专利名称：燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池、特别是气体流路的构成。
背景技术：
固体高分子型燃料电池，将由燃料电极和空气电极这两枚电极夹持由固体高分子膜构成的电解质膜的膜电极组件(膜电极接合体；MEA Membrane Electrode Assembly)进一步用两枚隔板夹持，以由此构成的单元电池为最小单位，重叠多个该单元电池作为燃料电池组得到了高输出功率。固体高分子型燃料电池的发电的结构是众所周知的，简单地说明，向燃料电极(阳极侧电极)供给作为燃料气体的例如氢气，向空气电极(阴极侧电极)供给作为氧化剂气体的例如空气。氢气通过燃料气体流路供给到阳极侧电极，通过电极的催化剂的作用被分解为电子和氢离子。电子通过外部电路移动到阴极侧电极。另一方面，氢离子通过电解质膜 到达阴极电极，与氧和通过外部电路而来的电子结合，变为反应水。通过氢与氧和电子的结合反应而产生的热被冷却水回收。在阴极电极侧生成的水(以下称为「生成水」)从阴极侧被排出。上述的燃料电池的阳极电极和阴极电极，分别包含催化剂层，在该催化剂层上层叠有分别用于扩散燃料气体、氧化剂气体的气体扩散层。然而，在通过上述的反应而产生的生成水的排出在阴极侧滞留的情况下，有时阴极电极产生闭塞现象(溢流！flooding)。因此，由包含碳纤维的层和抗水层(拨水层)构成气体扩散层，利用抗水层促进生成水的排水。也有时将膜电极组件(MEA)和气体扩散层成为一体的构成称为膜电极气体扩散层接合体(MEGA)。专利文献I曾公开了下述构成该构成是由发电部和隔板构成燃料电池单元电池，在隔板的表面形成气体流路，向燃料电极和氧电极供给反应气体的构成，其中，在隔板的背面形成液体通路，通过在液体通路中流动的温度调整水来夺取发电部的热。并且设为下述构成将流体通路的沟槽宽度设定得越往气体流路的下游侧越窄、越往上游侧越宽，越往气体下游侧越少、越往上游侧越多地夺取发电部的热，相对地提高气体下游侧的温度从而抑制发电部的溢流，相对地降低气体上游侧的温度从而抑制发电部的干涸(低湿度状态)。现有技术文献专利文献I :日本特开2008-140640号公报
发明内容
如果发生干涸，则电解质膜的质子传导性降低，发电效率降低，因此需要抑制气体上游侧的干涸。但是，在气体流路的上游侧相对地加宽液体通路的沟槽宽度的情况下，由于隔板表面的气体流路和隔板背面的沟槽存在表里的关系，因此用于排出生成水的流路反而变窄从而有排水性降低之虞。因此，在燃料电池中，希望获得在确保排水性抑制溢流的同时，能够切实地防止气体上游侧的干涸的结构。本发明是一种燃料电池，其特征在于，具备与阳极侧气体扩散层接触，向上述阳极侧气体扩散层供给燃料气体的阳极侧气体流路；和与阴极侧气体扩散层接触，向上述阴极侧气体扩散层供给氧化剂气体的阴极侧气体流路，上述阳极侧气体流路和上述阴极侧气体流路，是气体的流动方向相互反向的相对流路(对向流路)，构成上述阳极侧气体流路的金属构件与上述阳极侧气体扩散层的接触面积或接触率，被设定得从上述阳极侧气体流路的上游朝向下游变小，构成上述阴极侧气体流路的金属构件与上述阴极侧气体扩散层的接触面积或接触率，被设定得从上述阴极侧气体流路的上游朝向下游变小，在上述阴极侧气体流路的下游，构成上述阴极侧气体流路的 金属构件的接触面积或接触率，被设定得比构成上述阳极侧气体流路的金属构件的接触面积或接触率相对地小，在上述阴极侧气体流路的上游，构成上述阳极侧气体流路的金属构件的接触面积或接触率，被设定得比构成上述阴极侧气体流路的金属构件的接触面积或接触率相对地小。在本发明的一个实施方式中，至少构成上述阴极侧气体流路的金属构件是金属多孔体。另外，在本发明的另一实施方式中，构成上述阴极侧气体流路的金属构件和构成上述阳极侧气体流路的金属构件是金属多孔体。