CN1300887C - 燃料电池 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池，其在隔板上形成多孔质部(32)、在多孔质部的反应气体流路背面形成冷却用气体流路(33)。冷却用气体流路(33)在下游与提供给燃料电池的反应气体的供给流路连接。冷却用气体流路(33)是能够控制流量的。仅在反应气体流路侧表面(27、28)的下游部所处的隔板部分形成多孔质部(32)。在反应气体流路(27、28)的上游部所处的隔板部分形成致冷剂流路(26)。山部、或者山部和山下部的气孔率大。可以用多孔质材料(49)将沟填埋。也可以将多孔质部设为水分交换部(32′)。在多孔质部以外的区域也可以用多孔质材料(51)形成反应气体流路侧部。由此得到使生成水的排出性提高、生成水能够再利用于加温、能够均匀地排出生成水的燃料电池。

Description

燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池，特别是涉及良好地排出生成水的固体高分子电解质型燃料电池。

背景技术

固体高分子电解质型燃料电池，由膜-电极组合体(MEA：Membrane-Electrode Assembly)和隔板(セパレ一タ)的层叠体构成。膜-电极组合体包括由离子交换膜构成的电解质膜、由配置在该电解质膜的一面上的催化剂层构成的电极(阳极)和由配置在电解质膜的另一面上的催化剂层构成的电极(阴极)。在隔板上形成有用于向阳极供给燃料气体(氢气)的燃料气体流路、或者用于向阴极供给氧化气体(氧气，通常是空气)的氧化气体流路、及/或用于流动致冷剂(通常是冷却水)的致冷剂流路。在膜-电极组合体和隔板之间，在阳极侧、阴极侧分别设置气体扩散层。

在各单元(セル)的阳极侧进行使氢成为氢离子(质子)和电子的反应，氢离子从电解质膜中向阴极移动，在阴极侧进行由氧和氢离子及电子(在相邻的MEA的阳极生成的电子通过隔板、或者在单元层叠方向一端的单元的阳极生成的电子通过外部电路到达另一端的单元的阴极)生成水的反应，这样进行发电。

阳极侧：

阴极侧：

生成水在氧化气体流路下游部变多，就容易产生溢流(フラッデイング)。在溢流区域会阻碍氧化气体向阴极的供给，因而上述反应就无法顺利地进行，发电能力降低。因此，将生成水排出而抑制溢流就变得很重要。另外，水分会从氧化气体流路通过电解质膜而向一部分燃料气体流路侧扩散，所以在燃料气体流路也存在类似的问题。为了顺利地引起上述反应，电解质膜必须成为湿润状态，氧化气体和燃料气体通常都是被加湿而供给的，因此更容易发生溢流。

在特表平11-508726号公报中，公开了如下这样的一种燃料电池，其遍及全区域地使隔板形成多孔质，使在阴极生成的生成水通过多孔质隔板而挤出到冷却水流路中，从而防止溢流。

但是，如特表平11-508726号公报所述，在将阴极生成的生成水挤入冷却水流路中的燃料电池中存在以下的问题。

在冷却水是防冻液的情况下，会产生当冷却水移动到氧化气体流路侧时，冷却水中的成分会损伤膜这样的问题。因此，在特表平11-508726号公报中，使用纯水来用作冷却水，但这就不能进行在冰点下的工作(运行)。另外，还存在着杂质从氧化气体流路混入到冷却水中，因而导致冷却水的离子传导率提高这样的问题。

再有，为了使生成水向冷却水中移动，气体流路和冷却水流路间的压差控制就成为必要，因而系统会复杂化。

另外，因为将生成水挤入冷却水中，所以不能将生成水再次利用于反应气体的加湿。

此外，阴极流路由山(峰)和沟(谷)构成，因而生成水的透过情况在山和沟的部位有所不同，不能均匀地挤出生成水。

发明内容

本发明的第1目的在于，提供一种能够使生成水从气体流路(不是冷却水流路)排出到冷却用气体流路中的燃料电池。

本发明的第2目的在于，提供一种能够再利用生成水的燃料电池。

本发明的第3目的在于，提供一种能够使生成水由生成水排出部区域大体均匀地排出的燃料电池。

达成上述目的的本发明如下所述。

(1)一种燃料电池，它是具有MEA和隔板、在隔板的与MEA相对的面上形成有反应气体流路的燃料电池，其中在隔板上形成多孔质部，在多孔质部的反应气体流路的背面形成冷却用气体流路。

(2)如(1)中所述的燃料电池，其中，冷却用气体流路在下游与提供给燃料电池的反应气体的供给流路连接。

(3)如(1)中所述的燃料电池，其中，在多孔质部中，使反应气体流路和冷却用气体流路的至少一方的气体流路的山部、或者山部和山下部的气孔率比其他部分大，或者使冷却用气体流路和反应气体流路的至少一方的气体流路的山/沟比，比多孔质部以外的部位的气体流路的山/沟比小，或者用多孔质材料将冷却用气体流路填埋。

(4)一种燃料电池，它是具有MEA和隔板、在隔板的以MEA相对的面上形成有反应气体流路的燃料电池，其中在隔板上形成水分交换部，在水分交换部的反应气体流路背面形成冷却用气体流路。

(5)如(1)中所述的燃料电池，其中，在隔板的反应气体流路侧表面的至少一部分区域上，沿隔板厚度方向从反应气体流路侧表面向背面侧将一部分的厚度部分由多孔质材料形成。

在上述(1)的燃料电池中，在隔板上形成多孔质部，在多孔质部的反应气体流路背面形成冷却用气体流路，因此生成水能够从反应气体流路通过多孔质部能够移动到冷却用气体流路中。通过使用与反应气体为同一种类的气体来作为冷却用气体，即使冷却用气体移动到反应气体流路中，也不产生像冷却水移动到反应气体流路中那样的电解质膜的损伤、溢流的问题。

