专利名称：高分子电解质型燃料电池及具备其的燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及高分子电解质型燃料电池和具备该燃料电池的燃料电池系统，特别涉及高分子电解质型燃料电池的隔板的结构。
背景技术：
高分子电解质型燃料电池(以下称“ PEFC”)是通过使含有氢的燃料气体与空气等的含有氧的氧化剂气体进行电化学反应而同时产生电和热的燃料电池。PEFC的单电池(cell)具有由高分子电解质膜和ー对气体扩散电极(阳极和阴极)构成的MEA(Membrane-Electrode-Assembly,膜-电极组件)、密封垫(gasket)、以及导电性的板状隔板。另外，在隔板的主面上，设置有形成用于供给和排出燃料气体或者氧化剂气体(将这些称为“反应气体”)的歧管(manifold)的歧管孔(反应气体供给用歧管孔和反应气体排出用歧管孔)，在与气体扩散电极相接触的主面上，流通反应气体的以槽状形成为蜿蜒(serpentine)状的反应气体流路被设置成与这些歧管孔相连通。已知有ー种燃料电池用隔板和燃料电池单电池，S卩，在上述蜿蜒状的反应气体流路中，在流路的折回部设置有混合发电气体的凹部，并配置有从该凹部的底面竖立设置的岛状的多个突起(例如參照专利文献I)。在专利文献I所公开的燃料电池用隔板和燃料电池单电池中，通过在流路槽的延长段上配置突起，能够适当地实现发电气体的混合。现有技术文献专利文献专利文献1:日本特开2007-48486号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题然而，本发明人发现:即使是上述专利文献I所公开的燃料电池用隔板和燃料电池单电池，从改善利用在低加湿下所供给的反应气体进行发电时的电池性能这样的观点看，还有改善的余地。S卩，在反应气体是低加湿的情况下，由于在发电所产生的生成水容易滞留的隔板的与气体扩散层相接触的部分(肋部)进行反应，因此，在上述专利文献I所公开的燃料电池单电池中，凹部的突起与其他区域(例如，肋部)相比较，与气体扩散层的接触面积变小。因此，凹部的突起与其他区域相比较，发电变得集中。再者，从燃料电池单电池的层叠方向看，在设置在一个隔板上的凹部与设置在另ー个隔板上的凹部相重叠的部分，发电集中尤其严重，发热量増加，高分子电解质膜可能发生劣化。本发明是鉴于这样的技术问题而作出的，其目的在于，提供ー种高分子电解质型燃料电池和具备该燃料电池的燃料电池系统，该燃料电池与现有的燃料电池相比，能够减少隔板与电极之间的电接触电阻，并能够抑制高分子电解质膜的劣化。解决技术问题的手段为了解决上述问题，本发明所涉及的高分子电解质型燃料电池具备:电解质层-电极组件，其具有电解质层与夹着该电解质层的一对电极；导电性的第I隔板，其是板状的，且配置成与所述电解质层-电极组件的所述ー对电极中的一个电极相接触，并且在该第I隔板的与所述电极相接触的一个主面上设置有流通第I反应气体的第I反应气体流通区域，该第I反应气体流通区域形成为弯曲状并具有槽状的多个第I直线部和I个以上的第I折回部；以及导电性的第2隔板，其是板状的，且配置成与所述电解质层-电极组件的所述ー对电极中的另ー个电极相接触，在该第2隔板的与所述电极相接触的一个主面上设置有流通第2反应气体的第2反应气体流通区域，该第2反应气体流通区域形成为弯曲状且具有槽状的多个第2直线部和I个以上的第2折回部；在所述第I隔板上，在I个以上的所述第I折回部中的至少I个第I折回部中，设置有第I凹部和从该第I凹部的底面竖立设置的多个第I突起部；在所述第2隔板上，在I个以上的所述第2折回部中的至少I个第2折回部中，设置有第2凹部和从该第2凹部的底面竖立设置的多个第2突起部；从所述第I隔板的厚度方向看，重叠面积是总面积的5%以下，所述重叠面积是设置在所述第I隔板上的所述第I凹部与设置在所述第2隔板上的所述第2凹部相互重叠的面积的合计，所述总面积是设置在所述第I隔板上的全部的所述第I凹部的面积与设置在所述第2隔板上的全部的所述第2凹部的面积的合计面积。由此，与现有的燃料电池相比，能够减少设置有凹部和突起部的折回部上的隔板与电极之间的电接触电阻。另外，本发明所涉及的燃料电池系统具备:所述高分子电解质型燃料电池；构成为将所述第I反应气体供给至所述第I反应气体流通区域的第I反应气体供给器；构成为将所述第2反应气体供给至所述第2反应气体流通区域的第2反应气体供给器；构成为将所述冷却介质供给至所述冷却介质流通区域的冷却介质供给器；以及控制器，以使供给至所述第I反应气体流通区域的所述第I反应气体的露点和供给至所述第2反应气体流通区域的所述第2反应气体的露点，比供给至所述冷却介质流通区域的所述冷却介质的温度更低的方式，控制所述第I反应气体供给器、所述第2反应气体供给器和所述冷却介质供给器。由此，特别在将低加温的反应气体供给至燃料电池的情况下，与现有的燃料电池系统相比，能够减少设置有凹部和突起部的折回部上的隔板与电极之间的电接触电阻。在參照附图的情况下，根据以下的优选实施方式的详细说明可以明确本发明的上述目的、其他目的、特征和益处。发明的效果根据本发明的燃料电池和具备该燃料电池的燃料电池系统，与现有的燃料电池相比，可以减少设置有凹部和突起部的折回部上的隔板与电极之间的电接触电阻。
