CN1691369A - 隔板及采用该隔板的燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池装置的隔板(10B)，其为了在利用电极(12、13)夹持电解质(11)而成的电池单体(10A)之间形成冷却空间(A)，而插入在电池单体(10A)之间，并具有与电池单体(10A)的电极(12、13)接触的多孔的散热板(14)。这样，由于孔的形成而增大了散热板(14)与供给空气的接触面，从而提高了将电极(12、13)的热量传递给流过冷却空间(A)的空气流的作为散热片的功能。由此，可以利用供给空气极侧的空气对电池单体进行冷却，利用简单结构提高冷却效率。

Description

隔板及采用该隔板的燃料电池
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，特别涉及一种利用插入在其电池单体之间的隔板的燃料电池装置的冷却技术。
背景技术
燃料电池有各种类型，其中高分子电解质型燃料电池的反应温度低，体积小，适合搭载在车辆上。该类型的燃料电池利用由气体扩散电极(由催化剂层和多孔质支撑层(气体扩散层)组成)夹持高分子电解质膜形成的膜—电极结合体(MEA：Membrane Electrode Assembly)作为单体电池，其外侧配置有形成氢(燃料气体)或氧(氧化剂气体)等的反应气体的供给通路的隔板，形成叠层结构。该隔板可以防止反应气体向在叠层方向相邻的MEA透过，同时将产生的电流引到外部，收集起来。多个上述的MEA和隔板叠层，组成电池单体组。
在燃料电池中，由于会产生与电解反应产生的电力相对应的热量，特别是对于低温工作的高分子电解质型燃料电池，必须设置防止电池单体过度受热的冷却机构。作为该冷却机构，一般在电池单体模块中设置有别于反应气体的供给路的冷却通路，在该冷却通路中通过冷却水。
申请人在此之前提出的方案中，为了进行上述的电解质膜的冷却，使向空气极供给的作为氧化剂气体的空气远远超过反应所需要的量，从而直接利用空气对电池单体进行冷却。还有，为了使电解质膜湿润，在向空气极供给的空气中混入雾状的加湿水，供给到气体扩散电极。具体来说，在该技术中，为了提高上述隔板的加工性，实现燃料电池的薄片化，将隔板的衬垫部作为波状板的薄板金属板，在波板的波峰和波谷的中间部分设置通气孔，通过该通气孔，向气体扩散电极供给空气和被隔板加热而蒸汽化的加湿水。
在该结构中，利用隔板的衬垫部的波形形状，对气体供给路进行细分，从而能够对电极均匀供给反应气体，同时可以利用加湿水在气体供给通路内的蒸发进行潜热冷却，从而可以与随着气流的冷却一起提高冷却效率。
并且，提出了在不需要对电极进行保湿的熔融碳酸盐型燃料电池中，利用薄金属板构成隔板的衬垫部的技术(例如专利文献1)。该过去的技术中，与电极接触的部分(集电体)为平板的开孔金属板，构成气体供给路的部分(作为衬垫的流路板)为波状的冲压加工开孔金属板。
相同结构亦见于特开平6-44981号公报所述的技术。该技术中，固体电解质板的两面上，一体化形成的各电极通过有孔性通电平板、作为导电性衬垫的有孔性波板及两面为平底状凹部等的隔板集合在一起。
专利文献1：特开平5-29009号公报。
专利文献2：特开平6-44981号公报。
上述专利文献1和专利文献2所述的技术适用于熔融碳酸盐型燃料电池，在向氧化极侧供给空气的同时，还必须供给二氧化碳，不是与本申请人的提案有关的利用常压空气的供给对电池单体进行冷却的技术。
还有，这些技术中，流路板或者导电衬垫通过集电体或通电平板与电极连接，这些为重合的部分，由于因孔位置的偏移造成电极面和空气流的接触面狭窄，假设即使将该结构应用于空气冷却，也不能达到充分冷却的效果。
发明内容
本发明是考虑到上述情况而提出的，其主要目的在于对于利用供给到空气极侧的空气对电池单体进行冷却的燃料电池，利用简单结构提高冷却效率。
为达到上述目的，本发明是为了在由电极12、13夹持电解质11而构成的电池单体10A之间形成冷却空间A、而插入于电池单体10A之间的燃料电池装置的隔板10B，其特征在于：具有与上述电池单体10A的电极12、13接触的多孔的散热板14。
其次，本发明是为了在由电极12、13夹持电解质11而构成的电池单体10A之间形成流动常压气流的冷却空间A、而在电池单体10A之间插入有隔板10B的燃料电池装置，其特征在于：上述隔板10B具有与上述电池单体10A的电极12、13接触的多孔的散热板14。
