CN1774830A - 高分子电解质型燃料电池及其运转方法 - Google Patents

Abstract

一种可以抑制在低负载运转时发生液泛的高分子电解质型燃料电池。该电池具有叠层了含有氧化剂气体通路沟槽的阴极侧隔板和含有燃料气体通路沟槽的阳极侧隔板的电池单元的电池单元叠层体(10)，一部分或全部的前述氧化剂气体通路沟槽形成氧化剂气体单位通路(22a、22b)，该通路从前述阴极侧隔板输入后直至输出，一部分或全部的前述燃料气体通路沟槽形成燃料气体单位通路(21a、21b)，该通路从前述阳极侧隔板输入后直至输出，在前述电池单元叠层体中可以将2个以上的前述氧化剂气体单位通路(22a、22b)，2个以上的前述燃料气体单位通路(21a、21b)并联或串联连接，氧化剂气体单位通路(22a、22b)之间、燃料气体单位通路(21a、21b)之间并联的连接使得气体流动的方向位于不和重力相反的方向上。

Description

高分子电解质型燃料电池及其运转方法

技术领域

本发明涉及用于便携式电源、电动车辆用电源、家庭内热电联供系统等的燃料电池，特别是使用高分子电解质的高分子电解质型燃料电池。

背景技术

在使用高分子电解质的燃料电池中，使含有氢的燃料气体和含有空气等氧的燃料气体通过电化学反应，同时产生电和热。该燃料电池基本上是由下述部件所构成的：选择性输送氢离子的高分子电解质膜，以及在高分子电解质膜的两面上形成的一对电极、即阳极和阴极。前述电极以负载了铂族金属催化剂的碳粉作为主要成分，该电极是由在高分子电解质膜的表面形成的催化剂层、以及在催化剂层外面形成的兼有透气性和电子导电性的气体扩散层形成的。

由高分子电解质膜以及将其夹在中间的一对电极形成电池单元，将多个这种电池单元连接起来可以得到一定的电压。因此，在电池单元之间通过导电性的隔板层叠起来形成电池组。将燃料气体和氧化气体分别供给至隔板的两侧，以及将燃料气体和氧化气体分别供给至各个气体扩散电极，进行高分子电解质膜上的离子导电和各气体扩散电极的化学反应，在一对气体扩散电极之间产生电压，通过具有集电电极功能的位于两端的一对隔板对外部电路供电。在这种发电方式中，使供给气体尽可能均等地供给至气体扩散电极的电极面可以提高气体的利用率，改良发电效率和输出性能。

为了不使供给至电极的燃料气体以及氧化剂气体泄漏到外部，以及不使两种气体互相混合，在电极的周围设有夹住高分子电解质膜的气封材料或密封垫。这些气封材料或密封垫圈将电极和高分子电解质膜预先地一体化组装起来。其被称为MEA(电解质膜电极接合体)。在MEA的外侧，在其被机械地固定的同时，在邻接的MEA之间设有导电性的隔板，以使其能以互相导电的方式串连连接起来。在隔板和MEA接触的部分上，形成将反应气体供给至电极面、将生成的水和剩余的气体带走的气体通路。气体通路也可以和隔板分开设置，通常的方式是在隔板的表面设置沟槽作为气体通路。

为了将反应气体供给至气体通路，以及为了排出来自气体通路的反应气体、生成水，供给气体的管路或来自气体通路的管路按照所使用的隔板的片数分支，在该分支的前端必须具有直接接入隔板沟槽的管路夹具。该夹具称为复式接头，将气体的供给管路直接连接接入的样式称为外部复式接头。作为与该外部复式接头不同的复式接头，还有构造更为简单的称为内部复式接头的样式。内部复式接头是如下的一种装置：在形成气体通路用沟槽的隔板上设有贯通的孔，气体通路的出入口连通至该孔，反应气体直接通过该孔供给或排出。

为了形成内部复式接头，在隔板上设有称为复式接头孔的贯通的孔，气体通路的出入口和该复式接头孔连通，通过复式接头孔将反应气体分配至各气体通路。

燃料电池由于在运转中放热，为了维持电池在良好的温度状态，必须要通过冷却水等进行冷却，通常每1～3个电池单元设有流通冷却水的冷却部。

一般的层状电池的结构是，通过互相重复这些MEA、隔板以及冷却部，将10～200个电池单元叠加后，介由集电板和绝缘板，用端板将它们夹住，通过连接杆从两端固定。

气体扩散电极上用于供给气体的隔板的气体通路的结构不仅在气体利用率的方面是重要的，在对气体扩散电极上发生的电流进行有效率的集电和除去气体扩散电极上产生的热量这些方面也是重要的。以前提出了一种使在隔板侧形成的气体通路蜿蜒成为螺旋型，或者形成和通路并行的多数条通路的结构(例如可以参照特公昭50-8777号公报以及特开平7-263003号公报)。

在这种电池的高分子电解质中，可以使用全氟磺酸类的材料。由于该高分子电解质膜在含有水分的状态下表现出离子导电性，因此通常将燃料气体和氧化剂气体加湿后供给电池是必要的。此外，由于在阴极侧通过反应会生成水，若供给的加湿气体使得达到了高于电池工作温度的露点，则在电池内部的气体通路和电极内部会发生凝结，由于积水等现象产生电池性能不稳定、性能降低之类的问题。通常将这种由于过分湿润表现出的电池性能降低和运作不稳定的现象称为液泛现象。在将高分子电解质型燃料电池作为发电系统时，含有供给气体的加湿等的系统化是必要的。为了使系统简单化、提高系统效率，优选将供给的加湿气体的露点稍稍降低。

如上所述，从防止液泛现象、提高系统效率、简化系统等的角度出发，通常供给气体是以相对于电池温度稍低的露点进行加湿而供给的。

但是，为了实现电池的高性能化，提高高分子电解质膜的离子传导度是必要的，因此供给气体的加湿优选以接近相对湿度100％的湿度、或者以相对湿度100％以上的湿度进行供给。此外，从高分子电解质膜的耐久性的角度出发，供给气体优选以高度加湿而供给。在供给接近相对湿度100％的气体时，会发生前述的液泛从而产生问题。

为了防止该液泛现象，提出了如下所述的技术(例如可以参照特开平10-106594号公报)。

即隔板的气体通路是由下述部分所构成的：分别与入口侧复式接头以及出口侧复式接头连接的入口侧通路沟槽以及出口侧通路沟槽，还有与入口侧通路沟槽以及出口侧通路沟槽连通的中间通路沟槽。然后使入口侧通路沟槽以及出口侧通路沟槽成为格栅状，成为多次折返的形状中间通路沟槽、多条平行的独立通路沟槽以及独立通路沟槽的折返部分成为格栅状的通路沟槽。

为了防止由于反应生成水引起的液泛所产生的供给气体的停滞，以往着眼于对各种气体通路沟槽的设计，有将气体通路成为格栅状的样式、以及从入口到出口成为1条通路的样式。格栅状的样式不会发生如到达液泛时的积水状况，但是达到整体均匀的气体扩散性能较差，会产生部分闭塞等，在排水性能方面较差。此外，1条通路的样式的气体扩散性优良，但是流阻增加，必须提高供给装置侧的初压，增加了辅机动力，降低系统效率。

在特开平10-106594号公报的结构中，由于提高入口侧通路沟槽部的气体扩散性，促进了该部分的反应，提高了整个电能转换能量效率，反应集中在入口侧通路沟槽部，促进了高分子电解质膜和气体扩散电极的催化剂层的劣化，在耐久性方面还存在问题。此外，在出口侧通路沟槽部，扩大了通路截面积以确保排水性，防止液泛，但由于通路截面积增大使得气体的流动分布不均匀，在流速较慢的部分产生通路沟槽的一部分被生成的水闭塞的状况，在该部分不能供给气体，所以不能完全防止液泛。

