CN101512812B

CN101512812B - 高分子电解质型燃料电池系统

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Publication number: CN101512812B
Application number: CN2007800322075A
Authority: CN
Inventors: 竹口伸介; 辻庸一郎; 日下部弘树
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-10-17
Filing date: 2007-10-17
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2027-10-17
Also published as: US20100316916A1; CN101512812A; JPWO2008047822A1; WO2008047822A1

Abstract

本发明的高分子电解质型燃料电池系统具有单电池(10)、层叠体(100)、温度调整装置(160、140、40、41)、阳极气体供给装置(110)、阴极气体供给装置(120)、以及控制装置(300)，在层叠体(100)的发电输出下降时，控制装置(300)控制阳极气体供给装置(110)和阴极气体供给装置(120)，降低阳极气体和阴极气体的供给流量，并且，控制阳极气体供给装置(110)、阴极气体供给装置(120)、以及温度调整装置(140A)中的至少任一个，使向所述阳极气体流路槽和所述阴极气体流路槽中的至少任一个供给的气体的露点温度相对地高于层叠体(100)的温度，从而使该气体成为进一步的水分过饱和状态。

Description

高分子电解质型燃料电池系统

技术领域

本发明涉及利用高分子电解质型燃料电池的高分子电解质型燃料电池系统。

背景技术

一般而言，高分子电解质型燃料电池系统(以下，简称为PEFC系统)构成为，具有：单电池，具有形成有阳极气体流路槽的阳极隔板、形成有阴极气体流路槽的阴极隔板、以及被它们夹着的MEA；层叠体，层叠有所述单电池且在所述层叠的单电池彼此的层叠面之间构成有连接传热媒体的入口和出口而延伸的传热媒体流路；温度调整装置，调整所述层叠体的温度；阳极气体供给装置，向所述层叠体供给所述阳极气体；阴极气体供给装置，向所述层叠体供给所述阴极气体；以及控制装置，控制所述温度调整装置、所述阳极气体供给装置、所述阴极气体供给装置的动作状态。

在此，在PEFC系统的电化学反应中，如专利文献1和2所示，有必要充分地润湿高分子电解质膜。

尤其是在专利文献1中，公开了一种PEFC系统，该PEFC系统能够向MEA供给露点温度比MEA的温度高2℃左右的阳极气体和阴极气体，从而能够更加可靠地将MEA的整个区域保持为水分饱和状态。

另一方面，在PEFC系统中，在单电池内部的气体流路或电极内部发生结露，因水堵塞而使得发电输出不稳定化或性能降低的现象、所谓的溢流(flooding)现象日益成为问题。尤其是在层叠体的发电输出为低输出的状态(以下，简称为“低输出时”)下，具有易于引起溢流现象的倾向。即，在低输出时，由于层叠体中的阳极气体和阴极气体的消耗量减少，因而，阳极气体供给装置和阴极气体供给装置减少了这些气体的供给量。因此，单电池的阳极气体流路槽和阴极气体流路槽中的这些气体的流速和供给压降低，基于这些气体的压力的结露水的排出能力降低了。

为了抑制这些问题，人们提出了抑制单电池内部的结露水的产生或促进单电池内部的结露水的除去的各种的PEFC系统。

专利文献3中公开了一种通过改进阳极气体流路槽和阴极气体流路槽的构成，增大阳极气体和阴极气体的单位时间的移动量，从而促进单电池内部的水分排除的方法。

专利文献4中公开了一种如果发电输出不稳定化，则通过提高单电池的温度或降低阳极气体和阴极气体的至少任一个的加湿量，从而抑制单电池内部的结露水的产生的方法。而且，专利文献4中公开了一种如发电输出不稳定化，则通过提高阳极气体和阴极气体中至少任一个的供给量，从而促进单电池内部的结露水的除去的运转方法。

专利文献5中公开了一种在溢流现象产生时，沿上下方向切换单电池内的阳极气体和阴极气体的流通方向的PEFC系统的运转方法。即，专利文献5为利用重力来促进单电池内部的结露水的排出的技术。

专利文献6中公开了一种在低输出时，提高层叠体的紧固力的PEFC系统的运转方法。通过提高紧固力，从而减小了单电池内部的阳极气体流路槽和阴极气体流路槽的流路截面积，进而提高了这些流路中的气体的流速。于是，促进了单电池内部的结露水的排出。

另外，专利文献7中公开了一种调整阳极气体流路槽和阴极气体流路槽的表面性状的技术。

专利文献1：日本特开第2005-203361号公报

专利文献2：日本特开第2002-164069号公报

专利文献3：日本特开第2003-272676号公报

专利文献4：日本特开第2001-148253号公报

专利文献5：日本特开第2003-142133号公报

专利文献6：日本特开第2004-253269号公报

专利文献7：日本特许第3739386号公报

发明内容

然而，专利文献1的PEFC系统具有调整阳极气体和阴极气体的露点温度的控制装置。于是，能够更加可靠地将MEA的整个区域保持为水分饱和状态，因而，也防止了低输出时的高分子电解质膜的干燥。然而，在上述控制装置中，通过以燃料气体的露点温度(T2)相对于燃料气体流路入口的温度(T3)高出一定值的方式进行控制，从而防止溢流。即，无论发电输出的高低，通过将层叠体的温度和燃料气体的露点温度的温度差控制在一定范围内，能够防止发电输出的不稳定化。因此，专利文献1中没有公开对应于发电输出的降低，使燃料气体成为进一步的水分过饱和状态的技术，也没有给出任何启示(参照专利文献1第0099至0112段)。

专利文献3和5中所示的特殊的单电池的构造使单电池的构造变得复杂化。

此外，专利文献4中所示的降低阳极气体和阴极气体的加湿量或提高单电池的温度的运转方法，导致高分子电解质膜的湿润不足，有可能损伤高分子电解质膜。

另外，专利文献6的技术在PEFC系统的发电输出变动时，必须调整紧固力，有可能加速层叠体的紧固构造的劣化，进而缩短层叠体的寿命。

专利文献7公开了排水性能优异的PEFC用隔板，但是，没有公开谋求PEFC系统的低输出时的发电输出的稳定化的技术，也没有给出任何启示。

因此，对于在低输出时使发电输出更加稳定化的PEFC系统而言，还有改善的余地。

本发明是为了解决上述的问题而提出的，其目的在于，提供一种PEFC系统，该PEFC系统不使PEFC的构造复杂化，且不导致高分子电解质膜的湿润不足的可能性，即使在低输出状态下，也能够使发电输出更加稳定。