图1是示意性地表示具备本实施方式I所涉及的高分子电解质型燃料电池的燃料电池堆的概略结构的立体图。
图2是示意性地表示图1所示的燃料电池堆中的燃料电池的概略结构的截面图。图3是示意性地表示图2所示的高分子电解质型燃料电池中的阳极隔板和阴极隔板的内面的概略结构的示意图。图4是从阳极隔板的厚度方向看图2所示的高分子电解质型燃料电池的的透视图。图5是表示本实施方式I的变形例I的高分子电解质型燃料电池的阳极隔板和阴极隔板的内面的概略结构的示意图。图6是示意性地表示本实施方式2所涉及的燃料电池系统的概略结构的框图。
具体实施例方式以下，參照
本发明的优选实施方式。再有，在所有的附图中，对相同或相当部分标注相同的符号，省略重复的说明。另外，在所有的附图中，仅选取为了说明本发明所必需的构成要素进行图示，其他的构成要素省略了图示。此外，本发明不限于以下实施方式。(实施方式I)本实施方式I所涉及的高分子电解质型燃料电池示例以下形态的燃料电池，其具备:电解质层-电极组件，其具有电解质层与夹着该电解质层的一对电极；导电性的第I隔板，其是板状的，且配置成与电解质层-电极组件的一对电极中的一个电极相接触，并且在该第I隔板的与电极相接触的一个主面上设置有流通第I反应气体的第I反应气体流通区域，该第I反应气体流通区域形成为弯曲状并具有槽状的多个第I直线部和I个以上的第I折回部；以及导电性的第2隔板，其是板状的，且配置成与电解质层-电极组件的一对电极中的另ー个电极相接触，在该第2隔板的与电极相接触的一个主面上设置有流通第2反应气体的第2反应气体流通区域，该第2反应气体流通区域形成为弯曲状且具有槽状的多个第2直线部和I个以上的第2折回部；在第I隔板上，在I个以上的第I折回部中的至少I个第I折回部中，设置有第I凹部和从该第I凹部的底面竖立设置的多个第I突起部；在第2隔板上，在I个以上的第2折回部中的至少I个第2折回部中，设置有第2凹部和从该第2凹部的底面竖立设置的多个第2突起部；从第I隔板的厚度方向看，重叠面积是总面积的5%以下，重叠面积是设置在第I隔板上的第I凹部与设置在第2隔板上的第2凹部相互重叠的面积的合计，总面积是设置在第I隔板上的全部的第I凹部的面积与设置在第2隔板上的全部的第2凹部的面积的合计面积。再有，从容易进行第I反应气体流通区域或第2反应气体流通区域的设计变更的观点出发，重叠面积设定为总面积的5%以下。另外，从进ー步减少折回部上的隔板与电极之间的电接触电阻的观点出发，重叠面积占总面积的比例越低越优选，例如可以将该比例适当设定为4%以下、3%以下、2%以下、1%以下。另外，在本实施方式I所涉及的高分子电解质型燃料电池中，第I凹部可以设置在第I反应气体流通区域的上游部分。另外，在本实施方式I所涉及的高分子电解质型燃料电池中，第2凹部可以设置在第2反应气体流通区域的上游部分。另外，在本实施方式I所涉及的高分子电解质型燃料电池中，可以是被构成为:第I反应气体流通区域和第2反应气体流通区域成为并行流，且从第I隔板的厚度方向看，在从第I反应气体流通区域的上游行进到下游的情况下与电极最先重叠的第I直线部中流通的第I反应气体，与在从第2反应气体流通区域的上游行进到下游的情况下与电极最先重叠的第2直线部中流通的第2反应气体，彼此相对；从第I隔板的厚度方向看，第I凹部设置在从第I反应气体流通区域的上游行进到下游的情况下最先与一个电极重叠的第I折回部中，从第2隔板的厚度方向看，第2凹部设置在从第2反应气体流通区域的上游行进到下游的情况下最先与另ー个电极重叠的第2折回部中。另外，在本实施方式I所涉及的高分子电解质型燃料电池中，第2凹部与第I凹部相比，所设置的数目可以更多。此外，在本实施方式I所涉及的高分子电解质型燃料电池中，在第I隔板和第2隔板中的至少ー个隔板的与电极不接触的另ー个主面上，也可以设置流通冷却介质的冷却介质流通区域。以下，參照
本实施方式I所涉及的高分子电解质型燃料电池的ー个例子。[燃料电池堆的结构]图1是示意性地表示具备本实施方式I所涉及的高分子电解质型燃料电池(以下，简称为“燃料电池”)的燃料电池堆的概略结构的立体图。再有，在图1中，燃料电池堆的上下方向表示为图中的上下方向。如图1所示，本实施方式I所涉及的燃料电池堆61具有単元层叠体62。単元层叠体62通过将多个燃料电池100在其厚度方向上层叠而形成。在単元层叠体62的两端，分别配置有端板63、64。另外，端板63与単元层叠体62之间、以及端板64与単元层叠体62之间，分别配置有集电板和绝缘板(未图示)。再者，単元层叠体62等通过未图示的紧固件进行紧固。在单元层叠体62的一个侧部(图左侧的侧部:以下，称为“第I侧部”)的上部，以在该单元层叠体62的燃料电池100的层叠方向上贯通的方式设置有燃料气体供给歧管131，在其下部，设置有氧化剂气体排出歧管134。另外，在単元层叠体62的第I侧部的配置有燃料气体供给歧管131的上部的内側，以在该单元层叠体62的燃料电池100的层叠方向贯通的方式设置有冷却介质供给歧管135。此外，在单元层叠体62的另ー个侧部(图右侧的侧部:以下，称为“第2侧部”)的上部，以在该単元层叠体62的燃料电池100的层叠方向上贯通的方式设置有氧化剂气体供给歧管133，在其下部，以在该単元层叠体62的燃料电池100的层叠方向上贯通的方式设置有燃料气体排出歧管132。另外，在単元层叠体62的第2侧部的配置有燃料气体排出歧管132的下部的内側，以在该単元层叠体62的燃料电池100的层叠方向上贯通的方式设置有冷却介质排出歧管136。再者，在各个歧管中，设置有适当的配管。由此，经由适当的配管，燃料气体、氧化剂气体和冷却介质被供给至燃料电池堆61，以及从燃料电池堆61中排出(參照实施方式2)。再有，在本实施方式I中，燃料电池100采用所谓的内部歧管型的燃料电池堆，但并不限于此，也可以采用外部歧管型的燃料电池堆。[高分子电解质型燃料电池的结构]
