[发明专利]高分子电解质型燃料电池的运转方法

说明书

技术领域

本发明涉及便携式电源、电动汽车用电源及家用供电及供暖系统等使用的常温工作型高分子电解质型燃料电池。

背景技术

高分子电解质型燃料电池通过使含有氢的燃气与空气等含有氧的氧化剂气体进行电化学反应而同时产生电与热。该燃料电池用以下方法制成。首先，在能选择性地输送氢离子的高分子电解质膜的两面，形成以加载了铂系金属催化剂的碳粉为主要成分的催化剂反应层。接着，在各催化剂化应层的外表面形成兼具能使燃气或氧化剂气体透过的性能和电子导电性的扩散层。催化剂反应层与该扩散层形成一体，起电极的功能。下面，将电极与电解质膜的接合体称为MEA(Membrane Electrolyte Assembly)。

接着，在电极周围配置垫密片，在电极与垫密片之间夹入高分子电解质膜，以防止供给的气体从燃料电池漏出或燃气与氧化剂气体互相混合。有时，也将该垫密片预先与电极及高分子电解质膜形成一体，将该一体化的组件称为MEA。

再在MEA的外侧配置导电性隔板，以使MEA机械固定并将相接的MEA互相电串联。在隔板的与MEA接触的部分，形成气流通路，以向电极面供给反应气体，并将生成的气体及多元气体运出。气流通路也可以与隔板分开另外设置，但一般是在隔板表面形成沟槽，作为气流通路。

通常，实际使用燃料电池时，采用将上述单格电池多个重叠的层叠结构。燃料电池工作时会产生电并发热，但在上述层叠结构中，在每1～2个单格电池中设置冷却板，以使电池温度保持稳定，并可使产生的热能以温水等形式加以利用。冷却板一般采用使冷却水等传热介质在薄的金属板内部贯流的结构。另外，也有在构成单格电池的隔板背面(即，欲放流冷却水的表面)形成流路、使隔板也能起到冷却板功能的结构。这时，需要将冷却水等传热介质密封的O形密封圈及垫密片等。在该密封方法中，需要将O形密封圈等完全压扁，以确保冷却板的上下之间有足够的导电性。

另外，在这样的层叠电池中，需要有向各单格电池进排燃气的称为歧管(manifold)的孔。该歧管一般是确保层叠电池内部有冷却水供给排出孔的所谓内部歧管型。

无论是采用内部歧管型，还是采用外部歧管型，都需要将包含冷却板的多个单格电池在一个方向上层叠，在所得层叠电池的两端配置一对端板，再从该两块端板的外侧用紧固杆将层叠电池压缩及固定。紧固时，最好将单格电池尽可能均匀地紧固在面内。另外，从机械强度的角度看，端板及紧固杆通常用不锈钢等金属材料制成。将这些端板、紧固杆和层叠电池用绝缘板进行电绝缘，在该结构中，电流不会通过端板向外泄漏。对于紧固杆，其他方法是，使其隔板内部的通孔中通过，或用金属带将包括端板的整个层叠电池紧固。

上述高分子电解质型燃料电池由于其电解质膜是以含有水分的状态发挥电解质功能的，因此，需要将供给的燃气及氧化剂气体加湿后供入。另外，高分子电解质膜至少在100℃以内的温度范围具有以下效果：含水率越高，则离子传导率越大，电池内阻下降，越能发挥出高性能。因此，为了提高电解质膜中的含水率，需要大大提高供给的气体的湿度后再供入。

但是，在电池工作温度，供入湿度过高的气体，则电池内部会产生露水，水滴将影响气体顺畅地供给。另一个问题是，在供入氧化剂气体的电极(空气极)一侧，由于发电而生成水，使得生成水的去除效率下降，并导致电池性能下降。为此，通常调制露点略低于电池工作温度的加湿气体，供给电池内部。

通常的气体加湿方法有：将气体通入保持在一定温度的去离子水中进行加湿的起泡加湿法和使保持在一定温度的去离子水在电解质膜等水分可容易流动的膜的一个面上流动、使气体在另一个面上流动进行加湿的膜加湿法。在用将甲醇或甲烷等化石燃料经水蒸气改性的气体作为燃气时，由于改性气体中含有水蒸气，因此，有时无需加湿。

加湿的燃气及氧化剂气体被供入高分子电解质型燃料电池，供其发电。这时，在层叠电池中的任意单格电池的同一面内产生电流密度分布。