为了解决上述问题，发明者们反复进行认真研讨，结果，新发现了以下的见解，得到了本发明。

即，如专利文献3至6所示，本技术领域的技术人员一般认为：如果在低输出状态下，气体的供给量减少，则通过气体排出结露水的效果变弱，因而，在阳极气体流路槽和阴极气体流路槽中，结露水容易滞留，层叠体的发电输出不稳定化。

然而，发明者们发现了这样一个现象：通过在阳极气体流路槽和阴极气体流路槽中增加结露水的产生量，反而促进了结露水的排水。即，发现了在低输出状态下减少气体的供给量的情况下，如果在阳极气体流路槽和阴极气体流路槽中，结露水为更容易产生的状态，则反而发电输出稳定。尽管还不清楚产生这样的现象的原因，但是，发明者们推测，这时因为结露水被取入至形成于这些流路槽的表面的水膜，使结露水被容易地冲走。

基于该新的见解，第1发明的高分子电解质型燃料电池系统，具有：

单电池，具有形成有阳极气体流路槽的阳极隔板、形成有阴极气体流路槽的阴极隔板、以及被它们夹着的MEA；

层叠体，由上述单电池层叠而成；

温度调整装置，调整上述层叠体的温度；

阳极气体供给装置，向上述阳极气体流路槽供给具有水蒸气分压的阳极气体；

阴极气体供给装置，向上述阴极气体流路槽供给具有水蒸气分压的阴极气体；以及

控制装置，控制上述温度调整装置、上述阳极气体供给装置、以及上述阴极气体供给装置。

在上述层叠体的发电输出下降时，上述控制装置控制上述阳极气体供给装置和上述阴极气体供给装置，降低上述阳极气体和上述阴极气体的供给流量，并且，控制上述阳极气体供给装置、上述阴极气体供给装置、以及上述温度调整装置中的至少任一个，使向上述阳极气体流路槽和上述阴极气体流路槽中的至少任一个供给的气体的露点温度相对地高于上述层叠体的温度，从而使该气体成为进一步的水分过饱和状态。

如果如此地构成，则能够不使PEFC的构造复杂化，且不导致高分子电解质膜的湿润不足的可能性，即使在低输出状态下，也能够使发电输出更加稳定。

第2发明的高分子电解质型燃料电池系统中，上述阳极气体流路槽和上述阴极气体流路槽中的至少任一个的表面的接触角可以为90°以下。

如果如此地构成，则这些流路的表面具有比防水性更加富含亲水性的性状，因而，能够更加有效地得到第1发明的效果。

在此，“接触角”是指在水滴的自由表面与流路槽表面相接的地方，液面和流路槽表面所成的角度(位于水滴的内部的角)。(参照《岩波理化学辞典(第4版)》第690页的记载)。更加具体而言，是指在流路槽表面水平地配置且将一定量的水滴加载于该表面上并使其静止的情况下，上述流路槽表面和水滴的液面所成的角度。

第3发明的高分子电解质型燃料电池系统中，上述阳极隔板和上述阴极隔板中的至少任一个是通过将含有导电性碳素和粘合剂的混合物压缩成型而形成的压缩成型隔板，形成于上述压缩成型隔板上的上述阳极气体流路槽和上述阴极气体流路槽中的至少任一个可以在表面上实施过亲水性改善处理。

由于改善了压缩成型隔板的表面的亲水性，因而，能够更加有效地得到第1发明的效果。

在此，“亲水性改善处理”是指通过增加流路槽表面的微细的凹凸(即比表面积)或者极性，从而使流路槽表面具有亲水性的处理。亲水性改善处理的技术，可以列举出蚀刻加工、喷射加工、研磨加工、辉光放电加工、以及氧等离子体加工。

第4发明的高分子电解质型燃料电池系统中，上述亲水性改善处理可以为氧等离子体处理。

如果如此地构成，则能够可靠地进行亲水性改善处理，因而，能够可靠地得到第3发明的效果。

第5发明的高分子电解质型燃料电池系统中，上述控制装置可以在上述层叠体的发电输出下降时，控制上述温度调整装置，降低上述层叠体的温度。

如果如此地构成，则不需要调整阳极气体供给装置和阴极气体供给装置中的阳极气体和阴极气体的露点温度。因此，能够使除了阳极气体供给装置和阴极气体供给装置的供给流量以外的调整简单化。能够更加容易地实施本发明。

第6发明的高分子电解质型燃料电池系统中，上述层叠体具有在上述层叠的单电池彼此的层叠面之间形成的传热媒体流路，

上述温度调整装置为传热媒体供给装置，该传热媒体供给装置向上述传热媒体供给路供给上述传热媒体，并且，以能够将上述传热媒体的温度和流量中的至少任一个作为调整对象并进行调整的方式构成，

上述控制装置在上述层叠体的发电输出下降时，可以通过调整上述调整对象，降低上述层叠体的温度。

如果如此地构成，则高分子电解质型燃料电池系统能够利用传热媒体的热，并且，传热媒体供给装置为温度调整装置，因而，能够合理地构成高分子电解质型燃料电池系统的构造。

第7发明的高分子电解质型燃料电池系统中，上述传热媒体供给装置以能够调整上述传热媒体的温度的方式够成，

上述控制装置在上述层叠体的发电输出下降时，可以通过降低上述传热媒体的温度，降低上述层叠体的温度。

由于如专利文献4所示的提高气体的供给量或单电池的温度的运转方法在增量和升温上消耗了能量，或者来自传热媒体的回收能量减少，因而，高分子电解质型燃料电池系统的能量效率降低。但是，如果如此地构成，则能够降低向层叠体供给的传热媒体的温度，因而，能够提高高分子电解质型燃料电池系统的能量效率。