另外，在本发明的另一实施方式中，构成上述阴极侧气体流路的金属构件是金属多孔体，构成上述阳极侧气体流路的金属构件是加强筋。另外，在本发明的另一实施方式中，上述金属多孔体是多孔拉制金属网(多孔金属板、金属板网；expanded metal)。另外，在本发明的另一实施方式中，构成上述阴极侧气体流路的金属多孔体的接触面积或接触率，在上述阴极侧气体流路的上游、中游、下游这3个部分的每一个部分中为一定，并且下游被设定得比中游小，且中游被设定得比上游小。另外，在本发明的另一实施方式中，在阴极侧生成的水在上述阴极侧气体流路的下游从上述阴极侧气体流路向上述阳极侧气体流路移动，并且，在上述阳极侧气体流路的下游从上述阳极侧气体流路向上述阴极侧气体流路移动，在没有来自外部的加湿的无加湿状态下运行。根据本发明，在燃料电池中，可在确保排水性抑制溢流的同时抑制干涸。其结果，燃料电池的发电效率提高。
图I是第I实施方式的燃料电池单元电池的截面构成图。图2是表示在第I实施方式中的阳极侧气体流路和阴极侧气体流路的接触面积的变化的图。图3是多孔拉制金属网的外观立体图。
图4是表示在第I实施方式中的生成水的循环的说明图。图5是在第I实施方式中的多孔拉制金属网的流路说明图。图6是表示单元电池面内方向(平面方向；in-plane direction)的水分量分布的曲线图。图7是表示温度和单元电池电压的关系的曲线图。图8是表示在第2实施方式中的阳极侧气体流路和阴极侧气体流路的接触面积的变化的曲线图。图9是第3实施方式的燃料电池单元电池的截面构成图。 图10是表示在第3实施方式中的生成水的循环的说明图。
具体实施例方式以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。再者，以下的实施方式是单纯的例示，本发明不限定于以下的实施方式。I.基本原理首先，对于本实施方式的基本原理进行说明。在燃料电池中，与发电相伴产生热和生成水，在阴极侧产生了的生成水在阴极侧气体流路内被空气等的氧化剂气体推压出，从气体流路的上游侧向下游侧流动。因此，在气体上游侧容易变得干涸，在气体下游侧容易变得溢流。为了防止在气体上游侧的干涸，也考虑在将氧化剂气体利用加湿器等从外部加湿后向燃料电池单元电池供给，但由于额外需要加湿器，因此导致成本增加。因此，优选不进行加湿而可以抑制干涸，并且可以抑制溢流。因此，在本实施方式中，将阳极侧气体流路和阴极侧气体流路设定为流动的方向相互反向的相对流路，设定为隔着MEA，阳极侧气体流路的上游侧和阴极侧气体流路的下游侧相对，并且阳极侧气体流路的下游侧和阴极侧气体流路的上游侧相对。另外，在阳极侧气体流路的上游侧和阴极侧气体流路的下游侧隔着MEA而相对的区域，使阴极侧气体流路的下游侧的温度比阳极侧气体流路的上游侧的温度相对地高。另夕卜，在阳极侧气体流路的下游侧和阴极侧气体流路的上游侧隔着MEA而相对的区域，使阳极侧气体流路的下游侧的温度比阴极侧气体流路的上游侧的温度相对地高。在阴极侧气体流路中，生成水被空气等的氧化剂气体推压出而向下游侧流动，但由于阴极侧气体流路的下游侧的温度比阳极侧气体流路的上游侧的温度高，因此流动到阴极侧气体流路的下游侧的生成水，经由MEA向温度相对低的阴极侧气体流路的上游侧移动。并且，移动到阳极侧气体流路的上游侧的生成水，在阳极侧气体流路中被氢气等的燃料气体推压出而向阳极侧气体流路的下游侧流动。阳极侧气体流路的下游侧的温度比阴极侧气体流路的上游侧高，因此流动到阳极侧气体流路的下游侧的生成水，经由MEA向温度相对低的阴极侧气体流路的上游侧移动。作为结果，在阴极侧产生的生成水，按阴极侧气体流路的上游侧一阴极侧气体流路的下游侧一阳极侧气体流路的上游侧一阳极侧气体流路的下游侧一阴极侧气体流路的上游侧移动，在阴极侧气体流路内和阳极侧气体流路内循环，因此在阴极侧气体流路的下游侧的溢流被抑制，并且在阴极侧气体流路的上游侧的干涸被抑制。