上述结构中，希望上述散热板14一体化具有与上述电极12、13接触的传热部141、和从该传热部141向空间内延伸的散热部14a。
还有，希望上述散热部14a将上述冷却空间A分割成从该冷却空间A的一端通到另一端的多个空间。
还有，希望上述散热板14由矩形波的波板状的金属网部件构成，矩形波的波底部为与上述电极12、13接触的传热部141。
此时，希望上述金属网部件的开口率为25％以上。
还有，希望上述金属网部件的孔径为1mm以下。
上述任意结构中，上述电池单体10A的电解质11适用于含水的电解质。
根据本发明，由于与电池单体的电极接触的散热板具有多孔性，从而消除了由于孔部的重叠对向电极供应空气的限制。还有，由于孔的形成增加了散热板和供给空气的接触面，从而提高了将电极的热量传递给流过冷却空间的空气流的作为散热片的功能。因此，对于利用供给空气极侧的空气对电池单体进行冷却的燃料电池，可以利用简单结构提高空气的扩散性和冷却效率。
还有，当散热板一体化具有与电极接触的传热部、和从该传热部向空间内延伸的散热部时，可以进一步增加散热板和供给空气的接触面，而且使从电极向散热板的散热部的热传导性能良好。
还有，当散热部将上述冷却空间分割成从该冷却空间的一端与另一端相通的多个空间时，可以利用散热部来消除流过冷却空间内的空气的流动的不均匀现象，使空气的扩散均匀化，提高供给空气对电极的扩散性，同时能够通过对电极的均匀化冷却而实现湿度分布的平均化。
另外，当散热板由矩形波的波板状的金属网部件构成时，电极与散热板的接触部为矩形波的波底部的平坦的网眼，从而可以确保对应于矩形波的波底面宽度的网眼部分为高接触压的接触状态，提高散热板的集电性能，并利用网眼间的大开口部提高供给空气对电极的扩散性。
附图说明
图1为燃料电池装置的系统结构图。
图2为燃料电池装置的控制系统的方框图。
图3为燃料电池装置的启动控制的流程图。
图4为燃料电池装置的空气供给控制的流程图。
图5为组成与本发明第1实施例有关的燃料电池组的电池单体模块的俯视图。
图6为从空气极侧观察到的电池单体模块的正视图。
图7为从燃料极侧观察到的电池单体模块的正视图。
图8为图6的B-B部分的截面图。
图9为图6的A-A部分的截面图。
图10为电池单体模块的隔板的局部分解立体图。
图11为表示与本发明第2实施例有关的隔板的局部分解立体图。
图12为表示与本发明第3实施例有关的隔板的局部分解立体图。
图13为表示与本发明第4实施例有关的隔板的局部分解立体图。
图中：10A-电池单体，10B-隔板，11-固体高分子电解质膜，12-空气极，13-燃料极，14-空气极侧集电器，14a-凸条，15、19-燃料极侧集电器，141-底部。
具体实施方式
本发明对于采用直接喷射方法在供给空气中混入冷却水、并向空气极侧进行供给的燃料电池特别有效，这样通过空气流同时进行冷却，在多孔的散热板上均匀附着并保持冷却水，从而可以在电极的全部表面利用反应生成热进行均匀的潜热冷却，进一步提高冷却性能。
为了向电极充分供给反应气体，希望金属网部件具有大的开口率，为了满足功能要求，希望开口率为25％以上。
还有，为了使反应气体的扩散均匀化，希望上述金属网部件的孔径为1mm以下。
(第1实施例)
下面结合附图，说明本发明的实施例。首先，图1-10表示本发明的第1实施例。图1为采用本发明的燃料电池组1的车辆用燃料电池装置的结构。该燃料电池装置由燃料电池主体部、供给燃料氢的作为氢供给机构的包括氢罐41的燃料供给系(图中双点划线表示)4、供给用于反应部的湿润和冷却的水的水供给系(图中虚线表示)6构成。其中，燃料电池主体部以燃料电池组1为主体，并由包括向其供给兼作氧化剂和冷却剂的空气的作为空气供给机构的空气风扇21的空气供给系(图中实线表示)2以及包括水凝结器31的空气排出系3构成。
配置在燃料电池的主体部的空气风扇21通过空气供给路20与空气歧管22连接，空气歧管22与收容燃料电池组1的图中未表示的壳体连接。空气排出系3的水凝结器31插入在上述壳体的空气排出路30上，与燃料电池组1连接。空气排出路30中配置有排气温度传感器32。