在上述(2)的燃料电池中，冷却用气体流路在下游与提供给燃料电池的反应气体的供给流路连接，因此移动到冷却用气体流路中的生成水流动到提供给燃料电池的反应气体中，能够在该反应气体的加湿中再次利用。

在上述(3)的燃料电池中，通过采用山部的气孔率大、山部和山下部的气孔率大、山/沟比小、向沟填充多孔质材料的任何至少一种方案，从反应气体流路向冷却用气体流路的生成水的移动，在多孔质部区域被均匀化。

在上述(4)的燃料电池中，由于代替多孔质部而形成水分交换部，所以对水分交换部一面的冷却用气体和水分交换部另一面的反应气体也可以使用相互为不同种类的气体。

在上述(5)的燃料电池中，将隔板的反应气体流路侧表面的至少一部分的区域由多孔质材料形成，因此集电面的排水性、和气体供给性提高。

附图说明

图1是表示本发明的实施例1(在其他的实施例中也能适用)的燃料电池的冷却用气体流路及其系统、冷却水流路的燃料电池的正面图兼系统图。

图2是表示本发明的燃料电池的反应气体流路的燃料电池正面图。

图3是本发明的实施例1的燃料电池的剖面图。

图4是在本发明的实施例1的燃料电池中，使冷却用气体在反应气体中合流时的正面图兼系统图。

图5是表示本发明的实施例2的燃料电池的冷却用气体流路及其系统的燃料电池的正面图兼系统图。

图6是表示本发明的实施例2的燃料电池的冷却用气体流路及其系统的燃料电池的正面图兼系统图。

图7是本发明的实施例4的燃料电池的剖面图。

图8是本发明的实施例5的燃料电池的剖面图。

图9是本发明的实施例6的燃料电池的剖面图(图2的A-A剖面图)。

图10是本发明的实施例6的燃料电池的剖面图(图2的B-B剖面图)。

图11是本发明的实施例7的燃料电池的剖面图。

图12是本发明的实施例8的燃料电池的剖面图。

图13是本发明的实施例9的燃料电池的剖面图(在多孔质部一体地形成埋入冷却用气体流路的多孔质材料的情况)。

图14是本发明的实施例9的燃料电池的剖面图(在多孔质部分体地形成埋入冷却用气体流路的多孔质材料的情况)。

图15是本发明的实施例10的燃料电池的立体图。

图16是本发明的实施例11的燃料电池的流路沟部剖面图。

图17是本发明的实施例11的燃料电池的流路山部剖面图。

图18是本发明的燃料电池组的全体侧面图。

具体实施方式

以下，参照图1～图18说明本发明的燃料电池。

图中，图1～图4表示本发明的实施例1，图5表示本发明的实施例2，图6表示本发明的实施例3，图7表示本发明的实施例4，图8表示本发明的实施例5，图9、图10表示本发明的实施例6，图11表示本发明的实施例7，图12表示本发明的实施例8，图13、图14表示本发明的实施例9，图15表示本发明的实施例10，图16、图17表示本发明的实施例11，图18适用本发明的所有实施例。

对于在本发明的所有实施例中共用的、或者类似的部分，在所有的实施例上标以相同的标号。

首先，参照图1～图4和图16～图18，说明在本发明的所有实施例中共用的、或者类似的部分。

应用了本发明的控制装置的燃料电池，是固体高分子电解质型燃料电池10。燃料电池10例如被搭载在燃料电池汽车上。但是，也可以用于汽车以外。

固体高分子电解质型燃料电池10，如图3、图18所示，由膜-电极组合体(MEA：Membrane-Electrode Assembly)和隔板18的层叠体构成。膜-电极组合体包括由离子交换膜构成的电解质膜11、由配置在该电解质膜的一面上的催化剂层12构成的电极(阳极、燃料极)14、和由配置在电解质膜11的另一面上的催化剂层15构成的电极(阴极、空气极)17。在膜-电极组合体和隔板18之间，在阳极侧、阴极侧分别设置气体扩散层13、16。

使膜-电极组合体和隔板18重叠而构成单元(cell，单位电池)19，由至少一个单元构成组件(module)，将组件层叠而设成单元层叠体，在单元层叠体的单元层叠方向两端配置接线柱20、绝缘子21、端板22，将单元层叠体沿单元层叠方向紧固，在单元层叠体的外侧用沿单元层叠方向延伸的紧固部件(例如张力板24)、螺栓·螺母25进行固定，从而构成层压体(stack)23。

夹着膜-电极组合体(MEA)而相对的一对隔板18中，在阳极侧的隔板18的与MEA相对的面上，形成用于向阳极供给燃料气体(氢气)的燃料气体流路27，在阴极侧的隔板18的与MEA相对的面上，形成用于向阴极供给氧化气体(氧气，通常是空气)氧化气体流路28。燃料气体、氧化气体分别称为反应气体，燃料气体流路27、氧化气体流路28分别称为反应气体流路。另外，在隔板18上形成有用于流通致冷剂(冷却水)的致冷剂(冷却水)流路26。

隔板的反应气体流路27、28既可以是直线状流路，也可以是螺旋状流路。另外，隔板的反应气体流路27、28，也可以是沟状流路或者沟状流路的流路组。流路也可以不是沟，而是以交错状的多个突起划分而成的。

在隔板18上，如图1、图2所示，形成致冷剂(冷却水)供给集流腔(总管)29a、致冷剂(冷却水)排出集流腔29b、燃料气体(氢气)供给集流腔30a、燃料气体(氢气)排出集流腔30b、氧化气体(空气)供给集流腔31a、氧化气体(空气)排出集流腔31b。而且，单元面内致冷剂(冷却水)流路26，与致冷剂(冷却水)供给集流腔29a、致冷剂(冷却水)排出集流腔29b连接，单元面内燃料气体流路27，与燃料气体(氢气)供给集流腔30a、燃料气体(氢气)排出集流腔30b连接，单元面内氧化气体流路28，与氧化气体(空气)供给集流腔31a、氧化气体(空气)排出集流腔31b连接。

