CN100585927C - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池，其通过一对隔板夹着膜电极复合体构成，具有多个大致直线状流路部、和使一个所述直线状流路的端部和另一所述直线状流路的端部连通的弯曲流路部，形成有以从气体导入口连通到排出口的方式形成的气体流路，其中，在构成所述直线状流路部的所述隔板的所述槽部的内壁面，沿该流路部且以实质上连续的方式以槽状形成可将在所述气体流路中产生的水的至少一部分保持于其内侧的水保持用槽部。通过使产生于气体流路内的水滴和水保持用槽部内的保持水接触，抑制水滴的成长、回避气体流路的堵塞，从而，提高耐溢流性。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及用于携带用电源、电动车用电源、家庭热电联合系统等的用高分子电解质的燃料电池。
背景技术
燃料电池是通过使含有氢气的燃料气体和空气等含有氧气的氧化剂气体进行电化学反应，同时产生电和热的燃料电池。其结构为，在选择性地输送氢离子的高分子电解质膜的两面，形成有以承载铂类的金属催化剂的碳粉末为主要成分的催化剂反应层，在该催化剂反应层的外面形成同时保持燃料气体的通气性和电子传导性的气体扩散层(例如碳纸或碳布等)，将该扩散层和催化剂反应层(催化剂层)合在一起作为电极。而且，通常将被导入氢的电极称为阳极(氢极或燃料极)，被导入氧的电极称为阴极(氧极或空气极)。
其次，在电极的周围夹着高分子电解质膜而配置气体密封材料或气体密封垫，以使供给的燃料气体和氧化剂气体不会向外渗漏、并且燃料气体和氧化剂气体不会混合。该密封材料或气体密封垫是和电极及高分子电解质膜一体化且事先组装的密封，将这种被一体化的结构称为MEA(膜电极复合体或膜电极接合体)。在该MEA的外侧，将其机械地固定，同时，配置用于使相邻的MEA相互串联式电连接的导电性隔板。在隔板上和MEA接触的部分，形成有用于向电极面供给反应气体并运走生成气体和剩余气体的气体流路。这样的气体流路可以相对于隔板另外进行设置，但通常的方式是在隔板的表面设置凹状的槽部作为气体流路。
为了向该槽部供给燃料气体，将供给燃料气体的配管按所使用的隔板的个数分叉，并需要使用将其分叉头直接接入隔板的气体流路形成用的槽部的配管夹具。将该夹具叫做歧管，将从如上述的燃料气体的供给配管直接接入的形式叫做外部歧管。在该歧管中，有更简易地形成其结构的叫做内部歧管的形式的歧管。所谓内部歧管，在形成了气体流路的隔板上设置贯通的孔，且将气体流路的出入口通至该孔，从该孔直接供给燃料气体。
因为燃料电池在运转中发热，所以，为了将电池维持与良好的温度状态，需要用冷却水等进行冷却。通常，在每1～3个电池中，在隔板和隔板之间插入使冷却水流动的冷却部，但多数情况是在隔板的背面设置冷却水流路作为冷却部。将这些MEA和隔板及冷却部交替重叠在一起，通常的层叠燃料电池(即燃料电池组)的结构是，例如层叠10～400个电池之后，经由集电板和绝缘板用端板将电池夹住，用紧固螺栓从两端进行固定的结构。
在这种燃料电池、例如固体高分子型燃料电池(PEFC)中所使用的隔板，需要导电性高、并且对燃料气体保持高的气密性、还对使氢/氧进行氧化还原时的反应保持高的耐蚀性即耐氧化性。因这种理由，现有隔板的制作如下：在玻璃(グラシ一)碳板或树脂含浸石墨板等的表面，用切削加工形成有用于构成流路的槽部，或者，将膨胀石墨粉末和粘合剂一起加入形成有气体流路用的槽部的冲压模具中，将其进行冲压加工后再进行加热处理。
另外，近年来，进行了代替现有燃料电池所使用的碳材料，使用不锈钢等金属板的试验。使用金属板的隔板，因为金属板在高温下被暴露在氧化性的气体环境中，所以存在长期间使用时会引起金属板的腐蚀或熔解的可能性。金属板腐蚀后，腐蚀部分的电阻增大，电池的输出降低。另外，金属板熔解，则熔解的金属离子向高分子电解质扩散，它们被捕捉在高分子电解质的离子交换场所，其结果是，高分子电解质自身的离子导电性降低。为了避免这种劣化，通例是在金属板的表面施加具有某种程度厚度的金镀敷。
固体高分子型燃料电池，由于在高分子电解质内已电离的氢容易移动，因此，通常是在作为燃料气体的含氢气体或作为氧化剂气体的含氧气体中混合水蒸气而供给。另一方面，由于发电时的燃烧反应产生水分(水蒸气)，所以，混合成燃料或氧化剂的水蒸气、和由发电生成的水分(水蒸气)在形成在隔板上的流路形成用槽部通过。槽部的内壁面中的隔板表面通常被控制在一定的温度，以使上述水蒸气或生成的水蒸气不会结露到超出需要的程度，但是，由于发出的电力的消耗量或燃料供给的变化，燃料电池内部产生的热量会变化，从而，时而内部温度变动，时而生成水的量变动。
例如，在温度降低的情况等，隔板表面(槽部内壁面)有时容易结露，完全排除这种现象事实上是不可能的。存在以下问题，因为产生结露时，由于结露生成的水滴堵塞气体流路，对其被堵塞的场所以后的电极或催化剂产生燃料供给不足，所以电压会慢慢地降低，另外，其水滴被排出时，因流路堵塞被解除而恢复燃料供给，电压上升，产生这样的电压不稳定(溢流(フラツデイング))现象。
另外，作为现有型燃料电池用隔板的材质，大多采用在将石墨块料加工成的不渗透化物、耐蚀性金属及膨胀石墨片材层叠成形体中含浸液状树脂并使其固化而成的液状树脂含有物。但这种材质构成的隔板是亲水性差的材质。为此，目前采用通过提高隔板表面(即槽部的内壁面)的亲水性，使得在气体流路内生成的水滴和槽部的内壁面的接触角度减小，从而抑制堵塞气体流路这样的水滴的成长，防止流路堵塞这种方法。
发明内容
但是，这种提高亲水性的表面处理，存在其处理成本比较高、成为阻碍燃料电池的生产成本降低的一个主要原因这一问题。另外，通过该表面处理提高了的亲水性，随着燃料电池的使用而容易经时劣化，在亲水性的耐久性方面存在问题。