燃料供给系4将储存在氢罐41中的氢气通过氢供给路40送到燃料电池组1的氢气通路。氢气供给路40上，从氢罐41侧向燃料电池组1侧，依次设置有作为氢气压传感器的一次压传感器42、作为氢供给调压阀的调压阀43A、供给电磁阀44A、作为氢供给调压阀的调压阀43B、供给电磁阀44B、作为氢气压传感器的二次压传感器45。还有，氢气供给路40上附带设置有氢气返回路40a和氢气排出路50。在氢气返回路40a上，从燃料电池组1侧开始，依次设置有氢气浓度传感器46A、46B、吸引泵47、止回阀48，止回阀48的下游与氢气供给路40连接。在氢气返回路40a的吸引泵47与止回阀48之间，连接有氢气排出路50，氢气排出路50上配置有止回阀51、排出电磁阀52、燃烧器53。
水供给系6将储存在水箱61中的水通过水供给路60送到配置在燃料电池组1的上述壳体的空气歧管22上的喷管63。水供给路60上配置有水泵62。还有，水箱61上配置有作为水位传感器的液面传感器64。水供给系6中还设置有连接燃料电池组1的上述壳体和水箱61的水返回路60a，在水返回路60a上配置有泵65和止回阀66。水返回路60a在泵65的上游侧与水凝结器31连接。还有，图中符号71表示测试燃料电池的起电压的电压表。
图2为图1所示的燃料电池装置的控制系统的方框图。图2的左列方框表示获取控制信息的输入机构，右列方框表示控制对象的输出机构。由连接这些机构的计算机构成的控制装置8具有存储器81，收容在燃料电池装置的控制箱(图1未表示)内。存储器81内存有规定控制装置8的操作的控制程序、执行各种控制时的参数以及对照表(look up table)。
接着，说明本实施例的燃料电池装置的运行控制。该运行控制包括氢气供给量控制、空气供给量控制、水供给量控制。首先，燃料电池装置启动时，参照图3所示的流程图，在步骤S1，接通起动开关(图1和图2未表示)，在步骤S2，接通水泵62。此时，调节水泵62的运行状态，使水喷射量达到规定值，在步骤S3，从喷管63向空气歧管22内喷射水。此时的水量为向空气极供给水量的最大值，以保护燃料电池组1不出现异常反应。接着，在步骤S4，空气供给系2接通。此时，空气风扇21的风量也为最大，对电池单体进行冷却，防止异常反应。接着在步骤S5，氢气供给系4接通。这样，当确认燃料电池组1的空气极和燃料极之间有所需的输出后，向外部输出电力。
在上述流程中，空气供给系2的运转(步骤S4)也可以在水供给系6的运转(步骤S2及S3)之前进行，或在氢气供给系4的运转(步骤S5)之后进行。但是，水供给系6的运转必须在氢气供给系4的运转之前进行。其理由是如果不管空气供给系2是否运转，在电池单体中都存在空气，如果在电解质膜处于干燥的状态下供给氢气，有可能发生异常燃烧。即，为了即使在由于该燃烧而产生异常热的情况下，也防止电池单体受到损伤，而在供给氢气之前进行喷水，预先湿润空气极。这样，异常热将转换成水的蒸发热，并促进了电解质膜的湿润，可以预先防止电池单体的损伤。
如上所述完成启动后，并行进行氢气供给量控制、空气供给量控制、水供给量控制。在氢气供给量控制中，调压阀43A、43B调整供给到燃料极的氢气，以使其处于爆炸限度以下的氢气浓度。启动时处于关闭状态的排出电磁阀52根据预先制定的规则进行开放，排出氢气分压降低了的气体，使燃料极的周围气体保持新鲜。此时的预先制定的规则存储在存储器81内。控制装置8从存储器81读出该规则，对调压阀43A、43B的调整和排出电池阀52的开闭进行控制。这样在运行时适当开启排出电磁阀52的原因在于，在排出电磁阀52处于关闭状态下持续运行燃料电池装置时，由于从空气极透过的N2、O2，或者生成水的影响，会降低在燃料极消耗的氢气的分压，因而输出电压也降低，不能获得稳定的电压。
接着，在空气供给量控制中，参照图4的流程，在步骤S41，利用排气温度传感器32检测刚从燃料电池组1排出的排气空气的温度。在步骤S42判断该温度超过80℃时，电池单体有可能被烧坏，因此在步骤S43，增加空气风扇21的旋转速度，增大风量，降低作为热发生源的空气极的温度。此时，在电池单体之间的冷却气体流路中供给对超过80℃的电池单体进行冷却所需的水。在步骤S42判断温度低于80℃时，则在步骤S44检测电池单体的负荷。接着，在步骤S45，参考以表的形式存储在存储器81中的关系，判断燃料电池的负荷与该状态下所需的风量的关系是否为最佳风量，如果风量不为最佳风量，则在步骤S46进行风量调节。
