个表面供给氧化气体，从而扩大空气极的发电面积。并不特别限定这样的肋的材料，但优选其是导电性的多孔质体。导电性的多孔质 体中的平均孔径优选为ΙΟμπι以下，更优选为5μπι以下。通过从多孔质体的剖面图的SEM 照片测定出的孔的面积，计算相当于面积的直径的平均，由此能够获得导电性多孔质体中 的平均孔径。另外，导电性多孔质体中的平均孔径也可以通过使用了水银孔率计的微孔分 布测量来求取。作为这样的导电性多孔质体的例子包括附着了具有防水性的PTFE等的树脂的 碳素纤维、通过编织丝状的碳而制作出的碳布、纸状的碳纸、以及将碳素纤维和PTFE揉和 而形成的片状的碳片等。另外，多孔质体的表面积大。因此，若用于规定氧化气体流路的肋是多孔质，则空 气极分离器与空气极之间的接触面积增加，空气极分离器和空气极之间的接触电阻降低。 由此，能够高效率地获取发电产生的电能。在本发明中，氧化气体流路也可以形成在空气极分离器上(参照图10)，也可以形 成在空气极气体扩散层上(参照图14)。在氧化气体流路形成在空气极分离器上时，空气极 分离器也可以由导电性平板以及肋构成，所述肋配置在平板上且由导电性多孔质体构成。 平板例如是金属板。本发明的燃料电池的特征在于氧化气体流路的形状。以下，参照附图详细地说明 氧化气体流路的形状。图3是表示一例本发明的氧化气体流路的图案的图。图3表示氧化气体流路121 9形成在空气极分离器120上的例子。如图3所示，空气极分离器120具有沿着特定方向X 的、多个氧化气体流路121和用于规定氧化气体流路121的肋123。“特定方向X”表示氧化 气体的流向。肋123形成相邻的氧化气体流路121间的间隔。如图3所示，在相邻的两个氧化气体流路之间，氧化气体流路间的间隔(肋宽度) 大的区域125(以下称为“保水区域125”)和氧化气体流路彼此的间隔(肋宽度)小的区 域127(以下称为“氧化气体供给区域”)沿特定方向X交替地被配置。这里所谓“保水区 域”是指在燃料电池运转时保持水分的区域，所谓“氧化气体供给区域”是指在燃料电池运 转时集中地供给氧化气体的区域(后述)。优选的是，相邻的两个氧化气体流路之间的间隔的最大值125w(以下也简称为 “保水区域的宽度”)是相邻的两个氧化气体流路之间的间隔的最小值127w(以下也简称为 “氧化气体供给区域的宽度”)的2倍 4倍。更具体而言，保水区域的宽度125w优选为 3mm 6mm，氧化气体供给区域的宽度优选为1. 4mm 3. 1mm。为了沿特定方向交替地形成保水区域和氧化气体供给区域，例如使相邻的两个氧 化气体流路为迂曲状，而且使该相邻的两个氧化氧化流路相对于与特定方向平行的线呈线 对称即可。另外，使相邻的两个氧化气体流路中的一个呈迂曲状而使另一个呈直线状即可。 图4表示使相邻的两个氧化气体流路呈迂曲状的例子。图4是表示本发明的燃料电池的氧化气体流路的图案的例子。如图4所示，氧化 气体流路121以及与氧化气体流路121相邻的氧化气体流路121’呈迂曲状。另外，氧化气 体流路121以及氧化气体流路121’相对于与特定方向X平行的线Y呈线对称。氧化气体流路121以及氧化气体流路121’呈迂曲状，而且氧化气体流路121以及 氧化气体流路121’相对于线Y呈线对称，由此沿特定方向X交替地配置保水区域125和氧 化气体供给区域127。氧化气体流路可以直角形地迂曲(图4A)，可以弯曲地迂曲(图4B)，也可以锯齿 形迂曲(图4C)。(4)关于燃料气体流路燃料气体流路是用于将燃料气体供给到燃料极的流路。燃料气体流路的宽度优选 为0. 8mm 1. 2mm,燃料气体流路的深度优选为0. 3mm 0. 7mm。燃料气体流路的形状优选 呈直线状而不是如氧化气体流路那样呈迂曲状。燃料气体流路优选与上述的特定方向X平 行。另外，为了调节燃料气体的压力损失，也可以在燃料气体流路内设置突起。