第8发明的高分子电解质型燃料电池系统中，上述控制装置可以具有：

存储部，存储与上述层叠体的发电输出和在该发电输出未显现上述层叠体的发电输出的不稳定化现象的上述调整对象的设定值相关的数据；以及

控制装置，基于上述数据，控制上述传热媒体供给装置，使得上述调整对象成为上述设定值。

如果如此地构成，则在发电输出下降的情况下，能够更加可靠地降低层叠体的温度。

第9发明的高分子电解质型燃料电池系统中，上述阴极气体流路槽可以形成为，多个流路槽从入口至出口并行且蜿蜒行进，并且，随着从上述入口向上述出口行进，上述并行的流路槽的条数减少。

阳极气体和阴极气体在阳极气体流路槽和阴极气体流路槽中流通，同时引起电化学反应，因而，在阳极气体流路槽和阴极气体流路槽中，阳极气体和阴极气体减少。因此，在阳极气体流路槽和阴极气体流路槽的下游，阳极气体和阴极气体的流速降低。但是，如果如此地构成，则阳极气体流路槽和阴极气体流路槽的流路截面积在下游侧减少，因而，能够抑制阳极气体和阴极气体的流速的降低。即，能够促进阳极气体流路槽和阴极气体流路槽中的结露水的排出。

第10发明的高分子电解质型燃料电池系统中，在上述层叠体的发电输出下降时，上述控制装置可以通过控制上述阳极气体供给装置和上述阴极气体供给装置中的至少任一个，增加上述阳极气体和上述阴极气体中的至少任一个的加湿量，从而使上述阳极气体和上述阴极气体中的至少任一个的露点温度上升。如果如此地构成，则不需要调整层叠体的温度，或者不需等待层叠体的温度调整，就能够实施本发明。

第11发明的高分子电解质型燃料电池系统，可以控制上述阳极气体供给装置、上述阴极气体供给装置、以及上述温度调整装置中的至少任一个，在上述层叠体的发电输出下降之前，使向上述阳极气体流路槽和上述阴极气体流路槽中的至少任一个供给的上述气体的露点温度高于上述层叠体的温度，在上述层叠体的发电输出下降时，使该气体的露点温度相对地高于上述层叠体的温度，从而使上述气体成为进一步的水分过饱和状态。

如上上述，本发明的PEFC系统起到了能够不使PEFC的构造复杂化，且不导致高分子电解质膜的湿润不足的可能性，即使在低输出状态下，也能够使发电输出更加稳定的效果。

附图说明

图1是本发明的第1实施方式的PEFC系统的构成的模式示意图。

图2是图1的层叠体的中央部的层叠构造的部分分解立体示意图。

图3是本实施方式中所使用的阳极隔板的内面的俯视示意图。

图4是本实施方式中所使用的阴极隔板的内面的俯视示意图。

图5是图2的单电池的构造的主要部分的截面示意图。

图6是图1的层叠体的端部的层叠构造的部分分解立体示意图。

图7是本发明的第2实施方式中的PEFC系统的构成的模式示意图。

符号的说明

1 高分子电解质膜

2A 阳极侧催化剂层

2C 阴极侧催化剂层

4A 阳极侧气体扩散层

4C 阴极侧气体扩散层

5 膜-电极组件(MEA)

6 垫片

7 MEA部件

9A 阳极隔板

9C 阴极隔板

10 单电池

12I、22I、32I 阳极气体供给歧管孔

13I、23I、33I 阴极气体供给歧管孔

12E、22E、32E 阳极气体排出歧管孔

13E、23E、33E 阴极气体排出歧管孔

15 螺孔

21 阳极气体流路槽

31 阴极气体流路槽

31A 槽路

31B 弯曲部

31C 凸部

40、41 电热板

40A、41A 端子

50、51 集电板

50A、51A 端子部

60、61 绝缘板

70、71 端板

42I、52I、62I、72I 阳极气体供给孔

42E、52E、62E、72E 阳极气体排出孔

43I、53I、63I、73I 阴极气体供给孔

43E、53E、63E、73E 阴极气体排出孔

74I 传热媒体供给孔

74E 传热媒体排出孔

82 紧固件

82B 螺钉

82W 垫圈

82N 螺帽

92I 阳极气体供给歧管

92E 阳极气体排出歧管

93I 阴极气体供给歧管

93E 阴极气体排出歧管

100、200 层叠体

110 阳极气体供给装置

120 阴极气体供给装置

130 电力输出系统

140 加热用电路

140A 可变电阻

150 传热媒体供给装置

160 温度测量器

170 电流计

300 控制装置

301 输入部

302 存储部

303 运算部

304 控制部

具体实施方式

以下，参照附图，对用于实施本发明的最佳方式进行说明。

(第1实施方式)

图1是本发明的第1实施方式的PEFC系统的构成的模式示意图。

如图1所示，本实施方式的PEFC系统具有：具有阳极隔板9A、阴极隔板9C、被它们夹着的MEA部件7的单电池10，由单电池层叠而成的层叠体100，调整层叠体100的温度的电热板40、41，加热电热板40、41的加热用电路140，阳极气体供给装置110，阴极气体供给装置120，以及控制加热用电路140、阳极气体供给装置110、阴极气体供给装置120的控制装置300。

在此，温度测量器160，电热板40、41，以及加热用电路140构成调整层叠体100的温度的温度调整装置。加热用电路140以能够调整电热板40、41的加热量的方式构成。在本实施方式中，加热用电路140具有交流电源和可变电阻140A，利用可变电阻140A，能够调整电热板40、41的发热量。另外，温度测量器160以能够准确地测量层叠体100的内部的温度的方式构成。在本实施方式中，通过将热电偶插入形成于阳极隔板9A的孔部中而构成。

