CN1305648A - 高分子电解质燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高分子电解质燃料电池,该燃料电池由单体电池、集电板、绝缘板及端板层叠而成,所述单体电池由高分子电解质膜、具有催化剂反应层并夹有前述高分子电解质膜的阳极和阴极、具有向阳极提供燃料气体的装置的隔板、以及具有向阴极提供氧化剂气体的装置的隔板构成。其中,在配置于前述高分子电解质燃料电池两端的端板内侧,或前述绝缘板和前述集电板或前述端板间,内装有完全热交换器,使排出的气体中的热量及水分同时向供给的前述燃料气体及氧化剂气体转移,这样,就能够有效地利用使用后的冷却水,制得具备小型内部完全热交换器的高分子电解质燃料电池。

Description

高分子电解质燃料电池
技术领域
本发明涉及高分子电解质燃料电池。
背景技术
以往的固体高分子电解质燃料电池(以下称为“PEFC”)由质子传导性固体高分子电解质薄膜、阴极和阳极等电极、位于各电极周围的垫圈、碳或金属制双极(隔板)板及冷却板构成。
起电池反应作用的电极的催化剂反应层一般由载有贵金属催化剂的碳粉中混入质子传导性高分子电解质而获得的混合物组成。另外，根据需要还可在前述混合物中添加作为防水材料的聚四氟乙烯(PTFE)等含氟碳系高分子化合物。然后使前述催化剂反应层和气体扩散层粘合就构成了电极。
将以上构成的电极作为阳极和阴极使用，使它们与固体高分子电解质膜组合就构成了电池的基本组成部分。
在以纯氢为燃料的情况下，阳极和阴极的构成可相同。但是，在以对烃系燃料进行改质而获得的富氢改质气体为燃料的情况下，包含在改质气体中的一氧化碳(CO)会导致贵金属催化剂的中毒。因此，为了抑制上述中毒现象，还提出了在阳极中只添加钌等的方法。此外，由于电极的反应催化剂层的CO毒化特性随着温度的提高而有所缓和，所以，在以改质气体为燃料的情况下，一般在70～90℃左右的较高温度下使PEFC运行。
另一方面，一般使用含有磺酸基的含氟碳系高分子化合物作为构成固体高分子电解质膜的电解质。由于这种电解质要在含水状态下才能够发挥出质子传导性，所以，在PEFC运行时，必须使电解质中始终含有水分。此外，由于含水状态的电解质呈现强酸性，所以，要求与电解质直接接触的部分具备耐酸性。
由于前述电解质要在含水状态下才能发挥出其功能，所以，使PEFC运行时，为了具备与PEFC工作温度几乎相同的露点温度，必须供给PEFC经过加湿处理的燃料气体及空气。特别是随着工作温度的提高，供给气体(燃料气体及空气等氧化剂气体)的加湿控制显得更为重要。
这里，若比较燃料气体及空气的加湿程度，则由于对PEFC的空气供给量多于燃料气体供给量，所以一般对空气的加湿程度要强于燃料气体。
以往对供给PEFC的气体进行加湿处理一般是用冷却PEFC的冷却水对供给气体进行加湿的方法。假设在80℃的工作温度下使PEFC运行，如果向PEFC送入78℃的冷却水，则通过控制冷却水的流量，可使从PEFC排出的冷却水的温度达到83℃。
此时，由于从PEFC排出的冷却水的温度与PEFC的工作温度基本一致，所以，在排出的冷却水和供给气体间进行完全热交换，通过这样使热量和湿气转移，能够得到具有与PEFC的工作温度相近的露点的供给气体。
作为上述完全热交换的方法，提出了通过与固体高分子电解质膜同样的膜，在排出的冷却水和供给气体间进行完全热交换的方法。
但是，在用PEFC的发电系统作为发电及废热供暖系统时，只有对PEFC进行冷却后的冷却水作为与供给气体之间进行完全热交换的热交换源使用，所以，不能够获得足够的热交换源。
此外，由于从PEFC排出的水的温度基本上接近PEFC的工作温度，所以，也可考虑将该排出水作为发电及废热供暖系统的热源使用。但是，这种情况下必须在排出的水和供给气体间进行热交换。进行温热的排出水和供给气体间的热交换时，必须进行液体和气体间的热交换，所以，存在的问题是需要较大的热交换器，且热交换率较低。
因此，本发明的目的是能够在从PEFC排出的气体和供给PEFC的气体间进行热量及水分的转移，有效地进行完全热交换。