进而，用于 规定燃料气体流路的肋优选基本上对燃料气体不具有透过性。通过使用于规定燃料气体流 路的肋对燃料气体为非透过性，能够将燃料气体集中地供给到所期望的区域。在本发明中，燃料气体流路形成在燃料极分离器上。燃料极分离器即可以是碳分 离器，也可以是金属分离器。(5)关于氧化气体流路和燃料气体流路之间的位置关系本发明的特征还在于氧化气体流路和燃料气体流路之间的位置关系。具体而言， 在本发明的燃料电池中，燃料气体流路与保水区域以及氧化气体供给区域选择性地重叠。 另外，燃料气体流路不与氧化气体流路中的平行于燃料气体流路的部分重叠。这里，所述 “重叠”是指从相对于MEA的面方向垂直的方向看燃料电池时相互重叠的关系。图5是本发明的燃料电池的剖面的立体图并且是表示燃料气体流路和氧化气体流路之间的位置关系的图。图5所示的燃料电池包括:MEA110、空气极分离器120、燃料极 分离器130、氧化气体流路121以及燃料气体流路131。MEAllO具有高分子电解质膜111、 空气极催化层113、燃料极催化层115、空气极气体扩散层117以及燃料极气体扩散层119。另外，图6A是表示从与MEAllO的面方向垂直的方向看时的、图5所示的氧化气体 流路121和燃料气体流路131之间的位置关系的图。如图5以及图6A所示的燃料气体流路131’那样，燃料气体流路与保水区域125 以及氧化气体供给区域127选择性地重叠。另外，如图5和图6A所示的燃料气体流路131 那样，也可以配置为燃料气体流路仅与保水区域125重叠。另一方面，燃料气体流路131并不优选如图6B所示那样配置为与氧化气体流路 121中的平行于燃料气体流路131的部分重叠。如后所述，这是因为由于在空气极生成的水 通过氧化气体流路而被排出到燃料电池的外部，在氧化气体流路所在的区域，MEA的湿度降 低并且高分子电解质膜的膜阻上升。这样，通过将燃料气体流路配置为使其与保水区域重叠，能够将燃料气体供给到 含水率高(MEA的膜阻低)的区域，并高效率地将质子输送到空气极侧。另外，通过将燃料 气体流路配置为使其与保水区域以及氧化气体供给区域重叠，能够将燃料气体供给到含水 率以及氧化气体含有率高的区域，并更高效率地获得发电功率。流过氧化气体流路的氧化气体的流向与流过燃料气体流路的燃料气体的流向根 据燃料电池的运行条件而不同。例如，在中温无加湿条件下运行燃料电池时，优选氧化气体的流向和燃料气体的 流向相同。因此，在中温无加湿条件下运行燃料电池时，氧化气体的流向和燃料气体的流向 与特定方向X相同。这里，所谓“中温无加湿条件”是指没有对供给到燃料电池的氧化气体进行加湿 的运行条件。具体而言，所谓中温无加湿条件是指下述条件，即燃料电池发电时的温度为 55°C 75°C;供给到燃料电池的氧化气体的露点为45°C以下，优选的是-10°C 45°C;以及 供给到燃料电池的燃料气体的露点为50°C 70°C。若气体中含有的水分较多则露点变高， 若气体中含有的水分较少则露点变低。在这样的中温无加湿条件下，氧化气体的露点通常 比燃料气体的露点低20°C以上。另一方面，在高温低加湿条件下运转燃料电池时，优选的是氧化气体的流向与燃 料气体的流向相反。因此，在高温低加湿条件下运转燃料电池时，燃料气体的流向与特定方 向X相反。这里，所谓“高温低加湿条件”是指下述条件，即燃料电池发电时的温度为80°C IOO0C ；氧化气体的露点为55°C 75°C ；以及燃料气体的露点为50°C 70°C。在这样的高 温低加湿条件下，氧化气体的露点与燃料气体的露点之差通常为10°C以下。通常使用燃料电池处理器对碳氢类气体进行改质而生成向燃料电池热电联供系 统供给的燃料气体。使用燃料电池处理器对碳氢类气体进行改质而生成的燃料气体的露点 为50°C 70°C。