阳极气体供给装置110以向层叠体100供给具有水蒸气分压的阳极气体的方式构成。具体而言，虽然图中未显示，但阳极气体供给装置110具有氢气瓶和加湿器而构成。氢气瓶的氢气经由加湿器而被供给至层叠体100的阳极气体供给孔72I。或者，阳极气体供给装置110以具有重整器的重整装置连接于层叠体100的阳极气体供给孔72I的方式构成。重整器是指通过水蒸气重整反应将例如天然气、GTL(Gas Toliquid)燃料、DME(Dimethyl Ethel)等的烃重整为含氢气体的装置。而且，在重整装置上，连接有通过转换反应降低含氢气体中的一氧化碳浓度的转换器或者通过选择氧化反应降低含氢气体中的一氧化碳浓度的氧化器。

阴极气体供给装置120以向层叠体100供给具有水蒸气分压的阴极气体的方式构成。具体而言，虽然图中未显示，但阴极气体供给装置120，以来自例如西罗克(sirocco)风扇等的送风器的空气经由加湿器而被供给至层叠体100的阴极气体供给孔73I的方式构成。

在集电板50、51上，构成有端子部50A、51A，在端子部50A、51A上，连接有电力输出系统130。在电力输出系统130中插入有电流计170。利用电流计170，能够检测层叠体130的电力输出。

电流计170的输出信号被发送至控制装置300。

控制装置300具有由键盘、触摸面板等构成的输入部301，由存储器等构成的存储部302，以及由显示装置、打印机等构成的输出部303，由CPU、MPU等构成的控制部304。而且，控制装置300，以取得电流计170的信号，控制阳极气体供给装置110和阴极气体供给装置120的方式构成。即，以按照层叠体100的电力输出来调整阳极气体和阴极气体的供给量的方式构成。此外，控制装置300取得由温度测量器160测量的温度信息，以层叠体160的温度为规定的温度的方式控制加热用电路140的可变电阻140A。

在此，控制装置意味着，不仅包括单独的控制装置，还包括多个控制装置协同实行控制的控制装置组。因此，控制装置300没有必要由单独的控制装置构成，可以以多个控制装置分散配置，它们协同控制阳极气体供给装置110、阴极气体供给装置120、以及可变电阻140A的方式构成。例如，输出部303能够以通过信息终端发送并在移动设备上显示的方式构成。另外，能够分别在阳极气体供给装置110和阴极气体供给装置120中分散地设置控制部304。

图2是图1的层叠体的中央部的层叠构造的部分分解立体示意图。为了说明的方便，省略了螺钉80等紧固件。

如图2所示，层叠体100为长方体状，在中央部构成有单电池100。

单电池10，以一对平板状的阳极隔板9A和阴极隔板9C(将两者统称为隔板)夹着MEA部件7的方式构成。

在隔板9A、9C和MEA部件7的周缘部，阳极气体供给歧管孔12I、22I、32I，阳极气体排出歧管孔12E、22E、32E，阴极气体供给歧管孔13I、23I、33I，阴极气体排出歧管孔13E、23E、33E沿其厚度方向贯通地形成。阳极气体供给歧管孔12I、22I、32I和阳极气体排出歧管孔12E、22E、32E分别在层叠体100中连接，形成阳极气体供给歧管92I和阳极气体排出歧管92E。并且，同样地，阴极气体供给歧管孔13I、23I、33I和阴极气体排出歧管孔13E、23E、33E分别在层叠体100中连接，形成阴极气体供给歧管93I和阴极气体排出歧管93E。

MEA部件7被隔板9A、9C内面夹着，隔板9A、9C内面中央部接触于MEA5。而且，隔板9A、9C由导电性材料构成。在此，隔板9A、9C均由压缩成型隔板形成，该压缩成型隔板通过将含有导电性碳素和粘合剂的混合物压缩成型而形成。依照这样的构成，在单电池10中，能够将在MEA5中产生的电能经由隔板9A、9C而取出至外部。

图3是本实施方式中所使用的阳极隔板的内面的俯视示意图。

如图3所示，在阳极隔板9A的内面上形成有阳极气体流路槽21，该阳极气体流路槽21遍及与MEA部件7的MEA5相接的区域的整个面并蜿蜒行进，同时连接在阳极气体供给歧管孔22I和阳极气体排出歧管孔22E之间。阳极气体流路槽21以3条槽路并行的方式形成。

图4是本实施方式中所使用的阴极隔板的内面的俯视示意图。

如图4所示，在阴极隔板9C的内面上形成有阴极气体流路槽31，该阴极气体流路槽31遍及与MEA5的另一个主面相接的区域的整个面并蜿蜒行进，同时连接在阴极气体供给歧管孔(入口)33I和阴极气体排出歧管孔(出口)33E之间。阴极气体流路槽31，以11条槽路31A并行地蜿蜒行进，并且，随着从阴极气体供给歧管孔(入口)33I向阴极气体排出歧管孔(出口)33E行进，并行的槽路31A的条数减少的方式形成。在本实施方式中，在阴极气体流路槽31上形成有多个将行进方向反转的弯曲部31B。而且，一部分弯曲部31B由大致三角形的凹部构成，在该凹部，大量凸部31C以散布为矩阵状的方式形成。位于该凹部的上游的槽路31A的下游端连通于该凹部，位于该凹部的下游的槽路31A的上游端连通于该凹部。即，在弯曲部31B中，阴极气体以穿过多个凸部31C的周围的方式行进。通过该弯曲部31B，将阴极气体搅拌。此外，凸部31C支撑MEA5。而且，在阴极气体的行进方向上，在弯曲部31B的下游侧再次形成有槽路31A。但是，槽路31A减少了1条，形成为10条。因此，在弯曲部31B的前后，阴极气体流路槽31的流路截面积减少。另一方面，在槽路31A中流动的阴极气体也通过电化学反应而消耗并减少。于是，由于抑制了在槽路31A中的阴极气体的流速的降低，因而，能够促进槽路31A中的结露水的排出。

另外，由于在多个弯曲部31B的前后，阴极气体流路槽31的流路截面积以减少的方式形成，因而，伴随着在阴极气体流路槽31中流通的阴极气体的减少，阴极气体流路槽31的流路截面积分阶段地减少。于是，从阴极气体供给歧管孔(入口)33I至阴极气体排出歧管孔(出口)33E，能够使阴极气体的流速更加稳定化，因而，更能够促进阴极气体流路槽31中的结露水的排出。