发明的揭示
为了解决上述问题，本发明的高分子电解质燃料电池由单体电池、集电板、绝缘板及端板层叠而成。其中，单体电池由高分子电解质膜、具有催化剂反应层并夹有前述高分子电解质膜的阳极和阴极、具有向阳极提供燃料气体(例如，氢气)的装置的隔板、以及具有向阴极提供氧化剂气体(例如，空气)的装置的隔板构成。
即，在配置于前述高分子电解质燃料电池两端的端板内侧，或前述绝缘板和前述集电板或前述端板间，内装有完全热交换器，使排出的气体中的热量及水分同时向供给的燃料气体及氧化剂气体转移。
这种情况下，能够使供给阴极的氧化剂气体和从阴极排出的气体间进行热量和水分的转移，从而有效地进行完全热交换。
前述完全热交换最好通过膜厚在25μm以下的高分子电解质膜进行。
本说明书中的“完全热交换”是指使热量及水分(水蒸汽)从一种介质传递到另一种介质。
实施发明的最佳状态
如上所述，在配置于本发明的高分子电解质燃料电池两端的端板内侧，或前述绝缘板和前述集电板或前述端板间，内装有完全热交换器，使从前述高分子电解质燃料电池排出的气体中的热量及水分同时转移到供给前述高分子电解质燃料电池的燃料气体及氧化剂气体中。当然，前述完全热交换器也可装在前述绝缘板和绝缘板间。
这样，从本发明的PEFC排出的温水就能够作为包含前述PEFC的发电及废热供暖系统的热源有效地用于其他方面。
另外，由于完全热交换器内装于构成PEFC的端板内侧，所以，可省去或减少向PEFC提供经过完全热交换器的加湿及加热处理的供给气体(燃料气体及氧化剂气体)的配管。这样就能够防止经过加温的燃料气体及氧化剂气体在流过配管时温度下降。
例如，将完全热交换器配置在PEFC外部时，必须对连接完全热交换器和PEFC的配管采取保温措施。该保温措施导致的问题是使PEFC的结构变得复杂，还增加了成本。即使采取了保温措施，也不能避免在经过配管的过程中温度有所下降。在引起温度下降的情况下，经过加湿的燃料气体及空气有时会结露，水蒸汽液化，会向PEFC提供雾状的水。在雾状的水与燃料气体及氧化剂气体一起供给PEFC时会出现这样的问题，即，雾状的水流过PEFC内的电极表面期间，电极表面会处于暂时的缺氧状态，导致所得电池的电压急剧下降。
本发明由于采用了前述构成，所以能够避免这些问题的发生。
最好通过膜厚在25μm以下的与高分子电解质膜同样的膜进行完全热交换，就能够使内部的完全热交换器更小型化。膜厚的上限只要不影响本发明效果即可，对其无特别限定。例如，可以在50μm左右。
此外，以对烃系燃料进行水蒸汽改质而获得的改质气体为燃料的情况下，也可将该燃料气体直接送入PEFC，而仅在氧化剂气体和从PEFC排出的气体间进行完全热交换。
用膜厚在25μm以下的与高分子电解质膜同样的膜进行完全热交换时，膜的完全热交换能力虽然非常好，但有微量的氢气也通过膜。另外，为了在万一膜破损的情况下也能够确保安全性，必须采用氢气和空气不直接接触的结构。
实施例
以下，通过实施例对本发明进行说明，但本发明并不仅限于此。
实施例1
(1)PEFC单体电池的制作
将在乙炔炭黑系碳粉中载有25重量％平均粒径约为30埃的铂粒子的材料作为电极的催化剂。使在异丙醇中分散有该催化剂粉末的分散液和在乙醇中分散有式(1)
Figure A9980739400061
表示的全氟化磺酸粉末的分散液混合，调制成糊状(式中，x=1、y=2、m=5～13.5、n≈1000)。然后，通过丝网印刷法将该糊状物涂布在厚度为250μm的碳无纺布的一面上形成催化剂反应层，进行调整使形成了催化剂反应层的电极中的铂含量为0.5mg/cm2，全氟化磺酸的含量为1.2mg/cm2。将这样获得的电极用作为阴极和阳极。
接着，在面积比所得电极大一圈的质子传导性高分子电解质膜的两面重叠上前述电极，使涂布的催化剂反应层与电解质膜接触，再通过热压粘合形成电极/电解质结合体(MEA)。这里所用的质子传导性高分子电解质是前述式(1)表示的全氟化磺酸制成的25μm厚的薄膜。
在2块非多孔碳形成的隔板中夹上前述MEA，使其与气体通路径相对，制得本发明的PEFC单体电池。
(2)内部加湿器的制作