如上所述，中温无加湿条件以及高温低加湿条件条件下的燃料气体的露点 为50°C 70°C都比较高，这是因为假定使用通过利用燃料电池处理器对碳氢类气体进行 改质而生成的燃料气体。至此为止，说明了流过所有的氧化气体流路的氧化气体的流向都相同的例子(参照图3)。但是，在本发明中氧化气体的流向不必是相同的。例如，有时本发明的燃料电池具 有图7所示的氧化气体流路。如图7所示的氧化气体流路121具有直线区域121a、直线区域121c以及转向区域 121b。转向区域121b连接直线区域121a和直线区域121c连接。从氧化气体流路的入口 至最初的转向区域121b为止的直线区域121a中，氧化气体流路121沿特定方向X。也就是 说，在直线区域121a中，氧化气体沿特定方向X流动。另一方面，转向区域121b后的直线 区域121c中，氧化气体流路121沿着与特定方向X相反的方向X’。也就是说，在直线区域 121c中，氧化气体沿特定方向V流动。另外，如上所述在氧化气体流路具有转向区域时，优选燃料气体流路也具有转向 区域。也可以层叠这样构成的燃料电池来制造燃料电池组。通常，燃料电池组由集电板、 绝缘板以及端板夹持，进而通过螺栓和螺母固定。接着，说明本发明的燃料电池运转时燃料电池内的水分的移动。本发明的燃料电池的运转时，向氧化气体流路供给无加湿或低加湿的氧化气体， 向燃料气体流路供给含有氢气的燃料气体，获得电能。通过以下的反应获得电能。首先，供给到燃料极的氢分子在燃料极气体扩散层中扩散而到达燃料极催化层。 在燃料极催化层中，氢分子被分为质子和电子。质子通过被加湿的高分子电解质膜而移动 到空气极侧。电子通过外部电路而移动到空气极。此时，能够将通过外部电路的电子作为 电能来利用。在空气极催化层中，通过高分子电解质膜而移动来的质子、通过外部电路而移 动来的电子以及供给到空气极的氧发生反应，生成水。如上所述在本发明的燃料电池中，将无加湿或低加湿的氧化气体供给到氧化气体 流路。在以往的燃料电池中，若将无加湿或低加湿的氧化气体供给到氧化气体流路，则有时 在氧化气体流路的入口附近，高分子电解质膜干燥，膜阻上升，并且输出密度下降。但是，在 本发明的燃料电池中，在相邻的氧化气体流路间配置保水区域，因此即使在氧化气体流路 的入口附近，也能够保持生成了的水分。另外，在相邻的氧化气体流路间，配置氧化气体供 给区域，因此能够向MEA供给充足量的氧化气体。以下使用

本发明的燃料电池中 的水分的移动。图8A是图5所示的本发明的燃料电池100的点划线A处的剖面图，并且是保水区 域125的剖面图。图8A中的多个箭头Z表示水的移动。如图8A所示，在保水区域中氧化 气体流路121和氧化气体流路121’之间的间隔大(肋宽度大)，所以在空气极催化层113 生成的水的几乎都扩散到肋123的下面并被保持。另外，在保水区域中，氧化气体流路121 和氧化气体流路121’之间的间隔大，所以保持在肋123的下面的水难以扩散到氧化气体流 路121。因此，在保水区域125内保持由发电生成的水分。图8B是图5所示的本发明的燃料电池100的双点划线B处的剖面图，并且是氧化 气体供给区域127的剖面图。图8B中的多个箭头Z’表示氧化气体的移动。如图8B所示， 在氧化气体供给区域中，氧化气体流路121和氧化气体流路121’之间的间隔小(肋宽度 小)。另外，如上所述，肋123是使氧化气体透过的多孔质体。因此，对氧化气体供给区域， 从氧化气体流路121以及氧化气体流路121’流入氧化气体，并集中地供给氧化气体。另一方面，在氧化气体供给区域中，氧化气体流路121和氧化气体流路121’之间的间隔小(肋宽度小)，所以保持在肋123下面的水容易扩散到氧化气体流路并且不保持水 分。这样，在本发明的燃料电池中，沿特定方向交替地配置保水区域和氧化气体供给 区域，由此能够沿特定方向交替地形成水分多的区域和氧浓度高的区域。