下面，參照图2说明本实施方式I所涉及的高分子电解质型燃料电池的结构。图2是示意性地表示图1所示的燃料电池堆中的燃料电池的概略结构的截面图。如图2所示，本实施方式I所涉及的燃料电池100具备MEA(Membrane-Electrode-Assembly,膜-电极组件)5、密封垫(gasket)7、阳极隔板(第 I 隔板)6A、阴极隔板(第2隔板)6B。MEA5具有选择性地输送氢离子的高分子电解质膜1、阳极4A、以及阴极4B。高分子电解质膜I具有大致四边形(这里是矩形)的形状，在高分子电解质膜I的两面，以位于比其周缘部更向内的位置的方式分别设置有阳极4A和阴极4B。再有，在高分子电解质膜I的周缘部，以在厚度方向贯通的方式设置有燃料气体供给歧管孔31、冷却介质供给歧管孔35等的各歧管孔。阳极4A设置在高分子电解质膜I的一个主面上，并具有:包含由担载钼系金属催化剂(电极催化剂)的碳粉末(导电性碳颗粒)构成的担载催化剂的碳、以及附着于担载催化剂的碳的高分子电解质的阳极催化剂层2A ;以及兼备透气性和导电性的阳极气体扩散层3A。阳极催化剂层2A被配置成一个主面与高分子电解质膜I相接触。在阳极催化剂层2A的另ー个主面上，配置有阳极气体扩散层3A。同样地，阴极4B设置在高分子电解质膜I的另ー个主面上，并具有:包含由担载钼系金属催化剂(电极催化剂)的碳粉末(导电性碳颗粒)构成的担载催化剂的碳、以及附着于担载催化剂的碳的高分子电解质的阴极催化剂层2B ;以及设置在阴极催化剂层2B上且兼备透气性和导电性的阴极气体扩散层3B。阴极催化剂层2B被配置成一个主面与高分子电解质膜I相接触。在阴极催化剂层2B的另ー个主面上，配置有阴极气体扩散层3B。再有，在本实施方式I中，从阳极隔板6A的厚度方向看，阳极催化剂层2A被形成为其外端位于比阳极气体扩散层3A的外端更向外的位置(更突出)，另外，阴极催化剂层2B被形成为其外端位于比阴极气体扩散层3B的外端更向外的位置，但不限于此，阳极催化剂层2A可以被形成为其外端位于比阳极气体扩散层3A更向内的位置，阴极催化剂层2B可以被形成为其外端位于比阴极气体扩散层3B更向内的位置。另外，在MEA 5的阳极4A和阴极4B(准确地说，是阳极气体扩散层3A和阴极气体扩散层3B)的周围,夹着高分子电解质膜I而配置有ー对氟橡胶制且炸面包圈(doughnuts)状的密封垫7。由此，防止燃料气体或氧化剂气体泄漏至电池外，而且防止这些气体在燃料电池100内相互混合。再有，在密封垫7的周缘部，设置有由厚度方向的贯通孔构成的燃料气体供给歧管孔31、冷却介质供给歧管孔35等的各歧管孔。另外，以夹着MEA 5和密封垫7的方式，配置有导电性的阳极隔板6A和阴极隔板6B。由此，MEA 5被机械固定，当将多个燃料电池100在其厚度方向上层叠吋，MEA 5被电连接。再有，阳极隔板6A和阴极隔板6B可以使用热传导性和导电性优良的金属、石墨、或者石墨与树脂的混合物，例如，可以使用通过将碳粉末与粘合剂(溶剤)的混合物注塑成形而制作的隔板、或者在钛或不锈钢制的板的表面实施镀金后的隔板。在阳极隔板6A的与阳极4A相接触的一个主面(以下，称为“内面”)，设置有用于流通燃料气体(第I反应气体)的燃料气体流通区域8，另外，在另ー个主面(以下，称为“外面”)设置有用于流通冷却介质的槽状的冷却介质流通区域10。同样地，在阴极隔板6B的与阴极4B相接触的一个主面(以下，称为“内面”)，设置有用于流通氧化剂气体(第2反应气体)的氧化剂气体流通区域9，另外，在另ー个主面(以下，称为“外面”)设置有用于流通冷却介质的槽状的冷却介质流通区域10。再有，在阳极隔板6A和阴极隔板6B的各个主面的周缘部，设置有燃料气体供给歧管孔31、冷却介质供给歧管孔35等的各歧管孔。另外，冷却介质流通区域10的形状是任意的，例如可以形成为所谓的直线状，也可以形成为蜿蜒状，而且还可以形成为旋涡状。此外，在I个燃料电池100中，冷却介质流通区域10只要设置在阳极隔板6A和阴极隔板6B中的至少ー个隔板的外表面即可。由此，燃料气体和氧化剂气体分别供给至阳极4A和阴极4B，这些气体进行反应而产生电和热，并生成水。另外，通过使冷却水等的冷却介质在冷却介质流通区域10中流通，对所产生的热进行回收。再有，可以将像这样构成的燃料电池100作为单电池(cell)来进行使用，也可以层叠多个燃料电池100作为燃料电池堆61来使用。[隔板的结构]下面，參照图2至图4更详细地说明阳极隔板6A和阴极隔板6B的结构。图3是表示图2所示的高分子电解质型燃料电池的阳极隔板和阴极隔板的内面的概略结构的示意图。另外，图4是从阳极隔板的厚度方向看图2所示的高分子电解质型燃料电池的的透视图。