接着，在水供给量控制中，水箱61的水通过水泵62压送，从喷管63喷雾。该喷雾的喷出压力通过施加在水泵62上的电压进行调整。这样可以得到所需水量。此时的水的供给量随着排气温度而事先确定。为了尽量减少水泵62的动力损失，该量为维持排气温度所需的最小值。还有，排气温度低于规定的温度(例如30℃)时，也可以停止水的供给。排气温度与当时应该供给的水量、以及水量与水泵吐出压的关系可以参照存储在存储器81的对照表进行计算。
上述水供给量控制也可以有其他的方法。例如，可以在经过规定时间(例如5-10秒)后，以一定的压力运转水供给系6。还有，也可以使水喷出量保持一定，随着排气温度或其它运行状况，对其开关进行控制，从而控制水的供给量。另外，即使供给的水量超过利用潜热对电池组进行冷却所需的水量，由于电池组的冷却能力没有下降，水泵62开启时，可以总是供给与最大风量(最大空气供给量)相对应的最大水供给量。还有，排气温度低于规定温度(例如30℃)时，也可以间歇喷射最低量的水，从而尽量减少水供给系6的负荷。
上述控制中，燃料供给系4通过一次压传感器42对氢罐41侧的氢气压进行监测，通过调压阀43A、43B调整供给到燃料电池组1的适当的压力。然后，利用供给电池阀44A、44B的开闭，控制向燃料电池组1的氢气的供给。氢气供给的遮断通过供给电池阀44A、44B的关闭来进行。还有，利用二次压传感器45，对供给到燃料电池组1之前的氢气压力进行监测。
图5-图10表示在由上述结构组成的燃料电池系统中、作为构成燃料电池组1的单元的电池单体模块10的结构。如图5上面(以下按照电池单体模块10的配置姿态说明上下以及纵横关系)所示，电池单体模块10以电池单体(MEA)10A、对电池单体10A之间进行电气连接并分离引入电池单体10A的氢气的流路和空气的流路的隔板10B、支撑电池单体10A和隔板10B的2种框架17、18作为一个单元，沿板厚方向叠放多个单元(图中为10个)。还有，由于电池单体10A位于框架18的内侧，因此在图5中没有明确表示出来。电池单体模块10中，为了使电池单体10A之间保持规定的间隙，电池单体10A与隔板10B通过2种框架17、18交互作为衬垫进行多层叠放，叠放方向的一端(图5中的上端面侧)以如图6所示的隔板10B的纵向凸条形成面和一个框架17的端面为终端，而另一端(图5中的下端面侧)以如图7所示的隔板10B的横向凸条形成面和另一个框架18的端面为终端。
如图8及图9的扩大的截面结构所示，电池单体10A由固体高分子电解质膜11、设置在该固体高分子电解质膜11的一侧的作为氧化剂极的空气极12以及设置在另一侧的燃料极13组成。这些空气极12和燃料极13由气体扩散层、含有在该扩散层上形成并与固体高分子电解质膜11接触而被支撑的催化剂物质的催化层组成。其中气体扩散层由使上述反应气体扩散并透过的导体材料组成。这些材料中，空气极12和燃料极13的横向尺寸稍大于作为支撑部件的框架18的开口部的宽度，纵向尺寸稍小于开口部的高度。还有，固体高分子电解质膜11的纵横尺寸比开口部的纵横尺寸大一些。
隔板10B由作为电池单体10A之间的气体遮断部件的隔板基板16、设置在该隔板基板16的一侧、与电池单体10A的空气极12侧的电极扩散层接触而集电并形成有许多透过空气和水的混合流的开口的网眼状导体(构成本发明的散热板，以下称为“空气极侧集电器”)14、设置在隔板基板16的另一侧、与电池单体10A的燃料极13侧的电极扩散层接触并同样将电流引到外部的网眼状导体(以下称为“燃料侧集电器”)15构成。为了将包括电池单体10A在内的这些部件维持规定的位置关系，在空气极侧集电器14的左右两侧配置框架17(只有最外侧的上下端为相互与支撑板17a、17b连接的框状(参照图6))，在燃料极侧集电器15以及电池单体10A的周边部配置框架18。在本实施例中，集电器14、15由例如厚度为0.2mm左右的金属薄板组成。还有，隔板基板16为厚度更薄的金属薄板组成。作为这一金属构件，可以采用具有导电性和耐蚀性的金属，例如在不锈钢、镍基合金、钛基合金等上进行镀金等耐蚀导电处理后的金属。还有，框架17、18由适当的绝缘材料构成。