用2张经过亲水化处理的厚度为180μm的炭纸夹住与前述高分子电解质膜同样的膜，再用2块具有与前述隔板同样的气体流通路径的SUS316制薄板夹在炭纸外侧，构成单个完全热交换型内部加湿器。连续层叠40个该单个内部加湿器，构成作为完全热交换器的内部加湿器。
由40个单个加湿器层叠构成的完全热交换型内部加湿器中，20个加湿器用于氧化剂气体的加湿，其余20个用于燃料气体的加湿。隔离在氧化剂气体加湿用单个加湿器和燃料气体加湿用单个加湿器的完全热交换板由1块1块交替层叠而成。与氧化剂气体一样，燃料气体也能够和排出气体进行完全热交换。
前述内部加湿器具备以下结构。即，首先在前述内部加湿器中，供给PEFC的氧化剂气体并排流入位于前述膜和1块前述薄板间的气体通道。然后，从前述内部加湿器出来的氧化剂气体被提供给PEFC，从PEFC排出的氧化剂气体在前述内部加湿器中，又并排流入位于前述膜和另1块前述薄板间的气体通道中再被排出。
评估
在将以上获得的完全热交换型内部加湿器装入本发明的PEFC之前，对其完全热交换能力进行测定和评估。
供给入口侧的空气是温度为28℃、露点为-28℃的干燥空气A。在输入电池排出气体中的空气的入口侧供给模拟电池排出气体的温度为75℃、露点为75℃的空气B，然后进行完全热交换。
其结果是，前述内部加湿器入口处的空气A被加温及加湿，在前述内部加湿器的出口处转变为温度为65℃、露点为65℃的空气。从前述内部加湿器排出的空气B的温度下降，且被除湿，转变为温度为56℃、露点为52℃的空气。
(3)PEFC的制作
将100个前述(1)制得的单体电池连续层叠，在所得层叠电池的两个外侧分别安装具有必需的气体集合管用孔及冷却水集合管用孔的集电板。在1个集电板的外侧设置前述(2)制得的完全热交换型内部加湿器。
然后，在内装有前述内部加湿器的层叠电池的两个外侧分别安装具有必需的气体集合管用孔及冷却水集合管用孔的绝缘板及端板。再用螺栓、弹簧及螺母，从两端的端板外侧对电极表面施加20kg/cm2的压力，制得本发明的PEFC。
评估
在以上制得的PEFC中通入冷却水，并将温度保持在75℃。向阳极提供作为燃料气体的用前述内部加湿器进行了加湿及加温处理的干燥氢气，并向阴极提供作为氧化剂气体的用前述内部加湿器进行了加湿及加温处理的干燥空气，这样就获得无负载时49V的电池电压。
此外，用上述PEFC，在燃料利用率为80％、氧气利用率为40％及电流密度为0.7A/cm2的条件下，进行连续放电试验后发现，经过5000小时以上，PEFC还能够保持31V以上的电池电压进行放电。
另外，调整这时的冷却水的流量，即使PEFC出口处的冷却水排出温度为85℃,PEFC也能够毫无问题地连续工作。即，排出的温水能够另外作为发电及废热供暖系统等的热源被有效利用。
产业上利用的可能性
如上所述，根据本发明，通过在构成前述燃料电池的端板内侧安装完全热交换器，对供给高分子电解质燃料电池的燃料气体及氧化剂气体与排出的气体间同时进行热量及水分的交换，能够将使用后的冷却水另外作为发电及废热供暖系统的热源被利用。此外，通过使用与构成前述燃料电池的电解质膜同样的膜，能够进一步实现内部完全热交换器的小型化。

Claims (3)

1．高分子电解质燃料电池，所述燃料电池由单体电池、集电板、绝缘板及端板层叠而成，其中，单体电池由高分子电解质膜、具有催化剂反应层并夹有前述高分子电解质膜的阳极和阴极、具有向阳极提供燃料气体的装置的隔板、以及具有向阴极提供氧化剂气体的装置的隔板构成，其特征在于，在配置于前述高分子电解质燃料电池两端的端板内侧，或前述绝缘板和前述集电板或前述端板间，内装有完全热交换器，使排出的气体中的热量及水分同时向供给的前述燃料气体及氧化剂气体转移。
2．如权利要求1所述的高分子电解质燃料电池，其中，在供给前述阴极的燃料气体和从前述阴极排出的气体间进行前述完全热交换。
3．如权利要求1所述的高分子电解质燃料电池，其中，通过膜厚在25μm以下的高分子电解质膜进行前述完全热交换。
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