由此，能够在燃料 电池内保持水分，并且向空气极供给充足量的氧。进而，通过使燃料气体流路与保水区域以及氧化气体供给区域选择性地重叠，能 够降低高分子电解质膜的膜阻，并向氧化气体的浓度高的区域供给燃料气体。由此，能够更 高效率地获得电能。因此，根据本发明，即使在无加湿或低加湿地供给氧化气体时，也能够维持MEA的 耐久性和高输出密度。以下，参照附图详细地说明本发明的实施方式。(实施方式1)在实施方式1中，说明氧化气体流路形成在空气极分离器上且燃料极分离器为金 属分离器的燃料电池。图9是实施方式1的燃料电池的立体图。图10是实施方式1的燃料电池100的 分解立体图的一部分。如图9及图10所示，燃料电池100具有MEA110、空气极分离器120以及燃料极分 离器130。MEAllO具有高分子电解质膜111、空气极催化层113、燃料极催化层115、空气极 气体扩散层117以及燃料极气体扩散层119。如图10所示，氧化气体流路121形成在空气极分离器120上。另外，燃料极分离 器130是具有波形形状的剖面的金属分离器。燃料极分离器130在其与MEAllO相接的面 上具有燃料气体流路131，在其与MEAllO相接的面的背面具有制冷剂流路153。燃料气体 流路131’与保水区域125以及氧化气体供给区域127选择性地重叠，并且不与氧化气体流 路121中的平行于燃料气体流路131的部分重叠。图11是图9和图10所示的空气极分离器120的俯视图。如图11所示，实施方式1的空气极分离器120包括氧化气体供给歧管孔140及 氧化气体排出歧管孔141、燃料气体供给歧管孔160及燃料气体排出歧管孔161、以及制冷 剂供给歧管孔150及制冷剂排出歧管孔151。氧化气体供给歧管孔140是用于向氧化气体流路121供给氧化气体的孔。氧化气 体排出歧管孔141是用于从氧化气体流路121排出氧化气体的孔。如上所述，在本实施方式中，氧化气体流路121形成在空气极分离器120上。因此， 空气极分离器120具有沿特定方向X的两个以上的氧化气体流路121。两个以上的氧化气 体流路121形成为迂曲状，其相对于与特定方向X平行的线呈线对称。因此，空气极分离器 120沿特定方向X交替地具有保水区域125和氧化气体供给区域127。图12是图9和图10所示的燃料极分离器130的俯视图。图12A是形成有燃料极 分离器130的燃料气体流路131的面的俯视图，图12B是图IlA所示的燃料极分离器130 的背面130’的俯视图。在背面130’形成相互平行的两个以上的制冷剂流路153。如图12A和12B所示，实施方式1的燃料极分离器130包括氧化气体供给歧管孔 140及氧化气体排出歧管孔141、燃料气体供给歧管孔160及燃料气体排出歧管孔161、以及制冷剂供给歧管孔150及制冷剂排出歧管孔151。另外，燃料极分离器130上形成相互平行 的两个以上的燃料气体流路131。燃料气体供给歧管孔160是用于向燃料气体流路131供给燃料气体的孔。燃料气 体排出歧管孔161是用于从燃料气体流路131排出燃料气体的孔。制冷剂供给歧管孔150是用于向制冷剂流路153供给制冷剂的孔。制冷剂排出歧 管孔151是用于从制冷剂流路153排出制冷剂的孔。如上所述，燃料极分离器130是金属分离器，所以燃料气体流路131和制冷剂流路 153为分别表里一体的关系。也就是说，形成在燃料极分离器130上的肋133对应于背面 130’上的制冷剂流路153，形成在背面130’上的肋155对应于燃料极分离器130的燃料气 体流路131(参照图10)。这样，在实施方式1的燃料电池的相邻的氧化气体流路间，沿特定方向交替地配 置保水区域和氧化气体供给区域，由此即使向氧化气体流路供给无加湿或低加湿的氧化气 体时，也能够在燃料电池内保持充足的水分，并向燃料电池供给充足量的氧化气体。