在此，对阳极气体流路槽21和阴极气体流路槽31(以下，将两者统称为“流路槽21、31”)的表面性状进行说明。

流路槽21、31的表面具有比防水性更加富含亲水性的性状。具体而言，表面的亲水性优选为，表面的接触角为90°以下。“接触角”是指在水滴的自由表面与流路槽表面相接的地方，液面和流路槽表面所成的角度(位于水滴的内部的角)。(参照《岩波理化学辞典(第4版)》第690页的记载)。更加具体而言，是指在流路槽表面水平地配置且将一定量的水滴加载于该表面上并使其静止的情况下，上述流路槽表面和水滴的液面所成的角度。

本实施方式的流路槽21、31在表面上实施过亲水性改善处理。亲水性改善处理是指通过增加流路槽表面的微细的凹凸(即比表面积)或极性，从而使流路槽表面具有亲水性的处理。已知的亲水性改善处理的技术，例如可以列举出蚀刻加工，喷射加工，研磨加工，辉光放电加工，氧等离子体加工。

在本实施方式中，对流路槽21、31的表面实施氧等离子体处理。具体而言，利用等离子体清洗设备(莎姆克株式会社制PC-1000)，进行氧等离子体处理。根据发明者的推测，通过氧等离子体处理，在流路槽表面上，使亲水性官能基增加且极性变大，从而使流路槽21、31的表面成为亲水性。因此，可容易地推测出，只要是像辉光放电加工那样使亲水性官能基化学结合于流路槽21、31表面的方法，就能够改善流路槽21、31表面的接触角。另外，通过蚀刻加工、喷射加工、研磨加工，在流路槽21、31的表面上形成有大量微细的凹凸，且比表面积变大，因而，改善了流路槽21、31的亲水性。

图5是图2的单电池的构造的主要部分的截面示意图。

MEA5具备高分子电解质膜1、一对阳极侧催化剂层2A和阴极侧催化剂层2C、以及一对阳极侧气体扩散层4A和阴极侧气体扩散层4C而构成。高分子电解质膜1有选择地使氢离子透过的离子交换膜形成，一对阳极侧催化剂层2A及阴极侧催化剂层2C以夹着高分子电解质膜的方式形成，且以担载铂族金属催化剂的碳粉末为主要成分，一对阳极侧气体扩散层4A及阴极侧气体扩散层4C配置在该一对催化剂层2A、2C的外面上。这些催化剂层2A、2C和气体扩散层4A、4C构成电极。即，MEA5具有高分子电解质膜1、以及在其两主面的中央部层叠而构成的一对电极而构成，在MEA5的两主面上构成有电极面。

在此，高分子电解质膜1优选为由全氟磺酸形成的膜。例如，可以列举出杜邦公司制的Nafion(注册商标)膜。而且，一般而言，在高分子电解质膜上，依次通过涂布、转印、热压等方法形成催化剂层2A、2C以及气体扩散层4A、4C，从而制造MEA5。或者，也能够利用如此地制造的MEA5的市售品。一般而言，催化剂层2A、2C形成为10～20μm左右的厚度。气体扩散层4A、4C以碳织布作为基材，通过在该基材上涂布涂料而制作。气体扩散层4A、4C具有同时拥有通气性和电子传导性的多孔构造。而且，气体扩散层4A、4C和催化剂层2A、2C通过热压而接合于高分子电解质膜1的中央部的两面，从而制作MEA5。

MEA部件7以在MEA5的周缘延伸的高分子电解质膜1被一对垫片6夹着的方式构成。因此，MEA5在垫片6的中央开口部的两面上露出。垫片6的材质为具有耐环境性的弹性物质，例如优选氟系橡胶。另外，在MEA部件7的周缘部，以贯通垫片6的方式形成有阳极气体供给歧管孔12I、阳极气体排出歧管孔12E、阴极气体供给歧管孔13I、以及阴极气体排出歧管孔13E。

此外，MEA部件7的MEA5成为阳极气体流路槽21和阴极气体流路槽31的槽盖。即，阳极隔板9A的阳极气体流路槽21与阳极侧气体扩散层4A相接。于是，在阳极气体流路槽21内流通的阳极气体不向外部泄露，一边向多孔的阳极侧气体扩散层4A内部扩散，一边侵入，到达阳极侧催化剂层2A。同样，阴极隔板9C的阴极气体流路槽31与阴极侧气体扩散层4C相接。于是，在阴极气体流路槽31内流通的阴极气体不向外部泄露，一边向多孔的阴极侧气体扩散层4C内部扩散，一边侵入，到达阴极侧催化剂层2C。然后，能够进行电池反应。

层叠体100通过在单电池10的两侧层叠一对端部件而构成。即，在单电池10的两侧，层叠有具有与隔板9A、9C相同的形状的平面的集电板50、51，绝缘板60、61，电热板40、41，以及端板70、71。在集电板50、51，绝缘板60、61，电热板40、41，以及端板70、71的四角，以连通于单电池10的螺孔15的方式形成有螺孔15。

集电板50、51由铜金属等导电性材料形成。

绝缘板60、61和端板70、71由电绝缘材料形成。

电热板40、41分别在内部具有由电阻发热的发热体、以及与发热体导通的一对端子40A、41A。

并且，在一方的集电板50、绝缘板60、电热板40、以及端板70上，形成有多个沿厚度方向将其分别贯通且连通的贯通孔。具体而言，形成有连通于阳极气体供给歧管92I的阳极气体供给孔52I、62I、42I、72I，连通于阳极气体排出歧管92E的阳极气体排出孔52E、62E、42E、72E，连通于阴极气体供给歧管93I的阴极气体供给孔53I、63I、43I、73I，以及连通于阴极气体排出歧管93E的阴极气体排出孔53E、63E、43E、73E。

此外，端板70外面侧的阳极气体供给孔72I、阳极气体排出孔72E、阴极气体供给孔73I、以及阴极气体排出孔73E以分别安装有喷嘴的方式构成。在这些喷嘴上，使用与外部的管路部件一般的连接部件。

