CN1930712A - 高分子电解质型燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高分子电解质型燃料电池，其能够：即使供给到燃料电池的燃料气体和氧化气体的加湿状态发生变化，仍有效地抑制催化剂层中的高分子电解质和高分子电解质膜的干燥和溢流的发生；抑制阳极、阴极和高分子电解质膜的劣化；从而容易可靠地减少电池性能的劣化。该高分子电解质型燃料电池包括：高分子电解质膜、将高分子电解质膜夹在中间的阳极和阴极、和具有用于将燃料气体供给到阳极并将燃料气体从阳极排出的第一气道和用于将氧化气体供给到阴极并就氧化气体从阴极排出的第二气道的一对隔板。在阳极和阴极的相反位置分别配置有凹口部分。在该部分，高分子电解质膜插入该对隔板之间，并且在凹口部分被透气性增强构件支撑。

Description

高分子电解质型燃料电池

技术领域

本发明涉及一种高分子电解质型燃料电池。具体的说，涉及一种具有改进的膜电极组件和隔板结构、并且因此提高了耐用性的高分子电解质型燃料电池。

背景技术

使用具有阳离子(氢离子)传导性的高分子电解质膜的燃料电池通过使含氢燃料气体与含氧氧化气体(例如空气)发生电化学反应的而产生电力和热。

参考图11，其显示了传统的高分子电解质型燃料电池上负载的单元电池(unit cell)的基本结构的一个例子的截面示意图。参考图12，其显示了图11中所示的单元电池210所包含的膜电极组件(MEA)的基本结构的一个例子的截面示意图。

如图12所示，在传统的高分子电解质型燃料电池的MEA 200中，催化剂层202a和202b各自由下述混合物制成：该混合物中包括其表面上负载有电极催化剂(例如，铂金属)的碳粉和具有氢离子传导性的高分子电解质；上述催化剂层202a和202b是在高分子电解质膜201的两侧上形成的，该高分子电解质膜201选择性地传递氢离子。

在催化剂层202a和202b的外侧，分别配置了气体扩散层203a和203b。催化剂层202a和气体扩散层203a组成阳极(气体扩散电极)204a，同时催化剂层202b和气体扩散层203b组成阴极(气体扩散电极)204b。

在阳极204a的催化剂层202a中，通过下述公式(1)： 所表达的反应而生成质子，而在阴极204b的催化剂层202b中，氧和从阳极204a迁移来的质子通过下述公式(2)： 所表达的反应而生成水。

在使用图12所示的MEA 200的单元电池210中，为防止分别供给到阳极204a和阴极204b的燃料气体和氧化气体泄漏到外部和防止这两种气体彼此混合，在阳极204a和阴极204b的周围以下述方式配置垫片206a和206b：如图11所示将高分子电解质膜201夹在二者之间。

在某些情况下，垫片206a和206b、以及阳极204a、阴极204b和高分子电解质膜201被组装为整体结构，所得到的整体结构有时被称为MEA。

如图11所示，单元电池210包括板状导电隔板205a和205b，其用于对相邻的多个单元电池进行机械固定和使相邻的多个单元电池彼此电连接。在分别与阳极204a和阴极204b相接触的隔板205a和205b的主表面上形成气流通道207a和207b，其用于将反应气体(燃料气体或氧化气体)供给到阳极204a和阴极204b和带走气体产物或过量的气体。

气流通道207a和207b可以独立于隔板205a和205b而配置；但是，如图11所示，其通常是通过在隔板205a和205b上开槽而得到。

当产生电时，MEA200散发热量。因此，为将MEA 200保持在允许的操作温度，多余的热通过使冷却流体(例如，冷却水)围绕MEA200循环而除去。通常，隔板205a和205b中的至少一个允许在与其上形成有气流通道207a或207b的表面相反的表面上配置冷却水流道208a或208b，这样，冷却流体(例如，冷却水)通过冷却水流道208a或208b循环。

蛇形冷却水流道经常用作冷却水流道208a和208b，该蛇形冷却水流道中的每一个均是由多条直线形沟槽和将相邻的直线形沟槽的末端从上流侧到下流侧连接在一起的回形(turned)沟槽(曲线形沟槽)组成的。在这样的蛇形冷却水流道中，沟槽经常以规则间隔而设置。冷却水流道208a和208b有时可以由多个几乎彼此平行的沟槽组成；在这种情况下，通常沟槽也以规则间隔而设置。

由于聚合物末端的磺酸基团，高分子电解质膜201表现出氢离子交换能力。为表现出氢离子交换能力，膜需要保持一定的湿含量，因此，供给到燃料电池中的燃料气体和氧化气体中的至少一种需要加湿。但是，另一方面，对燃料气体或氧化气体进行加湿导致电池性能劣化的问题，该问题是由被称为溢流(flooding)的现象引起的，这种现象是：湿润气体中的湿含量越大，气流通道207a和207b的堵塞越严重。

作为防止这种现象发生所采取的措施之一，提出了例如专利文件1中的固体高分子型燃料电池，该固体高分子型燃料电池抑制水堵塞(water-blockage)的发生，特别是在燃料气体的出口附近，因此操作稳定。具体的说，提出了一种配置有非电极区域的固体高分子型燃料电池，该非电极区域的目的是通过降低氧化气体流动方向上的温度梯度以改进燃料电池的电池性能和寿命特性(例如，参见专利文件1的附图1)。

将参考图13简要说明专利文件1所述的固体高分子型燃料电池。在具有气流通道结构的单元电池210中，其中使得燃料气体和氧化气体面对单元电池210彼此反向流动，并且其中氧化气体以加湿到较低程度的状态下供给到该单元电池210中，如图13所示，在与隔板205a和隔板205b相反的高分子电解质膜201的各个表面上配置非电极区域209a和209b(其中的每一个均不包括阳极204a和阴极204b)，目的是促进水从可能发生水堵塞的阳极204a侧迁移到阴极204b侧和避免在阳极204a侧的出口附近发生水堵塞，并且对氧化气体进行加湿。

[专利文件1]：JP2000-277128A

发明内容

但是，在使用燃料电池的热电联产系统等中，特别是当燃料气体或氧化气体的加湿状态在系统启动或负载波动的时候发生变化时，首先在阳极204a或阴极204b中形成了过加湿部分(该部分的相对湿度大于100％，并且气体和冷凝水同时存在)或低加湿部分(该部分的相对湿度小于100％)。在这种情况下，出现的问题是：具有这样的低加湿部分的阳极204a或阴极204b或者高分子电解质膜201往往会劣化，并且最终燃料电池的性能可能会劣化。

如果上述专利文件1所述的技术用作对于上述问题的预防性措施，看起来有可能期望当加入到氧化气体中的水分量减少时，使水分从燃料气体侧通过氧化气体进口侧的高分子电解质膜1的非电极区域209a和非电极区域209b补充到氧化气体侧。