作为避免液泛的其它方法，可以考虑提高供给气体的隔板通路部分的流速，以吹走冷凝的水。

然而，为了增加供给气体的流速，必须以较高的压力供给气体，在系统化的情况下不得不极端地增加气体供给鼓风机或压缩机等的辅机动力，导致系统效率的恶化。此外，若液泛现象在阳极侧发生，会导致燃料气体的缺乏，这对于电池来说是致命的问题。若在燃料气体不足的状态下强制产生负载电流，在没有燃料的状态下为了制造出电子和质子，阳极的负载催化剂的碳和周围环境中的水反应。其结果是由于催化剂层的碳的溶出，阳极的催化剂层被破坏。

此外，对于搭载了层状电池的系统，考虑到市场性，电池不但要在额定输出条件下运转，根据电力需要抑制输出的低负载运转也是不可缺少的。在低负载运转时，为了维持效率，必须要使燃料气体和氧化剂气体的利用率处于和额定运转时同样的条件下。也就是说，相对于额定运转时，例如在负载抑制为1/2的情况下，如果不将燃料气体和氧化剂气体的流量降低至1/2左右，则由于使用了多余的燃料气体和氧化剂气体，发电效率降低。但是若气体的利用率保持一定而进行低负载运转，则气体通路内的气体流速降低，冷凝水和生成水不能排出到隔板外，发生上述的液泛现象，而产生电池性能降低和不稳定的问题。

发明内容

在考虑了上述问题的基础上，本发明的目的是提供一种可以在低负载运转时抑制液泛的高分子电解质型燃料电池，及其运转方法。

为了解决上述的问题，本发明的第1方面为如下所述的一种高分子电解质型燃料电池，该电池具有叠层以下所述电池单元的电池单元叠层体，所述电池单元具有高分子电解质膜，夹住前述高分子电解质膜的阳极和阴极，阴极侧隔板和阳极侧隔板，在前述阴极侧隔板上具有将氧化剂气体供给至前述阴极的氧化剂气体通路沟槽，在前述阳极侧隔板上具有将燃料气体供给至前述阳极的燃料气体通路沟槽，

一部分或全部的前述氧化剂气体通路沟槽形成氧化剂气体单位通路，该通路从前述阴极侧隔板输入后直至输出，

一部分或全部的前述燃料气体通路沟槽形成燃料气体单位通路，该通路从前述阳极侧隔板输入后直至输出，

在前述电池单元叠层体中可以将2个以上的前述氧化剂气体单位通路并联或串联连接，

在前述电池单元叠层体中可以将2个以上的前述燃料气体单位通路并联或串联连接。

本发明的第2方面在本发明的第1方面的基础上，为如下所述的一种高分子电解质型燃料电池，相对于其发电输出的变更，改变前述并联或串联连接，以使通过前述氧化剂气体通路沟槽的氧化剂气体的速度维持在没有水滞留在前述氧化剂气体通路沟槽中的速度，通过前述燃料气体通路沟槽的燃料气体的速度维持在没有水滞留在前述燃料气体通路沟槽中的速度。

本发明的第3方面在本发明的第2方面的基础上，为如下所述的一种高分子电解质型燃料电池，前述氧化剂气体单位通路由前述氧化剂气体通路沟槽的一部分形成，前述燃料气体单位通路由前述燃料气体通路沟槽的一部分形成，

在前述并联连接的情况下，在前述各阴极侧隔板上形成的多数的氧化剂气体单位通路互相并联连接，以同时供给前述氧化剂气体，在前述各阳极侧隔板上形成的多数的燃料气体单位通路互相并联连接，以同时供给前述燃料气体，

在前述串联连接的情况下，在前述各阴极侧隔板上形成的多数的氧化剂气体单位通路的全部或一部分互相串联连接，以顺次供给前述氧化剂气体，在前述各阳极侧隔板上形成的多数的燃料气体单位通路的全部或一部分互相串联连接，以顺次供给前述燃料气体。

本发明的第4方面在本发明的第2方面的基础上，为如下所述的一种高分子电解质型燃料电池，前述氧化剂气体单位通路由全部的前述氧化剂气体通路沟槽形成，前述燃料气体单位通路由全部的前述燃料气体通路沟槽形成，

在前述并联连接的情况下，在前述各阴极侧隔板上形成的多数的氧化剂气体单位通路之间互相并联连接，以同时供给前述氧化剂气体，在前述各阳极侧隔板上形成的多数的燃料气体单位通路之间互相并联连接，以同时供给前述燃料气体，

在前述串联连接的情况下，在前述各阴极侧隔板上形成的多数的氧化剂气体单位通路的全部或一部分之间互相串联连接，以顺次供给前述氧化剂气体，在前述各阳极侧隔板上形成的多数的燃料气体单位通路的全部或一部分之间互相串联连接，以顺次供给前述燃料气体。

本发明的第5方面在本发明的第3或第4方面的基础上，为如下所述的一种高分子电解质型燃料电池，其具有：连接到前述各氧化剂气体单位通路入口处的入口侧氧化剂气体复式接头、连接到前述各氧化剂气体单位通路出口处的出口侧氧化剂气体复式接头、连接到前述各燃料气体单位通路入口处的入口侧燃料气体复式接头、连接到前述各燃料气体单位通路出口处的出口侧燃料气体复式接头，

前述氧化剂气体单位通路之间互相串联连接时，将连接到前述氧化剂气体通路沟槽入口处的入口侧氧化剂气体复式接头以及连接到前述氧化剂气体通路沟槽出口处的出口侧氧化剂气体复式接头以外的、入口侧氧化剂气体复式接头和出口侧氧化剂气体复式接头连接起来，

前述燃料气体单位通路之间互相串联连接时，将连接到前述燃料气体通路沟槽入口处的入口侧燃料气体复式接头以及连接到前述燃料气体通路沟槽出口处的出口侧燃料气体复式接头以外的、入口侧燃料气体复式接头和出口侧燃料气体复式接头连接起来。

本发明的第6方面在本发明的第5方面的基础上，为如下所述的一种高分子电解质型燃料电池，前述氧化剂气体单位通路之间、以及前述燃料气体单位通路之间的串联或并联连接具有下述的结构，设置在前述叠层电池单元外部的阀门可以根据其发电电力而开闭。

本发明的第7方面在本发明的第5方面的基础上，为如下所述的一种高分子电解质型燃料电池，在连接到前述氧化剂气体通路沟槽入口处的入口侧氧化剂气体复式接头以及连接到前述氧化剂气体通路沟槽出口处的出口侧氧化剂气体复式接头以外的、入口侧氧化剂气体复式接头和出口侧氧化剂气体复式接头相连接的部分上，还有在连接到前述燃料气体通路沟槽入口处的入口侧燃料气体复式接头以及连接到前述燃料气体通路沟槽出口处的出口侧燃料气体复式接头以外的、入口侧燃料气体复式接头和出口侧燃料气体复式接头相连接的部分上，设有水雾收集器。

本发明的第8方面在本发明的第1方面的基础上，为如下所述的一种高分子电解质型燃料电池，前述氧化剂气体单位通路之间并联的连接使得前述氧化剂气体流动的方向位于不和重力相反的方向上，