另外，虽然图中未显示，但是，另一方的集电板51、绝缘板61、电热板41、以及端板71，除了未形成有这些贯通孔以外，为与集电板50、绝缘板60、电热板40、以及端板70相同的构成。于是，层叠体100内的阳极气体的流路形成为，经过阳极气体供给孔52I、62I、72I、以及阳极气体供给歧管92I，在阳极气体流路槽21分支，在阳极气体排出歧管92E集合，到达阳极气体排出孔52E、62E、72E。层叠体100内的阴极气体的流路形成为，经过阴极气体供给孔53I、63I、73I、以及阴极气体供给歧管93I，在阴极气体流路槽31分支，在阴极气体排出歧管93E集合，到达阴极气体排出孔53E、63E、73E。

而且，通过紧固部件82，将一对端板70、71之间紧固。在此，螺钉82B插入螺孔15，贯通电池堆100的两端间。然后，在螺钉82B的两端，安装有垫圈82W和螺帽82N，将一对端板70、71之间紧固。例如，以在隔板的每单位面积上为10kgf/cm²左右的力紧固。

接着，参照图1，说明本实施方式的PEFC系统的运转动作。

该运转动作通过由控制装置300进行控制而完成。

在得到稳定的发电输出的额定输出的状态(以下，称为“额定输出时”)下，阳极气体供给装置110将阳极气体加湿至露点70℃，并以约70℃的状态向层叠体100供给。即，阳极气体以水分饱和状态被供给至层叠体100。

另外，同样地，阴极气体供给装置120将阴极气体加湿至露点70℃，并以约70℃的状态向层叠体100供给。即，阴极气体以水分饱和状态被供给至层叠体100。

此外，加热用电路140的可变电阻140A，以温度测量器160的测量温度约为70℃的方式进行调整。即，PEFC系统，以在层叠体100内阳极气体和阴极气体大致为水分饱和状态的方式进行运转。此外，如专利文献1所示，可以将温度测量器160的测量温度调整为比露点温度低1℃至3℃左右的温度。于是，能够更加可靠地将MEA5的整个区域保持为水分饱和。

如果发电输出降低，且为相当于额定输出的约30％的低输出时，则阳极气体供给装置110将阳极气体加湿至露点70℃，并以约70℃的状态向层叠体100供给。即，阳极气体与额定输出时相同，以水分饱和状态被供给至层叠体100。但是，阳极气体供给装置110以氧利用率与额定输出时大致相等的方式减少阳极气体供给量。

并且，同样地，阴极气体供给装置120，在低输出时，将阴极气体加湿至露点70℃，并以约70℃的状态向层叠体100供给。即，阴极气体与额定输出时相同，以水分饱和状态被供给至层叠体100。但是，阴极气体供给装置120以氧利用率与额定输出时大致相等的方式减少阴极气体供给量。

此外，在低输出时，加热用电路140的可变电阻140A，以温度测量器160的测量温度为比额定输出时低的温度的方式进行调整。即，可变电阻140A以被供给至流路槽21、31的气体的露点温度相对地高于层叠体100的温度的方式进行调整。具体而言，优选，比额定输出时低5℃至10℃左右。即，PEFC系统在发电输出下降时，降低阳极气体和阴极气体的供给流量，并且，以向流路槽21、31供给的气体为进一步的水分过饱和状态的方式，使向流路槽21、31供给的气体的露点温度相对地高于层叠体100的温度。于是，能够稳定低输出时的发电输出。

对本实施方式的具体的实施例进行说明。

[实施例1]

在本发明的第1实施方式的PEFC系统中，隔板9A、9C均使用浸渍了酚醛树脂的石墨板。隔板9A、9C的形状为平面形状150mm见方左右，厚度3mm左右。

阳极气体流路槽21和阴极气体流路槽31通过切削加工形成。另外，向阳极气体流路槽21和阴极气体流路槽31的表面实施氧等离子体处理，水的接触角为10°。

MEA5使用日本戈尔公司制的市售品“PRIMEA(商品名)”。

PEFC系统在一定电压下运转，额定输出时的发电电流密度为0.2A/cm²，低输出时(30％输出时)的发电电流密度为0.06A/cm²。

阳极气体供给装置110在额定输出时以及低输出时，以氧利用率约为75％的方式调整阳极气体流量。

阴极气体供给装置120在额定输出时以及低输出时，以燃料利用率约为95％的方式调整阴极气体流量。

并且，以露点温度为66℃的方式加湿并加热阳极气体和阴极气体，向层叠体100供给。

在额定输出时，层叠体100的温度由加热板40、41加热至66℃。

并且，在低输出时，层叠体100的温度由加热板40、41加热至58℃。

本实施例中，在额定输出时和低输出时，能够使PEFC系统的发电输出稳定并持续。

[比较例1]

实施例1的比较例，使用实施例1中所使用的PEFC系统，以低输出时的层叠体100的温度为66℃，即在层叠体100内阳极气体和阴极气体为水分饱和状态的方式，进行运转。但是，PEFC系统的发电电压降低至0mV(不到测量界限)，不能发电。

对于该实施例1和比较例1的现象，推测出如下的流路槽21、31的排水构造。即，在额定输出时，由于流路槽21、31中的阳极气体和阴极气体的流速充分，因而，在层叠体100内，无论阳极气体和阴极气体为水分饱和状态还是水分过饱和状态，均能够稳定地运转。但是，在低输出时，由于阳极气体和阴极气体的流速降低，因而，流路槽21、31的表面的结露水以水滴的状态滞留。由于排水能力降低，因而发电输出变得不稳定，严重时，陷入不能发电的状态。在此，通过使层叠体100的温度为58℃，从而使阳极气体和阴极气体在流路槽21、31中为更进一步的水分过饱和状态。于是，在流路槽21、31的表面上，以从供给歧管孔(入口)22I、33I至排出歧管孔(出口)22E、33E大致连续的方式形成有水膜。然后，流路槽21、31的表面的结露水被取入至水膜，以在水膜之上流动的方式，被容易地冲至出口。通过这样的排水构造，低输出时的流路槽21、31的排水能力上升，抑制了因结露水而造成的流路槽21、31的闭塞，稳定了PEFC系统的发电输出。