然而，在专利文件1中所述的技术中，因为操作条件(加湿条件)确定为使得氧化气体以加湿到较低程度的状态供给，所以难以充分阻止上述阳极204a或阴极204b以及高分子电解质膜201的降解。此外，在专利文件1所述的技术中，即使操作条件确定为使得露点等于或高于电池温度，由于单元电池210的气流通道结构使得燃料气体和氧化气体面对单元电池210彼此反向流动，反应气体在单元电池210的进口附近达到过饱和状态，在这里水分冷凝，因此雾气进入单元电池210的气流通道中。这样导致下述问题：即，可能由于雾气引起溢流发生。在这种情况下，因为单元电池210的气流通道结构使得燃料气体和氧化气体面对单元电池210彼此反向流动，燃料气体和氧化气体中的任一种必须按照重力方向的逆向供给。因此，需要过多的能量以便将燃料气体和氧化气体中的任一种所含的雾气按照重力方向的逆向补充到燃料电池中，这样会导致气流通道207a和207b内的压力损失增加的问题。而且，在这种情况下，更可能发生溢流，由此导致电池性能(例如，电池电压)不稳定地波动或劣化，这将导致难以维持所需的额定特性(导致电池的可靠性下降)。

其次，在上述专利文件1所述的燃料电池的非电极区域209a和209b中，厚度通常为20至200微米的薄高分子电解质膜201有时可能因为膜处于裸露状态而没有支撑而导致损坏或劣化，或者有时在高分子电解质膜201两侧流动的燃料气体和氧化气体在未发生反应的情况下彼此混合而导致交叉泄漏。这导致燃料电池性能劣化的问题。

另外，专利文件1中所述的燃料电池存在下述问题：因为其采用其中燃料气体和氧化气体彼此反向流动的逆流配置，导致高分子电解质膜201承受巨大的应力，从而更可能损坏和产生交叉泄漏。

因此，本发明的主要目的是提供一种具有以下特性的高分子电解质型燃料电池：即使供给到燃料电池中的燃料气体或氧化气体的加湿状态发生变化，也能够充分抑制催化剂层中的高分子电解质和高分子电解质膜的干燥和溢流的发生；能够抑制阳极、阴极和高分子电解质膜的劣化；从而容易可靠地减少了电池性能的劣化。

本发明人持有下述观点：为使燃料电池具有优异的耐久性，同时保持足够高的电池效率，使燃料气体和氧化气体在过加湿条件(其中供给到燃料电池中的燃料气体和氧化气体均充分加湿)下工作是有效地。在根据上述观点为克服上述问题进行大量研究工作后，他们最后发现，为燃料电池提供下述结构是非常有效的：其中，即使在过加湿条件下气流通道中的水分(特别是流体)也容易排出，同时两个电极的催化剂层和高分子电解质膜中的湿含量可以充分保持，从而充分阻止催化剂层和高分子电解质膜的干燥(progress)。

具体的说，为克服上述问题，本发明提供了一种高分子电解质型燃料电池，其包括至少具有下述组件的单元电池：

膜电极组件，其包括含有催化剂层的阳极、含有催化剂层的阴极、以及配置在阳极和阴极之间并且具有氢离子传导性的高分子电解质膜；和

一对导电隔板，其以这样的方式配置：使得膜电极组件被夹在其中，并且该对导电隔板具有在面对阳极的主表面上形成的第一气流通道和在面对阴极的主表面上形成的第二气流通道，其中的第一气流通道具有用于将燃料气体供给到阳极的燃料气体进口和用于将燃料气体从阳极排出的燃料气体出口，第二气流通道具有用于将氧化气体供给到阴极的氧化气体进口和用于将氧化气体从阴极排出的氧化气体出口，其特征在于：

电池以这样的方式配置：该对隔板的面对阳极的主表面和面对阴极的主表面中任一个的法向与重力方向相交叉，

燃料气体进口和氧化气体进口在该对隔板上彼此接近地形成，第一气流通道这样形成：使燃料气体整体不是逆着重力方向，而是沿着重力方向地流过第一气流通道，第二气流通道这样形成：使氧化气体整体不是逆着重力方向，而是沿着重力方向地流过第二气流通道，

膜电极组件的高分子电解质膜的面对阳极的主表面上形成有未形成催化剂层的第一凹口部分，膜电极组件的高分子电解质膜的面对阴极的主表面上形成有未形成催化剂层的第二凹口部分，第一和第二凹口部分在这样的位置形成：当从高分子电解质膜的面对阳极的主表面和面对阴极的主表面之一的大致法向观察时，它们至少部分重叠，

高分子聚合物膜的第一凹口部分配置有具有透气性的第一增强构件，

高分子电解质膜的第二凹口部分配置有具有透气性的第二增强构件，和

高分子电解质膜以这样的方式被支撑在第一和第二凹口部分：高分子电解质膜被固定在第一增强构件和第二增强构件之间。

由于上述结构，本发明的高分子电解质型燃料电池利用浓度梯度作为驱动力(驱动源)使得燃料气体中的水分和氧化气体中的水分通过高分子电解质膜从一侧迁移到另一侧，即使供给到燃料电池中的燃料气体或氧化气体的加湿状态发生变化。因此，本发明的高分子电解质型燃料电池能够保持良好的加湿状态(在这种状态下，可以确保催化剂层和高分子电解质膜中的良好的离子导电性)，同时，维持加湿状态的平衡，换句话说，保持所供给的反应气体之间加湿状态的平衡。此外，如上所述选择氧化气体进口和还原气体进口之间的位置关系以及氧化气流和还原气流之间的位置关系(该关系与专利文件1所述的氧化气流和还原气流之间的位置相反)使得有可能充分避免催化剂层中高分子电解质和高分子电解质膜的干燥和溢流的发生。结果，可以提供能够充分阻止阳极、阴极和高分子电解质膜的损坏和劣化以及交叉泄漏的发生，从而容易可靠地减少电池性能的劣化的高分子电解质型燃料电池。

根据本发明的高分子电解质型燃料电池，即使供给到(fed)燃料电池中的燃料气体或氧化气体的加湿状态发生变化，也有可能充分抑制催化剂层中高分子电解质干燥的发展和溢流的发生，由此抑制阳极、阴极和高分子电解质膜的劣化，从而容易可靠地减少电池性能的劣化。