为了在阳极侧气体流路的上游侧和阴极侧气体流路的下游侧相对的区域，使阴极侧气体流路的下游侧的温度比阳极侧气体流路的上游侧的温度相对地高，只要使阳极侧气体流路的上游侧的冷却性能(或者散热特性)比阴极侧气体流路的下游侧相对地大即可，具体地讲，由于冷却通过构成气体流路的金属构件和MEA的接触所引起的热传导产生，因此只要使阳极侧气体流路的上游侧的金属构件和MEA的接触面积(更特定的是金属构件和气体扩散层的接触面积)比阴极侧气体流路的下游侧相对地大即可。由此，在阳极侧气体流路的上游侧，更多的热被金属构件夺走，因此温度变得比阴极侧气体流路的下游侧相对地低。另外，为了在阳极侧气体流路的下游侧和阴极侧气体流路的上游侧相对的区域，使阳极侧气体流路的下游侧的温度比阴极侧气体流路的上游侧的温度相对地高，只要使阴极侧气体流路的上游侧的冷却性能(散热特性)比阳极侧气体流路的下游侧相对地大即可，具体地讲，只要使在阴极侧气体流路的上游侧的金属构件和MEA的接触面积比阳极侧气体流路的下游侧相对地大即可。
由此，在阴极侧气体流路的上游侧，更多的热被金属构件夺走，因此温度变得比阳极侧气体流路的下游侧相对地低。着眼于阴极侧气体流路，在阴极侧气体流路的上游侧增大冷却性能，在阴极侧气体流路的下游侧减小冷却性能，因此在阴极侧气体流路中，冷却性能从上游朝向下游变小。换句话说，在阴极侧气体流路中，从上游向下游构成阴极侧气体流路的金属构件与阴极侧气体扩散层的接触面积变小。另外，着眼于阳极侧气体流路，在阳极侧气体流路的上游侧增大冷却性能，在阳极侧气体流路的下游侧减小冷却性能，因此在阳极侧气体流路中，冷却性能从上游向下游变小。换句话说，在阳极侧气体流路中，从上游向下游构成阳极侧气体流路的金属构件与阳极侧气体扩散层的接触面积变小。根据以上那样的原理，使生成水在反应气体流路内循环，溢流和干涸同时得到抑制。并且，在本实施方式中，由于使生成水循环从而抑制干涸，因此不需要反应气体的加湿，可谋求成本降低。接着，对于本实施方式更具体地说明。2.第I实施方式图I表示在本实施方式中的燃料电池单元电池的截面构成图。燃料电池单元电池包含由燃料电极和空气电极这两枚电极夹持由固体高分子膜构成的电解质膜的膜电极组件(MEA) 10 ;阳极侧气体扩散层12 ;阴极侧气体扩散层14 ;与阳极侧气体扩散层12接触地形成的阳极侧气体流路16 ;与阴极侧气体扩散层14接触地形成的阴极侧气体流路18 ;和隔板20、22，从而构成。阳极侧气体流路16和阴极侧气体流路18都由作为金属构件的多孔拉制金属网构成，向阳极侧气体流路16供给氢气作为燃料气体，向阴极侧气体流路18供给空气作为氧化剂气体。阳极侧气体流路16和阴极侧气体流路18是相互相对的流路。即，在阳极侧气体流路16中的氢气的流路和在阴极侧气体流路18中的空气的流路相互反向。例如，如图所示，在阳极侧气体流路16中，氢气从图中的左方向右方流动，另一方面，在阴极侧气体流路18中，空气从图中的右方向左方流动。由于两个流路相互相对，因此阳极侧气体流路16的上游，隔着MEAlO而与阴极侧气体流路18的下游相对，阳极侧气体流路16的下游，隔着MEAlO而与阴极侧气体流路18的上游相对。依照图进行说明，图中A区域相当于阳极侧气体流路16的上游和阴极侧气体流路18的下游，图中B区域相当于阳极侧气体流路16的下游和阴极侧气体流路18的上游。如上述那样，氢气通过阳极侧气体流路16向阳极侧电极供给，通过电极的催化作用被分解为电子和氢离子。电子通过外部电路向阴极侧电极移动。另一方面，氢离子通过MEAlO到达阴极电极，与空气中所含有的氧和通过外部电路而来的电子结合，变为反应水。