(第2实施方式)

在本发明的第2实施方式的层叠体200中，层叠有多个单电池10。另外，PEFC系统的温度调整装置的构造与第1实施方式不同。即，省略了第1实施方式的电热板40、41和加热用电路140，构成有传热媒体供给装置150。因此，对PEFC系统的构造的不同部分进行说明，而其它的部分由于与第1实施方式相同，因而省略说明。

如图7所示，在第2实施方式中，省略了第1实施方式的电热板40、41和加热用电路140，构成有传热媒体供给装置150。

传热媒体供给装置150向层叠体200供给传热媒体，并且，以能够将传热媒体的温度作为调整对象并进行调整的方式构成。本实施方式中，在从传热媒体供给装置150延伸至层叠体的传热媒体供给孔74I的流路、即传热媒体的出口侧的流路上，配置有温度测量器160。或者，温度测量器160可以配置在传热媒体的出口侧的流路、即从传热媒体排出孔74E向前延伸的流路上。于是，能够通过传热媒体的温度来调整层叠体200的温度。

一般而言，传热媒体供给装置150具有驱动传热媒体的泵、以及能够加热和冷却传热媒体的热交换器。

传热媒体一般使用水。但是，只要传热媒体的化学稳定性、流动性、以及传热特性优异，就不限于水。例如，可以为硅油。

而且，传热媒体供给装置150以能够调整层叠体200的温度的方式构成。因此，也可以以能够调整传热媒体的流量的方式构成。在该情况下，温度测量器160可以与第1实施方式相同，插入并配置于层叠体200。或者，温度测量器160可以配置在传热媒体的出口侧的流路、即从传热媒体排出孔74E向前延伸的流路上。

在此，虽然图中未显示，但是，在层叠体200内，形成有传热媒体供给歧管、传热媒体排出歧管、以及传热媒体流路。传热媒体流路，在所层叠的单电池10彼此的层叠面之间延伸，并连接传热媒体的入口和出口。并且，传热媒体供给歧管和传热媒体排出歧管以沿层叠方向贯通单电池10的方式形成。这样的构造，在例如专利文献3的图2和专利文献5的图14中有所列举。

而且，在层叠体200的一侧的端板70、绝缘板60、以及集电板50上，形成有相互连通的传热媒体供给孔74I和传热媒体排出孔74E。即，从传热媒体供给装置150向传热媒体供给孔74I供给的冷却媒体经由传热媒体供给歧管，在单电池10间的传热媒体流路上分支并流通。在传热媒体流路中流通的传热媒体在传热媒体排出歧管集合，从传热媒体排出孔74E向外部排出。

依照这样的构成，基于温度测量器160所测量的温度，通过控制从传热媒体供给装置150供给的传热媒体的温度，从而能够调整层叠体200的温度。

具体而言，在66℃下供给传热媒体，在71℃下从层叠体200排出。而且，在温度71℃和露点温度71℃下加湿和加热阳极气体和阴极气体，并向层叠体200供给。而且，在低输出时，传热媒体供给装置150以温度测量器160的测量温度为比额定输出时低的温度的方式进行调整。具体而言，优选比额定输出时低5℃至10℃左右。另一方面，仍以额定输出时的露点温度加湿和加热阳极气体和阴极气体，并向层叠体200供给。即，在低输出时，PEFC系统使阳极气体和阴极气体在流路槽21、31中为更进一步的水分过饱和状态。于是，与第1实施方式相同，能够稳定低输出时的发电输出。

而且，能够以对应于发电输出的降低而大致自动地设定阳极气体供给量和阴极气体供给量以及层叠体100的温度的方式，构成PEFC系统。在多个的发电输出中，预先通过运转试验取得阳极气体供给量和阴极气体供给量以及未显现发电输出的不稳定化现象的传热媒体温度(调整对象)。然后，预先从输入部301输入由该阳极气体供给量、阴极气体供给量、该设定值、以及发电输出的设定值构成的数据库，并将其存储在存储部302。然后，控制装置300可以对应于发电输出的降低，基于该数据库，控制阳极气体供给装置110、阴极气体供给装置120、以及传热媒体供给装置150，从而使得阳极气体供给量、阴极气体供给量、以及传热媒体温度为设定值。如果如此地构成，则能够对应于发电输出的降低，更加可靠地降低层叠体200的温度。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限于上述实施方式。

在上述实施方式中，对阳极气体流路槽21和阴极气体流路槽31的表面实施亲水性改善处理。但是，即使不对这些流路槽实施亲水性处理，也能够得到本发明的效果。即，阳极气体流路槽21和阴极气体流路槽31的表面没有必要为富含亲水性的性状。

另外，在上述实施方式中，在低输出时，使向阳极气体和阴极气体的双方的流路槽供给的气体的露点温度相对地高于层叠体100、200的温度，从而使得向它们供给的气体为进一步的水分过饱和状态。但是，在低输出时，向阳极气体和阴极气体的双方的流路槽供给的气体没有必要为进一步的水分过饱和状态。即，可以使向阳极气体和阴极气体中的至少任一个的流路槽供给的气体的露点温度相对地高于层叠体100、200的温度，从而使得向它们中的至少任一个供给的气体为进一步的水分过饱和状态。

另外，本发明能够控制阳极气体供给装置110、阴极气体供给装置120、以及温度调整装置(第1实施方式的可变电阻140A、第2实施方式的传热媒体供给装置150)中的至少任一个来进行实施。例如，可以在低输出时，与额定输出时相比，减少阳极气体和阴极气体的供给流量，并且，控制阳极气体供给装置110、阴极气体供给装置120、以及温度调整装置(第1实施方式的可变电阻140A、第2实施方式的传热媒体供给装置150)中的至少任一个，使得向阳极气体流路槽21和阴极气体流路槽31供给的气体的露点温度相对地高于层叠体100的温度。

例如，可以在低输出时，在阳极气体供给装置110中增加加湿量，提高阳极气体的露点温度并向层叠体100、200供给阳极气体。于是，不需要调整层叠体100、200的温度，或者不需等待层叠体100、200的温度调整，就能够实施本发明。