进而，通过使燃料气体流路与保水区域以及氧化气体供给区域选择性地重叠，能 够降低高分子电解质膜的膜阻，并向氧化气体的浓度高的区域供给燃料气体，从而能够更 高效率地获得电能。因此，根据本实施方式，即使在无加湿或低加湿地供给氧气体时，也能 够维持MEA的耐久性和高输出密度。(实施方式2)在实施方式1中，说明了上游侧的氧化气体流路及下游侧的氧化气体流路的双方 为迂曲状的例子。在实施方式2中说明仅上游侧的氧化气体流路为迂曲状而下游侧的氧化 气体流路为直线状的燃料电池。实施方式2的燃料电池与实施方式1的燃料电池100除了氧化气体流路的下游的 形状不同以外，其他相同。因此，在本实施方式中，仅说明氧化气体流路的形状。图13是实施方式2的燃料电池的空气极分离器220的俯视图。对与实施方式1 的空气极分离器120相同的构成要素，赋予相同的标号，并省略其说明。图13所示的空气极分离器220具有沿特定方向X的两个以上的氧化气体流路 221。氧化气体流路221由上游区域221a和下游区域221b构成。这里，所谓“上游区域”是 指氧化气体流路中的氧化气体供给歧管孔140侧的区域，所谓“下游区域”是指氧化气体流 路中的氧化气体排出歧管孔141侧的区域。在上游区域221a中，氧化气体流路221为迂曲状。另外，在上游区域221a中，相邻 的氧化气体流路221彼此相对于与特定方向X平行的线呈线对称。因此，在上游区域221a 中，在相邻的氧化气体流路221间，沿特定方向X交替地配置保水区域125和氧化气体供给 区域127。另一方面，在下游区域221b中，氧化气体流路221为直线状。因此，在下游区域 221b中，相邻的氧化气体流路221间的间隔(肋123的宽度)恒定。另外，下游区域221b 中的相邻的氧化气体流路221间的间隔小于上游区域221a中的相邻的氧化气体流路221 间的间隔的最大值(保水区域125的宽度)。下游区域221b中的相邻的氧化气体流路221 间的间隔优选大致与上游区域221a中的配置在相邻氧化气体流路221间的氧化气体供给 区域127的宽度相同。这样，下游区域221b中的相邻的氧化气体流路221间的间隔小于上游区域221a中的相邻氧化气体流路221间的间隔，所以在下游区域221b中，氧化气体流路 221的数多于上游区域221a。这样通过仅在相邻的上游区域形成保水区域，能够选择性地在燃料电池中特别容 易干燥的氧化气体供给歧管孔附近(上游区域)保持水分。另外，在氧化气体容易枯竭的 下游区域，使氧化气体流路彼此为直线状，并减小氧化气体流路的间隔，由此能够增加氧化 气体的供给量。(实施方式3)在实施方式1和2中说明了在空气极分离器上形成氧化气体流路的方式。在实施 方式3中，说明在空气极气体扩散层上形成氧化气体流路的方式。图14是实施方式3的燃料电池300的分解立体图。对与实施方式1的燃料电池 100相同的构成部件，赋予相同的标号，并省略其说明。如图14所示，燃料电池300具有空气极气体扩散层317及空气极分离器320。在 空气极气体扩散层317上形成了氧化气体流路121。另外，空气极分离器320是平板。[实施例1]在实验例1中，通过计算机模拟，解析了在中温无加湿条件下运转了本发明的实 施方式1及实施方式2的燃料电池时的、发电电压、膜阻以及反应气体的相对湿度。图15表示在中温无加湿条件下(燃料电池的发电时的温度65°C ；氧化气体的露 点35°C ；燃料气体的露点65°C )运转了实施方式1的燃料电池以及实施方式2的燃料电 池时的、发电电压以及膜阻的模拟结果。进而，作为比较例也表示在中温完全加湿条件下(燃料电池的发电时的温度 650C ；氧化气体的露点65°C ；燃料气体的露点65°C )运转了以往的燃料电池(没有保水 区域和氧化气体供给区域的燃料电池)时(以往例1)和在中温无加湿条件下运转了以往 的燃料电池时(以往例2)的、发电电压以及膜阻的模拟结果。