[发明专利]燃料电池

说明书

本申请是申请日为2007年6月21日，申请号为200780000984.1，申 请人为松下电器产业株式会社，发明名称为“燃料电池”的在先申请的分 案申请。

技术领域

本发明涉及燃料电池，特别涉及具有高分子电解质膜的固体高分子型 燃料电池。

背景技术

燃料电池基本上由选择性地输送氢离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 燃料电池能够使用提供给燃料极(阳极)的燃料气体(含有氢)以及提供 给空气极(阴极)的氧化气体(含有氧)，而持续地取得电能。

催化电极由位于高分子电解质膜侧的、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的、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的、用于提高与催化层的接触性的 碳涂层和用于使从外部供给的气体扩散而提供给催化层的气体扩散基材层 构成。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)一体化而成的接合体称为膜电极组件(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，而在各个MEA之间配 置具有导电性的分离器。以一对分离器夹持MEA而成的单元称为“燃料电 池单元”或简称为“单元”，多个燃料电池单元的层叠体称为“燃料电池堆栈” 或简称为“堆栈”。

在燃料电池单元中，在分离器的与催化电极接触的面上形成用于向催 化电极提供反应气体(燃料气体或氧化气体)以及用于排出剩余气体和剩 余水分的气体流路。分离器内的气体流路通常为直线状的多个并行流路， 并与被称为歧管的贯穿燃料电池堆栈的管道连通。歧管对燃料电池堆栈内 的所有燃料电池单元，向气体流路供给反应气体以及排出来自气体流路的 剩余气体和剩余水分。

通常，以集电板、绝缘板以及端板来夹持单元或堆栈，而构成通常使 用的形状的燃料电池。

在具有上述结构的燃料电池中，将含有氢的燃料气体提供给燃料极且 将含有氧的氧化气体提供给空气极后，能够通过以下的反应获得电能。

首先，提供给燃料极的氢在燃料极的气体扩散层扩散而到达催化层。 在催化层中，氢被分为氢离子和电子。氢离子通过保水状态下的高分子电 解质膜而移动到空气极。电子通过外部回路而移动到空气极。此时，能够 将通过外部回路的电子利用为电能。在空气极的催化层中，通过高分子电 解质膜而移动来的氢离子与通过外部回路而移动来的电子和提供给空气极 的氧进行反应，生成水。

燃料电池如上所述，伴随发电反应而生成水。燃料电池在单元内部过 分湿润后，发电效率下降，所以发电时所生成的水通过流经分离器的气体 流路的气体而被排出到外部。

氢离子移动的高分子电解质膜多采用全氟磺酸类材料。该高分子电解 质膜，在充分保水时具有离子传导性，而在干燥后丧失离子传导性。因此， 为了在燃料电池单元的整个面中高效率地产生发电反应，需要防止单元的 干燥且使单元内部的面内方向的水分分布均匀。

 以往，为了防止单元内部的干燥，且使单元内部的面内方向的水分分 布均匀，采用了从外部对单元内部进行加湿的外部加湿方式。在外部加湿 方式中，外部加湿器对单元内部供给露点温度高于燃料电池单元内部的温 度的反应气体，而使单元内部为过湿状态。但是，该方式存在以下问题： 容易产生下述溢流(flooding)现象，即在气体扩散层内部产生水滴而阻碍 向催化层供给反应气体。而且，还存在以下问题：由于需要外部加湿器， 所以燃料电池系统的低成本化很困难。另外，还存在以下问题：由于燃料 电池单元内部的温度必须低于由外部加湿器所能实现的反应气体的露点温 度，从而不能在发电效率高的高温下运行。