前述燃料气体单位通路之间并联的连接使得前述燃料气体流动的方向位于不和重力相反的方向上。

本发明的第9方面为如下所述的一种高分子电解质型燃料电池的运转方法，该电池具有以下所述的电池单元叠层体，所述电池单元具有高分子电解质膜，夹住前述高分子电解质膜的阳极和阴极，阴极侧隔板和阳极侧隔板，前述阴极侧隔板具有将氧化剂气体供给至前述阴极的氧化剂气体通路，前述阳极侧隔板具有将燃料气体供给至前述阳极的燃料气体通路，

一部分或全部的前述氧化剂气体通路沟槽形成氧化剂气体单位通路，该通路输入至前述阴极侧隔板后再输出，

一部分或全部的前述燃料气体通路沟槽形成燃料气体单位通路，该通路输入至前述阳极侧隔板后再输出，

其中还包含：在前述电池单元叠层体中将2个以上的前述氧化剂气体单位通路并联或串联连接的工序，

在前述电池单元叠层体中将2个以上的前述燃料气体单位通路并联或串联连接的工序。

根据本发明，能够提供一种在低负载时可以抑制液泛的发生的高分子电解质型燃料电池，及其运转方法。

附图说明

图1为用于本发明实施方式1的高分子电解质型燃料电池的导电性隔板的阴极侧的主视图。

图2为用于本发明实施方式1的高分子电解质型燃料电池的导电性隔板的阳极侧的主视图。

图3为用于本发明实施方式1的高分子电解质型燃料电池的导电性隔板的阴极侧气体通路的切换的示意图。

图4为表示本发明实施方式1的叠层型高分子电解质型燃料电池的阴极侧的管路的立体图。

图5为表示本发明实施方式2的叠层型高分子电解质型燃料电池的阴极侧的管路的立体图。

图6为表示本发明实施方式1的高分子电解质型燃料电池的电流—电压特性的示意图。

图7为表示本发明实施方式2的高分子电解质型燃料电池的电流—电压特性的示意图。

图8为表示本发明实施方式3的高分子电解质型燃料电池的电压随时间变化的示意图。

图9为本发明实施方式3的高分子电解质型燃料电池中电池单元A的阴极侧隔板的主视图。

图10为本发明实施方式3的高分子电解质型燃料电池中电池单元A的阳极侧隔板的主视图。

图11为本发明实施方式3的高分子电解质型燃料电池中电池单元B的阴极侧隔板的主视图。

图12为本发明实施方式3的高分子电解质型燃料电池中电池单元B的阳极侧隔板的主视图。

图13为在本发明实施方式3的高分子电解质型燃料电池中，将反应气体串联供给至电池单元A以及电池单元B时，表示电池单元A的氧化剂气体的流动的阴极侧隔板的主视图。

图14为在本发明实施方式3的高分子电解质型燃料电池中，将反应气体串联供给至电池单元A以及电池单元B时，表示电池单元A的燃料气体的流动的阳极侧隔板的主视图。

图15为在本发明实施方式3的高分子电解质型燃料电池中，将反应气体串联供给至电池单元A以及电池单元B时，表示电池单元B的氧化剂气体的流动的阴极侧隔板的主视图。

图16为在本发明实施方式3的高分子电解质型燃料电池中，将反应气体串联供给至电池单元A以及电池单元B时，表示电池单元B的燃料气体的流动的阳极侧隔板的主视图。

图17为表示本发明实施方式3的高分子电解质型燃料电池的整体结构的立体图。

图18为表示本发明实施方式4的高分子电解质型燃料电池的整体结构的立体图。

图19为在本发明的实施例4的高分子电解质型燃料电池的连续发电试验中，表示电压变化的图。

图中：1MEA，5、131集电板，6、132绝缘板，7、133端板，10导电性隔板，11a、11b氧化剂气体的入口侧复式接头孔，12a、12b燃料气体的入口侧复式接头孔，13a、13b氧化剂气体的出口侧复式接头孔，14a、14b燃料气体的出口侧复式接头孔，21a氧化剂气体的第1通路，21b氧化剂气体的第2通路，22a燃料气体的第1通路，22b燃料气体的第2通路，30燃料电池，31连结至氧化剂气体的供给源的导管，31a、31b分支导管，33a、33b出口侧的分支导管，33出口侧导管，35、37、39阀门，40集器，101、3L、3R、105氧化剂气体的复式接头，102、4L、4R、106燃料气体的复式接头，10A、10B阴极侧的隔板，20A、20B阳极侧的隔板，11A、11B、21A、21B氧化剂气体入口侧的复式接头孔，13A、13B、23A、23B  氧化剂气体入口侧的复式接头孔，12A、12B、22A、22B燃料气体入口侧的复式接头孔，14A、14B、24A、24B燃料气体入口侧的复式接头孔，15A、15B、25A、25B氧化剂气体出口侧的复式接头孔，16A、16B、26A、26B氧化剂气体出口侧的复式接头孔，130电池单元叠层体。

具体实施方式

(实施方式1)

图1为导电性隔板的阴极侧的主视图，图2是其背面图，即阳极侧的主视图。该导电性隔板10具有：氧化剂气体的第1以及第2入口侧复式接头孔11a以及11b、第1以及第2出口侧复式接头孔13a以及13b、燃料气体的第1以及第2入口侧复式接头孔12a以及12b、第1以及第2出口侧复式接头孔14a以及14b。该隔板10在阴极侧的面上，具有：从第1入口侧复式接头孔11a连接到第1出口侧复式接头孔13a、对应于本发明的氧化剂气体单位通路的第1气体通路21a，以及从第2入口侧复式接头孔11b连接到第2出口侧复式接头孔13b、对应于本发明的氧化剂气体单位通路的第2气体通路21b，在阳极侧的面上，具有从第1入口侧复式接头孔12a连接到第1出口侧复式接头孔14a、对应于本发明的燃料气体单位通路的第1气体通路22a，以及从第2入口侧复式接头孔12b连接到第2出口侧复式接头孔14b、对应于本发明的燃料气体单位通路的第2气体通路22b。本发明的氧化剂气体通路沟槽由第1气体通路21a和第2气体通路21b构成。本发明的燃料气体通路沟槽由第1气体通路22a和第2气体通路22b构成。

下面对使用该隔板的高分子电解质型燃料电池的气体供给方法进行说明。

首先根据图1，对额定运转时的氧化剂气体的供给方法进行说明。从箭头A到A’的路径、即从第1入口侧复式接头孔11a经过第1气体通路21a达到第1出口侧复式接头孔13a的路径和从箭头B到B’的路径、即从第2入口侧复式接头孔11b经过第2气体通路21b达到第2出口侧复式接头孔13b的路径这2条路径并联连接。然后在这2条路径中同时流通氧化剂气体。

然后，在以额定的1/2的负载运转时，如图3所示，前述的2条路径，第1气体通路21a和第2气体通路21b串联连接。即第1出口侧复式接头孔13a和第2入口侧复式接头孔11b在电池外部按照如箭头AB所示那样连接。即第1气体通路21a和第2气体通路21b串联连接。由此，从箭头A流入第1入口侧复式接头孔11a的气体顺次流过第1气体通路21a和第2气体通路21b，从第2出口侧复式接头孔13b排出至外部。关于燃料气体的供给方法和上述完全相同。