生成水通过空气流路被推压出，从空气流路的上游侧向下游侧流动。因此，在阴极侧流路18的上游侧容易变得干涸，在阴极侧气体流路18的下游侧容易变得溢流。因此，在本实施方式中，着眼于构成阴极侧气体流路18的多孔拉制金属网与阴极侧气体扩散层14接触的接触面积，使阴极侧气体流路18的下游侧的接触面积比上游侧的接触面积相对地小。另外，同时，着眼于构成阳极侧气体流路16的多孔拉制金属网与阳极侧气体扩散 层12接触的接触面积，使阳极侧气体流路16的下游侧的接触面积比上游侧的接触面积相对地小。图2表示在本实施方式中的构成阴极侧气体流路18的多孔拉制金属网与阴极侧气体扩散层14的接触面积的单元电池面内方向的变化、和构成阳极侧气体流路16的多孔拉制金属网与阳极侧气体扩散层12的接触面积的单元电池面内方向的变化。在图中，将构成阴极侧气体流路18的多孔拉制金属网的接触面积的变化用实线100表示，将构成阳极侧气体流路16的多孔拉制金属网的接触面积的变化用单点划线200表示。构成阴极侧气体流路18的多孔拉制金属网的接触面积，以相对于单元电池面内方向从阴极侧气体流路18的上游朝向下游连续地变小的方式变化。在图中，构成阴极侧气体流路18的多孔拉制金属网的接触面积，从图中的右(上游)向左(下游)线性地减少。另外，构成阳极侧气体流路16的多孔拉制金属网的接触面积，以从阳极侧气体流路16的上游朝向下游连续地变小的方式变化。在图中，构成阳极侧气体流路16的多孔拉制金属网的接触面积从图中的左(上游)向右(下游)线性地减少。这样，构成阴极侧气体流路18的多孔拉制金属网的接触面积，在阴极侧气体流路18的下游侧相对地小，另一方面，构成阳极侧气体流路16的多孔拉制金属网的接触面积，在阳极侧气体流路16的上游侧相对地大，因此构成阴极侧气体流路18的多孔拉制金属网的接触面积，比构成阳极侧气体流路16的多孔拉制金属网的接触面积相对地小。同样，构成阴极侧气体流路18的多孔拉制金属网的接触面积，在阴极侧气体流路18的上游侧相对地大，另一方面，构成阳极侧气体流路16的多孔拉制金属网的接触面积，在阳极侧气体流路16的下游侧相对地小，因此构成阳极侧气体流路16的多孔拉制金属网的接触面积，比构成阴极侧气体流路18的多孔拉制金属网的接触面积相对地小。图3表示构成阴极侧气体流路18以及阳极侧气体流路16的多孔拉制金属网的立体图。多孔拉制金属网一般被用作为构成燃料电池单元电池的气体流路的构件，是通过对平板状的薄壁金属板，依次加工出交错配置的切缝的同时，将所加工出的切缝进行推挤拉伸扩张，从而形成网状的小孔径的贯通孔，再进行轧制加工而形成为大致平板状的金属板网。多孔拉制金属网的制造方法是公知的，简单地说明，将平板材料以规定的节距宽度送入具备下刀和上刀的模具，利用上刀的梯形的凸部和下刀的梯形的凹部来将平板材料以一定间隔部分性地剪断。然后，通过每当上刀上升，向规定的进给方向转移上刀和下刀，呈交错状地形成一个个梯形的台阶，形成具有台阶状的网孔的切条金属(lath-cutmetal)。进而，利用轧辊轧制具有台阶状的网孔的切条金属，制造出大致平板的多孔拉制金属网。多孔拉制金属网具有结合部(bond portions) BO和将结合部BO相互连结的绞合部(strand portions) ST,还形成有与气体扩散层12 (或者14)的接触面Cs。在本实施方式中，多孔拉制金属网中的接触面Cs不相同，在气体流路的上游和下游相对地变化。再次回到图2，如果多孔拉制金属网的接触面积这样地变化，则与之相伴，气体流路的冷却性能会产生相对的差别。即，构成阴极侧气体流路18以及阳极侧气体流路16的多孔拉制金属网具有夺取因发电而生成的热的功能，因此多孔拉制金属网的接触面积对其 冷却功能给予直接影响，如果多孔拉制金属网的接触面积相对地大，则其冷却功能也相对变大。