附图说明

图1是显示了安装在根据本发明第一实施方式的高分子电解质型燃料电池中的单元电池的基本结构的一个例子的截面示意图；

图2是显示了图1所示单元电池11中包含的膜电极组件(MEA)的基本结构的一个例子的横截面剖视图；

图3是图2所示的MEA 10的透视图；

图4是配置在根据本发明第一实施方式的燃料电池中的隔板5a的第一气流通道8a侧的基本部分的放大正视图；

图5是配置在根据本发明第一实施方式的燃料电池中的隔板5b的第二气流通道8b侧的基本部分的放大正视图；

图6是根据本发明第二实施方式的燃料电池上的MEA 30的透视示意图；

图7是配置在根据本发明第二实施方式的燃料电池中的隔板5a的第一气流通道8a侧的基本部分的放大正视图；

图8是配置在根据本发明第二实施方式的燃料电池中的隔板5b的第二气流通道8b侧的基本部分的放大正视图；

图9是显示本发明实施例的燃料电池1和对比例的燃料电池3的电池电压(V)的曲线图；

图10是显示本发明实施例的燃料电池2和对比例的燃料电池3的电池电压(V)的曲线图；

图11是显示安装在现有技术的高分子电解质型燃料电池中的单元电池的基本结构的一个例子的截面示意图；

图12是显示如图11所示单元电池210中所包含的膜电极组件(MEA)的基本结构的一个例子的截面示意图；和

图13是显示现有技术的高分子电解质型燃料电池上的单元电池的基本结构的一个例子的截面示意图。

具体实施方式

在下文中，参考附图描述了本发明的优选实施方式。在说明书中，有时省略了表示相同或对应部分的类似参考数字以及重复的说明内容。

[第一实施方式]

图1是安装在根据本发明第一实施方式的高分子电解质型燃料电池中的单元电池的基本结构的一个例子的截面示意图。图2是图1所示单元电池11中所包含的膜电极组件(MEA)的基本结构的一个例子的截面示意图。图3是图2所示MEA 10的透视示意图。图4是配置在根据本发明的本实施方式的燃料电池中的隔板5a的第一气流通道7a侧的基本部分的放大正视图。并且图5是配置在根据本发明的本实施方式的燃料电池中的隔板5b的第二气流通道7b侧的基本部分的放大正视图。

如图2所示，在根据本实施方式在高分子电解质型燃料电池的MEA 10中，催化剂层(第一催化剂层和第二催化剂层)2a和2b各自由下述混合物形成：该混合物包括含有其表面上负载有电极催化剂(例如，铂金属)的导电性碳颗粒的催化剂和具有氢离子传导性的高分子电解质，该催化剂层2a和2b形成于选择性地传递阳离子(氢离子)的高分子电解质膜1的两侧上。

可以使用传统上公知的高分子电解质膜作为高分子电解质膜1。例如，可以使用具有由-CF₂-构成的主链和在其末端含有磺酸基(-SO₃H)作为功能基的侧链的全氟碳磺酸制成的高分子电解质膜。具体的例子包括商品名为Nafion(美国杜邦公司制造)、Flemion(旭硝子株式会社(Asahi Glass)制造)或Aciplex(旭化成株式会社(Asahi Kasei)制造)的市售高分子电解质膜。高分子电解质膜1的厚度通常为20至200微米。

催化剂层2a和2b由其表面上负载有贵金属电极催化剂的导电性碳颗粒和具有氢离子传导性的高分子电解质形成。在催化剂层2a和2b的形成过程中，使用了一种用于形成催化剂层的墨水(ink)，其至少包括：其表面上负载有贵金属催化剂的导电碳颗粒、上述高分子电解质和分散介质。

高分子电解质的优选例子包括具有磺酸基、羧基、磷酸基或磺亚氨基(sulfonimido)作为阳离子交换基团的高分子电解质。从氢离子传导性的角度看，特别优选具有磺酸基的高分子电解质。

作为具有磺酸基的高分子电解质，优选离子交换容量为0.5至1.5meq/克干树脂的高分子电解质。其原因如下。如果高分子电解质的离子交换容量大于或等于0.5meq/克干树脂，当电产生的时候所得到的催化剂层中电阻值增加的可能性被消除，而如果高分子电解质的离子交换容量小于或等于1.5meq/克干树脂，所得到的催化剂层的湿含量不会增加，因此催化剂层不太可能膨胀，从而消除了微孔堵塞的可能性。特别优选离子交换容量为0.8至1.2meq/克干树脂的高分子电解质。

作为高分子电解质，优选包括基于下式所表示的全氟乙烯基化合物的聚合单元和基于聚四氟乙烯的聚合单元的共聚物：CF₂＝CF-(OCF₂CFX)_m-O_p-(CF₂)_n-SO₃H(m是0至3的整数，n是1至12的整数，p是0或1，X代表氟原子或三氟甲基)。

上述氟乙烯基化合物的优选例子包括下式(1)至(3)所表示的化合物，其中q是1至8的整数，r是1至8的整数，t是1至3的整数。

CF₂＝CFO(CF₂)_q-SO₃H                        …(1)

CF₂＝CFOCF₂CF(CF₃)O(CF₂)_r-SO₃H          …(2)

CF₂＝CF(OCF₂CF(CF₃))_tO(CF₂)₂-SO₃H      …(3)

可以使用上述高分子电解质作为高分子电解质膜1的组成材料。

当使用金属颗粒和用金属微粒制成时，本发明所使用的电极催化剂被负载在导电碳颗粒(粉末)上。作为这些金属微粒，可以使用各种类型的金属而没有特殊的限制。例如，优选使用一种或多种选自铂、金、银、钌、铑、钯、锇、铱、铬、铁、钛、锰、钴、镍、钼、钨、铝、硅、锌和锡的金属。

上述金属中，优选贵金属、铂和铂合金。特别优选铂-钌合金，因为催化剂的活性在阳极上是稳定的。

优选导电碳颗粒的比表面积为50至1500m²/g。其原因如下。如果比表面积大于或等于50m²/g，电极-催化剂负载率相对容易提高，因此所得到的催化剂层输出特性下降的可能性被消除，而如果比表面积小于或等于1500m²/g，微孔不会变得非常小，并且高分子电解质的覆盖更容易，因此所得到的催化剂层输出特性下降的可能性被消除。特别优选导电碳颗粒的比表面积为200至900m²/g。

优选电极催化剂颗粒的平均粒径为1至30纳米。其原因如下。如果平均粒径大于或等于1纳米，电极催化剂颗粒容易在工业上制备，而如果平均粒径小于或等于30纳米，每克电极催化剂的活性不会减少，因此可以抑制燃料电池成本的增加。

在本发明中，作为用于制备形成催化剂层的墨水的分散介质，优选使用含有能够溶解或分散高分子电解质的醇(分散高分子电解质包括高分子电解质部分溶解的分散状态)的液体。

优选分散介质含有至少一种选自水、甲醇、丙醇、正丁醇、异丁醇、仲丁醇和叔丁醇的物质。这些水和醇中的任何一种可以单独使用，或者可以以混合物的形式使用其中的两种或多种。更优选每个分子具有一个OH基团的直链醇，特别优选乙醇。这样的醇也包括具有醚键的醇类，如乙二醇一甲醚。