图4表示具有如上所述的隔板的叠层型高分子电解质型燃料电池的氧化剂气体的管路。该高分子电解质型燃料电池30具有将MEA1和隔板10交互层叠而成的电池单元组，将其夹住的各一对的集电板5、绝缘板6、端板7以及将其系结为一体的系结机构。连接至氧化剂气体的供给源的导管31分支为第1导管31a和具有阀门35的第2导管31b。第1导管31a和隔板10的第1入口侧复式接头孔11a连通，和设在高分子电解质型燃料电池上的复式接头连接，第2导管31b和隔板10的第2入口侧复式接头孔11b连通，和设在高分子电解质型燃料电池上的复式接头连接。同样地在隔板10的第1出口侧复式接头孔13a和第2出口侧复式接头孔13b上，设有连接到各自连通的复式接头上的导管33a和33b。导管33a和阀门39连接，其再和导管33b一起与出口侧导管33连接。导管31b的一端介由旁通阀37和导管33a连接。另外，各阀门都和控制器200连接。

图4中为了简化，只表示了阴极侧管路，阳极侧管路也可以在对称的位置同样地配置而形成。从导管31分支的导管31a和31b以及与导管33连接的导管33a和33b具有同样的管径，其结构可以将气体均等地分配给分开的导管。这里，对于均等地分配气体，使分成2部分的导管长度相等、各导管的压力损失相等是重要的，同时使图1中所示的2条气体通路的通路长度相等、独立的2条气体通路的压力损失相等，对于进行气体均等分配也是重要的。

该高分子电解质型燃料电池以额定负载运转时，控制器200打开阀门35以及39，关闭旁通阀37。从导管31供给的氧化剂气体从导管31a以及31b、分别从复式接头孔11a以及11b供给至第1气体通路21a和第2气体通路21b，经过导管33a以及33b排出至导管33。此外，以额定的1/2负载运转时，控制器200关闭阀门35以及39，打开旁通阀37。从导管31a流经第1气体通路21a的氧化剂气体从导管33a经过旁通阀37以及导管31b流到第2气体通路21b，从导管33b排出至导管33。即根据发电输出的变更，改变各气体通路的并联连接和串联连接，使在各气体通路中维持没有水滞留的气体速度。

这里省略了冷却水的通路，因而图1以及图2中也省略了冷却水复式接头孔。但是，和气体通路同样的，冷却水通路的构成也可以是将其分割成数个，和气体通路的切换同样地，根据负载而进行切换。如上所示的隔板兼有阴极侧隔板和阳极侧隔板，也可以如下所示构成基于冷却水的冷却部。将在一方的面上形成如图1的氧化剂气体通路、在另一方的面上形成冷却水通路的阴极侧隔板和，在一方的面上形成如图2的燃料气体通路、在另一方的面上形成冷却水通路的阳极侧隔板按照使冷却水的通路对向接合的方式结合而形成隔板，将这些隔板适宜地插入至MEA之间。从此处所示的气体通路的结构，对于所属领域的技术人员也很容易想到形成分为数个冷却水通路的结构。另外，在不是对每个电池单元都设置冷却部的情况下，其也可以不像气体通路那样分为数个。

本实施方式的要点在于，在隔板的面内具有含有独立的复式接头孔的多个独立的气体通路，通过高分子电解质型燃料电池系统中简单的阀门切换，可以避免在低负载运转时电池性能的降低或者不稳定现象。

现有的高分子电解质型燃料电池的隔板的结构如下：燃料气体和氧化剂气体各自的气体从一个入口侧复式接头供给至隔板的气体通路，再介由一个出口侧复式接头排出。为了提高高分子电解质型燃料电池发电系统的市场性，必须在不使发电效率降低的前提下，根据电力需要使高分子电解质型燃料电池的负载可以变动。因此，在相对于额定输出使负载增大的情况下，必须将燃料气体和氧化剂气体的流量增大至与之适合的流量，在相对于额定输出使负载减小的情况下，必须将燃料气体和氧化剂气体的流量减小至与之适合的流量。

通常，设在高分子电解质型燃料电池的导电性隔板上的气体通路被设计为在额定输出中可以达到最适合的流速。从而，在增大电力负载的情况下，伴随着气体流量的增大气体通路的气体流速增大，在减小电力负载的情况下，伴随着气体流量的减小气体通路的气体流速减小。在气体通路的气体流速增大时，因为供给气体的压力损失增大，由于辅机动力的增大使发电效率会少许降低，但由于气体通路的气体流速增大，当然可以更有效率地除去隔板的气体通路内的冷凝水或生成水，不会发生液泛现象。然而，在使电力负载减小的情况下，伴随着气体流量的减小气体通路的气体流速也减小。在气体通路的气体流速减小时，根据流速减小的程度，隔板的气体通路内的冷凝水或生成水难以有效率地除去，发生液泛现象。这时，不仅电力负载减小，如果不使供给气体流量减小，则相对于发电输出辅机动力的比例相对增大，发电系统整体的发电效率降低。

在本发明中，在隔板的面内形成多数独立的气体通路，在这些通路上具有独立的入口侧以及出口侧复式接头孔，将这些通路串联或并联地连接起来，由此实现了特别是在低负载运转时也不会产生液泛现象的高分子电解质型燃料电池。例如，当最高负载发电输出和最低负载发电输出之比为4比1时，在隔板的面内形成4条独立的气体通路，在最高负载发电时将所有的气体通路并联供给气体，在最低负载发电时将所有的4个气体通路串联供给气体。此外，在以中间的负载运转时，将4个通路之中相邻的2个气体通路串联连接以供给气体。因此，在负载变动时，所有的气体通路中都可以保持同样的气体流速。

由此，当存在多数的各气体单位通路时，当氧化剂气体单位通路之间串联连接时，在连接到氧化剂气体通路沟槽入口处的入口侧氧化剂气体复式接头以及连接到氧化剂气体通路沟槽出口处的出口侧氧化剂气体复式接头以外的各氧化剂气体单位通路中，可以将入口侧氧化剂气体复式接头和出口侧氧化剂气体复式接头连接起来。还有，当燃料气体单位通路之间串联连接时，在连接到燃料气体通路沟槽入口处的入口侧燃料气体复式接头以及连接到燃料气体通路沟槽出口处的出口侧燃料气体复式接头以外的各燃料气体单位通路中，可以将入口侧燃料气体复式接头和出口侧燃料气体复式接头连接起来。

此外，在各气体通路串联连接的情况下，在隔板的外部用导管连接独立的复式接头孔，通过各气体通路的这种连接，在中间的复式接头孔处凝结的冷凝水可以排出至隔板的外部，由于没有将冷凝水供给至下游的通路中，因此可以稳定地运转。

由此根据本实施方式的高分子电解质型燃料电池，即使在以部分负载运转的情况下，由于在气体通路内的气体流速没有降低，可以抑制液泛的发生。

但是，一般燃料电池在额定负载下运转时的效益较好。因而，考虑到实际的使用状况，设想使其在额定负载或接近额定负载运转的时间要远长于部分负载下运转的时间。从而，如本实施方式的高分子电解质型燃料电池所示，不论在额定运转时或在部分负载运转时，使得各单位通路内部气体沿着不和重力相反的方向流动，通过这种结构可以进一步防止液泛的发生。而且，在上述各单位气体通路中，使得一部分或全部内部气体沿着不和重力相反的方向流动，通过这种结构可以在部分负载下防止液泛的发生，在这方面可以得到和上述同样的效果。

(实施方式2)