再有，在图3中，将隔板的上下方向表示为图中的上下方向，并用I条粗线表示反应气体流通的槽。另外，在图4中，省略反应气体和冷却介质流通的槽，用实线表示第I凹部和第I突起部，用虚线表示第2凹部和第2突起部，对第I凹部与第2凹部重叠的部分用影线表示。如图3所示，阳极隔板6A是板状的且被构成为大致矩形。在阳极隔板6A的主面的周缘部，形成有多个贯通孔，这些贯通孔构成燃料气体供给歧管孔31等的各歧管孔。具体而言，在阳极隔板6A的一个侧部(以下，称为“第I侧部”)的上部，设置有燃料气体供给歧管孔31，在其下部，设置有氧化剂气体排出歧管孔34。另外，在燃料气体供给歧管孔31的上部的内侧，设置有冷却介质供给歧管孔35。另ー方面，在阳极隔板6A的另ー个侧部(以下，称为“第2侧部”)的上部，设置有氧化剂气体供给歧管孔33，在其下部，设置有燃料气体排出歧管孔32。另外，在燃料气体排出歧管孔32的下部的内侧，设置有冷却介质排出歧管孔36。同样地，阴极隔板6B是板状的且被构成为大致矩形。在阴极隔板6B的主面的周缘部，形成有多个贯通孔，这些贯通孔构成燃料气体供给歧管孔31等的各歧管孔。另外，各歧管孔的位置关系与阴极隔板6B同样地配置，因此省略了其说明。另外，在阳极隔板6A的内面，以连接燃料气体供给歧管孔31与燃料气体排出歧管孔32的方式，设置有形成为弯曲状的燃料气体流通区域8。从阳极隔板6A的厚度方向看，燃料气体流通区域8整体上形成为蜿蜒状。另外，燃料气体流通区域8具有槽状的多个第I直线部18、以及I个以上(这里是4个)的第I折回部28。第I直线部18由流路槽形成，并被构成为燃料气体在其中流通(分流)。第I折回部28被构成为使在第I直线部18中流通的燃料气体反转(折回)。另外，在I个以上的第I折回部28中的至少I个(本实施方式I中是2个)第I折回部28中，设置有第I凹部48A和第I凹部48B (以下，有时也称为“第I凹部48”)。
具体而言，从阳极隔板6A的厚度方向看，在燃料气体流通区域8中从上游侧行进到下游侧的情况下最先与阳极4A重叠的第I折回部28中，以及在燃料气体流通区域8中从下游侧行进到上游侧的情况下最先与阳极4A重叠的第I折回部28中，分别设置有第I凹部48。S卩，从阳极隔板6A的厚度方向看，第I凹部48A设置在从燃料气体流通区域8的上游侧行进到下游侧的情况下的第I个第I折回部28中；从阳极隔板6A的厚度方向看，第I凹部48B设置在从燃料气体流通区域8的上游侧行进到下游侧的情况下的第4个第I折回部28中。再有，若从阳极隔板6A的厚度方向看，第I凹部48与后述的第2凹部49重叠的面积的合计即重叠面积，为设置在阳极隔板6A上的全部第I凹部48的面积与设置在阴极隔板6B上的全部第2凹部49的面积的合计面积即总面积的5%以下，则设置第I凹部48的位置可以设置在任意的位置，其设置的个数也可以任意设定。例如，第I凹部48可以仅设置在燃料气体流通区域8的上游部分。这里，燃料气体流通区域8的上游部分是指，令一端为燃料气体流通区域8的上游端且令另一端为满足式LI含{(1/2) XL2}的部分时的它们之间的部分。再有，在上述式中，LI表示燃料气体流通区域8的上游部分的流路长度，L2表示指燃料气体流通区域8的整个流路长度。另外，上游部分的另一端更优选是满足式LI含{(1/3) XL2}的部分。第I凹部48形成为与形成第I直线部18的流路槽连通。在第I凹部48中，设置有多个第I突起部58。第I突起部58设置成从第I凹部48的底面向阳极隔板6A的厚度方向延伸，形成为圆柱状(准确的说是正圆柱状)。再有，构成多个第I直线部18的流路槽与流路槽之间的部分形成(划分出)与阳极4A相接触的第I肋部11。換言之，构成多个第I直线部18的流路槽与流路槽之间的部分定义了与阳极4A相接触的第I肋部11。另外，在本实施方式I中，第I突起部58由大致圆柱形形成，但并不限于此，也可以形成为三棱柱形或四棱柱形。另外，在这里，第I突起部58的垂直于阳极隔板6A的厚度方向的截面为正圆形，但并不限于此，也可以是椭圆形。同样地，在阴极隔板6B的一个主面上，以连接氧化剂气体供给歧管孔33与氧化剂气体排出歧管孔34的方式，设置有形成为弯曲状的氧化剂气体流通区域9。从阴极隔板6B的厚度方向看，氧化剂气体流通区域9整体上形成为蜿蜒状。另外，氧化剂气体流通区域9具有槽状的多个第2直线部19、以及I个以上(这里是2个)的第2折回部29。第2直线部19由流路槽形成，并被构成为在其中流通(分流)氧化剂气体。第2折回部29被构成为使在第2直线部19中流通的氧化剂气体反转(折回)。另外，在I个以上的第2折回部29中的至少I个(本实施方式I中是I个)第2折回部29中，设置有第2凹部49。具体而言，从阴极隔板6B的厚度方向看，在从氧化剂气体流通区域9的上游侧行进到下游侧的情况下最先与阴极4B重叠的第2折回部29 (S卩，第I个第2折回部29)中，设置有第2凹部49。再有,若从阳极隔板6A的厚度方向看，第I凹部48与第2凹部49重叠的面积的合计即重叠面积，为设置在阳极隔板6A上的全部第I凹部48的面积与设置在阴极隔板6B上的全部第2凹部49的面积的合计面积即总面积的5%以下，则设置第2凹部49的位置可以设置在任意的位置，其设置的个数也可以任意设定。