如图6所示，空气极侧集电器14的整体形状为横长的矩形(但是，为了提高除水效果，底边为倾斜形状)，如图10的部分扩大图所示，为由具有59％的开口率的网眼状开口143(为了容易参照板面形状，只画了一部分网眼形状)的多孔金属网(expand metal)板材组成，并具有通过冲压加工形成的细小的凸条14a的波纹板。这些凸条14a在板材的纵边(图中的短边)以平行的等间距纵向完全跨过板面。这些凸条14a的截面形状大致为矩形波状截面，由于冲压加工的拔模的原因，在根部侧略有扩展。这些凸条14a的高度实质上等于框架17的厚度，因此在叠放状态下确保两侧的框架17之间有纵向贯通的规定开口面积的空气流路(具有本发明中的冷却空间的作用)。还有，各凸条14a之间的底部141的平面为与空气极12侧扩散层接触的接触部，凸条14a的顶部142为与隔板基板16接触的接触部。
另外，还有，空气极侧集电器14经过亲水性处理。作为处理方法，采用在表面涂布亲水处理剂的方法。作为涂布的处理剂，有聚丙烯酰胺、聚胺脂系树脂、氧化钛(TiO2)等。作为其他的亲水性处理，有增加金属表面粗糙度的方法。作为例子，有例如等离子体处理等。亲水性处理最好在温度最高的部位进行，例如在与电池单体10A接触的凸条14a之间的底部141、特别是空气流路侧进行。通过这样进行亲水性处理，促进集电器14与空气极侧扩散层的接触面的浸润性，提高利用水的潜热冷却的效果。还有，这样在网眼的开口部难以出现水的阻塞，进一步降低了水阻碍空气供给的可能性。
燃料极侧集电器15由与空气极侧集电器14相同尺寸的具有网眼状开口153(为了容易参照板面形状，只画出一部分网眼形状)的多孔金属网的矩形板材组成，利用冲压加工，压成多个凸条15a。凸条15a[的底部151为平坦状，其截面形状也与前面的凸条14a的情况一样，实际上为矩形波状，但该集电器15的凸条15a为在横向完全跨过板面，在纵向有一定间距。这些凸条15a之间的底部151的平面为与燃料极13接触的接触部，凸条15a的顶部152为与隔板基板16接触的接触部。这些凸条15a的截面形状大致为矩形波状截面，由于冲压加工的拔模的原因，在根部侧略有扩展。这些凸条15a的高度与电池单体10A的厚度加在一起实质上等于框架18的厚度，因此在叠放状态下确保了框架18的内侧横向贯通的规定开口面积的燃料流路。
上述结构组成的两个集电器14、15将隔板基板16夹在中间，各底部141、151同时朝向外侧。此时，两个集电器14、15的顶部142、152处于与隔板基板16接触的状态，即为能够相互通电的状态。还有，集电器14、15与隔板基板16叠放，在隔板基板16的一侧，构成同时作为反应气体供给路和冷却空间的空气流路(图10中用箭头A表示流动方向)，在另一侧形成燃料流路(图10中用箭头H表示流动方向)。这样，从该纵向的空气流路A向电池单体10A的空气极12供给空气和水，同样，从横向的燃料流路H向电池单体10A的燃料极13供给氢气。
在上述结构的隔板10B的外侧，分别配置有框架17、18。如图8及图9所示，包围集电器14的框架17除了外端(图8中的最上部，图9中的左端)的部分，只具有包围沿集电器14的短边的两侧的纵框部171，为了形成燃料流路，沿板厚方向贯通这些纵框部171，设置有长孔172。框架17的板厚如上所述，与波状板的集电器14的厚度相同。因此，框架17与集电器14组合在一起时，集电器14的凸条间的底部141与电池单体10A的空气极12接触，顶部142通过隔板基板16与集电器15接触。还有，隔板基板16的外形尺寸与框架17的高度和整体宽度相当，并在与框架17的上述长孔172重合的位置上具有同样的长孔162。这样，在框架17的两个纵框部171之间，形成了由电池单体10A的空气极12面和隔板基板16包围的在纵向全部贯通的空气流路。
包围集电器15和电池单体10A的框架18与框架17的大小相同，与框架17不同的是，为具有左右纵框部(图8中，由于位于超出记载范围的右外侧，因此没有表示，为在与框架17的两纵框部171的左右两侧端相同的位置上具有两侧端的、横向宽度在上下横框部大致相同的框部)和上下横框部182的完全框状。框部18除了外端(图5中的最下部，图7表示的面)部分，具有与左右纵框部平行延伸的、与集电器15的左右端重合的薄板状的支撑板18a和厚板状的支撑板18b，这些支撑板18a与纵框部171所包围的空间构成与沿板厚方向贯穿上述框架17的长孔172排列的形成燃料流路的空间。框架18的板厚如上所述，大致等于波板状的集电器15的厚度加上电池单体10A的厚度。因此，在框架18与集电器15组合在一起的状态下，集电器15的凸条间的底部151与电池单体10A的燃料极13接触，顶部152通过隔板基板16与集电器14接触。这样，框架18的两个纵框部171与支撑板18a之间形成与框架17的纵框部171的长孔172排列的框架叠放方向的燃料流路，且在每个框架18的内部，利用集电器15的波形，形成由隔板基板16和支撑板18a所夹持的作为横向流路的燃料流路。