优选形成催化剂层的墨水的固体浓度为0.1至20重量％。当通过喷涂或涂布形成催化剂层的墨水来形成催化剂层时，如果固体浓度大于或等于0.1重量％，可以获得具有预定厚度的催化剂层而无需重复进行喷涂或涂布，从而防止降低生产效率。如果固体浓度小于或等于20重量％，混合溶液的粘度不会变得过高，从而就消除了使所得到的催化剂层不均匀的可能性。

特别优选形成催化剂层的墨水的固体浓度为1至10wt％。

在本发明中，形成催化剂层的墨水可以根据任何一种常规已知的方法制备。这样的常规已知方法的具体例子包括：利用高速旋转的方法，例如，使用搅拌机(例如，匀浆机或高速搅拌机(homomixer))或者使用高速旋转射流系统的方法；以及通过对分散体施加高压而对分散体使用剪切力的方法，例如使用高压乳化器以通过狭窄的空间将分散体射出的方法。

当使用本发明的形成催化剂层的墨水来形成催化剂层时，可以使用任何一种常规已知的方法。具体的说，催化剂层2a和2b可以直接在高分子电解质膜1上或气体扩散层3a和3b上形成，或者催化剂层2a和2b可以先在其它支持片上形成，然后转移至高分子电解质膜1上或气体扩散层3a和3b上。

在催化剂层2a和2b的外侧，分别配置气体扩散层(第一气体扩散层和第二气体扩散层)3a和3b，催化剂层2a和气体扩散层3a组成阳极(气体扩散电极)4a，而催化剂层2b和气体扩散层3b组成阴极(气体扩散电极)4b。

气体扩散层3a和3b可以使用具有透气性和导电性的常规已知的多孔衬底(例如，复写纸或碳毡(carbon felt))构成。多孔衬底可以通过任何一种常规已知的方法进行防水处理。面对催化剂层2a或2b的多孔衬底表面可以配置常规已知的防水导电层。

除了制备第一和第二凹口以及配置第一和第二增强组件之外，MEA 10可以如下述实施例所示通过常规已知的方法(例如热压)使用上述高分子电解质膜1、催化剂层2a和2b、以及气体扩散层3a和3b制备。

为防止供给到阳极4a或阴极4b的燃料气体或氧化气体泄漏到外部或彼此混合，如图2所示，使用MEA 10的单元电池11的结构中包括以下述方式分别配置在阳极4a和阴极4b周围的垫片6a和6b：如图1所示，使高分子电解质膜1固定在其间。

单元电池11还包括一对板状导电隔板5a和5b，其用于对相邻的多个电池进行机械固定并使相邻的多个电池彼此电连接。隔板5a和5b以这样的方式配置：将MEA 10固定在其间。

在与阳极4a相接触的隔板5a的主表面上形成由沟槽组成的气流通道7a，该沟槽用于将燃料气体供给到阳极4a和将气体产物或过量气体带走。在与阴极4b相接触的隔板5b的主表面上形成由沟槽组成的气流通道7b，该沟槽用于将氧化气体供给到阴极4b和将形成的气体或过量气体带走。

此外，如图1、4和5所示，在根据本实施方式的高分子电解质型燃料电池中，单元电池11被(I)配置为使得分别与阳极4a和阴极4b相接触的一对隔板5a和5b中任一个的主表面的法向(D2或D3)与重力方向D1相交。特别是，在根据本实施方式的高分子电解质型燃料电池中，单元电池11被：(V)配置为使得上述法向(D2或D3)与重力方向D1几乎垂直地相交。

而且，如图1、4和5所示，在根据本实施方式的高分子电解质型燃料电池中，(II)在一对隔板5a和5b上形成的燃料气体进气口(燃料气体进口)22和氧化气体进气口(氧化气体进口)25彼此接近。(III)第一气流通道7a这样形成：使得燃料气体整体不是逆着重力方向，而是沿着重力方向流动通过第一气流通道7a。同时，(IV)第二气流通道7b这样形成：使得氧化气体整体不是逆着重力方向，而是沿着重力方向流动通过第二气流通道7b。

在本发明中，“燃料气体”可以不但含有例如氢气的还原剂，还含有用于加湿的水汽(例如，水蒸气)或不参与电极反应的低反应性气体成分(例如，氮气和稀有气体)。“氧化气体”可以不但含有例如氧气的氧化剂，还含有用于加湿的水汽(例如，水蒸气)或不参与电极反应的低反应性气体成分(例如，氮气和稀有气体)。

“燃料气体整体不是逆着重力方向而是沿着重力方向流动”的状态是指从宏观的角度上看，燃料气体不是逆着重力方向而是沿着重力方向流动的状态(将燃料气体看作一个整体)，即使从微观的角度来看组成燃料气体的气体分子有时由于其热运动等而逆着重力方向移动。

“氧化气体整体不是逆着重力方向而是沿着重力方向流动”的状态是指从宏观的角度来看，氧化气体不是逆着重力方向而是沿着重力方向流动的状态(将氧化气体看作一个整体)，即使从微观的角度来看组成氧化气体的气体分子有时由于其热运动等而逆着重力方向移动。

采用上述说明(I)至(IV)所定义的结构使得即使反应气体的露点升高和供给到燃料电池中的气体处于过饱和状态(其中，气体和冷凝水共存)也能够保持高分子电解质型燃料电池的高电池性能或高耐久性，上述结构使得反应气体(反应气体中的冷凝物)在图4所示的第一气流通道7a和图5所示的第二气流通道7b中沿着重力方向流动而非逆着重力方向流动，这样可以将反应气体(反应气体中的冷凝物)平稳地引入燃料气体出气口24(燃料气体出口)和氧化气体出气口(氧化气体出口)，并且反应产生水，因此气流通道中的湿含量增加。因此，沿着气流通道发生的中途溢流可以被充分地避免。进一步，采用上述说明(V)所定义的结构可以使用重力作为驱动力使冷凝水更平稳地移动至燃料气体出气口24和氧化气体出气口26，从而有可能更可靠地产生上述效果。更进一步，采用上述说明(V)所定义的结构使得更容易地将本发明的高分子电解质型燃料电池安置在例如地面的安装表面上。除上述说明(I)至(V)所定义的结构之外，通过使用结构(VI)可以更可靠地产生该效果，在上述结构(VI)中如图4和5所示，燃料气体出气口24和氧化气体出气口26彼此接近地形成，因为这样的结构可以使用重力作为驱动力使冷凝水更平稳地移动至燃料气体出气口24和氧化气体出气口26。

如图4和5所示，使用说明(I)至(VI)所定义的结构(尽管(V)不是必要的，但是其是优选的)可以使第一气流通道7a内重力方向上的燃料气流的大致方向D4(该方向几乎与重力方向D1平行，其中燃料气体从势能相对高的燃料气体进气口22急剧地流动至势能相对低的燃料气体出气口24)几乎与第二气流通道7b内重力方向D1上的氧化气流的大致方向D5(该方向几乎与重力方向D1平行，其中氧化气流从势能相对高的氧化气体进气口25急剧地流动至势能相对低的氧化气体出气口26)平行。在本发明中，满足说明(I)至(VI)(尽管(V)不是必要的，但是其是优选的)所定义的结构要求的第一气流通道7a(阳极气流通道)和第二气流通道7b(阴极气流通道)是指各自具有“平行流”结构的第一气流通道7a(阳极气流通道)和第二气流通道7b(阴极气流通道)。