隔板18，为碳(包括是石墨的情况)制，或者金属制(包括是烧结合金的情况)，或者金属制和树脂制框的组合，或者导电性树脂制，或者它们的组合。

本发明的燃料电池，在燃料电池发电区域的至少一部分上，在隔板18上形成多孔质部32，在多孔质部32的反应气体流路(燃料气体流路27、氧化气体流路28的至少任何一方的气体流路)背面，在单元面内形成冷却用气体流路33。

在隔板18上设置冷却气体供给集流腔34a和冷却气体排出集流腔34b，单元面内冷却用气体流路33与冷却气体供给集流腔34a、冷却气体排出集流腔34b连接。冷却气体从冷却气体供给集流腔34a流入单元面内冷却用气体流路33，从单元面内冷却用气体流路33流入冷却气体排出集流腔34b。

冷却用气体流路33，可以是沟状流路或者沟状流路的流路组。另外，冷却用气体流路33也可以是由交错状的多个突起划分而成的流路。另外，冷却用气体流路33也可以是在沟中填充多孔质材料而成的流路。

在燃料电池的单元面内的至少一部分的区域(也可以是所有区域)上，遍及隔板18的厚度方向全厚(在沟部是沟底的全厚)地形成多孔质部32。多孔质部32使燃料电池的生成水和气体(反应气体、冷却用气体)沿隔板厚度方向透过。因为构成了多孔质部32，所以即使在反应气体流路27、28中产生了燃料电池的生成水，该生成水也能够通过多孔质部32而在冷却用气体流路33中蒸发排出。在此情况下，因为在生成水的蒸发时会吸走热，所以能够实现生成水的排出和燃料电池的冷却。

多孔质部32由于必需具有隔板的集电机能，因此由导电性材料构成。

如果多孔质部32的材料是与隔板18的材料相同的种类，则在连接上比较理想。例如在隔板18是碳制的情况下，多孔质部32由形成为多孔状的碳(通过适宜地选定碳粒子的形状、尺寸、以及与粘合剂间的浓度，碳成形体会成为多孔状)形成，在隔板18是金属制的情况下，多孔质部32由多孔的金属(例如烧结金属、金属网状物等)形成。多孔质部32可以与多孔质部32以外的隔板部分一体形成，或者与多孔质部32以外的隔板部分分别地形成，然后与多孔质部32以外的隔板部分结合。

在多孔质部32的一面形成反应气体流路27、28、在另一面形成冷却用气体流路33的结构中，流过冷却用气体流路33的冷却用气体最好是采用与流过反应气体流路27、28的气体为相同种类的气体。例如，在流过多孔质部32的一面的反应气体流路28的气体是空气时，对于在多孔质部32的另一面流动的冷却用气体最好是使用空气；在流过多孔质部32的一面的反应气体流路27的气体为氢气时，对于在多孔质部32的另一面上流动的冷却用气体最好是使用氢气。在设为相同种类的气体的情况下，即使在反应气体流路27、28和冷却用气体流路33之间发生气体移动，也与水和气体相对的情况不同，不会产生给电解质膜11带来恶劣影响或助长溢流等的问题。但是，图15的实施例的情况不限于此。

如图3、图7所示，在与形成有冷却用气体流路33的单元相邻接的单元，也与冷却用气体流路33相对应地形成冷却用气体流路33′，在冷却用气体流路33′中，也可以流通与流过冷却用气体流路33的气体相同种类的气体(与流过形成有冷却用气体流路33′的隔板的反应气体流路的气体不同种类的气体)。但是，形成有冷却用气体流路33′的隔板是不透气、不透水的，形成有冷却用气体流路33′的隔板的反应气体流路和冷却用气体流路33′之间的隔板部分不是多孔质部32。在冷却用气体流路33和冷却用气体流路33′的周围，配置O形环45(图3)，将冷却用气体流路33和冷却用气体流路33′从周围密封。图3是氧化气体在冷却用气体流路33、33′中流动的情况，图7是燃料气体在冷却用气体流路33、33′中流动的情况。

冷却用气体流路33，在下游与提供给燃料电池10的反应气体的供给流路(例如反应气体的供给集流腔27a、28a)连接。利用这种结构，可在冷却用气体流路中使生成水蒸发到冷却用气体中而加温冷却用气体，将其提供给反应气体供给集流腔作为反应气体来使用，此时就能够将生成水作为加湿水分进行再利用。

在冷却用气体流路33的下游，将冷却用气体流路33和反应气体的供给流路相连接的连接流路35，可以在单元面内形成，也可以在层压体23外形成。在图1中，作为一例显示出了如下那样的情况，即，连接流路35由连接冷却用气体排出集流腔34b和反应气体的供给集流腔27a、28a的流路构成，配置在层压体23外，各单元的冷却用气体在冷却用气体排出集流腔34b中暂时会集，通过连接流路35而被提供给反应气体的供给集流腔27a、28a。但是，连接流路35也可以设置在层压体23内、且单元面内。

包含冷却用气体流路33的冷却用气体回路，成为能够控制流过冷却用气体流路33的冷却用气体的流量的机构。例如，如果采用如下结构，即，若采用设置绕过单元面内冷却用气体流路33而与冷却用气体回路的比单元面内冷却用气体流路33更靠上游侧的部分和比单元面内冷却用气体流路33更靠下游侧的部分相连接的支路流路36，并在支路流路36或者冷却用气体流路33一侧的流路的任何一方的流路中设置流量控制阀37(图1的例子表示设置在支路流路36中的情况)的结构，则通过对流量控制阀37进行流量控制，可控制流过单元面内冷却用气体流路33的冷却用气体的流量。

设置支路流路36的结构，即使改变流过单元面内冷却用气体流路33的冷却用气体的流量，提供给反应气体的供给集流腔27a、28a的冷却用气体(在没有设置其它的反应气体供给系统时，直接将其作为反应气体)的流量基本上不会变化，燃料电池的工作稳定。但是，如图4所示，设有其它的反应气体供给系统，可以使冷却用气体与在该反应气体供给流路合流。