在阴极侧气体流路的下游侧(图1、2的A区域)，构成阴极侧气体流路18的多孔拉制金属网的接触面积比构成阳极侧气体流路16的多孔拉制金属网的接触面积相对地小，因此阴极侧气体流路18的下游，与阳极侧气体流路16的上游相比，冷却性能相对地小。因此，在阴极侧气体流路18的下游，阴极侧气体流路18的下游与阳极侧气体流路16的上游相比温度相对地高。另一方面，在阴极侧气体流路的上游(图I、2的B区域)，构成阴极侧气体流路18的多孔拉制金属网的接触面积，比构成阳极侧气体流路16的多孔拉制金属网的接触面积相对地大，因此冷却性能较大。因此，阳极侧气体流路16的下游，与阴极侧气体流路18的下游相比，温度相对地高。如果产生这样的相对温度差、即温度梯度，则产生生成水的循环。图4模式地表示本实施方式中的生成水的流动。与发电反应相伴在阴极侧产生的生成水，被在阴极侧气体流路18中流动的空气推压出，向阴极侧气体流路18的下游侧(图中的A区域)流动。阴极侧气体流路18的下游侧，温度比阳极侧气体流路16的上游侧相对地高，因此由于该温度梯度，生成水经由MEA10从阴极侧向阳极侧移动。在图中，箭头50表示生成水从阴极侧向阳极侧的移动。移动到阳极侧的生成水，被在阳极侧气体流路16中流动的氢气推压出，向阳极侧气体流路的下游侧、即阴极侧气体流路的上游侧(图中的B区域)流动。阴极侧气体流路18的上游侧，温度比阳极侧气体流路16的下游侧相对地低，因此由于该温度梯度，生成水经由MEA10从阳极侧向阴极侧移动。在图中，箭头60表示生成水从阳极侧向阴极侧的移动。如以上那样，生成水以阴极侧气体流路18的上游侧一阴极侧气体流路18的下游侧一阳极侧气体流路16的上游侧一阳极侧气体流路16的下游侧一阴极侧气体流路18的上游侧移动，生成水向阴极侧气体流路18循环供给，因此阴极侧气体流路18的下游侧的溢流被抑制，并且阴极侧气体流路18的上游的干涸被抑制。再者，并不是生成水的全部被循环，其一部分从阴极侧被排出到外部。在本实施方式中，通过改变多孔拉制金属网的接触面积来在阴极侧和阳极侧之间形成相对的温度梯度，由此使生成水移动，但由于是在多孔拉制金属网中，气体流路和排水用的流路相互分离，在多孔拉制金属网和隔板20、22的界面水流动的构成，因此即使如本实施方式那样增大多孔拉制金属网和气体扩散层12、14的接触面积，也可确保气体流路和水的流路，因此不会发生由气体流路和/或排水流路的狭窄引起的发电性能的降低。图5模式地表示与多孔拉制金属网的接触面积的变化相伴的气体流路和排水流路的变化。图5 (A)表示阴极侧气体流路18和阳极侧气体流路16的多孔拉制金属网的接触面积为某一值的情况，图5 (B)表示增大了阴极侧气体流路18的多孔拉制金属网的接触面积的情况。利用多孔拉制金属网分离形成气体流路70和排水流路80，在多孔拉制金属网和隔板20、22的亲水/亲水界面积存水并形成排水流路80。可了解到即使增大多孔拉制金属网的接触面积使冷却性能提高，也可确保气体流路70、排水流路80都不狭窄。图6表示本实施方式中的单元电池面内方向的水分量分布。在图中，实线300表示本实施方式中的水分量分布。虚线400表示为了比较，构成阴极侧气体流路18和阳极侧气体流路16的多孔拉制金属网的接触面积为一定的情况的水分量分布。在接触面积为一定的情况下，在阴极侧气体流路18的上游侧(图中的B区域)水分量急剧减少，发生了干涸。 另外，相对地，阴极侧气体流路的下游侧与上游侧相比水分量相对地多。与此相对，在本实施方式中，在阴极侧气体流路18的下游侧，水分从阴极侧向阳极侧移动，因此与比较例相比水分量相对地降低。另外，在阴极侧气体流路18的上游侧，水分从阳极侧向阴极侧移动，因此与比较例相比水分量相对地增大。因此，在本实施方式中，阴极侧气体流路18的上游侧和下游侧的水分量的偏差变少。