图15所示的“同一方向”是指氧化气体的流向和燃料气体的流向相同的情况，“相 反方向”是指氧化气体的流向和燃料气体的流向相反的情况。如图15所示，在中温无加湿条件下运转以往例2及实施方式1的燃料电池的情况 下，氧化气体和燃料气体的流向相同时的一方发电电压高。该结果暗示在中温无加湿条件 下，氧化气体的流向和燃料气体的流向相同的燃料电池的发电性能高。另外，可知以往例2、实施方式1以及实施方式2的燃料电池具有与以往的在氧化 气体的中温完全加湿条件下运转的燃料电池(以往例1)同等的发电电压。但是，实施方式 1及实施方式2的燃料电池的膜阻小于以往例2的燃料电池。该结果暗示实施方式1及 实施方式2的燃料电池的MEA的含水率高于以往例2的燃料电池。图16表示在中温无加湿条件下运转实施方式1的燃料电池及实施方式2的燃料 电池时的、氧化气体流路内的相对湿度(图16A)及燃料气体流路内的相对湿度(图16B) 的模拟结果。进而，作为比较例也表示在中温完全加湿条件下运转了以往的燃料电池时(以 往例1)和在中温无加湿条件下运转了以往的燃料电池时(以往例2、的气体流路内的相对 湿度的模拟结果。另外，在本模拟中，将氧化气体的流向和燃料气体的流向设为相同。
图16A及图16B中的点划线Al表示实施方式1的相对湿度；实线A2表示实施方 式2的相对湿度；双点划线Bl表示以往例1的相对湿度；虚线B2表示以往例2的相对湿度。如图16A所示，实施方式1及实施方式2的燃料电池的氧化气体流路内的相对湿 度在最容易干燥的氧化气体流路入口附近也大致维持在70%以上。另一方面，以往例2的 燃料电池的氧化气体流路内的相对湿度在氧化气体流路入口附近变成30%以下。另外，在实施方式1的燃料电池中，在氧化气体流路的出口附近相对湿度超过 100%,但在实施方式2的燃料电池中，在氧化气体流路的出口附近相对湿度未超过100%。 其暗示在实施方式2的燃料电池中，在氧化气体流路的出口附近难以产生溢流。如图16B所示，实施方式1及实施方式2的燃料电池的燃料气体流路内的相对湿 度大致维持在80%以上。另一方面，以往例2的燃料电池的燃料气体流路内的相对湿度在 燃料气体流路入口附近变成70%以下。这样，在中温无加湿条件下，与以往的燃料电池相比，本发明的燃料电池的相对温 度高，而且膜阻低。因此可以预想，在中温无加湿条件下，与以往的燃料电池相比，本发明的 燃料电池的MEA的耐久性高。[实施例2]在实验例2中，通过计算机模拟，解析了在高温低加湿条件下运转了本发明的实 施方式1及实施方式2的燃料电池时的、发电电压、膜阻以及反应气体的相对湿度。图17表示在高温低加湿条件下(燃料电池的发电时的温度90°C ；氧化气体的露 点65°C ；燃料气体的露点65°C )运转了实施方式1的燃料电池以及实施方式2的燃料电 池时的、发电电压以及膜阻的模拟结果。进而，作为比较例也表示在中温完全加湿条件下运转了以往的燃料电池时(以 往例1)和在高温低加湿条件下运转了以往的燃料电池时(以往例2、的、发电电压及膜阻 的模拟结果。图17所示的“同一方向”是指氧化气体的流向和燃料气体的流向相同的情况，“相 反方向”是指氧化气体的流向和燃料气体的流向相反的情况。如图17所示，以往例2及实施方式1的燃料电池中，氧化气体和燃料气体的流向 相反时的燃料电池的发电电压高。该结果暗示在高温低加湿条件下，燃料气体的流向和氧 化气体的流向相反的燃料电池的发电性能高。另外，实施方式1及实施方式2的燃料电池的膜阻小于以往例2的燃料电池。该 结果暗示实施方式1及实施方式2的燃料电池的含水率高于以往例2的燃料电池的含水 率。进而，实施方式2的燃料电池的发电电压高于以往例2及实施方式1的燃料电池。图18表示在高温低加湿条件下运转了实施方式1的燃料电池及实施方式2的燃 料电池时的、氧化气体流路内的相对湿度(图18A)及燃料气体流路内的相对湿度(图18B) 的模拟结果。进而，作为比较例也表示在中温完全加湿条件下运转了以往的燃料电池时(以 往例1)和在高温低加湿条件下运转了以往的燃料电池时(以往例2、的、气体流路内的相 对湿度的模拟结果。另外，在模拟中，使氧化气体的流向与燃料气体的流向相反。