例如，第2凹部49可以仅设置在氧化剂气体流通区域9的上游部分。这里，氧化剂气体流通区域9的上游部分是指，令一端为氧化剂气体流通区域9的上游端而令另一端为满足式L3S {(1/2) XL4}的部分时的它们之间的部分。再有，在上述式中，L3表示氧化剂气体流通区域9的上游部分的流路长度，L4表示氧化剂气体流通区域9的整个流路长度。另外，上游部分的另一端更优选是满足式L3 g {(1/3) XL4}的部分。第2凹部49形成为与形成第2直线部19的流路槽连通。在第2凹部49中，设置有多个第2突起部59。第2突起部59设置成从第2凹部49的底面向阴极隔板6B的厚度方向延伸，形成为圆柱状(准确的说是正圆柱状)。再有，构成多个第2直线部19的流路槽与流路槽之间的部分形成(划分出)与阴极4B相接触的第2肋部12。換言之，构成多个第2直线部19的流路槽与流路槽之间的部分定义了与阴极4B相接触的第2肋部12。另外，在本实施方式I中，第2突起部59由大致圆柱形形成，但并不限于此，也可以形成为三棱柱形或四棱柱形。另外，在这里，第2突起部59的垂直于阴极隔板6B的厚度方向的截面为正圆形，但并不限于此，也可以是椭圆形。此外，燃料气体流通区域8和氧化剂气体流通区域9被构成为所谓的并行流。这里，“并行流”是指被构成为，虽然燃料气体流通区域8和氧化剂气体流通区域9在一部分中具有燃料气体和氧化剂气体互相相对地进行流动的部分，但从燃料电池100的厚度方向看，宏观上(整体上)燃料气体和氧化剂气体从上游到下游的全体的流动方向彼此一致。再有，在本实施方式I中，燃料气体流通区域8和氧化剂气体流通区域9被构成为，从阳极隔板6A的厚度方向看，在从燃料气体流通区域8的上游行进至下游的情况下最先与阳极4A重叠的第I直线部18中流通的燃料气体，与在从氧化剂气体流通区域9的上游行进至下游的情况下最先与阴极4B重叠的第2直线部19中流通的氧化剂气体，彼此相对。再者，如图3和图4所示，从阳极隔板6A的厚度方向看，第I凹部48和第2凹部49被配置成具有相互重叠的部分SI。更详细而言，第I凹部48和第2凹部49被配置成，部分SI的面积(重叠面积)为设置在阳极隔板6A上的全部的第I凹部48 (第I凹部48A和第2凹部48B)的面积与设置在阴极隔板6B上的所有第2凹部49的面积的合计面积即总面积S的5%以下。在像这样构成的本实施方式I所涉及的燃料电池100中，被构成为:设置在阳极隔板6A上的第I凹部48与设置在阴极隔板6B上的第2凹部49重叠的部分SI为总面积S的5%以下。因此，与现有的燃料电池相比，能够抑制阴极隔板6B与阴极4B以及阳极隔板6A与阳极4A完全不相接的面积的減少，由此，能够实现电接触电阻的減少和发电集中的缓和。另外，在本实施方式I所涉及的燃料电池100中，第I凹部48设置在上游部分。因此，特别地，在低加湿的条件(在燃料气体流通区域8流通的燃料气体和在氧化剂气体流通区域9流通的氧化剂气体的露点比在冷却介质流路10流通的冷却介质(这里是水)的温度更低的条件)下使燃料电池100运转这样的情况下，即使是在由于反应气体的反应所生成的水而在多个流路中有某些流路发生堵塞的情况下，也可以通过在第I凹部48中混合、分配燃料气体，将反应气体也供给至发生堵塞的流路的下游侧。因此，能够避免因为燃料气体的供给不足而不能发电的状态。同样地，在本实施方式I所涉及的燃料电池100中，由于第2凹部49设置在上游部分，因此，在低加湿条件下使燃料电池100运转的情况下，即使是在由于反应气体的反应所生成的水而在多个流路中有某些流路发生堵塞的情况下，也可以通过在第2凹部49中混合、分配氧化剂气体，将反应气体也供给至发生堵塞的流路的下游侧。因此，能够避免因为氧化剂气体的供给不足而不能发电的状态。另外，在本实施方式I所涉及的燃料电池100中，燃料气体流通区域8被形成为，与第I凹部48上游侧的流路(第I凹部48上游侧的第I直线部18)相比，第I凹部48下游侧的流路(第I凹部48下游侧的第I直线部18)的流路(第I直线部18)的个数更少。因此，如上述那样，在多个流路中有某些流路发生堵塞的情况下，能够进ー步促进在第I凹部48中的燃料气体的混合、分配。因此，能够进一歩抑制因燃料气体的供给不足而引起的电池性能的降低。此外，在本实施方式I中，燃料气体流通区域8与氧化剂气体流通区域9被构成为并行流，因此，上述作用效果变得显著。再有，在本实施方式I中，令第I隔板为阳极隔板6A，第2隔板为阴极隔板6B，另夕卜，令第I反应气体流通区域为燃料气体流通区域8，第2反应气体流路为氧化剂气体流通区域9，但并不限于此。也可以令第I隔板为阴极隔板6B，第2隔板为阳极隔板6A，另外，令第I反应气体流通区域为氧化剂气体流通区域9，第2反应气体流通区域为燃料气体流通区域8。另外，在本实施方式I中，构成为第I凹部48的设置个数与第2凹部49的设置个数不同，但不限于此，也可以构成为第I凹部48的设置个数与第2凹部49的设置个数相同。此外，在本实施方式I中，将氧化剂气体流通区域9构成为，第2凹部49上游侧的流路(第2凹部49上游侧的第2直线部19)的个数，与第2凹部49下游侧的流路(第2凹部49下游侧的第2直线部19)的个数相同，但并不限于此。