从生成水的排出方面考虑，多孔质部32最好设置在单元面的尽可能宽广的区域上，但多孔质部32进行的是利用冷却用气体的冷却，利用气体的冷却与利用水的冷却相比，冷却效率低，因此从燃料电池的冷却方面考虑，多孔质部32最好设置在单元面的尽可能狭窄的区域上。

为了谋求两者兼顾，在将单元面内反应气体流路27、28分成上游部、中游部、下游部的情况下，优选为仅在其下游部所处的隔板部分(对应于图2的“湿润”的部分)形成多孔质部32。单元面内反应气体流路27、28的下游部是生成水多的部分，但通过在此设置多孔质部32，能够迅速地排出生成水，能够有效地防止该部分的发电能力降低。另外，能够将气体冷却部限定成仅为单元面内反应气体流路27、28的下游部所处的隔板部分，能够抑制冷却方面的问题发生。

单元面内反应气体流路27、28的下游部以外的部分(单元面内反应气体流路27、28的上游部和中间部)所处的隔板部分配置用于流动冷却水的致冷剂流路26，在致冷剂流路26中，流通例如在冰点以下能够工作的LLC(防冻液)。致冷剂(冷却水)流路26和单元面内冷却用气体流路33是相区别的系统。单元面内反应气体流路27、28的上游部和中间部所处的隔板部分是反应气体浓度高(不消耗而残留量多)的区域，因而是发电量多、发热多的区域，因此不采用冷却用气体，而采用冷却水来使该区域冷却，由此就能够进行高冷却效率的冷却。

对于多孔质部32来说，在单元面内反应气体流路27、28和冷却用气体流路33由在山部间形成的沟构成时，对应于山部的部分上的生成水排出作用比对应于沟部的部分上的生成水排出作用小，因而在生成水排出部区域难以大致均匀地排出生成水。

因此，在多孔质部32中，使反应气体流路27、28和冷却用气体流路33的至少一方(也可以是两方)的气体流路的山部46(从沟底面至尖端的部分)、或者山部及其山下部48(流路27、28的沟底面和流路33的沟底面间的部分)的气孔率比其他的部分大，或者使冷却用气体流路33和反应气体流路27、28的至少一方的气体流路的山/沟比比多孔质部以外的部位的气体流路的山/沟比小，或者用多孔质材料填埋冷却用气体流路33。在图中，50表示密封垫。

由此，从反应气体流路27、28向冷却用气体流路33的生成水的转移，在多孔质部32区域被均匀化。

另外，如图16、图17所示，也可以是在隔板18的反应气体流路侧表面的面方向的至少一部分的区域(例如反应气体流路方向中游区域、或者反应气体流路方向中游区和上游区)上，沿隔板厚度方向从反应气体流路侧表面向背面侧将一部分的厚度部分(例如反应气体流路的沟和山之中，山和沟底部分，或者山的部分)，由多孔质材料51形成。该多孔质材料51与多孔质部32相连结，由多孔质材料51吸收的水分可通过毛细作用能够而向多孔质部32移动。多孔质材料51可以是和多孔质部32的材料相同的材料，相同的多孔度，或者也可以是不同的材料，不同的多孔度。

在用多孔质材料51形成隔板18的反应气体流路侧表面的至少一部分的区域的情况下，集电面(扩散层和隔板的接触面)的排水性和气体供给性提高。气体供给性的提高，是因为向由隔板的沟间的山推压的部分的气体的供给，不仅通过扩散层供给，而且通过隔板18的由多孔质材料51形成的山部供给。

接着，说明本发明的各实施例中特有的部分。

本发明的实施例1，如图1～图4所示，在隔板18的单元面内冷却用气体流路33的上游连接鼓风机(ブロヮ)38。鼓风机38的吐出侧与冷却用气体供给集流腔34a连接，鼓风机38的吸引侧与冷却用气源(大气)连通。冷却用气体，在单元面内冷却用气体流路33的下游通过连接流路35而与反应气体供给集流腔30a、31a(在图示例中是氧化气体供给集流腔31a)连接。在连接流路35中不设置鼓风机。冷却用气体直接作为反应气体而被使用。图1表示冷却用气体是空气的情况。

在单元面内反应气体流路27、28(在图示例中是氧化气体流路28)的下游部区域，形成有多孔质部32。在多孔质部32的MEA侧的面上形成反应气体流路27、28，在多孔质部32的与MEA相反侧的面上形成冷却用气体流路33。生成水从气体流路27、28移动经过多孔质部32中，被排出到冷却用气体流路33侧，从而抑制溢流。排出到冷却用气体流路33侧的水分，将冷却用气体加湿。因为将加湿的冷却用气体直接作为反应气体而使用，因此就不需要以往所必需的反应气体的加湿器，或者与以往相比可以减少加湿器容量。另外，在生成水在多孔质部32中移动时进行蒸发，以潜热和显热夺去大量的热，使燃料电池10冷却。达到抑制溢流和冷却燃料电池的两方面作用。

在实施例1的流路结构中，夹持多孔质部32而相对峙的反应气体流路27、28和冷却用气体流路33之中，反应气体流路27、28与冷却用气体流路33相比位于下游，因此反应气体流路27、28的气压比冷却用气体流路33的气压低，冷却气体从冷却用气体流路33透过多孔质部32而流入反应气体流路27、28。由此，能够提高反应气体流路27、28的下游部的反应气体浓度，能够提高反应气体流路27、28的下游部的发电能力。不管冷却用气体的从冷却用气体流路33向反应气体流路27、28的流动如何，生成水都可借助多孔质部32的毛细现象及蒸发而从反应气体流路27、28向冷却用气体流路33移动。但是，在为了辅助生成水的从反应气体流路27、28向冷却用气体流路33移动，而希望使多孔质部32区域中的冷却用气体的压力降低时，可使冷却用气体流路33缩小而提高流速，从而使静压降低。