从该图6中可了解到在本实施方式中，阴极侧气体流路18的下游侧的溢流和上游侧的干涸都被抑制。图7表示本实施方式中的单元电池温度和单元电池电压(输出电压)的关系。在图中，实线500表示本实施方式中的单元电池电压的变化。虚线600表示为了比较，构成阴极侧气体流路18和阳极侧气体流路16的多孔拉制金属网的接触面积为一定的情况的单元电池电压的变化。在接触面积为一定的情况下，如果温度增大到90度附近，则电解质膜的质子传导性因干涸的影响而降低，发电效率降低，因此单元电池电压也降低。与此相对，在本实施方式中，由于干涸被抑制，因此即使单元电池温度变高也可抑制发电效率的降低，单元电池电压被维持为大致一定。3.第2实施方式在第I实施方式中，如图2所示，使构成阴极侧气体流路18和阳极侧气体流路16的多孔拉制金属网的接触面积线性地变化，但多孔拉制金属网的接触面积也可以非线性地变化，或者阶梯状(台阶状)地变化。图8表示本实施方式中的单元电池面内方向的多孔拉制金属网的接触面积变化。实线100是构成阴极侧气体流路18的多孔拉制金属网的接触面积变化，从阴极侧气体流路18的下游侧朝向上游侧，接触面积阶梯状地增大。即，将阴极侧气体流路18分割为下游区域、中游区域、上游区域这3个区域，在分割了的各个区域中，将接触面积设为一定值，并且设定为下游区域的接触面积IOOa <中游区域的接触面积IOOb <上游区域的接触面积IOOc0另外，虚线200是构成阳极侧气体流路16的多孔拉制金属网的接触面积变化，从阴极侧气体流路18的下游侧朝向上游侧(也就是说，从阳极侧流路16的上游侧朝向下游侧)，接触面积阶梯状地减少。即，将阳极侧气体流路分割为下游区域、中游区域、上游区域这3个区域，在分割了的各个区域中，将接触面积设为一定值，并且设定为下游区域的接触面积200a >中游区域的接触面积200b >上游区域的接触面积200c。在本实施方式中，在阴极侧气体流路18的下游，阳极侧气体流路16与阴极侧气体流路18相比，多孔拉制金属网的接触面积相对地变大，起因于该接触面积的相对的大小关系，阴极侧气体流路18与阳极侧气体流路16相比，温度相对地变高。因此，被推压出到阴极侧气体流路18的下游侧的生成水，由于该温度梯度，经由MEAlO向阳极侧移动。另外，在阴极侧气体流路18的上游，阴极侧气体流路18与阳极侧气体流路16相t匕，多孔拉制金属网的接触面积相对地变大，起因于该接触面积的相对的大小关系，阳极侧气体流路16与阴极侧气体流路18相比，温度相对地变高。因此，被推压出到阳极侧气体流路16的下游侧的生成水，由于该温度梯度，经由MEAlO向阴极侧移动。如以上那样，生成水向阴极侧气体流路18的上游循环，阴极侧气体流路18的下游侧的溢流被抑制，并且阴极侧气体流路16的上游的干涸被抑制。
4.第3实施方式在上述第I实施方式中，阴极侧气体流路18和阳极侧气体流路16全都由多孔拉制金属网构成，但考虑到排水性成为问题的是阴极侧，由多孔拉制金属网构成阴极侧气体流路18，而另一方面，阳极侧除了多孔拉制金属网以外，也可以由例如形成于隔板20的表面的凹凸或沟槽构成。图9表示本实施方式中的燃料电池单元电池的截面构成。燃料电池单元电池包含由燃料电极和空气电极这两枚电极夹持由固体高分子膜构成的电解质膜的膜电极组件(MEA)IO ;阳极侧气体扩散层12 ;阴极侧气体扩散层14 ;阳极侧气体流路17 ;阴极侧气体流路18 ;和隔板20、22，从而构成。阴极侧气体流路18由多孔拉制金属网构成。另外，阳极侧气体流路17由形成于隔板20的表面的凹凸或沟槽构成。沟槽的凸部，与阳极侧气体扩散层12抵接，对MEAlO或阳极侧气体扩散层来说，作为加强筋发挥功能。因此，以下将构成阳极侧气体流路17的构件适当称为加强筋。向阴极侧气体流路18供给空气作为氧化剂气体。