图18A及图18B中的点划线Al表示实施方式1的相对湿度；实线A2表示实施方 式2的相对湿度；双点划线Bl表示以往例1的相对湿度；虚线B2表示以往例2的相对湿度。如图18A所示，实施方式1及实施方式2的燃料电池的氧化气体流路内的相对湿 度在最容易干燥的氧化气体流路入口附近也大致维持在40%以上。另一方面，以往例2的 燃料电池的氧化气体流路内的相对湿度在氧化气体流路入口附近变成40%以下。如图18B所示，实施方式1及实施方式2的燃料电池的燃料气体流路内的相对湿 度在燃料气体流路的入口附近大致为60%，相对于此，在以往例2中，相对湿度没有超过 60%。这样，在高温低加湿条件下，与以往的燃料电池相比，本发明的燃料电池的发电电 压高，而且膜阻低。因此可以预想，在高温低加湿条件下，与以往的燃料电池相比，本发明的 燃料电池的输出密度高，并且MEA的耐久性高。[实施例3]在本实施例中，说明用于表示下述情况的模拟试验，即因保水区域及氧化气体供 给区域的宽度而燃料电池的输出变化。使用ANSYS公司的FLUENT12作为模拟用的程序。接着说明模拟中的各种参数。催化电极的大小为纵向长200mm。将氧化气体流路的宽度设为1. 0mm，将其深度设为0. 3mm。将燃料气体流路的宽度 设为1.0mm，将其深度设为0.5mm。将高分子电解质膜的厚度设为30 μ m，将空气极催化层 的厚度设为10 μ m，将空气极气体扩散层的厚度设为200 μ m，将燃料极催化层的厚度设为 10 μ m，将燃料极气体扩散层的厚度设为400 μ m。使气体扩散层的扩散性与纸张类型(Paper Type)、布类型(Cloth Type)为相同程度。将氧化气体的露点设为65°C，将燃料气体的露点设为65°C，并将单元温度设为 80°C。将氧化气体(空气)的利用率设为55%，并将燃料气体(氢75%、二氧化碳25% ) 的利用率设为75%。将氧化气体供给区域的宽度作为变量而设为Omm 6mm。另外，使保水区域的宽度 为对氧化气体供给区域的宽度的值加上两条流路的宽度的值Omm)所得的值，而将其设为 2 8mm。图19是表示实验例3的解析结果的图表。图19所示的图表的横轴表示氧化气体 供给区域的宽度，纵轴表示发电电压。如图19所示，在氧化气体供给区域的宽度为Omm 2mm的范围内，发电电压增加，而在氧化气体供给区域的宽度为2mm以上的范围内，发电 电压减少。另外，氧化气体供给区域的宽度在1.4mm 3. Imm的范围内时，发电电压变高 (6. 9mV 以上)。该结果暗示氧化气体供给区域的宽度为1. 4mm 3. Imm,而且保水区域的宽度为 3. 4mm 5. Imm时，发电电压变高。本申请主张基于2008年11月12日申请的(日本)特愿2008-290010的优先权。 该申请说明书中所记载内容全部被本申请引用。工业上的可利用性
本发明的燃料电池对高温低加湿或中温无加湿运转的固体高分子型燃料电池等 极为有用。
权利要求
1.燃料电池，包括膜电极接合体，其具有高分子电解质膜、以及夹着所述高分子电解质膜且由空气极和 燃料极构成的一对催化电极；一对分离器，其由夹着所述膜电极接合体的空气极分离器和燃料极分离器构成； 两个以上的氧化气体流路，其向所述空气极供给氧化气体且沿着特定方向；以及 两个以上的直线状的燃料气体流路，其向所述燃料极供给燃料气体且与所述特定方向 平行，在相邻的两个所述氧化气体流路之间，沿所述特定方向交替地配置所述氧化气体流路 间的间隔大的区域和所述间隔小的区域，所述燃料气体流路不与所述氧化气体流路中的平行于所述燃料气体流路的部分重叠。