例如，氧化剂气体流通区域9可以形成为，与第2凹部49上游侧的流路(第2凹部49更上游侧的第2直线部19)相比，第2凹部49下游侧的流路(第2凹部49下游侧的第2直线部19)的流路(第2直线部19)的个数更少。[变形例I]下面说明本实施方式I的变形例。本实施方式I的变形例I的高分子电解质型燃料电池是示例以下形态的燃料电池，其被配置成-J人第I隔板的厚度方向看，设置在第I隔板上的全部的第I凹部与设置在第2隔板上的全部的第2凹部相互不重叠。[高分子电解质型燃料电池的结构]图5是表示本实施方式I的变形例I的高分子电解质型燃料电池的阳极隔板和阴极隔板的内面的概略结构的示意图。如图5所示，本变形例I的燃料电池100与实施方式I所涉及的燃料电池100基本结构相同，但氧化剂气体流通区域9的结构不同。具体而言，不同点在于，氧化剂气体流通区域9具有槽状的多个第2直线部19和4个第2折回部29。另外，不同点还在干，在2个第2折回部29中，设置有第2凹部49A和第2凹部49B。从阴极隔板6B的厚度方向看，在从氧化剂气体流通区域9的上游侧行进至下游侧的情况下，第2凹部49A设置在最先与阴极4B重叠的第2折回部29中。第2凹部49B设置在从氧化剂气体流通区域9的上游侧行进至下游侧的情况下最先与阴极4B重叠的第2折回部29中。S卩，从阴极隔板6B的厚度方向看，第2凹部49A设置在从氧化剂气体流通区域9的上游侧行进至下游侧的情况下的第I个第2折回部29中，第2凹部49B设置在从氧化剂气体流通区域9的上游侧行进至下游侧的情况下的第4个第2折回部29中。再者，如图5所示，从阳极隔板6A的厚度方向看，设置在阳极隔板6A上的全部第I凹部48A和第I凹部48B(和第I突起部58)，与设置在阴极隔板6B上的全部第2凹部49A和第2凹部49B (和第2突起部59)，被配置成相互不重叠。在像这样构成的本变形例I的燃料电池100中，与现有的燃料电池相比，能够进ー步抑制阴极隔板6B与阴极4B以及阳极隔板6A与阳极4A完全不相接的面积的減少，由此，能够进一歩实现电接触电阻的減少和发电集中的缓和。另外，在本实施方式I的燃料电池100中，氧化剂气体流通区域9被形成为，与第2凹部49上游侧的流路(第2凹部49上游侧的第2直线部19)相比，第2凹部49下游侧的流路(第2凹部49下游侧的第2直线部19)的流路(第2直线部19)的个数更少。因此，如上述那样，在多个流路中有某些流路发生堵塞的情况下，能够进ー步促进在第2凹部49中的氧化剂气体的混合、分配。因此，能够进一歩抑制因氧化剂气体的供给不足而引起的电池性能的降低。(实施方式2)本实施方式2所涉及的燃料电池系统是示例了以下形态的燃料电池系统，其具备:实施方式I所涉及的高分子电解质型燃料电池；构成为将第I反应气体供给至第I反应气体流通区域的第I反应气体供给器；构成为将第2反应气体供给至第2反应气体流通区域的第2反应气体供给器；构成为将冷却介质供给至冷却介质流通区域的冷却介质供给器；以及控制器，以使供给至第I反应气体流通区域的第I反应气体的露点和供给至第2反应气体流通区域的第2反应气体的露点比供给至冷却介质流通区域的冷却介质的温度更低的方式，控制第I反应气体供给器、第2反应气体供给器和冷却介质供给器。以下，參照
本实施方式2所涉及的燃料电池系统的ー个例子。[燃料电池系统的结构]图6是示意性地表示本实施方式2所涉及的燃料电池系统的概略结构的框图。如图6所示，本实施方式2所涉及的燃料电池系统200具备:具有实施方式I所涉及的燃料电池100的燃料电池堆61、燃料气体供给器201、氧化剂气体供给器202、冷却介质供给器203、以及控制器210，控制器210被构成为控制燃料气体供给器201、氧化剂气体供给器202和冷却介质供给器203，以使在燃料气体流通区域8流通的燃料气体和在氧化剂气体流通区域9流通的氧化剂气体的露点比在冷却介质流通区域10流通的冷却介质的温度更低。只要能够ー边调整燃料气体(氢气)的流量和加湿量一边将其供给至燃料电池堆61 (燃料电池100)，燃料气体供给器201可以是任何构成。作为燃料气体供给器201，例如可以由氢气瓶或氢吸附合金等的构成为供给氢气的设备、以及使储藏在罐等中的水变成水蒸气而进行加湿的加湿器或全热交換器构成，也可以由使甲烷等原料与水进行重整反应而生成氢气的氢生成器构成。再有，在由氢生成器构成燃料气体供给器201的情况下,可以由氢生成器单体构成燃料气体供给器201，也可以由氢生成器和加湿器或全热交換器构成燃料气体供给器201。作为全热交換器，只要能够对供给至燃料气体流通区域8的燃料气体进行加湿，就可以是任何形态，例如，可以使用层叠了多个具有一次流体流通的隔板、水蒸气透过膜和二次流体流通的隔板的単元的静止型全热交換器。在这种情况下，可以通过减小水蒸气透过膜的面积，或者减少单元的层叠数，来减小供给至燃料气体流通区域8的燃料气体的加湿量。由此，能够使在燃料气体流通区域8中流通的燃料气体的露点比在冷却介质流通区域10中流通的冷却介质的温度更低。燃料电池堆61 (燃料气体供给歧管131的入口)经由燃料气体供给流路71而连接于燃料气体供给器201。由此，燃料气体从燃料气体供给器201经由燃料气体供给流路71和燃料气体供给歧管131而供给至燃料气体流通区域8。