本实施方式如图5所示，在实施方式1中连接第1出口侧复式接头和第2入口侧复式接头的管路上，插入水雾收集器40。在反应气体以大约100％的相对湿度进行供给时，反应气体在通过第1气体通路时由于生成水和冷凝水等，成为含有较多水雾的状态。若该水雾供给至后段的气体通路，由水雾引起的气体通路的闭塞是发生液泛的原因，由此提高了发生液泛的危险性。因此，为了使从上游侧的第1气体通路的出口一次排出至隔板以外的水雾不再次供给至下游侧的气体通路，通过插入水雾收集器40，使得液泛进一步减小而可靠性较高的运转成为可能。该水雾收集器40收集的水被回收至燃料电池系统，可以进行再利用。作为水雾收集器40，可以使用市售的机械水雾收集器，例如在实施例2中使用的，或者纤维状具有吸水效果的灯芯状的例如细绳状的收集器。

由此，通过在复式接头孔的连接部分插入水雾收集器40，可以确保进行冷凝水的排出。在各气体通路中流动的气体沿着不和重力相反的方向流动时，进一步促进了冷凝水的排出。在各气体通路进行串联和并联的切换时，若其结构使气体的流动方向不变，可以使气体一直沿着不和重力相反的方向流动，能够更稳定地运行。另外，在图5中省略了控制器200，各阀门和图4的情况同样地是通过控制器200进行操作的。

(实施例1)

下面对本发明的实施例进行说明。

向乙炔黑类碳粉中负载25重量％的平均粒径约30的铂颗粒，制成阴极催化剂，向乙炔黑类碳粉中负载25重量％的平均粒径约30的铂—钌合金颗粒，制成阳极催化剂。将这些催化剂粉末分散至异丙醇中，将其混合至全氟化酸磺酸粉末的乙醇分散液(旭ガラス(株)制造的フレミオン(注册商标))中配置出糊状的墨水。用丝网印刷法将这些墨水作为原料涂敷在厚度为250μm的碳无纺布(东レ(株)编号为TGP-H-090)的一面上，分别形成催化剂层。这些催化剂层中所含的铂的量为0.3mG/cm²，全氟化碳磺酸的量为1.2mg/cm²。

将如上所述制得的在碳无纺布上形成催化剂层的阴极和阳极通过热压，接合在具有比电极大一圈的面积的氢离子传导性高分子电解质膜(美国杜邦公司制造的ナフイオン112(注册商标))中心部位的两面上，以使各自的催化剂层和电解质膜接触。在电极的外周边缘部位露出的电解质膜部分上，通过热压与厚度250μm由氟类橡胶片形成的密封垫结合。由此制成电解质膜电极接合体(MEA)。使用厚度为30μm的对全氟化碳磺酸进行薄膜化的薄膜作为高分子电解质膜。

导电性隔板是由厚度为3mm的各向同性石墨材料通过机械加工形成气体通路以及复式接头孔后制成的，具有如图1和图2所示的结构。使各气体通路的沟槽宽度为2mm，深度为1mm，沟槽间的肋宽为1mm，分别形成1条通道的气体通路。此外，虽然在图1以及图2中没有显示，对应于气体通路的冷却水的通路也进行了分割。

然后，将上述的导电性隔板和MEA交互层叠，组装成层叠了50个电池单元的如图4所示的高分子电解质型燃料电池。集电板使用表面镀金的铜板，绝缘板使用聚苯硫醚板，端板使用不锈钢制的板。叠层电池的系结压，相对于电极的单位面积为10kgf/cm²，将图1中所示的隔板的上部作为上，形成层状电池。

该电池的额定运转条件为：燃料利用率75％，氧利用率40％，电流密度0.3A/cm²。

将如此制成的本实施例的固体高分子型燃料电池保持在70℃，将露点为70℃的加湿·加热的燃料气体供给至阳极，将露点为70℃的加湿·加热的空气供给至阴极。燃料气体是由80％的氢气、20％的二氧化碳以及10ppm的一氧化碳形成的。

使电流密度在从额定值的25％的低负载下的电流密度0.075A/cm²到额定负载下的0.3A/cm²的范围内变化，对该电池的电流-电压特性进行评价。试验中的利用率和额定条件下相同。其结果如图5所示。在图5中，为了比较，将现有的高分子电解质型燃料电池、也就是使用1条通道的气体通路结构的隔板的电池作为比较例1的电池，将其特性也记载在其中。

在本实施例中，在0.15A/cm²以下切换为串联通路，在0.15A/cm²以上切换为并联通路，由此进行试验。

通过图6可以看到，在0.075A/cm²附近比较例1的电池由于气体流速的降低发生液泛，使得运转困难，而本实施例的高分子电解质型燃料电池没有发生液泛，可以稳定地运转。在本实施例中，所示的是使用2条独立的通路的情况，只要使各通路的压力损失相同，也可以形成3条以上独立的通路。

(实施例2)

在本实施例中，如实施方式2所示，除了插入水雾收集器40以外其余部分制成和实施例1同样的电池。水雾收集器40使用市售的机械水雾收集器(Armstrong公司制造的1-LDC)。将该电池在与实施例1相同的条件下测定电流-电压特性。其中，将实施例2中通路整体的压力损失设计为实施例1中通路整体的压力损失的约60％。该结果如图7所示。由图7可以确认，在实施例2中，在较低的压力损失下也可以得到稳定的电池输出。

(实施例3)

如图1所示形成隔板，且优选将电池如图1所示那样进行配置。通常，根据冷却水的流向决定电池面内的温度分布，为了降低气体入口部分温度，提高气体出口部分的温度，希望使冷却水和气体的流动方向一致。通过这种结构可以使出口附近大量产生的生成水顺利地排出。也就是说，若气体的流动方向变化，其与温度分布之间的联系破坏，变成容易产生积水的状态。

此处，在本实施例中，和实施例1同样地，如图1所示形成隔板，将电池如图1所示那样进行配置。在本实施例中，由于气体通路在切换为并联时气体的流动方向也不发生变化，因而可以总是抑制液泛，能够稳定地运行运转。

该电池在和实施例1相同的条件下，以额定的1/2的负载运转时电压随时间变化如图8所示。在图8中，作为比较例3，还显示了强制地将第2气体通路的入口和出口逆转，使气体沿着和重力相反的方向流动时的特性。由图8可以看到，通过使气体总是沿着不和重力相反的方向流动，可以容易且确实地进行稳定的运转。

(实施方式3)

图9和图10所示的是构成电池单元A的阴极侧隔板10A以及阳极侧隔板20A。隔板10A具有氧化剂气体的复式接头孔11A、13A和15A，还有燃料气体的复式接头孔12A、14A和16A，在朝向阴极的面上具有连接复式接头孔11A和15A的气体通路17A，该气体通路17A对应于本发明的氧化剂气体单位通路。另一方面，隔板20A具有燃料气体的复式接头孔22A、24A和26A，还有氧化剂气体的复式接头孔21A、23A和25A，在朝向阳极的面上具有连接复式接头孔22A和26A的气体通路28A，该气体通路28A对应于本发明的燃料气体单位通路。

图11和图12所示的是构成电池单元B的阴极侧隔板10B以及阳极侧隔板20B。隔板10B具有氧化剂气体的复式接头孔11B、13B和15B，还有燃料气体的复式接头孔12B、14B和16B，在朝向阴极的面上具有连接复式接头孔13B和15B的气体通路17B，该气体通路17B对应于本发明的氧化剂气体单位通路。另一方面，隔板20B具有燃料气体的复式接头孔22B、24B和26B，还有氧化剂气体的复式接头孔21B、23B和25B，在朝向阳极的面上具有连接复式接头孔24B和26B的气体通路28B，该气体通路28B对应于本发明的燃料气体单位通路。其中，气体通路17A、气体通路17B是由本发明的全部氧化剂气体通路沟槽形成的，气体通路28A、气体通路28B是由本发明的全部燃料气体通路沟槽形成的。