使用上述说明(I)至(IV)所定义的结构使得在两个电极(阳极和阴极)之间的反应气体之间出现的压力差在阳极和阴极的任何区域都被充分地降低，优选上述说明(I)至(V)所定义的结构，更优选上述说明(I)至(VI)所定义的结构。因此，MEA 10所承受的动力应力(机械应力)被充分降低。由于反应气体之间的压力差很小，即使在MEA 10中出现气孔，交叉泄漏的量也能够被充分抑制。

此外，因为当产生电时，MEA 10产生热，为将MEA 10的温度保持在可允许的操作温度下，隔板5a和5b分别包括在与其上形成有气流通道7a和7b的表面相反的表面上形成为沟槽的冷却水流道8a和8b，这样例如冷却水的冷却流体可以通过这些沟槽进行循环。

在本实施方式的高分子电解质型燃料电池中，如图1所示，MEA 10的高分子电解质膜1在其阳极4a侧的主表面上形成第一凹口部分9a，在该第一凹口部分并未形成阳极4a(不形成催化剂层2a)。同时，MEA10的高分子电解质膜1在其阴极4b侧的主表面上形成第二凹口部分9b，在该第二凹口部分并未形成阴极4b(不形成催化剂层2b)。

而且，当从阳极4a侧和阴极4b侧中任一个上的高分子电解质膜1主表面的大致法向观察时，第一凹口部分9a和第二凹口部分9b在这样的位置上形成：它们至少部分是重叠的。

在高分子电解质膜1的第一凹口部分9a上配置具有透气性的第一增强构件12a，同时在高分子电解质膜1的第二凹口部分9b上配置具有透气性的第二增强构件12b。在第一和第二凹口部分9a和9b中，高分子电解质膜1以这样的方式被第一和第二增强构件12a和12b所支撑：该方式是被夹在第一和第二增强构件中间。

更具体地说，如图1至3所示，根据本实施方式的高分子电解质型燃料电池的阳极4a和阴极4b分别包括图1至3左侧部分中的第一凹口部分9a和第二凹口部分9b。气体扩散层3a的一部分和气体扩散层3b的一部分分别延伸至第一凹口部分9a和第二凹口部分9b，从而形成第一增强构件12a和第二增强构件12b。

因此，根据本实施方式的单元电池11如下构造：当MEA 10被隔板5a和5b夹在中间时，在阳极4a侧的隔板5a中，如图4所示，阳极4a位于被虚线包绕的阴影部分Ya中，而在阴极4b侧的隔板5b中，如图8所示，阴极4b位于被虚线包绕的阴影部分Yb中。

在图4和5中的Sa和Sb部分中(即，第一和第二气流通道7a和7b的上游部分)，分别安置了第一增强构件12a和第二增强构件12b；因此，高分子电解质膜1被夹在隔板5a和5b中间，同时被第一增强构件12a和第二增强构件12b支撑。

高分子电解质膜1的第一和第二凹口部分9a和9b并不是处在裸露状态，而是夹在隔板5a和5b之间，同时被第一增强构件12a和第二增强构件12b支撑，因此日本专利特开2000-277128所述的固体高分子型燃料电池中发生的上述问题可以被充分抑制。

第一和第二增强构件12a和12b的厚度不需要像，例如，催化剂层2a和2b那样小。然而，当MEA 10被夹在隔板5a和5b中间时，为防止损坏高分子电解质膜1，其结构被设计为能够支撑高分子电解质膜1而不需要完全将其压紧。

在本实施方式中，因为第一和第二增强构件12a和12b是由气体扩散层3a的一部分和气体扩散层3b的一部分制成的，因此第一和第二增强构件12a和12b的厚度可以利用上述构成气体扩散层3a和3b的多孔衬底(例如，复写纸、碳毡)的表面上所固有的不均匀部分来进行调整(换句话说，考虑不均匀部分的厚度)。

例如，当构成气体扩散层3a和3b的多孔衬底的表面上具有明显的不均匀部分时，阳极4a和阴极4b中的气体扩散层3a和3b以及构成第一和第二增强构件12a和12b的气体扩散层3a和3b(延伸部分)的厚度可以是几乎相同的。

由于上述结构，根据本实施方式的高分子电解质型燃料电池允许燃料气体中的水分和氧化气体中的水分利用浓度梯度作为驱动力(驱动源)通过高分子电解质膜1从一侧迁移至另一侧，即使供给到燃料电池中的燃料气体或氧化气体的加湿状态发生变化。因此，可以使阳极4a侧和阴极4b侧的加湿状态保持良好(尤其是可以保证催化剂层中的高分子电解质和高分子电解质膜中良好的离子传导)，同时，可以使两侧的加湿状态保持平衡，即，可以保持供给的反应气体之间的加湿状态平衡。而且，由于上述说明(I)至(IV)所定义的结构(优选上述说明(I)至(V)所定义的结构，更优选上述说明(I)至(VI)所定义的结构)，根据本实施方式的高分子电解质型燃料电池使得可以充分避免催化剂层中的高分子电解质和高分子电解质膜的干燥的发展，另外，还可以避免溢流的发生。结果，阳极4a、阴极4b和高分子电解质膜1的损坏和劣化可以被充分抑制，从而容易可靠地减少了电池(高分子电解质型燃料电池)11的电池性能劣化。

以下将参考附图4和5描述配置了第一增强构件12a的第一凹口部分Sa和配置了第二增强构件12b的第二凹口部分Sb的面积。

在本实施方式中，当假设图4所示的隔板5a的第一气流通道7a的总面积由图4中虚线所示的部分表示时(换句话说，即Sa所示部分和Ya所示部分的总和)，优选第一凹口部分(本实施方式中的第一增强构件12a)的面积与第一气流通道7a的总面积的比例Ra为5至50％。

同样，当假设图5所示的隔板5b的第二气流通道7b的总面积由图5中虚线所示的部分表示时(换句话说，即Sb所示部分和Yb所示部分的总和)，优选第二凹口部分(本实施方式中的第二增强构件12b)的面积与第二气流通道7b的总面积的比例Rb为5至50％。

选择上述范围可以使高分子电解质型燃料电池完全产生将燃料电池中的水分与氧化气体中的水分交换的能力。为保证供给的反应气体之间加湿状态的平衡和避免溢流的发生，Ra和Rb的比例达到50％就足够了。如果比例小于或等于50％，不会产生多余的Sa和Sb部分。因此，这样的范围是优选的。