关于氧化剂气体供给器202，只要能够ー边调整氧化剂气体(空气)的流量和加湿量一边将其供给至燃料电池堆61 (燃料电池100)，就可以是任何的形态。作为氧化剂气体供给器202，例如可以由风扇或鼓风机等的风扇类和加湿器构成，也可以由风扇类和全热交换器构成。作为全热交換器，只要能够对供给至氧化剂气体流通区域9的氧化剂气体进行加湿，就可以是任何的形态，例如，可以使用层叠了多个具有一次流体流通的隔板、水蒸气透过膜和二次流体流通的隔板的単元的静止型全热交換器。在这种情况下，可以通过减小水蒸气透过膜的面积，或者减少单元的层叠数，来减小供给至氧化剂气体流通区域9的氧化剂气体的加湿量。由此，能够使在氧化剂气体流通区域9中流通的氧化剂气体的露点比在冷却介质流通区域10中流通的冷却介质的温度更低。燃料电池堆61 (氧化剂气体供给歧管133的入口)经由氧化剂气体供给流路72而连接于氧化剂气体供给器202。由此，氧化剂气体从氧化剂气体供给器202经由氧化剂气体供给流路72和燃料气体排出歧管132而供给至氧化剂气体流通区域9。关于冷却介质供给器203，只要能够调整冷却介质的流量和温度而将冷却介质供给至冷却介质流通区域10，就可以是任何的形态。冷却介质供给器203例如可以具有调整水的流量的流量调整器以及温度调整器。作为流量调整器，可以由泵单体构成，另外，也可以由泵和流量调整阀的组合构成。另外，作为温度调整器，例如可以由电热器构成。燃料电池堆61 (冷却介质供给歧管135)经由冷却介质供给流路73而连接于冷却介质供给器203。由此，冷却介质从冷却介质供给器203经由冷却介质供给流路73和冷却介质供给歧管135而供给至冷却介质流通区域10。控制器210只要是控制构成燃料电池系统200的各设备的设备，就可以是任何的形态。控制器210具备例如微处理器、CPU等的运算处理部、以及保存了用于执行各控制动作的程序的由存储器等构成的存储部。再者，在控制部210中，运算处理部读出存储部所保存的规定的控制程序，通过执行该步骤，从而处理这些信息并且进行包括这些控制在内的与燃料电池系统200相关的各种控制。
再有，控制器210不仅可以是由単独的控制器构成的形态，也可以是由多个控制器进行协作而执行燃料电池系统200的控制的控制器群构成的形态。另外，控制器210可以由微控制器构成，也可以由MPU、PLC (Programmable Logic Controller,可编程逻辑控制器)、逻辑电路等构成。再有，控制器210可以通过控制(减小)冷却介质供给器203的流量调整器的操作量，减小在冷却介质流通区域10中流通的冷却介质的流速,从而使在燃料气体流通区域8流通的燃料气体和在氧化剂气体流通区域9流通的氧化剂气体的露点，比在冷却介质流通区域10流通的冷却介质的温度低。另外，控制器210也可以通过控制(増大)温度调整器的操作量，提高在冷却介质流通区域10流通的冷却介质的温度，从而使在燃料气体流通区域8流通的燃料气体和在氧化剂气体流通区域9流通的氧化剂气体的露点，比在冷却介质流通区域10流通的冷却介质的温度低。在像这样构成的本实施方式2所涉及的燃料电池系统200中，由于具备实施方式I所涉及的燃料电池100，因此起到与实施方式I所涉及的燃料电池100同样的作用效果。特别地，在本实施方式2所涉及的燃料电池系统200中，由于构成为在低加湿的条件下使燃料电池100运转，因此其作用效果变得显著。再有，在本实施方式2中，采用了具备实施方式I所涉及的燃料电池100的形态，但也可以采用具备实施方式I的变形例I的燃料电池100的形态。对于本领域技术人员来说，根据上述说明可明显得知本发明的很多改良或其他实施方式。因此，上述说明应该仅被解释为示例，并且目的在于为本领域技术人员提供实施本发明的最佳方式的教导。在不脱离本发明的主g的情况下，可以实质上对其构造和/或功能的详细要素进行变更。另外，可以通过上述实施方式所公开的多个构成要素的适当组合来形成各种发明。产业上的可利用性与现有的燃料电池相比，本发明的高分子电解质型燃料电池和具备其的燃料电池系统由于能够减少设置有凹部和突起部的折回部中的隔板与电极之间的电接触电阻，因此，在燃料电池的技术领域中是有用的。符号说明I高分子电解质膜(电解质层)2A阳极催化层2B阴极催化层3A阳极气体扩散层3B阴极气体扩散层4A阳极(电极)4B阴极(电极)5MEA (Membrane-Elecrode-Assembly:电解质层-电极组件)6A阳极隔板(第I隔板)6B阴极隔板(第2隔板)7密封垫8燃料气体流通区域
9氧化剂气体流通区域10冷却介质流通区域11第I肋部12第2肋部18第I直线部19第2直线部28第I折回部29第2折回部31燃料气体供给歧管孔32燃料气体排出歧管孔33氧化剂气体供给歧管孔34氧化剂气体排出歧管孔35冷却介质供给歧管孔36冷却介质排出歧管孔48第I凹部49第2凹部58第I突起部59第2突起部61燃料电池堆62单元层叠体63 端板64 端板71燃料气体供给流路72氧化剂气体供给流路73冷却介质供给流路100燃料电池131燃料气体供给歧管132燃料气体排出歧管133氧化剂气体供给歧管134氧化剂气体排出歧管135冷却介质供给歧管136冷却介质排出歧管200燃料电池系统201燃料气体供给器202氧化剂气体供给器203冷却介质供给器210控制器
权利要求