因此本发明的目的在于解决上述问题，提供一种可以回避隔板的气体流路中由于生成的水造成的流路的堵塞，付与其稳定的动作性，且可以提高耐溢流性的燃料电池。
为了实现上述目的，本发明如下构成。
本发明第一方面提供一种燃料电池，该燃料电池是高分子电解质膜、夹着所述高分子电解质膜配置的各催化剂层和配置于所述各催化剂层外侧的气体扩散层的复合体，该燃料电池具有膜电极复合体和一对隔板，所述膜电极复合体形成阳极和阴极，所述一对隔板夹着所述膜电极复合体配置，所述一对隔板的表面形成气体流路用槽部，该气体流路用槽部与所述气体扩散层相接来构成气体流路，在所述各隔板中，所述气体流路具有大致平行配置的多个大致直线状流路部和使所述直线状流路的端部与相邻的所述直线状流路的端部连通的多个弯曲流路部，以从气体导入口连通到排出口的方式形成所述气体流路用槽部，在构成所述各直线状流路部的所述气体流路用槽部的内壁面上，沿该直线状流路部以实质上连续的方式形成槽状的水保持用槽部，使在所述气体流路中产生的水的至少一部分可保持于该水保持用槽部的内侧。
如本发明第一方面所述的燃料电池，本发明第二方面为，所述水保持用槽部以不与所述排出口连续的方式形成在构成所述各直线状流路部的所述气体流路用槽部上。
如本发明第一方面所述的燃料电池，本发明第三方面为，在所述各直线状流路部上，使所述水保持用槽部在所述各直线状流路部的两端部之间连续形成，在所述各弯曲流路部上，使所述各水保持用槽部不连续。
如本发明第一方面所述的燃料电池，本发明第四方面为，所述各水保持用槽部形成在所述气体流路用槽部的底部。
如本发明第四方面所述的燃料电池，本发明第五方面为，所述各水保持用槽部形成在所述底部的大致中央部分。
如本发明第一方面所述的燃料电池，本发明第六方面为，所述水保持用槽部通过使所述气体流路用槽部内产生的水滴与该水保持用槽部的保持水接触，而使其具有所述气体流路用槽部的内壁面和所述水滴的接触角度减小的功能。
如本发明第一方面所述的燃料电池，本发明第七方面为，所述水保持用槽部的宽度尺寸为所述气体流路用槽部的宽度尺寸的1/2～1/10。
根据本发明，在构成气体流路中的直线状流路部的隔板的槽部的内壁面上，以沿该直线状流路部、实质上连续的方式形成为槽状，从而形成可将在所述气体流路中产生的水的至少一部分保持于其内侧的水保持用槽部，通过采用这样的构成，在所述气体流路内由于气体的凝缩等产生的水滴在其成长过程中和所述水保持用槽部内的保持水接触，由此能够抑制该水滴成长到堵塞气体流路的大小。从而，切实地回避由于这种水滴的产生及其成长造成的气体流路的堵塞，实现稳定的气体供给，由此能够提供可以提高耐溢流性的燃料电池。
附图说明
本发明的这些和另外的目的和特征从下面关于附图的最佳实施方式所关联的记述可以明了。在该图中，
图1是表示本发明的一实施方式的燃料电池的构成的示意图；
图2是表示图1的燃料电池中的堆栈的构成的示意分解立体图；
图3A是构成图2的堆栈的单电池的B-B线向视图；
图3B是图3A的单电池中的A-A线剖视图；
图4是将图3B的单电池放大后的示意部分放大剖视图；
图5A是用于说明疏水性的状态的示意说明图；
图5B是用于说明亲水性的状态的示意说明图；
图6A是说明在所述实施方式的比较例的无小槽部的气体流路中水滴的成长的示意说明图，是在气体流路中未产生水滴的状态的图；
图6B是接着图6A的说明水滴的成长的示意说明图，是在气体流路中产生了水滴的状态的图；
图6C是接着图6B的说明水滴的成长的示意说明图，是水滴较大地成长的状态的图；
图6D是接着图6C的说明水滴的成长的示意说明图，是以成长的水滴堵塞了气体流路的状态的图；
图6E是沿着气体流路的流动方向的水滴的移动路经表示图6A～图6D的水滴的成长过程的示意说明图；
图7A是说明在有上述实施方式的小槽部的气体流路中水滴的成长的示意说明图，是在气体流路中水被保持在小槽部、并且在流路中未产生水滴的状态的图；
图7B是接着图7A的说明水滴的成长的示意说明图，是在气体流路中产生了水滴的状态的图；
图7C是接着图7B的说明水滴的成长的示意说明图，是水滴长大的状态的图；
图7D是接着图7C的说明水滴的成长的示意说明图，是成长了的水滴与被保持于小槽部的水接触成为亲水性状态、且其成长被抑制的状态的图；
图7E是沿着气体流路的流动方向的水滴的移动路经表示图7A～图7D的水滴的成长及成长抑制过程的示意说明图；
图8A是上述实施方式的隔板中的燃料气体出口歧管近旁的部分放大示意平面图；
图8B是图8A的隔板中的C-C线示意剖视图；
图9A是表示在上述实施方式中多个小槽部实质上连续的状态的示意俯视图；
图9B是图9A的气体流路中的D-D线示意剖视图；
图10A是表示在气体流路中多个小槽部实质上未连续的状态的示意俯视图；
图10B是图10A的气体流路中的E-E线示意剖视图；
图11A是本发明的第二实施例的单电池中的G-G线向视图；
图11B是图11A的单电池中的F-F线剖视图；
图12A是本发明的第三实施例的单电池中的I-I线向视图；
图12B是图12A的单电池中的H-H线剖视图；
图13A是本发明的第四实施例的单电池中的K-K线向视图；
图13B是图13A的单电池中的J-J线剖视图；
图14A是上述实施方式的变形例的单电池中的部分放大示意剖视图，是表示在气体流路内形成有两个小槽部的气体流路的图；
图14B是表示在图14A的气体流路中水滴的成长被抑制的过程的示意说明图，是水被保持于两个小槽部的状态的图；
图14C是接着图14B表示水滴成长的抑制过程的示意说明图，是在气体流路内产生了水滴的状态的图；
图14D是接着图14C表示水滴成长的抑制过程的示意说明图，是水滴与保持于两个小槽部内的水接触的状态的图；