组装到上述隔板上的电解质膜电极接合体(MEA)是由下述部件构成的：与隔板具有相同尺寸的高分子电解质膜，夹住前述电解质膜的一对气体扩散电极、即阴极和阳极，以及将从电极周边部位露出部分的电解质膜夹住的一对密封垫。

用隔板10A和20A夹住该MEA形成电池单元A，同样地用隔板10B和20B夹住该MEA形成电池单元B。

将上述的电池单元A和电池单元B交互叠层形成电池单元叠层体。

图17所示的是使用上述的电池单元叠层体的高分子电解质型燃料电池。电池单元叠层体130的两端介由集电板131以及绝缘板132，以端板133夹住，用螺栓(未图示)系结起来。在一方的端板上，安装有与隔板上的氧化剂气体用复式接头孔11A、11B、21A和21B连通的复式接头101、与氧化剂气体用复式接头孔13A、13B、23A和23B连通的复式接头3L、与燃料气体用复式接头孔12A、12B、22A和22B连通的复式接头102、以及与燃料气体用复式接头孔14A、14B、24A和24B连通的复式接头4L。

在另一方的端板上，安装有与氧化剂气体用复式接头孔13A、13B、23A和23B连通的复式接头3R、与燃料气体用复式接头孔14A、14B、24A和24B连通的复式接头4R、与氧化剂气体用复式接头孔15A、15B、25A和25B连通的复式接头105、以及与燃料气体用复式接头孔16A、16B、26A和26B连通的复式接头106。

下面对该高分子电解质型燃料电池在运转时的氧化剂气体以及燃料气体的供给方法进行说明。

首先，在额定运转时，将氧化剂气体、燃料气体同时并联地供给至电池单元A和电池单元B以发电。即关闭复式接头3R，将氧化剂气体均等地供给至复式接头101以及复式接头3L。由此，在隔板10A中，如图9的箭头所示，氧化剂气体从复式接头孔11A流经气体通路17A，由复式接头孔15A排出。同样地，在隔板10B中，如图11的箭头所示，氧化剂气体从复式接头孔11B流经气体通路17B，由复式接头孔15B排出。即气体通路17A和气体通路17B并联连接，氧化剂气体从2条通路同时供给。

一方面，关闭复式接头4R，将燃料气体均等地供给至复式接头102以及复式接头4L。由此，在隔板20A中，如图10的箭头所示，燃料气体从复式接头孔22A流经气体通路28A，由复式接头孔26A排出。同样地，在隔板20B中，如图12的箭头所示，燃料气体从复式接头孔24B流经气体通路28B，由复式接头孔26B排出。即气体通路28A和气体通路28B并联连接，燃料气体从2条通路同时供给。

如上所示，将氧化剂气体和燃料气体分别并联地供给至电池单元A和电池单元B的阴极和阳极以发电。

然后，在以额定的1/2的负载运转时，关闭复式接头3L、4L、5和6，将氧化剂气体供给至复式接头101，将燃料气体供给至复式接头102。氧化剂气体和燃料气体如以下的说明所示，分别串联地流向电池单元A和电池单元B，从复式接头3R和4R排出。

供给至复式接头101的氧化剂气体如图13的箭头所示，从隔板10A的复式接头孔11A流经气体通路17A，从复式接头孔15A排出。然后如图15的箭头所示，进入隔板10B的复式接头孔15B，流经气体通路17B，从复式接头孔13B排出。即气体通路17A和气体通路17B串联连接，氧化剂气体顺次供给至2条通路。

同样地，供给至复式接头102的氧燃料气体如图14的箭头所示，从隔板20A的复式接头孔22A流经气体通路28A，从复式接头孔26A排出。

然后如图16的箭头所示，进入隔板20B的复式接头孔26B，流经气体通路28B，从复式接头孔24B排出。即气体通路28A和气体通路28B串联连接，燃料气体顺次供给至2条通路。

本实施方式的高分子电解质型燃料电池中，设在隔板上的一对复式接头孔中入口侧复式接头孔至少有2个，通过适当地切换复式接头孔的气体供给，可以避免在低负载运转时的电池性能的降低或不稳定现象。

即至少要准备2种夹住电解质膜接合体(MEA)的隔板对，该电解质膜电极接合体(MEA)是由高分子电解质膜和将其夹住的阴极和阳极形成的。第1隔板对所夹的电池单元A和第2隔板对所夹的电池单元B构成电池单元叠层体，从第1入口侧复式接头孔供给气体到电池单元A，从第2入口侧复式接头孔供给气体到电池单元B。由此，可以并联地将气体供给至电池单元A和电池单元B。此外，将电池单元A和电池单元B的出口侧复式接头孔串联地连接起来，从第1入口侧复式接头孔供给气体，则气体串联地流过电池单元A和电池单元B，从第2入口侧复式接头孔排出。这样，将氧化剂气体和燃料气体中的一方，优选将其两方根据负载并联地或串联地供给至电池单元A和电池单元B，这样不论负载如何，可以使气体通路中的气体流速一定。由此，可以避免在低负载运转时发生电池性能的降低和不稳定现象。

现有的高分子电解质型燃料电池隔板的结构是如下构成的：燃料气体和氧化剂气体各自的气体从一个入口侧复式接头供给至隔板的气体通路，再介由一个出口侧复式接头排出。为了提高燃料电池发电系统的市场性，必须在不使发电效率降低的前提下，根据电力需要使高分子电解质型燃料电池的负载可以变动。因此，在相对于额定输出使负载增大的情况下，优选可以将燃料气体和氧化剂气体的流量增大至与之适合的流量而运转，在相对于额定输出使负载减小的情况下，优选可以将燃料气体和氧化剂气体的流量减小至与之适合的流量而运转。

通常，设在燃料电池所用的导电性隔板上的气体通路被设计为在额定输出中可以达到最适合的流速。从而，在增大电力负载的情况下，伴随着气体流量的增大气体通路的气体流速增大，在减小电力负载的情况下，伴随着气体流量的减小气体通路的气体流速减小。在气体通路的气体流速增大时，因为供给气体的压力损失增大，由于辅机动力的增大使发电效率会少许降低，但由于气体通路的气体流速增大，当然可以更有效率地除去隔板的气体通路内的冷凝水或生成水，不会发生液泛现象。然而，在使电力负载减小的情况下，伴随着气体流量的减小气体通路的气体流速也减小。

在气体通路的气体流速减小时，根据流速减小的程度，隔板的气体通路内的冷凝水或生成水难以有效率地除去，发生液泛现象。这时，不仅电力负载减小，如果不使供给气体流量减小，则相对于发电输出辅机动力的比例相对增大，发电系统整体的发电效率降低。

在本发明中，如上所述，通过复式接头将具有不同入口侧复式接头孔的电池单元的气体供给切换为串联或并联的方式，由此实现了特别是在低负载运转时也不会产生液泛现象的高分子电解质型燃料电池。例如，当最高负载发电输出和最低负载发电输出之比为2比1时，设计2个气体入口侧复式接头，将连接至第1复式接头的气体通路的电池单元A和连接至第2复式接头的气体通路的电池单元B交互叠层。由此，在高负载发电时第1和第2气体入口侧复式接头并联地供给气体。此外，在最低负载运转时，从第1气体入口侧复式接头供给气体，第2气体入口侧复式接头作为出口使用，在隔板外用导管将高负载发电时作为出口的复式接头关闭，由此气体串联地供给至电池。这样，即使在负载变动时，所有的气体通路中都可以保持同样的气体流速。

