[发明专利]燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及用于家庭用热电同时供给系统(cogeneration system)、摩托车、电动汽车、混合型电动汽车等的燃料电池，特别是高分子电解质型燃料电池。更详细地说，本发明涉及通过降低燃料电池的电池组中的各单电池的温度波动，得到难以产生溢流，具有优良的耐久性的燃料电池。

背景技术

使用具有阳离子(氢离子)传导性的高分子电解质的燃料电池，是通过使含有氢的燃料气体和含有空气等氧的氧化剂气体进行电化学反应，同时产生电和热的电池。该燃料电池基本上由具有选择性输送氢离子的氢离子传导性的高分子电解质膜、和配置在高分子电解质膜两面上的一对电极构成。这对电极包括：以载持有电极催化剂(例如铂等的金属催化剂)的导电性碳粉为主要成分的催化剂层；和由在该催化剂层的外侧上形成的兼具通气性和电子导电性的气体扩散层(例如实施过防水处理的碳纸)构成的气体扩散电极。将其称为膜电极结合体(MEA)。

在电极的周围配置夹持有高分子电解质膜的气体密封材料和密封垫圈，使提供的燃料气体和氧化剂气体(反应气体)不向外部泄漏或相互混合。这样的密封材料和密封垫圈与电极和高分子电解质膜预先组装成一个整体。在MEA的外侧配置有导电性的隔板，将其机械式固定并且将相邻的MEA相互电串联连接。在隔板的与MEA接触的部分形成气体流路，用于向电极面提供反应气体，输送生成气体和剩余气体。气体流路也可以与隔板分别设置，但一般采用在隔板表面设计槽作为气体流路的方式。

一般的层叠电池的结构是将这些MEA和隔板交替重叠，层叠10～200个电池后，通过集电板和绝缘板，用端板将其夹持，用紧固螺栓从两端固定。将其称为电池组。

高分子电解质膜通过含有饱和状态的水分，减小膜的比电阻，作为具有氢离子传导性的电解质起作用。因此为了防止水分从高分子电解质膜中蒸发，燃料电池的工作中对燃料气体和氧化剂气体加湿再供给。此外，在电池发电时，产生如下的电化学反应，在阴极一侧生成反应生成物的水。

阳极：H₂→2H⁺+2e^-           (1)

阴极：2H⁺+(1/2)O₂+2e^-→H₂O      (2)

加湿后的燃料气体中的水、加湿后的氧化剂气体中的水、以及反应生成水用于使高分子电解质膜的含水量保持在饱和状态，此外剩余的燃料气体和氧化剂气体一起排到燃料电池的外部。

此外，由于以上的反应是发热反应，所以在电池发电时需要对电池组进行冷却。为了对电池组进行冷却，一般使用下述方法：在隔板的与MEA接触的面(第一面)相反一侧的面(第二面)上，形成冷却流体(例如冷却水)的流路，在其中流过冷却流体，因发热反应造成温度升高的隔板与冷却流体进行热交换。冷却流体的流路也可以与隔板分别设置，但一般采用在隔板表面设计槽作为流路的方式。

在电池组的冷却不充分的情况下，MEA的温度升高，水分从高分子电解质膜蒸发。其结果会促进高分子电解质膜的恶化，缩短电池组的耐久性，或高分子电解质的比电阻增加，降低了电池组的输出。另一方面，在将电池组冷却到需要的一定程度以上的情况下，流经气体流路的反应气体中的水分凝结，反应气体中含有的液体状态的水量增加。液体状态的水因表面张力以液滴形态附着在隔板的气体流路上。在该液滴的量过多的情况下，附着在气体流路内的水堵塞气体流路，阻碍气体的流动，产生溢流。其结果电极的反应面积减少，电池性能降低。

所以，有一种冷却方法的提案(例如，参照专利文献1)：以对氧化剂气体的流路中的含水量少的区域进行进一步冷却为目的，在该氧化剂气体的流路中的含水量少的区域，即使氧化剂气体流路的入口侧与冷却流体的流路中冷却流体温度低的区域、即冷却流体的流路的入口侧设置成相互靠近，使它们大体一致，由此能够抑制溢流，稳定输出电压。

专利文献1：日本特表平9-511356号公报

发明内容

可是，在采用上述专利文献1的方法的隔板中，为了使氧化剂气体的流路中的含水量少的区域，与冷却流体的导入部一致，也就是为了使(2)式的反应生成水的总量少、氧化剂气体浓度高、而且因进一步促进(2)式反应造成的发热量大的区域，与冷却流体的导入部一致，会产生以下问题。