图14E是接着图14D表示水滴成长的抑制过程的示意说明图，是水滴变为亲水性状态的状态图。
图15A是上述实施方式中的单电池的部分放大示意剖视图，是表示具有倾斜状态剖面的小槽部及气体流路的图；
图15B是表示在图15A的气体流路中水滴的成长被抑制的过程的示意说明图，是水被保持于小槽部内的状态的图；
图15C是接着图15B表示水滴成长的抑制过程的示意说明图，是在气体流路内产生了水滴的状态的图；
图15D是接着图15C表示水滴成长的抑制过程的示意说明图，是水滴与被保持于小槽部内的水接触的状态的图；
图15E是接着图15D表示水滴成长的抑制过程的示意说明图，是水滴变为亲水性状态的状态图；
图16A是上述实施方核算中的变形例的单电池的部分放大使用剖视图，是表示在其角部形成有具有曲面部的小槽部的气体流路的图；
图16B是表示在图16A的气体流路中抑制水滴的成长过程的示意说明图，是水被保持于小槽部内的状态的图；
图16C是接着图16B表示水滴成长的抑制过程的示意说明图，是气体流路内产生了水滴的状态的图；
图16D是接着图16C表示水滴成长的抑制过程的示意说明图，是水滴与被保持于小槽部内的水接触的状态的图；
图16E是接着图16D表示水滴成长的抑制过程的示意说明图，是水滴变为亲水性状态的状态图；
图17A是表示上述实施方式的变形例在小槽部的方式的气体流路的示意剖视图，是具有形成为曲面状的内壁面的小槽部的图；
图17B是表示上述实施方式的变形例在小槽部的方式的气体流路的示意剖视图，是具有V字形状剖面的小槽部的图；
图17C是表示上述实施方式的变形例在小槽部的方式的气体流路的示意剖视图，是在气体流路底部隆起而形成的小槽部的图；
图17D是表示上述实施方式的变形例的小槽部的形式的气体流路的示意剖视图；是两台阶结构的小槽部的图。
具体实施方式
下面，在继续本发明的记述之前，对附图中相同的部件付与相同的参照符号。
以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。
(实施方式)
表示本发明的一实施方式的燃料电池的概略构成的示意构成图表示于图1中。另外，图2表示图1所示的燃料电池101具有的燃料电池用堆栈(以下称为堆栈)的示意分解立体图。
燃料电池101例如是固体高分子型燃料电池(PEFC)，是通过使含有氢的燃料气体和空气等含有氧的氧化剂气体进行电化学反应，从而同时产生电、热及水的燃料电池。如图1所示，燃料电池101具有：多个具有一对阳极及阴极的燃料电池单体(或单电池)串联连接的层叠构造的堆栈30、从燃料气体中提取氢的燃料处理器31、加湿含有燃料处理器31取出的氢的燃料气体来提高发电率的阳极加湿器32、进行对含氧气体(氧化剂气体)的加湿的阴极加湿器33、分别用于供给燃料气体和含氧气体的泵34、35。即，由燃料处理器31、阳极加湿器32及泵34构成向堆栈30供给燃料气体的燃料供给装置，另外，由阴极加湿器33和泵35构成向堆栈30的各单元供给氧化剂气体的氧化剂供给装置。另外，这种燃料供给装置和氧化剂供给装置，只要具备进行燃料和氧化剂的供给的功能即可，也可以采用其它各种形式。
另外，燃料电池101具有：用于循环供给用于有效地除去发电时堆栈30所产生的热的冷却水的泵36、用于使由该冷却水(例如不具有导电性的液体、如使用纯水)除去的热与自来水等流体进行热交换的热交换器37、贮留进行了热交换的自来水的贮留罐38。燃料电池101还具有：使这样的各构成部分相互联系而进行发电的运转控制的运转控制装置40和取出由堆栈30发出的电的电输出部41。
另外，如图2所示，该燃料电池101具有的堆栈30的构成为，将基本单位构成即单电池20层叠多个并用集电板21、绝缘板22、端板23以规定的负荷从两侧连结。在各集电板21上设有电流取出端子部21a，发电时从此处取出电流，即电。各绝缘板22将集电板21和端板23之间绝缘，并且也可以设有未图示的气体或冷却水的导入口、排出口。各端板23通过未图示的加压装置以规定的负荷将层叠有多个的单电池20和集电板21、绝缘板22连结并保持。
再者，如图2所示，单电池20用一对隔板1和41夹住MEA(膜电极复合体)10而构成。MEA 10的构成例如为：在选择性输送氢离子的高分子电解质膜11的阳极面侧形成承载铂钌合金催化剂的以碳粉末为主要成分的催化剂层(阳极侧催化剂层)12，而在阴极面侧形成承载铂催化剂的以碳粉末为主要成分的催化剂层(阴极侧催化剂层)13，在这些催化剂层12和13的外面配置同时具有燃料气体(燃料流体)或氧化剂气体(氧化剂流体)的通气性和电子导电性的气体扩散层14。高分子电解质膜11通常使用表现出质子导电性的固体高分子材料，例如全氟磺酸膜(例如デユポン社制ナフイオン膜)。
隔板11和41只要是不透气性的导电性材料即可，通常使用例如将含浸树脂碳材料切削加工成规定形状的材料、及将碳粉末和树脂材料的混合物成形而成的材料。在各隔板11和41中与MEA 10接触的表面形成有凹状的槽部，通过使该槽部与气体扩散层14相接，形成用于向电极面供给燃料气体或氧化剂气体，并运出剩余气体的气体流路。
在此，图3B表示这种堆栈30具有的单电池20的构造的示意剖视图，并且，图3A表示图3B中的B-B线向视图。下面，用这些图对形成有构成气体流路的槽部的隔板的详细构造进行说明。另外，图3B是图3A中的A-A线截面的示意剖视图，图3A是只表示图3B所示的单电池20具备的阳极侧隔板1和阴极侧隔板41中的阳极侧隔板1的图。