本发明的实施例2，如图5所示，在单元面内冷却用气体流路33的下游，在将冷却用气体流路33和反应气体的供给流路相连接的连接流路35中，配置有鼓风机38。鼓风机38的吐出侧与反应气体供给集流腔30a、31a连接，鼓风机38的吸引侧与冷却用气体排出集流腔34b连接。冷却用气体，在单元面内冷却用气体流路33的下游通过连接流路35、鼓风机38而与反应气体供给集流腔30a、31a(图示例中是氧化气体供给集流腔31a)连接。在单元面内冷却用气体流路33的上游侧不设置鼓风机。冷却用气体直接作为反应气体而被使用。在图5中表示冷却用气体是空气的情况。

在单元面内反应气体流路27、28(在图示例中是氧化气体流路28)的下游部区域，形成有多孔质部32。在多孔质部32的MFA侧的面上形成反应气体流路27、28，在多孔质部32的与MEA相反的一侧的面上形成冷却用气体流路33。生成水从气体流路27、28移动经过多孔质部32中，被排出到冷却用气体流路33侧，从而抑制溢流。被排出到冷却用气体流路33侧的水分将冷却用气体加湿。将加湿的冷却用气体直接作为反应气体而使用，因此就不需要以往所必需的反应气体的加湿器，或者与以往相比能够减少加湿器容量。另外，在生成水在多孔质部32中移动时进行蒸发，以潜热和显热夺去大量的热，使燃料电池10冷却。由此达到抑制溢流和冷却燃料电池的两方面作用。

在实施例2的流路结构中，在连接流路35中设置鼓风机38，因此在夹持多孔质部32而相对峙的反应气体流路27、28和冷却用气体流路33之中，反应气体流路27、28的气压比冷却用气体流路33的气压高，反应气体会从反应气体流路27、28透过多孔质部32而流入冷却用气体流路33，生成水能够随气体流从反应气体流路27、28向冷却用气体流路33移动。由此，可实现生成水的排出和防止溢流。

本发明的实施例3，是有关本发明的实施例1中多孔质部32发生堵塞时的对策的实施例。在本发明的实施例3中，如图6所示，在单元面内冷却用气体流路33的下游，在将冷却用气体流路33和反应气体的供给流路相连接的连接流路35中，分支有与大气相通的支管39，在该支管39上配置有另一个鼓风机43，在支管39上，在比支管39的分岔部40更靠下游的位置上设置开关阀41，在连接流路35上，在比支管39的分岔部40更靠下游的位置上设置开关阀42。鼓风机43也可以替换成其他的负压发生装置。其他与本发明的实施例1相同。

在燃料电池的正常工作时，开关阀42打开，开关阀41关闭，鼓风机43停止。当在燃料电池的正常工作时发生了多孔质部32堵塞的情况下，开关阀42关闭，开关阀41打开，鼓风机43工作，鼓风机38停止。由此，多孔质部32的一面的冷却用气体流路33成为负压，吸引产生了多孔质部32的堵塞的异物并将其除去。当异物的除去结束时，重新打开开关阀42，关闭开关阀41，停止鼓风机43，使鼓风机38工作。

本发明的实施例4，如图7所示，在MEA的阳极侧的隔板18上形成多孔质部32，在多孔质部32的一面上形成燃料气体流路27，在多孔质部32的另一面上形成冷却用气体流路33′。在冷却用气体流路33′中通入燃料气体(氢气)。在相邻单元的MEA的阴极侧的隔板18的氧化气体流路33的背面也形成冷却用气体流路33，该冷却用气体流路33不与相邻单元的冷却用气体流路33′相区分，在该冷却用气体流路33也通入燃料气体(氢气)。相邻单元的MEA的阴极侧的隔板18的氧化气体流路33和其背面的冷却用气体流路33之间的隔板部分不是多孔质部32，而是不透气的，因此流经冷却用气体流路33的燃料气体(氢气)和流经氧化气体流路33的氧化气体(空气)不会混合。

单元面内燃料气体流路27内的水分(氧化气体流路28的生成水透过电解质膜11而来的水分)，通过多孔质部32进行蒸发而向冷却用气体流路33′移动。因此，单元面内燃料气体流路27的溢流被消除。另外，通过由水分的蒸发而产生的潜热、显热夺去大量的热，有效地冷却了燃料电池。

另外，流经冷却用气体流路33′的氢气，被透过多孔质部32而来的水分加湿，通过连接流路35而被直接提供给燃料气体供给集流腔30a，作为燃料气体而被使用。就不再需要燃料气体的加湿器，或者设置小容量的加湿器就可以解决。

本发明的实施例5，如图8所示，在MEA的阳极侧的隔板18和MEA的阴极侧的隔板18的两方形成多孔质部32。阳极侧的隔板，在多孔质部32的一面上形成燃料气体流路27，在多孔质部32的另一面上形成冷却用气体流路33′，在该冷却用气体流路33′中通入燃料气体(氢气)。阴极侧的隔板，在多孔质部32的一面上形成氧化气体流路28，在多孔质部32的另一面上形成冷却用气体流路33，在该冷却用气体流路33中通入氧化气体(空气)。在单元的层叠体中，在通入氧化气体的冷却用气体流路33和通入燃料气体的冷却用气体流路33之间配置分隔板44，以免燃料气体和空气混合。

单元面内燃料气体流路27内的水分通过多孔质部32进行蒸发而向流通有燃料气体的冷却用气体流路33′移动。因此，单元面内燃料气体流路27的溢流被消除。另外，通过由水分的蒸发产生的潜热、显热可夺去大量的热，有效地冷却燃料电池。同样地，单元面内氧化气体流路28内的生成水通过多孔质部32进行蒸发向流通有氧化气体的冷却用气体流路33移动。因此，单元面内燃料气体流路28的溢流被消除。另外，通过由水分的蒸发而产生的潜热可夺去大量的热，有效地冷却燃料电池。

另外，流经冷却用气体流路33′的氢气被透过多孔质部32而来的水分加湿，通过连接流路35而被直接提供给燃料气体供给集流腔30a，作为燃料气体而使用。因此就不必需要燃料气体的加湿器，或者设置小容量的加湿器也就可以。