2.如权利要求1所述的燃料电池，所述氧化气体流路由对氧化气体具有透过性的肋来规定， 所述肋由导电性多孔质体构成。
3.如权利要求2所述的燃料电池，所述导电性多孔质体中的平均孔径为10 μ m以下。
4.如权利要求1所述的燃料电池， 所述两个以上的氧化气体流路为迂曲状，相邻的两个所述氧化气体流路彼此相对于与所述特定方向平行的线呈线对称。
5.如权利要求1所述的燃料电池，所述氧化气体流路形成在所述空气极分离器上。
6.如权利要求5所述的燃料电池，所述空气极分离器具有金属板以及配置在所述金属板上且由导电性多孔质体构成的肋。
7.如权利要求1所述的燃料电池，所述空气极具有与所述高分子电解质膜相接的催化层、以及层叠在所述催化层上且与 所述空气极分离器相接的气体扩散层，所述氧化气体流路形成在所述气体扩散层上。
8.如权利要求1所述的燃料电池，所述燃料气体流路形成在所述燃料极分离器上， 所述燃料极分离器具有用于规定所述燃料气体流路的肋， 所述肋对所述燃料气体不具有透过性。
9.如权利要求8所述的燃料电池，所述燃料极分离器是碳分离器或金属分离器。
10.如权利要求1所述的燃料电池，流过所述氧化气体流路的所述氧化气体的流向和流过所述燃料气体流路的所述燃料 气体的流向与所述特定方向相同，供给所述燃料电池的所述氧化气体的露点为45°c以下。
11.如权利要求1所述的燃料电池，流过所述氧化气体流路的所述氧化气体的流向和流过所述燃料气体流路的所述燃料气体的流向与所述特定方向相同，供给所述燃料电池的所述氧化气体的露点为-10°C 45°C，并且供给所述燃料电池的 所述氧化气体不被加湿。
12.如权利要求1所述的燃料电池，流过所述氧化气体流路的所述氧化气体的流向与所述特定方向相同，而流过所述燃料 气体流路的所述燃料气体的流向与所述特定方向相反，供给所述燃料电池的所述氧化气体的露点为 75°C。
13.燃料电池，包括膜电极接合体，其具有高分子电解质膜、以及夹着所述高分子电解质膜且由空气极和 燃料极构成的一对催化电极；一对分离器，其由夹着所述膜电极接合体的空气极分离器和燃料极分离器构成；以及 两个以上的氧化气体流路，其向所述空气极供给氧化气体且沿着特定方向， 所述氧化气体流路由上游区域和下游区域构成，在所述上游区域中，在相邻的两个所述氧化气体流路之间，沿所述特定方向交替地配 置所述氧化气体流路间的间隔大的区域和所述间隔小的区域，在所述下游区域中，相邻的两个所述氧化气体流路间的间隔的大小是恒定的， 所述下游区域中的相邻的两个所述氧化气体流路间的间隔小于所述上游区域中的相 邻的两个所述氧化气体流路间的间隔的最大值。
全文摘要
一种燃料电池，该燃料电池包括膜电极接合体，其具有高分子电解质膜、以及夹着所述高分子电解质膜且由空气极和燃料极构成的一对催化电极；一对分离器，其由夹着所述膜电极接合体的空气极分离器和燃料极分离器构成；两个以上的氧化气体流路，其向所述空气极供给氧化气体且沿着特定方向；以及两个以上的直线状的燃料气体流路，其向所述燃料极供给燃料气体且与所述特定方向平行，在相邻的两个所述氧化气体流路之间，沿所述特定方向交替地配置所述氧化气体流路间的间隔大的区域和所述间隔小的区域，所述燃料气体流路不与所述氧化气体流路中的平行于所述燃料气体流路的部分重叠。
文档编号H01M8/02GK102132449SQ200980133108
公开日2011年7月20日 申请日期2009年9月30日 优先权日2008年11月12日
发明者中川贵嗣, 吉本美由纪, 松本敏宏, 竹口伸介 申请人:松下电器产业株式会社