如图3A及图3B所示，在阳极侧隔板1的表面，以在图示左右方向多次改变方向而配置的方式、以螺旋状形成有用于例如从入口向出口形成燃料气体流路2的凹状的槽部3。该螺旋状的槽部3由沿图示左右方向大致直线状且互相平行地配置的多个直线状槽部3a、和连结相邻的直线状槽部3a的端部、使流路流通并使其流动方向在图示左右方向折回的多个弯曲槽部(或连结用槽部)3b构成。即，燃料气体流路2利用由平行配置的多个直线状槽部3a构成的多个大致直线状流路部2a、和由多个弯曲槽部3b构成的使相邻的直线状流路部2a的端部流通并使其流动方向折回的方式弯曲的弯曲流路部2b形成为从入口到出口连续的流路。
另外，在阳极侧隔板1上的、形成有气体流路2的区域的外周部分上，形成有作为用于向单电池20供给和排出燃料气体及氧化剂气体的贯通孔的歧管。具体地说，形成有燃料气体入口歧管24、燃料气体出口歧管25、氧化剂气体入口歧管26及氧化剂气体出口歧管27，还形成有用于使得用于有效地除去在各电池20中发电时产生的热量的冷却水流动的冷却水入口歧管28和冷却水出口歧管29。另外，在多个单电池20层叠而成的燃料电池101中，燃料气体入口歧管24、燃料气体出口歧管25、氧化剂气体入口歧管26、氧化剂气体出口歧管27、冷却水入口歧管28和冷却水出口歧管29，以在所有单电池20之间沿层叠方向连通的方式确定其各自的配置。另外，在各隔板1和41、集电板21、绝缘板22、及端板23上配置有未图示的密封部件，以防止燃料气体及氧化剂气体等混合，且防止其向外部泄漏。
另外，在阳极侧隔板1上，形成有由各的直线状槽部3a和弯曲槽部3b构成的一连串式的槽部3，从燃料气体入口歧管24连接到燃料气体出口歧管25，由此形成与两歧管24、25连通的一连串式的流路2。
在此，图4表示形成在隔板1的表面的槽部3的放大示意剖视图。如图4所示，在槽部3的内壁面(内周面)的底部形成有与槽部3相比足够小的凹状的槽部即小槽部(或细槽部)5。该小槽部5例如形成在底部的大致中央，并且如图3所示，从各直线状槽部3a的一端向另一端连续延伸为大致直线状。各小槽部5只在各直线状槽部3a中形成，不在各弯曲槽部3b中形成。即，在气体流路2中，在大致直线状流路部2a上从一端到另一端的整个区域连续形成小槽部5，在使各直线状流路部2a的端部间流通的各弯曲流路部2b上各小槽部5相互不连通，成为被分断开的不连续的状态。
该小槽部5在燃料电池101中进行发电时燃料气体等中所包含的水分(水蒸气)在因隔板1的温度变化而凝缩成水滴时可将该水(生成水)保持于小槽部5内。即，小槽部5不连续(连通)至燃料气体出口歧管25，在各弯曲流路部2b中为分断开的不连续的状态，由此，进入小槽部5内的水不会因燃料气体的流动被压到出口侧而全部被排出，而可将水保持住。注意到这样的小槽部5的水保持功能，则小槽部5则可以说是水保持用槽部或水保持部的一例。在本实施方式的堆栈30中，使用具有这样的水保持功能的小槽部5，在将水保持在小槽部5内的状态下，通过使流路2内产生的水和被保持在小槽部5内的水接触，可以使包括小槽部5的周围的内壁面形成被实施了亲水性的状态，其结果是，抑制水滴成长到将气体流路2堵塞那样的大小。
在此，参照附图对利用小槽部5使其周围近旁成为亲水性的状态而抑制气体流路2的堵塞的原理进行说明。在进行该说明的时候，首先对所说的亲水性和疏水性的技术用语的意思进行说明。如图5所示，在构件表面S1具有疏水性的情况下，附着于其表面S1的水滴W1保持接近球形的形状。这时，通常将水滴W1和构件表面S接触的角度叫做接触角度θ，以接触角度θ无限接近180度的程度，构件表面S1具有高的疏水性(即达到超疏水性的状态)。与此相对，如图5B所示，在构件表面S2具有亲水性的情况下，附着于其表面S2的水滴W2保持沿构件表面S2扩大的形状。在这种情况下，例如在接触角度θ为40度以下，无限接近0度的程度，构件表面S2具有高的亲水性(即达到超亲水性的状态)。通常将接触角度θ为40度以下的状态叫做亲水性。将在图5A的疏水性状态所附着的水滴W1的形状和在图5B的亲水性状态所附着的水滴地W2的形状进行比较时可看出，提高疏水性状态的水滴W1的高度以尽可能减少水滴W1向构件表面S1的接触部分，另一方面，降低亲水性状态的水滴W2的高度，以尽可能增多水滴W2向构件表面S2的接触部分。
如上所述，隔板1由碳材料形成，所以其槽部3的内壁面具有疏水性。因此，如图6A的示意说明图所示，认为例如在现有隔板上由未形成小槽部5的槽部503构成气体流路502的情况，在图6B中气体流路502内产生的小的水滴W3以减小其与在槽部503内具有疏水性的内壁面(图示下侧壁面)的接触面积的方式、以膨胀的状态附着该内壁面，并如图6E的气体流路平面图所示，随着燃料气体的流动一边被冲走、一边进行凝缩，与此同时，其水滴W3成长。其结果如图6C及图6D所示，水滴W3成长到将气体流路502堵塞的大小，最终变成气体流路502被水滴W3堵塞的状态。
与此相对，本实施方式的隔板1在槽部3内形成有小槽部5，该小槽部5具有将水保持于其内部的水保持功能，由此，如图7A所示，在水W被保持于小槽部5内的状态下，如图7B所示，在气体流路2内例如在离开小槽部5的位置产生水滴W4时，如图7E所示，该水滴W4依靠气体的流动一边被冲走一边进行凝缩，与此同时，其水滴W4渐渐长大(参照图7B和图7C)。不久，水滴W4成长到与被保持于小槽部5内的水W接触，和水W接触时，构成水滴W的水沿被保持的水W的表面扩展，其在水W的表面及小槽部5的周围近旁产生和付与了亲水性的情况同样的现象。其结果是，水滴的成长被抑制，其形状也成为沿内壁面扩展的形状，从而气体流路2被堵塞的情况被抑制。即，具有水保持功能的小槽部5使其所保持的水和气体流路2内产生的水滴接触，由此，具有对构成气体流路2的槽部3的内壁面的一部分(即，小槽部5的保持水的表面及其近旁)付与亲水性状态的作用。另外，在图6E和图7E中，箭头F表示气体流路中的气体的流动方向。