利用上述结构的框架17、18，保持集电器14、15以及隔板基板16，从而构成隔板10B，隔板10B与电池单体10A交互叠放，构成电池单体模块10。这样叠放而成的电池单体模块10中，如图5所示，在框架18所夹持的之间的部分，形成有从电池单体模块10的上面沿纵向贯通到电池单体模块10的下面的切口状的空气流路。
在壳体中并列配置多个上述结构的电池单体模块10，形成燃料电池组1(参照图1)，从其上部供给在空气歧管22混合的空气和水，从侧面供给氢气，进行发电运行。供给到空气流路的空气和水，以雾状水滴混入空气流中的状态(下面称该状态为“混合流体”)进入空气流路的上部。在燃料电池的正常运转状态下，电池单体10A通过反应产生热量，因此空气流路内的混合流体被加热。混合流体中的水滴由于亲水性处理，一部分附着在空气极侧集电器14的网眼状部分和电池单体10A的空气极12侧，没有附着在空气极侧集电器14的网眼状部分的水滴通过在空气极侧集电器14和电极扩散层之间的气相中的加热而进行蒸发，从空气极侧集电器14夺取热量，产生潜热冷却作用。这样变成蒸汽的水抑制来自空气极12侧的固体高分子电解质膜11中的水分的蒸发，进行保湿。然后，进入空气流路的剩余的空气和蒸汽从电池组的下方的空气流路开口排出。
另一方面，对燃料流路的氢气供给从图7的最外侧的框架18的纵框部的长孔开始，依次经过叠放的隔板基板16的长孔162、框架17的纵框部171的长孔172，流入由各框架18的纵框部以及支撑板18a所包围的空间，经过由隔板基板16和支撑板18a所包围的空间，供给到电池单体10A的燃料极13侧。这样，向电池单体10A的燃料极13供给氢气。然后，沿燃料极13横向流动的氢气中，没有参加反应的剩余部分从相反侧的氢气流路排出，通过与该氢气流路连接的图1所示的配管进行循环，最终排出到燃烧器53。
这样随着空气一起送到燃料电池组1中的水如前说明，一部分附着在空气极侧集电器14的网眼上进行蒸发，另外部分在气相中没有附着在网眼上而进行蒸发，夺取潜热，从而防止水分从空气极12侧的固体电解质膜11上蒸发。因此，固体电解质膜11在其空气极12侧不会出现干燥，被生成水一直维持在均匀的湿润状态。还有，供给到空气极12的表面的水也从空气极12本身夺取热量，对其进行冷却。这样，控制燃料电池组1的温度。
燃料电池组1内的氢气的流动如前说明所示。燃料供给系4中，从燃料电池组1的氢气通路被泵47的吸引所排出的氢气，通过氢气浓度传感器46A、46B进行浓度测量，当超过规定浓度时，利用电磁阀52的关闭，通过止回阀48，回流到氢气供给路40。还有，当没有达到规定浓度时，通过排出电磁阀52的间歇开放，经过止回阀51及排出电磁阀52，将氢气排放到燃烧器53，在燃烧器53进行完全燃烧后，向大气排出。
在该燃料电池装置中，即使对燃料电池组1不附设冷却水系统，通过随着空气流进行供水，可以使燃料电池组1保持足够的湿润、且进行冷却。此时，与排气温度传感器32探测的排出空气的温度相对应，适当控制泵62的输出或运行间隔，控制从喷管63向空气歧管22内喷出的水的喷射量，从而可以使燃料电池组1的温度维持在所希望的温度。具体来说，如果增加供给到燃料电池组1内的水量，蒸发量则增加。减少水量，蒸发量也减少。同时如果增加风量，温度则下降，减少风量，温度则升高。通过控制供给水量和风量，可以控制运行温度。另外，从燃料电池组1与空气一起排出的水大部分维持液体状态而被排出，流到水返回路60a，被泵65吸引，经由止回阀66，回到水箱61。而蒸发的水蒸气状的水或没有被水返回路60a回收的水，在水凝结器31凝结成液状，或者原样通过水凝结器31，被泵65吸引，回到水箱61。另外，排气空气中包含的水蒸气中还含有随着燃料电池组1的发电反应而生成的反应水。该水箱61的水位通过液面传感器64进行监测。