本发明的实施例6，如图9(图2的A-A剖面)、图10(图2的B-B剖面)所示，多孔质部32的反应气体流路28(或者27)和冷却用气体流路33的至少一方的气体流路(在图9、10中是两方的流路)，由在山部46之间形成的沟部构成，仅多孔质部32中的山部(从沟底至尖端侧的部分)46，被设定为比多孔质部32的其他部分(山部46以外的部分，即反应气体流路28(或者27)的沟底面和冷却用气体流路33的沟底面之间的部分)的孔径、气孔率大。图9表示反应气体流路28(或者27)的山部46的孔径、气孔率比其他的部位大的情况，图10表示冷却用气体流路33的山部46的孔径、气孔率比其他的部位大的情况。

反应气体通过多孔质部32的反应气体流路28(或者27)时，如果山部46的孔径、气孔率与山部以外的部分的孔径、气孔率相同，则从反应气体流路28(或者27)通过山部46而透出到冷却用气体流路33的流路阻力，就比从反应气体流路28(或者27)通过沟下部47而透出到冷却用气体流路33的流路阻力大，因此反应气体流路28(或者27)的生成水，通过多孔质部32中的流路阻力小的沟下部47向冷却用气体流路33移动。但是，在本发明的实施例6中，多孔质部32中的山部(从沟底至尖端侧的部分)46比多孔质部32的其他部分(山部46以外的部分)的孔径、气孔率大，因此从反应气体流路28(或者27)通过山部46而透出到冷却用气体流路33的流路阻力变小，大致等于从反应气体流路28(或者27)通过沟下部而透出到冷却用气体流路33的流路阻力，与有山部46的部位或无山部46的部位无关地，从多孔质部32的大致整个区域，使生成水大体上均匀地向冷却用气体流路33移动。因此，能够在多孔质部32的大致整个区域上抑制发生溢流。

本发明的实施例7，如图11所示，多孔质部32的反应气体流路28(或者27)和冷却用气体流路33，分别由在山部46之间形成的沟部形成，多孔质部32之中，仅反应气体流路28(或者27)和冷却用气体流路33的至少一方的气体流路(也可以是两方的气体流路)的、山部(从沟底至MEA侧的部分)46及其山下部(反应气体流路28或者27的沟底面的延长面和冷却用气体流路33的沟底面的延长面之间的部位)48，将孔径、气孔率设定为比多孔质部32的其他部分(沟下部47)大。

反应气体通过多孔质部32的反应气体流路28(或者27)时，如果山部46及其山下部48的孔径、气孔率和山部以外的部分的孔径、气孔率相同，则从反应气体流路28(或者27)通过山部46及其山下部48而透出到冷却用气体流路33的流路阻力，就比从反应气体流路28(或者27)通过沟下部47而透出到冷却用气体流路33的流路阻力大，因此反应气体流路28(或者27)的生成水就会通过多孔质部32之中流路阻力小的沟下部47向冷却用气体流路33移动，但是，在本发明的实施例6中，多孔质部32之中山部(从沟底至尖端侧的部分)46及其山下部48的孔径、气孔率比多孔质部32的其他部分(沟下部47)大，因此从反应气体流路28(27)通过山部46及其山下部48而透出到冷却用气体流路33的流路阻力变小，大致等于从反应气体流路28(或者27)通过沟下部而透出到冷却用气体流路33的流路阻力，与有山部46的部位和无山部的部位无关地，生成水可大体均匀地从多孔质部32的大致整个区域向冷却用气体流路33移动。因此，能够在多孔质部32的大致整个区域上抑制反应气体流路中的溢流。

本发明的实施例8，如图12所示，隔板的多孔质部32的反应气体流路28(或27)和冷却用气体流路33分别由位于山部46之间的沟部形成，多孔质部32的反应气体流路28(或27)和冷却用气体流路33的至少一方的气体流路的山/沟比，比其以外的部分(LLC冷却部分)的反应气体流路28(或27)和冷却用气体流路33的至少一方的气体流路的山/沟比小。此时，虽然隔板间的接触面积变小，但由于处于反应气体流路28(或27)的下游部，所以气体浓度小，发电量小，其弊病(接触电阻增加等)小。

反应气体通过多孔质部32的反应气体流路28(或者27)时，在山部46生成水难以透出到冷却用气体流路33，在沟下部47则生成水容易透出到冷却用气体流路33。在本发明的实施例8中，多孔质部32的反应气体流路28(或者27)和冷却用气体流路33的至少一方的气体流路的山/沟比比其以外的部分的山/沟比小，因而山部的影响变小，生成水可大体上均匀地从多孔质部32的大致整个区域向冷却用气体流路33移动。因此，能够在多孔质部32的大致整个区域上抑制反应气体流路中的溢流。

本发明的实施例9，如图14所示，隔板18的多孔质部32的冷却用气体流路33，由通入冷却用气体的导电性多孔质材料49填充。构成冷却用气体流路33的多孔质材料49，比构成多孔质部32的多孔质材料的孔径、气孔率大，降低了冷却用气体流动的压力损失。构成冷却用气体流路33的多孔质材料49，例如由多孔碳或多孔金属构成。

构成冷却用气体流路33的多孔质材料49，如图13所示，在相互为同种材料的情况下可以与多孔质部32一体地形成，或者如图14所示，不管相互为同种材料还是为异种材料，都可以与多孔质部32分体地形成然后固定在多孔质部32上。

因为冷却用气体流路33，由可使冷却用气体通过的多孔质材料49填充，所以没有山、沟，因此从反应气体流路28(或者27)向冷却用气体流路33的生成水的移动，可在多孔质部32的大致整个区域上大体均匀地进行。另外，因为没有沟部，所以在冷却用气体流路33中也能够得到隔板间的接触，接触阻力减低。