在未实施这样的亲水处理的气体流路2中，长大到一定程度大小的水滴通过将其形态改变为亲水性状态，以使其不长大到该大小程度以上的大小，能够防止气体流路2被堵塞的情况。另外，这样，其形态变为亲水性状态的水(水滴)随着燃料气体的流动，一边沿小槽部5极其周围近旁的内壁面流动，一边从燃料气体出口歧管25排出。
另外，这样的小槽部不仅在阳极侧隔板1上而且在阴极侧隔板41上也形成。具体地说，如图3A、图3B及图4所示，在阴极侧隔板41上，形成从氧化剂气体入口歧管26到氧化剂气体出口歧管27的连续的氧化剂气体流路42，该氧化剂气体流路42为直线状流路部42a和弯曲流路部42b组合而构成。另外，构成该氧化剂气体流路42的槽部43由直线状槽部43a和弯曲槽部43b构成，在各直线状槽部43a的内壁面的底部中央形成有小槽部45。该小槽部45以从直线状槽部43a的一端连通到另一端的方式连续地形成，而在弯曲槽部43b中不形成小槽部45。这样，在阴极侧隔板41上也在氧化剂气体流路42内形成有小槽部45，由此，包含于氧化剂气体中的水分通过凝缩等在气体流路42内产生的水滴，在成长为将气体流路42堵塞的程度的大小之前，使其和保持于小槽部5内的水接触，由此能够抑制水滴的成长，从而可防止流路堵塞的情况发生。
这样的小槽部5、45理想的是形成能够例如利用毛细管现象将与小槽部5、45的一部分接触的水引进来吸入其内部并保持，进而一次进入的水即使有气体通过也不会立即蒸发，而可保持良好的大小、形状。例如，相对于槽部3、43的宽W为1mm、深度D为1mm，优选形成为小槽部5、45宽w为0.2mm、深度d为0.2mm。尤其是小槽部5、45的宽w，理想的是形成为槽部3、43的宽W的1/2以下的大小，更优选形成为宽W的1/2至1/10的范围内的大小。也可以是这样的小槽部5、45形成在槽部3、43的内壁面的任何位置。但为了抑制水滴成长为大于气体流路2、42的截面的1/2大小，优选如图4所示在槽部3、43的底部的中央附近形成小槽部5、45。
另外，如图8A的隔板1的燃料气体出口歧管25近旁的槽部3的部分放大示意平面图、及该平面图所示的槽部3的中心线C-C的示意剖视图即如图8B所示，以一直连续到直线状槽部3a的端部的方式形成的小槽部5，优选以在弯曲槽部3b不与歧管25连通的方式形成。这时因为至少小槽部5的末端不与出口歧管25连通(即为不连续)，由此，可以抑制进入小槽部5内的水主动流到歧管25而排出，从而可以使小槽部5的水保持功能变得可靠。
另外，在如上所述的实施方式中，优选以从构成气体流路2、42的直线状槽部3a、43a的一端连续到另一端的方式形成小槽部5、45。所谓从一端连续到另一端即，即使在一部分含有不连续的地方，只要构成与实质上连续的状态同样的状态即可。例如，如图9A所示的直线状槽部3a的部分扩大示意平面图、和其D-D线剖视图即图9B所示，即使是形成有多个分断开的小槽部5a的情况，只要相邻的小槽部5a之间的间隔L1例如为小槽部5的宽w以下，则可抑制水滴成长到比小槽部5的宽w更大。从而，在本发明中，按照这样的间隔L1分断开的状态可以说是各小槽部5a实质上连续的状态。
与此相对，作为本实施方式的比较例，如图10A的部分示意平面图及图10B的E-E线剖视图所示的直线状槽部3a所示，各小槽部5b是例如形成比小槽部5b的宽w更大的间隔L2的小槽部，不能说各小槽部5b是实质上被连续的状态，而是不连续的状态。这是因为在这种不连续状态，即使在相邻的小槽部5b之间产生的水滴W5成长为比小槽部5b的宽w更大的状态，也能够充分地产生和保持于小槽部5b的水不接触的状况，从而不能说流路堵塞被充分地抑制。
另外，在上述的实施方式的堆栈30的各隔板1(或41)上，以在各直线状流路部2a形成小槽部5，而在各弯曲流路部2b不形成小槽部的方式构成气体流路2。这是因为，弯曲流路部2b是比较短的流路部2，另外，这种隔板2b大多将其气体流路形成面配置于垂直方向，并且将各直线状流路部2a配置于与垂直方向正交的方向，所以，在弯曲流路部由于重力等的作用液滴比较难以溜存。另外，也可以代替这种情况而在各弯曲流路部2b形成小槽部，但必须设置不连续的部位以使所形成的小槽部与出口歧管25不连通。
在此，作为本实施方式的变形例，下面参照附图对各种各样的小槽部的配置形式进行说明。
首先。如图14A的单电池20的示意剖视图所示，在气体流路2内，例如相互平行地配置两个小槽部5A也可以。这样的小槽部5A例如能够形成气体流路2的底部的角部分。这样，在形成有小槽部5A的流路2中，例如，如图14B、图14C、图14D及图14E的示意说明图所示，在气体流路2内能够将水W保持于两处，且在气体流路2内生成的水滴W4能够与在更早的阶段被保持于小槽部5A的水滴W接触，在早的阶段抑制水滴的生成。另外，在阴极侧隔板41上也能够形成两个小槽部45A。
另外，如图15A的单电池20的使剖视图所示，在隔板1上相对隔板1的表面以倾斜的方式形成气体流路2主体也可以。在这种情况下，优选例如，以沿铅垂方向配置隔板1的表面、并且气体流路2的底部侧位于铅垂方向下方侧的方式确定其倾斜方向，并且在气体流路2内，在成为倾斜方向最下方的位置形成小槽部5B。根据这样的构成，如图15B、图15C、图15D及图15E的示意剖视图所示，可依靠重力的作用引导在流路2内生成的水滴W4以使其与小槽部5B挨近，从而能够在较早的阶段抑制水滴的生成。另外，由于能够容易地将水W溜存在气体流路2的图示下方的内壁面，所以，可以使该下方内侧面能长期间为亲水性状态。另外，在阴极侧隔板41上也能够形成这样的小槽部45B。