在气体通路串联连接时，在隔板外部使用导管将独立的复式接头孔连接起来，从此完成各气体通路的连接，这样在中间的复式接头孔处凝结的冷凝水可以排出至隔板外部，由于没有将冷凝水供给至下游的通路中，因此可以更稳定地运转。

进一步的，通过在复式接头孔的连接部分插入水雾收集器，可以确保进行冷凝水的排出。这时，优选将通过复式接头成为串联的电池相邻地配置起来。

由此，实现了特别是在低负载运转时也不会产生液泛现象的高分子电解质型燃料电池。

此外，在高负载运转时，如上述的说明所述，因为在各气体通路中流动的气体的方向为不与重力相反的方向，这样可以进一步抑制液泛的发生。但是，在低负载运转时，如图1、5、16所示，在各气体通路中流动的气体的方向有时会处于与重力相反的方向上。因此，也就意味着存在发生液泛的可能性，在实际的系统的运转状况中，由于上述的在额定负载下的运转时间长于在部分负载下的运转时间，所以还没有达到会产生问题的程度。

另外，在本实施方式的说明中，是将电池单元A和电池单元B这样2种电池叠层而形成的，也可以将3种以上的电池叠层。即在额定负载时，向各电池单元形成的气体单位通路中同时输入气体，在部分负载时，可以根据负载的大小，将各气体单位通路中的至少任何一个串联连接而顺次地输入气体。

这时，当氧化剂气体单位通路之间串联连接时，在连接到氧化剂气体通路沟槽入口处的入口侧氧化剂气体复式接头以及连接到氧化剂气体通路沟槽出口处的出口侧氧化剂气体复式接头以外的各氧化剂气体单位通路中，可以将入口侧氧化剂气体复式接头和出口侧氧化剂气体复式接头连接起来。还有，当燃料气体单位通路之间串联连接时，在连接到燃料气体通路沟槽入口处的入口侧燃料气体复式接头以及连接到燃料气体通路沟槽出口处的出口侧燃料气体复式接头以外的各燃料气体单位通路中，可以将入口侧燃料气体复式接头和出口侧燃料气体复式接头连接起来。

(实施方式4)

本实施方式中高分子电解质型燃料电池的整体结构如图18所示。和实施方式3的不同之处在于，在各复式接头的导管上设有阀门。氧化剂气体的入口侧复式接头101以及复式接头3L分别通过阀门V2和V1和1条氧化剂气体供给导管连接。在氧化剂气体的入口侧复式接头3R上设置阀门V5，在出口侧复式接头105上设置阀门V8。燃料气体的入口侧复式接头102以及复式接头4L分别通过阀门V4和V3和1条燃料气体供给导管连接。在氧燃料气体的入口侧复式接头4R上设置阀门V6，在出口侧复式接头106上设置阀门V7。然后各阀门和控制器300连接。

在这种结构中，当氧化剂气体并联地供给至电池单元A和电池单元B时，控制器300打开阀门V1、V2以及V8同时关闭阀门V5，分别从复式接头101以及复式接头3L供给氧化剂气体，从复式接头105排出。同样地，打开阀门V3、V4以及V7同时关闭阀门V6，分别从复式接头102以及复式接头4L供给燃料气体，从复式接头106排出。

另一方面，当氧化剂气体串联地供给至电池单元A和电池单元B时，控制器300打开阀门V2和V5同时关闭阀门V7和V8，从复式接头101供给氧化剂气体，从复式接头3R排出。还有，打开阀门V4和V6同时关闭阀门V3和V7，从复式接头102供给燃料气体，从复式接头4R排出。

这样，根据发电输出的变更，改变各气体通路的并联连接和串联连接，使在各气体通路中维持没有水滞留的气体速度。

在上述实施方式3、4中，使用的是各自单一的隔板，也可以使用在一方的面上具有阴极侧隔板的功能，其内面具有阳极侧隔板的功能的隔板。例如将电池单元A和电池单元B邻接起来配置时，电池单元A的阴极侧隔板的内面作为电池单元B的阳极侧隔板。此外，在上述的实施方式中，为了说明的方便，省略了冷却电池单元的冷却水的复式接头孔。通常在阴极侧隔板和阳极侧隔板相对的面上形成冷却水的通路，由此构成冷却部。在各个电池单元或每2～3个电池单元上设置该冷却部。

(实施例4)

下面对和本实施方式3、4对应的实施例进行说明。

向乙炔黑类碳粉中负载25重量％的平均粒径约30的铂颗粒。将其作为阴极催化剂。向乙炔黑类碳粉中负载25重量％的平均粒径约30的铂—钌合金颗粒。将其作为阳极催化剂。在这些催化剂粉末的异丙醇分散液中，混合全氟化酸磺酸粉末的乙醇分散液，成为糊状。将这些糊状物作为原料，用丝网印刷法涂敷在厚度为250μm的碳无纺布的一面上，干燥后分别形成阴极催化剂层和阳极催化剂层。这些催化剂层中所含的铂的量为0.3mg/cm²，全氟化碳磺酸的量为1.2mg/cm²。

由具有这种催化剂层的碳无纺布形成的电极除了催化剂材料以外的结构，其阴极·阳极负极具有同样的构成。这些电极接合在具有比电极大一圈的面积的氢离子传导性高分子电解质膜中心部位的两面上，通过热压以使印刷的催化剂层和电解质膜侧接触。在电极的外周边缘部位露出的电解质膜的两面上，进而配置将由厚度250μm的弹性体(杜邦公司制造的バイトンAP、硬度500)薄片中切去一定的大小后形成的密封垫，通过热压接合后使其一体化，由此制成MEA。使用厚度为30μm的全氟化碳磺酸的薄膜作为氢离子传导性高分子电解质膜。

在本实施例中，如图9～图12所示使用了隔板10A、10B、20A以及20B。这些导电性隔板是由厚度为3mm的各向同性石墨材料通过机械加工形成气体通路以及复式接头孔后制成的。使各气体通路的沟槽宽度为2mm，深度为1mm，沟槽间的肋宽为1mm，任何一个气体通路形成1条通道。

将上述的阴极侧隔板10A和阳极侧隔板10B和MEA组装在一起成为电池单元A，将上述的阴极侧隔板10B和阳极侧隔板10A和MEA组装在一起成为电池单元B，将电池单元A和电池单元B交互层叠，组装成层叠了50个电池单元的电池单元叠层体。集电板使用表面镀金的铜板，绝缘板使用聚苯硫醚板，端板使用不锈钢制的板，电池单元叠层体介由集电板和绝缘板，以端板夹住，用系结杆连结两端板。使层状电池的系结压成为相对于电极的单位面积为10kgf/cm²。此外，如各图所示将隔板的上部作为上，形成叠层电池。

接着对使用该电池单元叠层体的实际的运转方法进行说明。如在前面的实施方式中所述，电池在额定条件下运转时将氧化剂气体、燃料气体并联地供给至电池单元A和电池单元B。另外，以相对于额定值在50％以下的低负载进行运转时，将氧化剂气体串联地供给至电池单元A和电池单元B，燃料气体也串联地供给至电池单元A和电池单元B。该电池的额定运转条件为：燃料利用率75％，氧利用率40％，电流密度0.3A/cm²。