在本实施方式中，因为阳极4a和阴极4b各自具有位置彼此相反的凹口部分(第一凹口部分9a和第二凹口部分9b)，优选上述Ra和Rb的值几乎相等。

如上所述，根据本实施方式的单元电池11具有下述结构：其中在第一气流通道7a和第二气流通道7b的上游部分的高分子电解质膜1上形成了裸露部分(换句话说，即第一和第二凹口部分)，并且具有透气性的第一和第二增强构件12a和12b可以插入到该裸露部分中，这样高分子电解质膜1被第一和第二增强构件12a和12b支撑。

这样使得燃料气体中的水分和氧化气体中的水分在第一和第二增强构件12a和12b的部分彼此处于平衡，即使供给到燃料电池中的燃料气体和氧化气体的加湿状态发生变化，因此阳极4a侧和阴极4b侧的加湿状态可以保持恒定。同时，阳极4a和阴极4b的加湿状态几乎一致，因而可以抑制高分子电解质膜1的损坏和劣化以及电池性能的劣化。

图4是包括用于将燃料气体供给到阳极4a和将燃料气体从阳极4a排出的第一气流通道的隔板5a的平面示意图。隔板5a配置有燃料气体进气口22、燃料气体出气口24、以及连接进气口22和出气口24的第一气流通道7a。

气流通道7a可以采取任何形式而没有特殊限制；但是，在本实施方式中，其是由多个直线形沟槽和将相邻的直线形沟槽的末端从上流侧到下流侧连接在一起的回形沟槽组成的蛇形气流通道。在这样的蛇形气流通道中，沟槽以规则间隔设置。

图5是包括用于将燃料气体供给到阴极4b和将燃料气体从阴极4b排出的第二气流通道7b的隔板4b的平面示意图。隔板5b配置有氧化气体进气口25、氧化气体出气口26、以及连接进气口25和出气口26的第二气流通道7b。

第二气流通道7b可以采取任何形式而没有特殊限制；但是，在本实施方式中，其是由多个直线形沟槽和将相邻的直线形沟槽的末端从上流侧到下流侧连接在一起的回形沟槽组成的蛇形气流通道。在这样的蛇形气流通道中，沟槽以规则间隔设置。

如上所述，因为当产生电时MEA 10产生热量，为将MEA 10的温度保持在可允许的操作温度下，隔板5a和5b分别在与其上形成有气流通道7a和7b的表面相反的表面上包括冷却水流道8a和8b，这样例如冷却水的冷却流体可以通过冷却水流道8a和8b进行循环。

因此，隔板5a和5b各自包括冷却水进水口21和冷却水出水口23，并且在图4所示的隔板5a的背侧和图5所示的隔板5b的背侧分别配置由连接冷却水进水口21和冷却水出水口23的沟槽组成的冷却水流道8a和8b。

冷却水流道8a和8b可以采取任何形式而没有特殊的限制；在本实施方式中，可以使用由多个直线形沟槽和将相邻的直线形沟槽的末端从上流侧到下流侧连接在一起的回形沟槽组成的蛇形冷却水通道。在这种蛇形冷却水流道中，沟槽以规则间隔设置。

因此，图4中所示的隔板5a的后侧，例如，可以具有与图5中所示的隔板5b表面相同的结构。相反，图5所示的隔板5b的后侧可以具有与图4中所示的隔板5a表面相同的结构。只要不破坏本发明的效果，这样的设计可以通过常规方法进行。

[第二实施方式]

以下将描述本发明的高分子电解质型燃料电池的第二实施方式。除根据第二实施方式的MEA结构与如图1所示安装在根据第一实施方式的高分子电解质型燃料电池中的单元电池11中的MEA 10不同之外，根据第二实施方式的高分子电解质型燃料电池的结构与第一实施方式的高分子电解质型燃料电池相同。

下面，将描述根据第二实施方式(本发明的MEA的第二实施方式)的单元电池11中包含的MEA 30。

图6是安装在根据本实施方式的电池11中的MEA 30的透视示意图。如图6所示，在根据本实施方式的MEA 30中，阳极34a和阴极34b在图6中的MEA的中间部分分别具有第一凹口部分和第二凹口部分(换句话说，图7和8中所示第一和第二气流通道7a和7b的中游部分)。

同时，气体扩散层33a的一部分和气体扩散层33b的一部分分别延伸至第一和第二凹口部分，从而分别形成第一和第二增强构件42a和42b。

图7是包括用于将燃料气体供给到阳极4a和将燃料气体从阳极4a排出的第一气流通道7a的根据本实施方式的隔板5a的平面示意图。图8是包括用于将氧化气体供给到阴极4b和将氧化气体从阴极4b排出的第二气流通道7b的根据本实施方式的隔板5b的平面示意图。图7和8分别与上述实施方式1中的图4和5对应。

根据本实施方式的单元电池11被构造为：当MEA 30被夹在隔板5a和5b中间时，在阳极34a侧上的隔板5a中，阳极34a位于被图7所示的虚线包绕的阴影部分Za中，而在阴极34b侧上的隔板5b中，阴极34b位于被图8所示的虚线包绕的阴影部分Zb中。

在图7和8中的Sa和Sb部分(即，第一和第二气流通道7a和7b的中游部分)，分别设置了第一增强构件42a和第二增强构件42b；因此，高分子电解质膜1被夹在隔板5a和5b之间，同时被第一增强构件42a和第二增强构件42b支撑。

如上所述，根据本实施方式的电池11具有下述结构：其中在第一气流通道7a和第二气流通道7b的中游部分的高分子电解质膜1上形成了裸露部分(换句话说，即第一和第二凹口部分)，并且具有透气性的第一和第二增强构件12a和12b可以插入至裸露部分中，这样高分子电解质膜1被隔板5a和5b支撑。

由于上述结构，根据本实施方式的高分子电解质型燃料电池可以利用浓度梯度作为驱动力(驱动源)使得燃料气体中的水分和氧化气体中的水分通过高分子电解质膜31从一侧移动至另一侧，即使供给到燃料电池中的燃料气体或氧化气体的加湿状态发生变化。因此，可以使阳极34a侧和阴极34b侧的加湿状态保持良好(可以保证催化剂层中的高分子电解质和高分子电解质膜中有良好的离子传导的状态)，同时，可以使两侧的加湿状态保持平衡，即保持供给的反应气体之间的加湿状态平衡。而且，与上述第一实施方式类似，由于上述说明(I)至(IV)所定义的结构(优选上述说明(I)至(V)所定义的结构，更优选上述说明(I)至(VI)所定义的结构)，根据本实施方式的高分子电解质型燃料电池可以充分避免催化剂层中的高分子电解质和高分子电解质膜的干燥的发展，另外还可以避免溢流的发生。结果，充分抑制阳极34a、阴极34b和高分子电解质膜31的损坏和劣化，从而容易可靠地减少了单元电池(高分子电解质型燃料电池)11的电池性能劣化。