另外，如图16A所示的单电池20上形成的小槽部5C所示，其入口侧角部分上还可以形成曲面部(R部)5a。通过形成这样的曲面部5a，如图16A、16B、图16C及图16D所示，气体流路2内产生的水容易导入小槽部5C，从水的保持性和水滴的生成抑制的观点看是有效的。另外，阴极侧隔板41上，也可以形成具有这样曲面部45a的小槽部45C。
再者，其另一变形例表示于图17A、17B、图17C及图17D所示的气体流路2的使剖视图。也可以采用：如图17A所示，其内底面由曲面构成的小槽部5D；如图17B所示，具有大致V字状截面的小槽部5E；如图17D所示，两段结构的小槽部5G的形式。另外，也可以是如图17C所示，在气体流路2的底部由两个凸状隆起部5b包围而形成小槽部5F的形式。有在这种形式下，也可具备具有凹状截面且将水保持于其内侧的功能，因此，本发明的水保持用槽部的一例也包含这种形式的小槽部5F。
另外，在各直线状流路部2a，不仅限于沿其流路方向形成直线状小槽部5的情况，例如以蜿蜒的方式形成小槽部的情况也可以。在这种情况下，也具有保持在流路2内产生的水的功能，且能够有效地实现抑制水滴成长的效果。但是，在以这种螺旋形状形成小槽部的情况下，也必须以从直线状流路部2a的一端实质上连续到另一端而延伸的方式形成小槽部。
另外，在隔板1及41上，气体流路2、42及小槽部5、45可通过成形加工而形成。从而，在气体流路2、42的内壁面，小槽部5、45的形成位置优选考虑这种成形加工来确定。例如，将小槽部5、45配置于气体流路2、42的底面的情况，优选从成形加工的加工性的观点来考虑。另外，在使小槽部5、45在气体流路2、42的内壁面的侧面形成的情况下，可以用切削加工等方法形成小槽部。
根据上述实施方式，在构成燃料电池101的堆栈30的各单电池20中，在形成在隔板1(隔板41也同样)的表面的气体流路2形成用的槽部3的内壁面上，形成小槽部5作为比该槽部3足够小的槽部，且这些小槽部5在各直线状槽部3a以使从一端部至另一端部的区间连续的方式形成，并且，在各弯曲槽部3b以不连续的方式形成，且和出口歧管25不连续地形成，由此，能够将产生于气体流路2内的水保持在小槽部5内。这样，在各小槽部5具有水保持功能，由此，水可成为经过气体流路2的各直线状流路部2a的整体被连续地保持于小槽部5的状态，其后，所生成的水滴在其成长过程中和保持于小槽部5的水接触，从而能够抑制水滴的成长。因而，能够抑制水滴成长为将气体流路2等堵塞的大小，通过使气体的流动稳定可以使发电状态稳定，能够实现良好的耐溢流性。
在现有技术中还存在以下构成的燃料电池，即，使用在这种气体流路内形成有连通到出口歧管的细的连通槽的结构的隔板，在气体流路内产生的水通过连通槽主动向出口歧管排出，但在这样的结构中，由于连通槽与出口歧管连通，由此不能够将槽内的水常时保持，会产生在槽内存在水的状态或不存在水的状态。假定，将本发明的原理应用于具有这种结构的现有隔板，虽然在存在水的状态下，能够使流路成为亲水性的状态而抑制水滴的成长，但是，在不存在上的状态下，也不能成为亲水性状态，不能抑制水滴的成长。因而，在气体流路中变为亲水性和非亲水性的状态共存的情况，在上述非亲水性的部分存在产生流路堵塞的可能性。
对此，上述实施方式的小槽部5以与出口歧管25不连通的方式形成，由此实现水的保持功能，因此，这种亲水性和非亲水性的状态大多不会共存。另外，由于这样的小槽部5在更容易产生水滴溜存的直线状流路部2a以连续的方式形成，因此，能够有效地抑制所产生的水滴的成长。从而，在燃料电池中，通过抑制流路堵塞而使气体的流动稳定，能够提高发电的稳定化及耐溢流性。
另外，上述实施方式的燃料电池对家庭用的燃料电池所应用的情况尤其有效。这种家庭用燃料电池大多以尽量减小泵等驱动所需要的动力的方式进行设计，与其它领域所使用的燃料电池相比，气体流路内气体的供给流速被控制在比较小(慢)(例如气体供给流速在10m/s以下)。因此，由于在这种家庭用的燃料电池中，产生于气体流路内的水滴以气体流速排出的效果比较弱，因此通过使用上述实施方式的小槽部来抑制水滴的成长会更有效。
(实施例)
其次，下面，对本发明的上述实施方式的燃料电池的几个实施例进行说明，并说明在气体流路内形成小槽部带来的效果。
(第一实施例)
如上所述，第一实施例的燃料电池的堆栈是具有图3A和图3B所示的形式的堆栈30。具体地说，对本第一实施例的堆栈30的结构及其制作方法进行说明。
首先，对MEA的制作方法进行说明。在乙炔黑粉末中将承载有平均粒径约为30
Figure C20068001018900201
的铂粒子25重量％的粉末作为电极的催化剂。在将该催化剂粉末分散于异丙醇中而形成的溶液中，混合将全氟碳磺酸的粉末分散于乙醇中而形成的分散溶液，形成催化剂糊状。
另一方面，对作为电极的支承体的碳无纺布(气体扩散层14)进行疏水处理。将外尺寸14cm×14cm、厚度36μm的碳无纺布(东莱公司(東レ)制：TGP-H-120)浸渍于含有氟树脂的水性分散体(达金工业(ダイキン工業)：纳奥福隆ND1(ネオフロンND1))后，通过使其干燥，且在400℃加热30分钟，赋以疏水性。通过在该碳无纺布14的一侧面上用丝网印刷法涂敷催化剂糊，而形成催化剂层12、13。这时，催化剂层12、13的一部分被埋入碳无纺布14中。将这样制作而成的催化剂层12、13和碳无纺布14合在一起而形成电极。形成后的反应电极中所含的铂量调整为0.6mg/cm2，全氟碳磺酸的量调整为1.2mg/cm2。
其次，以一对电极(即阳极和阴极的一对电极)中的催化剂层侧的表面与外尺寸为15cm×15cm的质子传导性高分子电解质膜11的表里两面接触的方式通过热压而接合，并将其作为膜电极复合体(MEA)10(参照图2)。在此，作为质子传导性高分子电解质膜11，使用将全氟碳磺酸进行薄膜化而成为30μm的厚度的膜。