另外，向阳极侧气体流路17供给氢气作为燃料气体。阴极侧气体流路18 (空气流路)和阳极侧气体流路17 (氢气流路)相互相对。即，空气流路和氢气流路相互反向，空气流路的上游对应于氢气流路的下游，空气流路的下游对应于氢气流路的上游。构成阴极侧气体流路18的多孔拉制金属网与阴极侧气体扩散层14的接触面积，上游侧比下游侧相对地大。另一方面，构成阳极侧气体流路17的加强筋的接触面积，上游侧比下游侧相对地大。阳极侧气体流路17的上游对应于阴极侧气体流路18的下游，阳极侧气体流路17的下游对应于阴极侧气体流路18的上游，因此以阴极侧气体流路18的流向为基准，加强筋的接触面积，下游侧比上游侧相对地大。构成阳极侧气体流路17的加强筋，作为冷却面发挥功能，因此其接触面积越大冷却性能就越大。因此，在图中A区域所示的阴极侧气体流路18的下游侧，阳极侧气体流路17的加强筋的接触面积比阴极侧气体流路18的多孔拉制金属网的接触面积相对地大，阴极侧气体流路18与阳极侧气体流路17相比，温度相对地高。另外，在图中B区域所示的阴极侧气体流路17的上游侧，阴极侧气体流路18的多孔拉制金属网的接触面积比阳极侧气体流路17的加强筋的接触面积相对地大，阳极侧气体流路17与阴极侧气体流路18相比，温度相对地高。这样，在阴极侧气体流路18和阳极侧气体流路17之间产生温度梯度，因此如图10所示，在图中A区域所示的阴极侧气体流路18的下游侧，生成水从阴极侧气体流路18的下游侧经由MEAlO向阳极侧气体流路17的上游侧移动(箭头50)。另外，在图中B区域所示的阴极侧气体流路18的上游侧，生成水从阳极侧气体流路17的下游侧经由MEAlO向阴极侧气体流路18的上游侧移动(箭头60)。因此，根据本实施方式，与发电反应相伴在阴极侧产生的生成水，按阴极侧气体流路18的上游侧一阴极侧气体流路18的下游侧一阳极侧气体流路17的上游侧一阳极侧气体流路17的下游侧一阴极侧气体流路18的上游侧移动，生成水向阴极侧气体流路18循环供给，因此阴极侧气体流路18的下游侧的溢流被抑制，并且阴极侧气体流路18的上游的干 涸被抑制。再者，如果增大构成阳极侧气体流路17的加强筋的接触面积，则加强筋宽度相应地变宽，有排水性能降低之虞，但由于是阳极侧因此不成问题。5.变形例以上，对于本发明的实施方式进行了说明，但本发明除此以外可以进行各种变形。例如，在第I和第2实施方式中，阴极侧气体流路18和阳极侧气体流路16全都由多孔拉制金属网构成，在第3实施方式中，由多孔拉制金属网构成阴极侧气体流路18，由凹凸或沟槽构成阳极侧气体流路，但也可以在将阴极侧气体流路和阳极侧气体流路设为相对流路的同时，阴极侧气体流路和阳极侧气体流路全都由凹凸或沟槽构成。在该情况下，改变各个流路的加强筋的接触面积从而形成温度梯度是不用说的。另外，在本实施方式中，改变了多孔拉制金属网的接触面积或加强筋的接触面积，但也可以不改变接触面积而改变接触率。在此，所谓接触率，是构成气体流路的多孔拉制金属网或凹凸与气体扩散层的界面的表面积之中，与气体扩散层接触的面积的比例。在本实施方式中，可以说利用阴极侧气体流路18和阳极侧气体流路16 (或者17)之间的接触率之差来形成温度梯度，使生成水移动。阴极侧气体流路18和阳极侧气体流路16 (或者17)之间的接触率，例如在图I的A区域中，为阴极侧气体流路18 =8^10%,阳极侧气体流路16 :15 20%左右即可。接触率之差优选为7%以上，但并不一定限定于此。本申请的申请人确认出如果在阳极侧气体流路18和阴极侧气体流路16 (或者17)之间具有至少1%的接触率之差，则生成水经由MEAlO向相对流路移动。另外，在本实施方式中，作为构成阴极侧气体流路18的构件例示了多孔拉制金属网，但并不限定于此，可以使用多孔拉制金属网以外的金属构件，可以进一步特定地使用金属多孔体。另外，在本实施方式中，使生成水在相对流路内循环，向阴极侧气体流路的上游供给，因此可以实现高温无加湿运行，但根据需要也可以进行加湿运行是不用说的，并不排除加湿运行。但是，通过无加湿运行不需要加湿设备，因此成本相应地降低，特别适合于量产化。此外，本实施方式的燃料电池，能够搭载于电动汽车和燃料电池汽车等的车辆上，但并不一定限定于车辆用。附图标记说明10·· .MEA;12...阳极侧气体扩散层；14...阴极侧气体扩散层；