在本发明的实施例10的燃料电池中，如图15所示，具有MEA和隔板18，在隔板18的与MEA相对的面上形成反应气体流路。而且，在隔板18上形成水分交换部32′，在水分交换部32′的反应气体流路背面形成冷却用气体流路33。因此，本发明的实施例10，成为将本发明的其他实施例的多孔质部32设为水分交换部32′的结构。该水分交换部32′由能够阻断气体而仅交换水分的特殊多孔质材料构成。这样的多孔质材料可以使用以往所公知的、在湿润时变得不透气、在干燥时变为透气的多孔质材料。该多孔质材料优选是导电性的，从接合方面来考虑优选与隔板18为同种材料。

对于冷却用气体流路33在下游与向燃料电池供给的反应气体的供给流路相连接这一点、仅在反应气体流路的下游部所处的隔板部分形成水分交换部32′这一点，与本发明的其他实施例的情况是相同的，其作用、效果也与本发明的其他实施例的情形相近似。

在本发明的实施例10中，因为水分交换部32′仅透过水分而不透过气体，所以能够在位于水分交换部32′的两面的气体流路中通入不同种类的气体。即使通入不同种类的气体，也不发生气体的混合。图15表示在水分交换部32′的一面通入空气，而在另一面通入干燥氢气的情况。干燥氢气被来自氧化气体流路的下游部的空气的透过水分交换部32′的水分加湿。被加湿的氢气，直接作为反应气体而流入燃料气体流路。由此，在能够防止氧化气体流路的下游部的溢流的同时，能够取消在以往所必要的位于燃料气体供给流路中的加湿器。

本发明的实施例11，如图16、17所示，燃料电池10具有MEA、MEA的一侧的第1隔板18、MEA的另一侧的第2隔板18。在第1、第2隔板的与MEA相对的面上形成反应气体流路27、28。在第1、第2隔板18的至少任何一方的隔板18的，沿隔板面内方向反应气体流路侧表面的至少一部分的区域上，沿隔板厚度方向从反应气体流路侧表面向背面一部分的厚度部分由多孔质材料51形成。

隔板18可以是碳隔板，也可以是金属隔板。在是金属隔板18的情况下，多孔质材料51部由具有通气性的多孔的烧结体等构成。

在图16、图17的例子中，使氧化气体流路28的下游部的隔板18(第2隔板)多孔化而成为多孔质部32，在多孔质部32的与氧化气体流路28相反侧形成冷却用气体流路33，经由多孔质部32而使氧化气体流路28和冷却用气体流路33连通。

另外，在燃料气体流路27的至少一部分的区域(图示例中是整个区域)以及氧化气体流路28的多孔质部32以外的至少一部分的区域(图示例中是多孔质部32以外的整个区域)，还将隔板18的厚度方向的反应气体流路27、28侧部分(流路的沟底部和山部)由多孔质材料51形成。但是，隔板18的厚度方向的致冷剂流路26侧，仍然采用致密材料，使反应气体流路27、28不与致冷剂流路26连通。形成多孔质部32的一方的隔板18，由多孔质材料51形成的部分与多孔质部32相连结。

通过在冷却用气体流路33中通入冷却用气体，从而使反应气体流路下游部的水分蒸发成冷却用气体，防止溢流。流经冷却用气体流路33的干燥空气的流量是能够控制的。在致冷剂流路26中通入LLC(防冻液)。通过将流经冷却用气体流路33后的空气提供给反应气体流路27、28，从而防止反应气体流路27、28入口部的干燥上升。

但是，在不形成多孔质部32的一方的隔板18(图示例中是阳极侧隔板)上也可以不形成多孔质材料51部分。

另外，当在形成多孔质部32的一方的隔板18(图示例中是阴极侧隔板)上形成多孔质材料51部分的情况下，也可以仅在反应气体流路的一部分区域上形成由多孔质材料51形成的部分。例如，当在氧化气体流路28的下游部形成多孔质部32的情况下，也可以仅在氧化气体流路28的中游区域形成多孔质材料51部分。但是，也可以在氧化气体流路28的中游区域和上游区域的两方上形成多孔质材料51部分。

另外，多孔质材料51部分，既可以在反应气体流路27、28的沟底部和山部的两方上形成，也可以仅在反应气体流路27、28的山部形成。但是，与由多孔质材料51形成的部分的反应气体流路27、28相反侧的部分(形成致冷剂流路侧的部分)被设为致密部。

对于本发明的实施例11的作用，由于通过在隔板18上形成的多孔质部32、并在其背面流通冷却用气体，从而使反应气体中的水分和生成水通过多孔质部32而流入冷却用气体中，因此能够防止在反应气体流路27、28侧的溢流。

另外，通过向反应气体流路27、28供给吸收水分的冷却用气体，也能够消除在反应气体流路上游侧的溢流。

此外，在隔板的多孔质部32形成区以外的区域的至少一部分区域上，沿隔板厚度方向将反应气体流路27、28侧部分由多孔质材料51形成，因此，多孔质部32区域以外的区域的水分、生成水也被多孔质材料51吸收，借助毛细作用而从多孔质材料51形成区域向多孔质部32移动，从多孔质部32被多孔质部32背面的冷却用气体吸收。其结果，防止了多孔质部32区域以外的区域的溢流。

再有，因为沿隔板厚度方向由多孔质材料51形成了反应气体流路27、28侧部分，所以反应气体也容易向由山间的沟构成的反应气体流路27、28的山部流入，扩散层13、16之中被隔板的山部挤压着的部分(山下部)的气体浓度提高，发电能力提高。

产业上的可应用性

(1)因为在隔板上形成多孔质部，在多孔质部的反应气体流路背面形成了冷却用气体流路，所以本发明的燃料电池，可作为能够实现生成水的排出和燃料电池的冷却的两方面的燃料电池来使用。