其次，对作为阳极侧隔板1和阴极侧隔板41的导电性隔板的制作方法进行说明。首先，准备平均粒径为50～100μm的人造石墨粉末，用搅拌机将热固化性石炭酸树脂20重量％压出到人造石墨粉末80重量％中并进行搅拌，制成混合粉末。使用已形成与供给燃料流体(燃料气体)及氧化剂流体(氧化剂气体)的流体流路用的槽部(气体流路形成用的槽部)2、42、和冷却水用槽部(未图示)、各气体入口歧管24～29、和小槽部5、45各自的形状对应的形状的金属模型，将该混合粉末投入加热到180℃的金属模型中，并通过热压进行压缩成形。另外，该成形方法除压缩成形以外也可以是射出成形及传递模塑法成形，另外，也可以在成形之后用切削加工只制作小槽部5、45。
另外，本第一实施例的隔板沿垂直方向配置其流路形成面，并且以各直线状流路2a沿水平方向配置的姿势而使用。在这种使用姿势下，优选在沿水平方向配置的流路部形成小槽部5。原因是，水滴沿流路壁面在其流动方向边流动边成长。因此，在如图3A所示的螺旋状的气体流路中，既然是在重力方向上所以水滴容易移动，而在垂直重力的方向水滴难易移动。在没有小槽部的流路中，水滴成长会将流路堵塞，如图3所示，通过形成小槽部5，能够使水滴的成长抑制到在接触到小槽部5之前程度的大小。另外，对阴极侧的隔板41也以同样的方法进行制作。
对于小槽的截面形状，采用如图3A、图3B及图4所示的形状。即，在气体流路2、42的内壁面的底部的大致中央部分沿流路形成有小槽部5、45。
在形成有这样的小槽部5的阳极侧隔板1和形成有小槽部45的阴极侧隔板41之间，将MEA 10、气体密封件重合在一起形成单电池20(参照图2)。在本第一实施例中，用气体密封材料覆盖阳极侧、阴极侧的检查部且使其不露出表面。将该电池20分别层叠成两个电池之后，用形成有冷却水流路槽部的隔板夹入该2电池式层叠电池，使该反复进行制作成10电池式层叠的堆栈30。这时，用连结杆将不锈钢制的集电板21、电绝缘材料的绝缘板22还有端部23固定在堆栈30的两端部。这时的连结压为每隔板面积15kgf/cm2。
将这样制作的第一实施例的10电池式层叠的燃料电池(PEFC)101保持在80℃，将已加湿到75℃露点的氢气作为燃料流体(气体)供给到阳极侧，另一方面，将已加湿到65℃露点的空气作为氧化剂流体(气体)供给到阴极侧。其结果是，在电流不向外输出的无负荷时得到9.6V的电池开放电压。测定这时的堆栈30整体的内部电阻，所测定电阻为大约4.5mΩ。
使该10电池式层叠的燃料电池101在氧气利用率为40％、电流密度为0.15A/cm2的条件下，使燃料利用率从50％每次提高5％而进行试验。这样一来，最初处于700mV以上的电池电压按照某燃料利用率急剧降低。然后，在电池电压低于600mV时终止试验。
以每次5％的燃料利用率进行五小时运转试验，将所有的电池电压能够稳定地运转的最高燃料使用率设定为限值燃料利用率(限值Uf)。
接着，使该10电池式层叠的燃料电池101在燃料利用率为60％、电流密度为0.3A/cm2的条件下，使氧气利用率从30％每次提高5％而进行试验。对于氧气利用率，也和燃料利用率一样，在电池电压低于600mV时终止试验。以每次5％的氧气利用率进行五小时运转试验，将所有的电池电压能够稳定地运转的最高氧气利用率设定为限值氧气利用率(限制Uo)。可以说，该限值燃料利用率(限值Uf)和限值氧气利用率(限值Uo)越高的燃料电池，稳定性越高、耐溢流性越好。即，可以说，通过抑制产生于隔板的气体流路中的水滴造成的流路堵塞，能够制作发电的稳定性提高、耐溢流性良好的燃料电池。将该值作为燃料电池的电池特性评价指标。
加工形成有本第一实施例的小槽部5、45的隔板1、41的10电池式层叠燃料电池101的电池特性整体显示出限值Uf为80％、限值Uo为60％这样非常高的特性。另外，作为电池特性，只要表现出限值Uf为70％以上、限值Uo为50％以上的性能，就可以说是具有优良的耐溢流性的燃料电池(PEFC)。从该结果认为：加工形成小槽部的结构的效果被充分地体现，产生于气体流路中的生成水造成的堵塞被有效地防止。
(第二实施例)
接着，图11B表示第二实施例的燃料电池中的单电池120的示意剖视图，图11A表示图11B中的G-G线向视图。另外，图11A中的F-F线向视剖面图为图11B。如图11A和图11B所示，本第二实施例的单电池120具有和上述第一实施例的单电池20大致相同的构造，在各直线状流路部2a中，只是小槽部105相对于流路方向稍稍倾斜这一点不同。另外，该小槽部105的倾斜方向设定为，在气体流路2中相对于气体的流动方向朝图示下方下降。具有这样的倾斜方向的小槽部105、145共同形成在阳极侧和阴极侧隔板上。除这一点以外的构成及制造方法和上述第一实施例是一样的，因此省略其说明。，
对这样构成的本第二实施例的燃料电池，用和上述第一实施例中所实施的方法同样的方法进行了电池发电评价。其结果是，显示出和第一实施例的燃料电池同样的性能。进而在将电池温度从80℃降低5℃成为75℃的状态下也同样地进行电池发电评价。这时，上述第一实施例的燃料电池中是限值利用率每次降低5％的，但在本第二实施例的燃料电池中，显示出了限值Uf为80％、限值Uo为60％这样不变的性能。由该结果认为，将小槽部105、145以相对于流动方向且非逆着重力的方式设有倾斜度，能够进一步提高由弯曲流路部2b中的小槽部105、145带来的槽排出性，在更加过饱和的条件下也能够得到稳定的电池特性。
(第三实施例)