16、17...阳极侧气体流路;18...阴极侧气体流路；20,22...隔板。
权利要求
1.一种燃料电池，其特征在于，具备 与阳极侧气体扩散层接触，向所述阳极侧气体扩散层供给燃料气体的阳极侧气体流路；和 与阴极侧气体扩散层接触，向所述阴极侧气体扩散层供给氧化剂气体的阴极侧气体流路， 所述阳极侧气体流路和所述阴极侧气体流路是气体的流动方向相互反向的相对流路， 构成所述阳极侧气体流路的金属构件与所述阳极侧气体扩散层的接触面积或接触率，被设定得从所述阳极侧气体流路的上游朝向下游变小， 构成所述阴极侧气体流路的金属构件与所述阴极侧气体扩散层的接触面积或接触率，被设定得从所述阴极侧气体流路的上游朝向下游变小， 在所述阴极侧气体流路的下游，构成所述阴极侧气体流路的金属构件的接触面积或接触率，被设定得比构成所述阳极侧气体流路的金属构件的接触面积或接触率相对地小， 在所述阴极侧气体流路的上游，构成所述阳极侧气体流路的金属构件的接触面积或接触率，被设定得比构成所述阴极侧气体流路的金属构件的接触面积或接触率相对地小。
2.根据权利要求I所述的燃料电池，其特征在于，至少构成所述阴极侧气体流路的金属构件是金属多孔体。
3.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，构成所述阴极侧气体流路的金属构件和构成所述阳极侧气体流路的金属构件是金属多孔体。
4.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于， 构成所述阴极侧气体流路的金属构件是金属多孔体， 构成所述阳极侧气体流路的金属构件是加强筋。
5.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，所述金属多孔体是多孔拉制金属网。
6.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于，构成所述阴极侧气体流路的金属多孔体的接触面积或接触率，在所述阴极侧气体流路的上游、中游、下游这3个部分的每一个部分中为一定，并且下游被设定得比中游小，且中游被设定得比上游小。
7.根据权利要求1飞的任一项所述的燃料电池，其特征在于，在阴极侧生成的水在所述阴极侧气体流路的下游从所述阴极侧气体流路向所述阳极侧气体流路移动，并且，在所述阳极侧气体流路的下游从所述阳极侧气体流路向所述阴极侧气体流路移动，在没有来自外部的加湿的无加湿状态下运行。
全文摘要
一种燃料电池单元电池，具备MEA(10)、阳极侧气体扩散层(12)、阴极侧气体扩散层(14)、阳极侧气体流路(16)、阴极侧气体流路(18)和隔板(20)、(22)。阳极侧气体流路(16)和阴极侧气体流路(18)是相对流路，并且构成气体流路的多孔拉制金属网等的金属多孔体与气体扩散层的接触面积或接触率，被设定得从气体流路的上游朝向下游变小。通过接触面积或接触率的不同，在阳极侧气体流路(16)和阴极侧气体流路(18)之间产生生成水的移动。
文档编号H01M8/02GK102782918SQ20118001102
公开日2012年11月14日 申请日期2011年2月21日 优先权日2011年2月21日
发明者石川裕司 申请人:丰田自动车株式会社