该燃料电池装置的特征在于：与电池单体10A的空气极12直接接触的集电器14为多孔金属网状，不会出现如本文开头所述的现有技术那样、利用孔部的重叠限制向空气极12供应空气的现象。还有，集电器14和供给空气的接触面由于孔的形成和矩形波板状的弯曲而增大，因此提高了集电器14的将空气极12生成的热量传递到流过冷却空间的空气流的作为散热片的作用。因此，对于利用供给空气极12侧的空气对电池单体10A进行冷却的燃料电池，能够利用简单结构提高冷却效率。
还有，集电器14为细小的网眼状，在与电极扩散层的接触面上也形成有开口，空气与水的混合流体通过该通气孔时受到搅拌，同时在电极扩散层与集电器14的接触面上也供给有混合气体，因此可以对燃料电池组1的电极整体进行均匀的空气供给，因此减少了浓度极化。还有，通过电极与集电器的网眼状的接触，可以对电极整体进行均匀的电荷收集，减少了集电电阻。另外，由于可以有效地利用电极整体的催化剂，从而减少了活性化极化。还有，可以扩大电极的有效面积。
以上说明的第1实施例中，说明了将隔板与电极扩散层的接触侧、即集电器14、15由多孔金属网构成的情况。该集电器14、15的材料也可以是金属纤维、金属多孔体、二维金属织布、金属无纺布、波状金属体、沟状金属体、金属网、冲孔金属板等其他物体。接着，说明改变集电器材料的其他实施例。
(第2实施例)
图11所示的第2实施例中，两个集电器14、15为冲孔金属板(punchingmetal)构成。该实施例中，为了统一起见，两个集电器的波状尺寸、即波的高度及间隔与第1实施例的燃料极13侧的集电器15相同。在采用该结构的同时，为了确保波高降低后的空气极12侧的流路截面积，隔板基板16上也形成有按照与集电器14的顶部142的配置间距相配合的间距，向集电器14侧突出的凸条16a，隔板基板16也为波状板。以下，本实施例的与第1实施例共同的部分也采用相同的符号，其说明省略，下面只说明不同点。
在该实施例中，在与第1实施例的集电器14、15相同的板厚的材料上通过冲孔，在一面上形成许多孔。在图示例中，板厚0.2mm的板上以0.1mm的间隔形成纵横宽度为0.1mm的孔。还有，图中孔143、153的开口形状的朝向为纵横平行，但该朝向并没有特别的限制，也可以采用与第1实施例一样的斜向，或任何其他朝向的配置。该实施例的隔板基板16的凸条16a的高度设定为使该高度与集电器14的凸条14a的高度之和等于第1实施例的集电器14的凸条14a的高度，从而能够使空气极12侧的流路截面积与第1实施例相同。
利用该第2实施例，由于与第1实施例一样，与扩散层接触的集电器14为细小的网眼状，并且为波板状，从而可以获得与第1实施例相同的效果。
(第3实施例)
如图12所示的例中，两集电器14、15为与第2实施例一样的冲孔金属板结构，燃料极13侧的集电器15为没有波状的平板结构。这种实施例中，为了同时确保空气极12侧和燃料极13侧的流路截面积，隔板基板16由形成有相对于该基板的基准面同时向空气极12侧和燃料极13侧突出的凸条16a、16b的波板构成。其他的结构则全部与第2实施例相同，相应的部件采用相同的符号，省略其说明。
(第4实施例)
如图13所示，与第1实施例同样，作为与空气极12接触的散热板采用形成有许多开口的多孔金属板构成的空气极侧集电器14，与此对应，作为与燃料极13接触的散热板采用没有形成开口的板材构成的燃料极侧集电器19。该燃料极侧集电器19具有与空气极侧集电器14相同的尺寸，但是由没有开口的矩形板材组成，利用冲压加工，压成多个凸条19a。凸条19a的凸条间的底部191为平坦状，其截面形状也与前面的凸条14a的情况一样，实际上为矩形波状，但该集电器19的凸条19a在横向完全跨过板面延伸，在纵向以一定间距设置。这些凸条19a之间的底部191的平面为与燃料极13接触的接触部，凸条19a的顶部192为与隔板基板16接触的接触部。这些凸条19a的截面形状大致为矩形波状截面，由于冲压加工的拔模的原因，在根部侧略有扩展。这些凸条19a的高度与电池单体10A的厚度加在一起实质上等于框架18的厚度，因此在叠放状态下确保框架18的内侧横向贯通的规定开口面积的燃料流路。
本实施例中，由于与燃料极13接触的散热板采用由没有形成开口的金属板材构成的燃料极侧集电器19，与第1实施例的利用多孔金属板构成的燃料极侧集电器15相比，提高了传热性，增加了散热效果。
还有，由于作为与燃料极13接触的接触部的底部191上没有形成开口，从而可以抑制电池单体10A的干燥。还有，从抑制电池单体10A的干燥的角度，不仅至少可以在底部191上没有形成开口，也可以在燃料极侧集电器19的其他部分、例如凸条19a等部分上也没有形成开口。