将该高分子电解质型燃料电池保持在70℃，将露点为70℃的加湿·加热的以氢为主体的气体(80％的氢气/20％的二氧化碳/10ppm的一氧化碳)供给至阳极，将露点为70℃的加湿·加热的空气供给至阴极。使电流密度在从额定值的25％的低负载下的电流密度0.075A/cm²到额定负载下的0.3A/cm²的范围内变化，对该电池的电流—电压特性进行评价。试验中的利用率和额定条件下相同。其结果如图19所示。在图19中，为了比较，将现有的高分子电解质型燃料电池、也就是只叠层了电池单元A的电池特性也记载在其中。在本实施例中，在0.15A/cm²以下切换为串联通路，在0.15A/cm²以上切换为并联通路，由此进行试验。通过图19可以看到，在0.075A/m²附近现有的电池由于气体流速的降低发生液泛，使得运转困难，而本实施例的高分子电解质型燃料电池没有发生液泛，可以稳定地运转。在本实施例中，使用2种的电池，随着复式接头的增加串联的电池的种类也可以进一步增加。

(实施例5)

在本实施例中，如实施方式4所示在管路上设置阀门。通过阀门的开闭，切换气体的供给，进行和实施例1同样的试验。结果得到和实施例1同等的性能。

另外，在上面的这些说明中，在实际的系统中，在各气体通路的入口侧可以连接加湿器，在各气体通路的出口侧可以连接废热交换机。

还有，在上面的这些说明中，各图中所示的各隔板、各电池的设置方向都和图1所示的方向相同。

工业实用性

本发明所涉及的高分子电解质型燃料电池及其运转方法可以抑制在低负载时液泛的发生，可以用于燃料电池热电联供系统等。

Claims (9)

1.一种高分子电解质型燃料电池，具有叠层了电池单元的叠层体，所述电池单元具有：高分子电解质膜，夹住前述高分子电解质膜的阳极和阴极，阴极侧隔板和阳极侧隔板，前述阴极侧隔板具有将氧化剂气体供给至前述阴极的氧化剂气体通路沟槽，前述阳极侧隔板具有将燃料气体供给至前述阳极的燃料气体通路沟槽，

一部分或全部的前述氧化剂气体通路沟槽形成氧化剂气体单位通路，该通路从前述阴极侧隔板输入后直至输出，

一部分或全部的前述燃料气体通路沟槽形成燃料气体单位通路，该通路从前述阳极侧隔板输入后直至输出，

在前述电池单元叠层体中可以将2个以上的前述氧化剂气体单位通路并联或串联连接，

在前述电池单元叠层体中可以将2个以上的前述燃料气体单位通路并联或串联连接。

2.根据权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，相对于其发电输出的变更，改变前述并联或串联连接，以使通过前述氧化剂气体通路沟槽的氧化剂气体的速度维持在没有水滞留在前述氧化剂气体通路沟槽中的速度，通过前述燃料气体通路沟槽的燃料气体的速度维持在没有水滞留在前述燃料气体通路沟槽中的速度。

3.根据权利要求2所述的高分子电解质型燃料电池，前述氧化剂气体单位通路由前述氧化剂气体通路沟槽的一部分形成，前述燃料气体单位通路由前述燃料气体通路沟槽的一部分形成，

在前述并联连接的情况下，在前述各阴极侧隔板上形成的多数的氧化剂气体单位通路互相并联连接，以同时供给前述氧化剂气体，在前述各阳极侧隔板上形成的多数的燃料气体单位通路互相并联连接，以同时供给前述燃料气体，

在前述串联连接的情况下，在前述各阴极侧隔板上形成的多数的氧化剂气体单位通路的全部或一部分互相串联连接，以顺次供给前述氧化剂气体，在前述各阳极侧隔板上形成的多数的燃料气体单位通路的全部或一部分互相串联连接，以顺次供给前述燃料气体。

4.根据权利要求2所述的高分子电解质型燃料电池，前述氧化剂气体单位通路由全部的前述氧化剂气体通路沟槽形成，前述燃料气体单位通路由全部的前述燃料气体通路沟槽形成，

在前述并联连接的情况下，在前述各阴极侧隔板上形成的多数的氧化剂气体单位通路之间互相并联连接，以同时供给前述氧化剂气体，在前述各阳极侧隔板上形成的多数的燃料气体单位通路之间互相并联连接，以同时供给前述燃料气体，

在前述串联连接的情况下，在前述各阴极侧隔板上形成的多数的氧化剂气体单位通路的全部或部分之间互相串联连接，以顺次供给前述氧化剂气体，在前述各阳极侧隔板上形成的多数的燃料气体单位通路的全部或部分之间互相串联连接，以顺次供给前述燃料气体。

5.根据权利要求3或4所述的高分子电解质型燃料电池，具有：连接到前述各氧化剂气体单位通路入口处的入口侧氧化剂气体复式接头、连接到前述各氧化剂气体单位通路出口处的出口侧氧化剂气体复式接头、连接到前述各燃料气体单位通路入口处的入口侧燃料气体复式接头、连接到前述各燃料气体单位通路出口处的出口侧燃料气体复式接头，

前述氧化剂气体单位通路之间互相串联连接时，将连接到前述氧化剂气体通路沟槽入口处的入口侧氧化剂气体复式接头以及连接到前述氧化剂气体通路沟槽出口处的出口侧氧化剂气体复式接头以外的、入口侧氧化剂气体复式接头和出口侧氧化剂气体复式接头连接起来，

前述燃料气体单位通路之间互相串联连接时，将连接到前述燃料气体通路沟槽入口处的入口侧燃料气体复式接头以及连接到前述燃料气体通路沟槽出口处的出口侧燃料气体复式接头以外的、入口侧燃料气体复式接头和出口侧燃料气体复式接头连接起来。

6.根据权利要求5所述的高分子电解质型燃料电池，前述氧化剂气体单位通路之间、以及前述燃料气体单位通路之间的串联或并联连接具有下述的结构，设置在前述叠层电池单元外部的阀门可以根据其发电电力而开闭。

7.根据权利要求5所述的高分子电解质型燃料电池，在连接到前述氧化剂气体通路沟槽入口处的入口侧氧化剂气体复式接头以及连接到前述氧化剂气体通路沟槽出口处的出口侧氧化剂气体复式接头以外的、入口侧氧化剂气体复式接头和出口侧氧化剂气体复式接头相连接的部分上，以及在连接到前述燃料气体通路沟槽入口处的入口侧燃料气体复式接头以及连接到前述燃料气体通路沟槽出口处的出口侧燃料气体复式接头以外的、入口侧燃料气体复式接头和出口侧燃料气体复式接头相连接的部分上，设有水雾收集器。

8.根据权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，前述氧化剂气体单位通路之间并联的连接使得前述氧化剂气体流动的方向位于不和重力相反的方向上，

前述燃料气体单位通路之间并联的连接使得前述燃料气体流动的方向位于不和重力相反的方向上。

9.一种高分子电解质型燃料电池的运转方法，该高分子电解质型燃料电池具有叠层了电池单元的叠层体，所述电池单元具有：高分子电解质膜，夹住前述高分子电解质膜的阳极和阴极，阴极侧隔板和阳极侧隔板，前述阴极侧隔板具有将氧化剂气体供给至前述阴极的氧化剂气体通路沟槽，前述阳极侧隔板具有将燃料气体供给至前述阳极的燃料气体通路沟槽，

一部分或全部的前述氧化剂气体通路沟槽形成氧化剂气体单位通路，该通路从前述阴极侧隔板输入后直至输出，

一部分或全部的前述燃料气体通路沟槽形成燃料气体单位通路，该通路从前述阳极侧隔板输入后直至输出，

其中还包含：在前述电池单元叠层体中将2.个以上的前述氧化剂气体单位通路并联或串联连接的工序，

在前述电池单元叠层体中将2个以上的前述燃料气体单位通路并联或串联连接的工序。

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