接着，图12B表示第三实施例的燃料电池中的单电池220的示意剖视图，图12A表示图12B中的I-I线向视图。另外，图12A中的H-H线向视剖面图为图12B。如图12A和图12B所示，本第三实施例的单电池220具有和上述第一实施例的单电池20大致相同的构造，只是在各直线状流路部2a中所形成的小槽部205在各弯曲流路部连续通这一点不同。该小槽部205相对于入口歧管24和出口歧管25为不连续通的不连续状态。这样的小槽部205、245共同形成在阳极侧和阴极侧隔板上。另外，由于除这一点以外的构成及制造方法和上述第一实施例是一样的，因此省略其说明。
对这样构成的本第三实施例的燃料电池，用和上述第一实施例中所实施的方法同样的方法进行了电池发电评价。其结果是，显示出了限值Uf为75％、限值Uo为55％这样高的特性，但比第一实施例性能降低了5个百分点。进而在将电池温度从80℃降低5℃成为75℃的状态下也同样地进行电池发电评价。这时，上述第一实施例的燃料电池中是限值利用率每降低5％的情况，在本第三实施例的燃料电池中，显示出了限值Uf为80％、限值Uo为60％这样不变的性能。由该结果认为，在更加过饱和的条件下，通过使弯曲流路部2b中的小槽部205、245连结，也能够得到稳定的电池特性。
(第四实施例)
接着，图13B表示第四实施例的燃料电池中的单电池320的示意剖视图，图13A表示图13B中的K-K线向视图。另外，图13A中的J-J线向视剖面图为图13B。如图13A和图13B所示，本第四实施例的单电池320具有和上述第一实施例的单电池20大致相同的构造，只是进而在各气体流路部2a的下游部分(后半部分)形成有第二小槽部355这一点不同。该第二小槽部355不仅在直线状流路部2a中形成，而且也在弯曲流路部2b中形成，且最终是与出口歧管25连通。另一方面，形成在各直线状流路部2a中的小槽部(即第一小槽部)305不在弯曲流路部2b中形成，且也不和出口歧管25连通。这样的小槽部305、355、345、365共同形成在阳极侧和阴极侧隔板上。另外，由于除这一点以外的构成及制造方法和上述第一实施例是一样的，因此省略其说明。
对这样构成的本第四实施例的燃料电池，用和上述第一实施例中所实施的方法同样的方法进行了电池发电评价。其结果是，显示出了限值Uf为80％、限值Uo为60％这样的和上述第一实施例同等的高特性。进而也在将电池温度从80℃降低5℃成为75℃的状态下同样地进行电池发电评价。这时，显示出了限值Uf为80％、限值Uo为60％这样不变的性能。由该结果认为，在本第四实施例的电池中，能够得到在宽泛的运转条件下更加稳定的电池特性。
如上所述，根据本发明，能够抑制在各单电池中的气体流路中结露水(生成水)的成长，能够可靠地确保气体流路。由此，可成为溢流的发生被抑制的、可进行稳定的发电的燃料电池的构成。
另外，通过将上述各种各样的实施方式中的任意实施方式进行适当地组合，能够实现各自具有的效果。
以上，参照附图对本发明的最佳的实施方式充分地进行了记述，但作为熟练该技术的技术人员，可以进行种种变形及修正，这是显而易见的。应理解为，这种变形和修正只要在不超出所赋予的权利要求项的范围所限定的本发明的范围，就包含在其中。
本发明包含但不限于2005年5月31日已申请的日本国专利申请：2005-140915号的说明书、附图及专利要求的范围的公开内容。

Claims (5)

1、一种燃料电池，该燃料电池具有膜电极复合体和一对隔板，
所述膜电极复合体是高分子电解质膜、夹着所述高分子电解质膜配置的各催化剂层和配置于所述各催化剂层外侧的气体扩散层的复合体，该膜电极复合体形成阳极和阴极，
所述一对隔板夹着所述膜电极复合体配置，所述一对隔板的表面形成气体流路用槽部，该气体流路用槽部与所述气体扩散层相接来构成气体流路，在所述各隔板中，
所述气体流路具有大致平行配置的多个大致直线状流路部和使所述直线状流路的端部与相邻的所述直线状流路的端部连通的多个弯曲流路部，并使所述气体流路用槽部从气体导入口连通到排出口而形成，
在构成所述各直线状流路部的所述气体流路用槽部的内壁面上，以不与所述排出口连续的方式以槽状形成沿该直线状流路部实质上连续的水保持用槽部，使在所述气体流路中产生的水的至少一部分可保持于该水保持用槽部的内侧，并且
所述水保持用槽部的宽度尺寸为所述气体流路用槽部的宽度尺寸的1/2～1/10。
2、一种燃料电池，该燃料电池具有膜电极复合体和一对隔板，
所述膜电极复合体是高分子电解质膜、夹着所述高分子电解质膜配置的各催化剂层和配置于所述各催化剂层外侧的气体扩散层的复合体，该膜电极复合体形成阳极和阴极，
所述一对隔板夹着所述膜电极复合体配置，所述一对隔板的表面形成气体流路用槽部，该气体流路用槽部与所述气体扩散层相接来构成气体流路，在所述各隔板中，
所述气体流路具有大致平行配置的多个大致直线状流路部和使所述直线状流路的端部与相邻的所述直线状流路的端部连通的多个弯曲流路部，并使所述气体流路用槽部从气体导入口连通到排出口而形成，
在构成所述各直线状流路部的所述气体流路用槽部的内壁面上，以槽状形成沿该直线状流路部实质上连续的水保持用槽部，使在所述气体流路中产生的水的至少一部分可保持于该水保持用槽部的内侧。
在所述各直线状流路部上，所述水保持用槽部在所述各直线状流路部的两端部之间连续形成，在所述各弯曲流路部上，所述各水保持用槽部是不连续的，并且
所述水保持用槽部的宽度尺寸为所述气体流路用槽部的宽度尺寸的1/2～1/10。
3、如权利要求1或2所述的燃料电池，其中，所述各水保持用槽部形成在所述气体流路用槽部的底部。
4、如权利要求3所述的燃料电池，其中，所述各水保持用槽部形成在所述底部的大致中央部分。
5、如权利要求1或2所述的燃料电池，其中，所述水保持用槽部通过使所述气体流路用槽部内产生的水滴与该水保持用槽部的保持水接触，而使所述气体流路用槽部的内壁面和所述水滴的接触角度减小。
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