这样使得燃料气体中的水分和氧化气体中的水分在第一和第二增强构件42a和42b的部分彼此处于平衡，即使供给到燃料电池中的燃料气体和氧化气体的加湿状态发生变化，因此阳极34a侧和阴极34b侧的加湿状态尽可能地保持恒定。

同时，阳极4a和阴极4b的加湿状态几乎一致，因此抑制了高分子电解质膜1的损坏和劣化以及电池性能的劣化。

在本实施方式中，在高分子电解质膜1的中部(中游部分)配置第一和第二增强构件42a和42b可以在阳极34a和阴极34b之间提供均匀平衡的水含量，以防止在上游部分生成水或消耗气体。此外，当阴极34b侧被生成的水过度加湿时，还可以使水从阳极34a侧迁移至阴极34b侧，从而更可靠地防止溢流。

因此，使得阳极34a和阴极34b的加湿状态几乎一致，从而充分抑制高分子电解质膜1的损坏和劣化以及电池性能的劣化。

当根据优选实施方式描述本发明时，应当理解本发明不限于这些

实施方式。

例如，在上述各实施方式中，已经描述了下述结构：其中，在阳极和阴极的上游部分配置了第一和第二凹口部分，气体扩散层延伸至第一和第二凹口部分并在那里形成第一和第二增强构件。但是，也可以使用其他具有透气性的增强构件(例如，金属筛网或树脂筛网)作为第一和第二增强构件。

此外，在本发明的高分子电解质型燃料电池中，在结构中配置增强构件的目的是通过将其插入到高分子电解质膜和每块凹口部分的隔板之间来支撑高分子电解质膜，只要不破坏本发明的效果，其大小或形状可以适当地设计。

例如，增强构件可以以这样的方式配置：使其充满整个凹口部分或着填充凹口部分的一部分。在后一种情况下，第一和第二增强构件应该满足的要求是分别至少要支撑高分子电解质膜1的一个点(优选多于一个点)。在这种情况下，第一和第二增强构件可以是从各隔板的内表面(主表面)延伸出来的柱状构件(由与隔板相同的材料制成并且被结合在隔板中的构件)。当增强构件是这样的柱状构件时，该构件本身并不具有透气性，因为它们是用与隔板相同的材料制成的。但是，在各凹口部分和各隔板之间具有不存在柱状构件的部分间隙(当存在多于一个的构件时，还包括柱状构件之间的间隙)，这些间隙可以充当透气空间。

此外，在上述各实施方式中，描述了下述结构：其中，第一和第二气流通道7a和7b以及冷却水流道8a和8b的形状是蛇形的。但是，只要不破坏本发明的效果，可以采用各种形状。

只要不破坏本发明的效果，构成第一和第二气流通道7a和7b以及冷却水流道8a和8b的沟槽之间的间距可以适当地设计。例如，沟槽可以以规则间隔而设置。

而且，在上述各实施方式中，从单元电池的方面描述了高分子电解质型燃料电池。但是，还可以使用通过下述方式制备的高分子电解质型燃料电池：通过堆叠多个(例如，10至200个)单元电池制备层积体；将层积体经集电板和绝缘板夹在一对端板中间；并且用固定螺栓和螺母将层积体、集电板、绝缘板和端板固定。

在上述各实施方式中，描述了下述结构：在阳极侧和阴极侧的隔板上都配置了冷却水流道。但是，也可以使用在阳极侧和阴极侧的隔板中的任一个上单独配置冷却水流道的结构。在使用多个单元电池作为层积体的情况下，也可以使用在阳极侧和阴极侧的隔板上不包括冷却水流道的电池。

还可以使用下述结构：其中，在单元电池之间不配置冷却水流道，而是例如在每两块单元电池之间配置冷却水流道。在这种情况下，可以使用在一侧包括燃料气流通道并且在另一侧包括氧化气流通道的单块隔板，其可以同时充当阳极侧隔板和阴极侧隔板。

此外，在上述各实施方式中，气体扩散电极可以具有由下述构件构成的结构：气体扩散层、催化剂层和配置在气体扩散层和催化剂层之间的其它层(例如下述结构：其还包括具有防水性和导电性、并且配置用以改进上述气体扩散层和催化剂层之间的粘附的层)。

在上述各实施方式中，描述了包括具有气体扩散层的气体扩散电极的高分子电解质型燃料电池。但是，本发明高分子电解质型燃料电池上的气体扩散电极不限于上述类型。只要不破坏本发明的效果也可以采用不具有气体扩散层的气体扩散电极(例如，由催化剂层制成的气体扩散电极)。

实施例

下面，将通过实施例更详细地描述本发明。但是应该理解本发明并不限于这些实施例。

《实施例1》

在本实施例中，制备了根据本发明第一实施方式的高分子电解质型燃料电池，即，具有图1所示结构的高分子电解质型燃料电池(单元电池)。

首先，将作为导电颗粒的乙炔黑(Denkablack，电气化学工业株式会社制造，粒径为35纳米)与聚四氟乙烯(PTFE)(D1，DAIKIN工业株式会社制造)的水分散体相混合，制备用于防水处理的墨水，其基于干重含有20重量％的PTFE。

上述用于防水处理的墨水被涂布和浸渍到作为构成气体扩散层的多孔衬底的复写纸(TGPH060H，东丽(Toray)工业株式会社制造)中，使用热风干燥机在300℃进行热处理以形成气体扩散层(大约200微米)。

然后，将作为导电碳颗粒的66重量份催化剂(其是通过将金属铂颗粒负载在Ketjen Black(Ketjen Black EC，Ketjen Black国际公司制造，粒度为30纳米)上而获得的)(Pt：50重量％)与33重量份(基于聚合物干重)的全氟碳磺酸离子交联聚合物(5重量％的Nafion分散体，Aldrich，U.S.公司制造)相混合，并且使所得到的混合物形成催化剂层(10至20微米厚)。

使用上述气体扩散层和催化剂层制备具有图1至3所示结构的MEA 10。各气体扩散层被切割成一定的形状，以便使其在图1所示的第一凹口部分9a或第二凹口部分9b中构成第一增强构件12a或第二增强构件12b。

使用如上所述形成的气体扩散层和催化剂层、由催化剂层2a和气体扩散层3a制成的阳极4a、由催化剂层2b和气体扩散层3b制成的阴极4b、以及分别由气体扩散层3a的一部分和气体扩散层3b的一部分制成的第一和第二增强构件12a和12b，在高分子电解质膜1(Nafion112膜，美国杜邦公司制造)的两侧连接在一起制备MEA 10。

在如上制备的MEA 10的高分子电解质膜1的各边缘上，加入板状橡胶垫片以使得其位于图4或5中所示隔板5a或5b中虚线所示的部分。同时，对应下述隔板5a和5b的燃料气体进气口22、燃料气体出气口24、氧化气体进气口25、氧化气体出气口26、冷却水进水口21和冷却水出水口23来打孔。