在该情况下，由于阳极气体的露点温度相对地高于层叠体100、200的温度，因而，在阳极气体流路槽21中，阳极气体为进一步的水分过饱和状态。具体而言，在第2实施方式中，阳极气体供给装置110采用了使用水分透过膜的传热交换型加湿装置。该传热交换型加湿装置在饱和状态下加热阳极气体，因而，阳极气体以饱和状态、即供给温度为大致与露点温度相同的温度的状态被供给至层叠体200。而且，在额定输出时，阳极气体的供给温度为66℃、即露点温度66℃且传热媒体在71℃下被排出的情况下，在低输出时，可以使阳极气体的供给温度上升到71℃、即露点温度71℃。于是，能够增加阳极气体的加湿量。

可是，发明者们，在本发明的起初，发现了控制阳极气体供给装置110和阴极气体供给装置120，增加阳极气体和阴极气体的加湿量的方法。

但是，在如此地构成的情况下，需要调整阳极气体供给装置110和阴极气体供给装置120中的阳极气体和阴极气体的露点温度，PEFC系统的控制变得稍微复杂化，给本发明的经济性带来影响。

因此，发明者们，认真研讨了更加经济地实施本发明的方法，想到了第1实施方式和第2实施方式。即，发现了通过降低层叠体100、200的温度，从而能够使阳极气体和阴极气体为进一步的水分过饱和状态。根据这样的创造结果，在本发明中，能够不需要调整阳极气体供给装置110和阴极气体供给装置120中的阳极气体和阴极气体的露点温度。换言之，在本发明中，能够省略除了阳极气体供给装置110和阴极气体供给装置120的供给流量以外的调整。因此，能够更加容易地实施本发明。

产业上的利用可能性

本发明可用作PEFC系统，该PEFC系统不使PEFC的构造复杂化，且不导致高分子电解质膜的湿润不足的可能性，即使在低输出状态下，也能够使发电输出更加稳定。

Claims

1.一种高分子电解质型燃料电池系统，其特征在于，

具有：

层叠体，由所述单电池层叠而成；

温度调整装置，调整所述层叠体的温度；

阳极气体供给装置，向所述阳极气体流路槽供给具有水蒸气分压的阳极气体；

阴极气体供给装置，向所述阴极气体流路槽供给具有水蒸气分压的阴极气体；以及

控制装置，控制所述温度调整装置、所述阳极气体供给装置、以及所述阴极气体供给装置，

在所述层叠体的发电输出下降时，所述控制装置控制所述阳极气体供给装置和所述阴极气体供给装置，降低所述阳极气体和所述阴极气体的供给流量，并且，控制所述阳极气体供给装置、所述阴极气体供给装置、以及所述温度调整装置中的至少任一个，使向所述阳极气体流路槽和所述阴极气体流路槽中的至少任一个供给的气体的露点温度相对地高于所述层叠体的温度，从而使该气体成为进一步的水分过饱和状态。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述阳极气体流路槽和所述阴极气体流路槽中的至少任一个的表面的接触角为90°以下。

3.根据权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池系统，其特征在于，

所述阳极隔板和所述阴极隔板中的至少任一个是通过将含有导电性碳素和粘合剂的混合物压缩成型而形成的压缩成型隔板，

形成于所述压缩成型隔板上的所述阳极气体流路槽和所述阴极气体流路槽中的至少任一个在表面上实施过亲水性改善处理，所述亲水性改善处理为通过增加流路槽表面的比表面积或极性，从而使流路槽表面具有亲水性的处理。

4.根据权利要求3所述的高分子电解质型燃料电池系统，其特征在于，

所述亲水性改善处理为氧等离子体处理。

5.根据权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池系统，其特征在于，

所述控制装置在所述层叠体的发电输出下降时，控制所述温度调整装置，降低所述层叠体的温度。

6.根据权利要求5所述的高分子电解质型燃料电池系统，其特征在于，

所述层叠体具有在所述层叠的单电池彼此的层叠面之间形成的传热媒体流路，

所述温度调整装置为传热媒体供给装置，该传热媒体供给装置向所述传热媒体流路供给所述传热媒体，并且，以能够将所述传热媒体的温度和流量中的至少任一个作为调整对象并进行调整的方式构成，

所述控制装置在所述层叠体的发电输出下降时，通过调整所述调整对象，降低所述层叠体的温度。

7.根据权利要求6所述的高分子电解质型燃料电池系统，其特征在于，

所述传热媒体供给装置以能够调整所述传热媒体的温度的方式构成，

所述控制装置在所述层叠体的发电输出下降时，通过降低所述传热媒体的温度，降低所述层叠体的温度。

8.根据权利要求6所述的高分子电解质型燃料电池系统，其特征在于，

所述控制装置具有：

存储部，存储与所述层叠体的发电输出和在该发电输出未显现所述层叠体的发电输出的不稳定化现象的所述调整对象的设定值相关的数据；以及

控制装置，基于所述数据，控制所述传热媒体供给装置，使得所述调整对象成为所述设定值。

9.根据权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池系统，其特征在于，

所述阴极气体流路槽形成为，多个流路槽从入口至出口并行且蜿蜒行进，并且，随着从所述入口向所述出口行进，所述并行的流路槽的条数减少。

10.根据权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池系统，其特征在于，

在所述层叠体的发电输出下降时，所述控制装置通过控制所述阳极气体供给装置和所述阴极气体供给装置中的至少任一个，增加所述阳极气体和所述阴极气体中的至少任一个的加湿量，从而使所述阳极气体和所述阴极气体中的至少任一个的露点温度上升。

11.根据权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池系统，其特征在于，

所述控制装置控制所述阳极气体供给装置、所述阴极气体供给装置、以及所述温度调整装置中的至少任一个，在所述层叠体的发电输出下降之前，使向所述阳极气体流路槽和所述阴极气体流路槽中的至少任一个供给的所述气体的露点温度高于所述层叠体的温度，在所述层叠体的发电输出下降时，使该气体的露点温度相对地高于所述层叠体的温度，从而使所述气体成为进一步的水分过饱和状态。