另外，在燃料电池组1的容易出现干燥的部分中，作为与燃料极13接触的散热板，采用没有形成开口的燃料极侧集电器19，但在燃料电池组1的不容易出现干燥的部分中，也可以采用形成有开口的空气极侧集电器14。
其它结构全部与第1-3实施例相同，相应的部件采用相同的符号，省略其说明。

Claims (18)

1.一种隔板(10B)，是为了在由电极(12、13)夹持电解质(11)而构成的电池单体(10A)之间形成冷却空间(A)、而插入于电池单体(10A)之间的燃料电池装置的隔板(10B)，其特征在于：
具有与上述电池单体(10A)的电极(12、13)接触的多孔的散热板(14)。
2.根据权利要求1所述的隔板(10B)，其特征在于：上述散热板(14)一体化具有与上述电极(12、13)接触的传热部(141)、和从该传热部(141)向空间内延伸的散热部(14a)。
3.根据权利要求2所述的隔板(10B)，其特征在于：上述散热部(14a)将上述冷却空间(A)分割成从该冷却空间(A)的一端通到另一端的多个空间。
4.根据权利要求2或3所述的隔板(10B)，其特征在于：上述散热板(14)由矩形波的波板状的金属网部件构成，矩形波的波底部为与上述电极(12、13)接触的传热部(141)。
5.根据权利要求4所述的隔板(10B)，其特征在于：上述金属网部件的开口率为25％以上。
6.根据权利要求4或5所述的隔板(10B)，其特征在于：上述金属网部件的孔径为1mm以下。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的隔板(10B)，其特征在于：上述电池单体(10A)的电解质(11)为含水的电解质。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的隔板(10B)，其特征在于：上述电池单体(10A)的电极(12、13)由空气极(12)和燃料极(13)组成，与上述空气极(12)接触的散热板(14)具有多孔性。
9.根据权利要求1-6中任一项所述的隔板(10B)，其特征在于：上述电池单体(10A)的电极(12、13)由空气极(12)和燃料极(13)组成，与上述空气极(12)和燃料极(13)接触的散热板(14、15)具有多孔性。
10.一种燃料电池装置，是为了在由电极(12、13)夹持电解质(11)而构成的电池单体(10A)之间形成流动常压气流的冷却空间(A)、而在电池单体(10A)之间插入有隔板(10B)的燃料电池装置，其特征在于：
上述隔板(10B)具有与上述电池单体(10A)的电极(12、13)接触的多孔的散热板(14)。
11.根据权利要求10所述的燃料电池装置，其特征在于：上述散热板(14)一体化具有与上述电极(12、13)接触的传热部(141)、和从该传热部(141)向空间内延伸的散热部(14a)。
12.根据权利要求11所述的燃料电池装置，其特征在于：上述散热部(14a)将上述冷却空间(A)分割成从该冷却空间(A)的一端通到另一端的多个气流流动空间。
13.根据权利要求11或12所述的燃料电池装置，其特征在于：上述散热板(14)由矩形波的波板状的金属网部件构成，矩形波的波底部为与上述电极(12、13)接触的传热部(141)。
14.根据权利要求13所述的燃料电池装置，其特征在于：上述金属网部件的开口率为25％以上。
15.根据权利要求13或14所述的燃料电池装置，其特征在于：上述金属网部件的孔径为1mm以下。
16.根据权利要求10-15中任一项所述的燃料电池装置，其特征在于：上述电池单体(10A)的电解质(11)为含水的电解质。
17.根据权利要求10-16中任一项所述的燃料电池装置，其特征在于：上述电池单体(10A)的电极(12、13)由空气极(12)和燃料极(13)组成，与上述空气极(12)接触的散热板(14)具有多孔性。
18.根据权利要求10-16中任一项所述的燃料电池装置，其特征在于：上述电池单体(10A)的电极(12、13)由空气极(12)和燃料极(13)组成，与上述空气极(12)和燃料极(13)接触的散热板(14、15)具有多孔性。
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