可以使用具有图4或5中所示结构的隔板作为隔板5a和5b，该隔板是通过下述方式得到的：在用酚醛树脂浸渍的石墨板上形成燃料气体进气口22、燃料气体出气口24、氧化气体进气口25、氧化气体出气口26、冷却水进水口21和冷却水出水口23，该石墨板的外侧尺寸为20厘米×32厘米×1.3毫米，并且具有由0.5毫米深的沟槽组成的气流通道7a和7b。在各隔板5a和5b的后侧，配置了具有与气流通道7a和7b相同的形状的冷却水流道。

根据本发明的第一实施方式，MEA 10被夹在隔板5a和5b之间并固定，从而制成高分子电解质型燃料电池(燃料电池1)。

《实施例2》

在本实施例中，假设使用具有图6所示结构的MEA 30，以与实施例1相同的方式制备根据本发明第二实施方式的高分子电解质型燃料电池(单元电池)。

将用与实施例1相同的方式制备的各气体扩散层切割成包括图6所示的第一增强构件42a或第二增强构件42b的具有一定形状的气体扩散层33a。使用由此制备的气体扩散层和上述催化剂层、由催化剂层32a和气体扩散层33a制成的阳极34a、由催化剂层32b和气体扩散层33b制成的阴极34b、以及分别由气体扩散层33a的一部分和气体扩散层33b的一部分制成的第一和第二增强构件42a和42b，在高分子电解质膜1(Nafion 112膜，美国杜邦公司制造)的两侧连接在一起制成MEA 30。

根据本发明的第二实施方式，MEA 30被夹在隔板5a和5b之间并固定，从而制成高分子电解质型燃料电池(燃料电池2)。

《对比例》

除了不配置第一和第二凹口部分9a和9b并且阴极和阳极分别覆盖了第一气流通道7a和第二气流通道7b的全部区域之外，以与实施例1相同的方式制备高分子电解质型燃料电池(燃料电池3)。

[评价试验1]

对如上制备的各燃料电池1至3进行运转试验。

将加湿的氢气作为燃料气体通过燃料气体进气口22供给到第一气流通道28中。所使用的加湿氢气的露点为70℃。将加湿的空气作为氧化气体通过氧化气体进气口25供给到第二气流通道29中。使用露点为40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃或90℃的加湿空气。燃料气体的总体温度为70℃，燃料利用率和氧利用率分别固定为70％和40％。

在上述条件下，测量各燃料电池1和3的电池电压(V)。在图9中，各燃料电池的测量值分别显示为p和q。以电池电压(V)作为纵坐标和氧化气体的露点(℃)作为横坐标作图。

如图9所示，显而易见的是，在各气流通道的上游部分配置了凹口部分的本发明的燃料电池1中，由于水分平衡效应，即使燃料气体和氧化气体之间的加湿程度不同，仍然抑制了电池性能的差异。

[评价试验2]

假设使用露点为85℃的空气，在上述相同条件下连续运转分别在各气流通道的中游部分配置凹口部分的本发明的燃料电池2和用于比较的未配置凹口部分的燃料电池3。结果如图10所示。

在燃料电池2中，显示了稳定的电池性能；而在燃料电池3中发生了溢流，并且电压不稳定。这是因为在燃料电池3中，在阴极侧发生了溢流，从而使电池性能不稳定；而在燃料电池2中，水迁移至阳极侧，从而抑制了溢流的发生。

工业实用性

如上所述，根据本发明能够提供具备下述性能的高分子电解质型燃料电池：维持阳极侧和阴极侧加湿状态的平衡，换句话说，维持供给的反应气体之间的加湿状态平衡；另外，即使供给到燃料电池中的燃料气体或氧化气体的加湿状态发生变化，仍能够避免溢流的发生，；充分地阻止阳极、阴极和高分子电解质膜的劣化和由此发生的交叉泄漏；从而容易可靠地减少电池性能的劣化。因此，本发明的高分子电解质型燃料电池适用于车辆或热电联产的燃料电池。

Claims (6)

1.一种高分子电解质型燃料电池，其包括至少包括以下组件的电池：

膜电极组件，其包括含有催化剂层的阳极、含有催化剂层的阴极、以及配置在阳极和阴极之间并且具有氢离子传导性的高分子电解质膜；和

一对导电隔板，其以下述方式配置：将所述膜电极组件夹在该导电隔板之间，所述导电隔板具有在面对阳极的主表面上形成的第一气流通道和在面对阴极的主表面上形成的第二气流通道，所述第一气流通道具有用于将燃料气体供给到阳极的燃料气体进口和用于将燃料气体从阳极排出的燃料气体出口，所述第二气流通道具有用于将氧化气体供给到阴极的氧化气体进口和用于将氧化气体从阴极排出的氧化气体出口，其特征在于：

所述电池以下述方式配置：所述一对隔板的面对阳极的主表面和面对阴极的主表面中任一个的法向与重力方向相交叉，所述燃料气体进口和所述氧化气体进口在该对隔板上彼此接近地形成，所述第一气流通道如下形成：使所述燃料气体整体不是逆着重力方向，而是沿着重力方向地流过所述第一气流通道，所述第二气流通道如下形成：使所述氧化气体整体不是逆着重力方向，而是沿着重力方向地流过所述第二气流通道，

所述膜电极组件的高分子电解质膜的面对阳极的主表面上形成有未形成催化剂层的第一凹口部分，所述膜电极组件的高分子电解质膜的面对阴极的主表面上形成有未形成催化剂层的第二凹口部分，所述第一和第二凹口部分在这样的位置上形成：当从所述高分子电解质膜的面对阳极的主表面和面对阴极的主表面中任一个的大致法向观察时，其至少部分重叠，

所述高分子电解质膜的第一凹口部分配置有具有透气性的第一增强构件，

所述高分子电解质膜的第二凹口部分配置有具有透气性的第二增强构件，并且

所述高分子电解质膜以下述方式被所述第一和第二凹口部分支撑：该方式是所述高分子电解质膜被夹在所述第一增强构件和第二增强构件之间。

2.根据权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于所述电池以下述方式配置：所述一对隔板的面对阳极的表面和面对阴极的表面中任一个的法向几乎与重力方向垂直相交。

3.根据权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于所述位置是所述第一气流通道和所述第二气流通道的上游部分，并且所述第一气流通道和所述第二气流通道以彼此平行的方式配置。

4.根据权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于所述位置是所述第一气流通道和所述第二气流通道的中游部分，并且所述第一气流通道和所述第二气流通道以彼此平行的方式配置。

5.根据权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于所述的阳极和阴极各自具有配置在所述催化剂层外的气体扩散层，并且

所述第一增强构件和所述第二增强构件由所述气体扩散层的一部分制成。

6.根据权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于所述第一凹口部分与所述第一气流通道总面积的比率和所述第二凹口部分与所述第二气流通道总面积的比率分别为5至50％。

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