(2)在冷却用气体流路在下游与向燃料电池供给的反应气体的供给流路相连接的情况下，供给反应气体的加湿器就变得不必要，或者设置小型的加湿器也可以了。

(3)在冷却用气体流路设为可控制流量的情况下，排水性的控制成为可能。

(4)在仅在反应气体流路的下游部所处的隔板部分形成了多孔质部时，反应气体流路的下游部与容易产生生成水的部位一致，能够有效地抑制溢流。

(5)当在反应气体流路的上游部所处的隔板部分形成了其它的致冷剂流路时，通过在该其它的致冷剂流路中通入冷却水，能够以冷却能大的冷却水来冷却发热量多的上游部。

(6)在多孔质部之中反应气体流路和冷却用气体流路的至少一方的气体流路的山部、或者山部及其山下部，比多孔质部的其它部分气孔率大的情况下，不管是有山部的部位还是有沟部的部位，都能够在多孔质部的大致整体区域上使生成水大体均匀地向冷却用气体流路转移。

(7)在多孔质部的反应气体流路和冷却用气体流路的至少一方的气体流路的山/沟比，比其以外的部分(由LLC进行的冷却部)的气体流路的山/沟比小的情况下，不管是有山部的部位还是有沟部的部位，都能够在多孔质部的大致整个区域上使生成水大体均匀地向冷却用气体流路转移。

(8)在由多孔质材料将隔板的多孔质部的冷却用气体流路填充的情况下，能够使生成水在多孔质部的大致整个区域上大体均匀地向冷却用气体流路转移。

(9)在多孔质部的两侧的气体相互为同种类的情况下，即使混合也不产生问题。

(10)当在隔板的冷却用气体流路的上游连接有鼓风机的情况下，隔板的冷却用气体流路的气压变高，能够从冷却用气体流路通过多孔质部向反应气体流路的下游部(浓度降低的部分)部分地供给新的反应气体，能够提高反应气体流路的下游部的发电能力。

(11)当在隔板的冷却用气体流路的下游的连接流路中配置有鼓风机的情况下，隔板的冷却用气体流路的气压成为负压，能够由多孔质部使气体从反应气体流路通过多孔质部流入冷却用气体流路，能够借助该气体流动排出生成水，促进生成水的排出。

(12)当在冷却用气体流路的下游，在连接流路中连接有通往负压发生装置连接通路的情况下，当在多孔质部发生堵塞时，可通过作用负压而除去堵塞。

(13)在冷却用气体流路是空气流路时，可将冷却气体加湿而直接将其用作氧化气体。

(14)在冷却用气体流路是燃料气体流路时，可将冷却气体加湿而直接将其用作燃料气体。

(15)当在一对隔板之中，在一方的隔板上形成的冷却用气体流路是空气流路，在另一方的隔板上形成的冷却用气体流路是燃料气体流路的情况下，将流过空气流路的冷却气体加湿而直接将其用作氧化气体，将流过燃料气体流路的冷却气体加湿而直接将其用作燃料气体。

(16)在水分交换部不使气体透过而仅使水分透过的情况下，即使在水分交换部的两侧通入相互为不同种类的气体，气体也不会混合，因而不产生问题。

(17)当在隔板的反应气体流路侧表面的至少一部分的区域上，沿隔板厚度方向从反应气体流路侧表面向背面侧，将一部分的厚度部分用多孔质材料形成的情况下，集电面的排水性、和气体供给性提高。

Claims (16)

1.一种燃料电池，它是具有膜-电极组合体和隔板、在隔板的与膜-电极组合体相对的面上形成有反应气体流路的燃料电池，其中在上述隔板的至少一部分上形成有多孔质部(32)，在该多孔质部的反应气体流路背面形成有冷却用气体流路(33或者33′)，在反应气体流路的上游部所处的隔板部分上形成其它的致冷剂流路(26)。

2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，上述冷却用气体流路(33或者33′)在下游与向燃料电池供给的反应气体的供给流路连接。

3.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，上述冷却用气体流路(33或者33′)是能够控制流量的。

4.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，仅在反应气体流路的下游部所处的隔板部分形成有上述多孔质部(32)。

5.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，上述隔板的上述多孔质部(32)的上述反应气体流路和上述冷却用气体流路(33或者33′)，分别由位于山部(46)之间的沟部形成，上述多孔质部之中上述反应气体流路和上述冷却用气体流路的至少一方的上述山部(46)、或者上述山部(46)及其山下部(48)，其气孔率被设定为比上述多孔质部的其他部分大。

6.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，上述隔板的上述多孔质部(32)的上述反应气体流路和上述冷却用气体流路(33或者33′)，分别由位于山部(46)之间的沟部形成，上述多孔质部的上述反应气体流路和上述冷却用气体流路的至少一方的气体流路的山/沟比，被设定为比其以外的部分的气体流路的山/沟比小。

7.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，上述隔板的上述多孔质部(32)的上述冷却用气体流路被由多孔质材料(49)填充。

8.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，在上述隔板的多孔质部(32)的内外流动的气体为同一种类。

9.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，在上述隔板的上述冷却用气体流路(33或者33′)的上游连接有鼓风机(38)。

10.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，在上述隔板的上述冷却用气体流路(33或者33′)的下游，在通往反应气体供给流路的连接部的上游侧配置有鼓风机(38)。

11.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，在上述隔板的上述冷却用气体流路(33或者33′)的下游，在通往反应气体供给流路的连接部的上游侧连接有通往负压发生装置的通路(39)。

12.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，上述冷却用气体流路(33或者33′)是空气流路。

13.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，上述冷却用气体流路(33或者33′)是燃料气体流路。

14.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，在夹持膜-电极组合体而相对的一对隔板上分别形成上述冷却用气体流路(33或者33′)，该一对隔板之中，在一方的隔板上形成的冷却用气体流路是空气流路，在另一方的隔板上形成的冷却用气体流路是燃料气体流路。

15.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，由阻断气体而仅使水分透过的水分交换部(32′)构成上述多孔质部(32)。

16.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，在上述隔板的反应气体流路侧表面的至少一部分的区域上，沿隔板厚度方向从反应气体流路侧表面向背面将一部分的厚度部分由多孔质材料形成。

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