1.ー种高分子电解质型燃料电池，其特征在干， 具备: 电解质层-电极组件，其具有电解质层与夹着该电解质层的一对电极； 导电性的第I隔板，其是板状的，且配置成与所述电解质层-电极组件的所述ー对电极中的一个电极相接触，并且在该第I隔板的与所述电极相接触的一个主面上设置有流通第I反应气体的第I反应气体流通区域，该第I反应气体流通区域形成为弯曲状并具有槽状的多个第I直线部和I个以上的第I折回部；以及 导电性的第2隔板，其是板状的，且配置成与所述电解质层-电极组件的所述ー对电极中的另ー个电极相接触，在该第2隔板的与所述电极相接触的一个主面上设置有流通第2反应气体的第2反应气体流通区域，该第2反应气体流通区域形成为弯曲状且具有槽状的多个第2直线部和I个以上的第2折回部， 在所述第I隔板上，在I个以上的所述第I折回部中的至少I个第I折回部中，设置有第I凹部和从该第I凹部的底面竖立设置的多个第I突起部， 在所述第2隔板上，在I个以上的所述第2折回部中的至少I个第2折回部中，设置有第2凹部和从该第2凹部的底面竖立设置的多个第2突起部， 从所述第I隔板的厚度方向看，重叠面积是总面积的5%以下，所述重叠面积是设置在所述第I隔板上的所述第I凹部与设置在所述第2隔板上的所述第2凹部相互重叠的面积的合计，所述总面积是设置在所 述第I隔板上的全部的所述第I凹部的面积与设置在所述第2隔板上的全部的所述第2凹部的面积的合计面积。
2.根据权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在干， 从所述第I隔板的厚度方向看，设置在所述第I隔板上的全部的所述第I凹部与设置在所述第2隔板上的全部的所述第2凹部被配置成相互不重叠。
3.根据权利要求1或2所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在干， 所述第I凹部设置在所述第I反应气体流通区域的上游部分。
4.根据权利要求广3中的任一项所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在干， 所述第2凹部设置在所述第2反应气体流通区域的上游部分。
5.根据权利要求广4中的任一项所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在干， 所述第I反应气体流通区域和所述第2反应气体流通区域成被构成为并行流，且从所述第I隔板的厚度方向看，在从所述第I反应气体流通区域的上游行进到下游的情况下最先与所述电极重叠的所述第I直线部中流通的所述第I反应气体，与在从所述第2反应气体流通区域的上游行进到下游的情况下最先与所述电极重叠的所述第2直线部中流通的所述第2反应气体，彼此相対， 从所述第I隔板的厚度方向看，所述第I凹部设置在从所述第I反应气体流通区域的上游行进到下游的情况下最先与所述ー个电极重叠的所述第I折回部中， 从所述第2隔板的厚度方向看，所述第2凹部设置在从所述第2反应气体流通区域的上游行进到下游的情况下最先与所述另ー个电极重叠的所述第2折回部中。
6.根据权利要求1飞中的任一项所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在干， 被设置的所述第2凹部的数目比所述第I凹部的数目更多。
7.根据权利要求1飞中的任一项所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在干，在所述第I隔板和所述第2隔板中的至少ー个隔板的与所述电极不接触的另ー个主面上，设置有冷却介质流通的冷却介质流通区域。
8.ー种燃料电池系统，其特征在干， 具备: 权利要求7所述的高分子电解质型燃料电池；第I反应气体供给器，构成为将所述第I反应气体供给至所述第I反应气体流通区域；第2反应气体供给器，构成为将所述第2反应气体供给至所述第2反应气体流通区域；冷却介质供给器，构成为将所述冷却介质供给至所述冷却介质流通区域；以及控制器，控制所述第I反应气体供给器、所述第2反应气体供给器和所述冷却介质供给器，以使供给至所述第I反应气体流通区域的所述第I反应气体的露点和供给至所述第2反应气体流通区域的所述第2反应气体的露点，比供给至所述冷却介质流通区域的所述冷却介质的温度更低。
全文摘要
本发明所涉及的高分子电解质型燃料电池具备电解质层-电极组件(5)；设置有第1反应气体通流区域的第1隔板(6A)；以及设置有第2反应气体通流区域的第2隔板(6B)，在第1隔板(6A)上，在1个以上的第1折回部(28)中的至少1个第1折回部(28)中设置有第1凹部(48)和第1突起部(58)，在第2隔板(6B)上，在1个以上的第2折回部(29)中的至少1个第2折回部(29)中设置有第2凹部(49)和第2突起部(59)，从第1隔板(6A)的厚度方向看，第1凹部(48)与第2凹部(49)相互重叠的面积的合计即重叠面积，为全部第1凹部(48)的面积与全部第2凹部(49)的面积的合计面积即总面积的5%以下。
文档编号H01M8/04GK103119767SQ20128000155
公开日2013年5月22日 申请日期2012年3月2日 优先权日2011年9月21日
发明者竹口伸介 申请人:松下电器产业株式会社