[发明专利]燃料电池堆

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池堆，更具体地说，涉及取决于发电期 间的温度分布设计堆中燃料电池单元的氧化剂流路的排水能力和保水 性能的燃料电池堆。

背景技术

聚合物电解质燃料电池基本上包括具有质子传导性的聚 合物电解质膜和提供在该聚合物电解质膜的两个表面上的一对催化剂 层和电极。

催化剂层通常包括由铂或铂族金属催化剂制成的催化剂 层。气体扩散层提供在催化剂层的外部上，用于供给气体和收集电流。

将聚合物电解质膜和催化剂层集成一体的组件称为膜电 极组件(MEA)，并且将燃料(氢)供给电极之一和将氧化剂(氧)供 给另一个电极以在产生水的过程中进行发电。

被供给燃料的电极称作燃料电极，被供给氧化剂的电极称 作氧化剂电极。从位于两侧的电极取出电力。

虽然具有一个膜电极组件的燃料电池单元的理论电压是 大约1.23V，但存在在正常工作状态下以大约0.7V驱动燃料电池单 元的许多情形，并且将一部分反应能量转化成热。

因此，在要求更高活化电压的情形下，堆叠多个燃料电池 单元并且将各个燃料电池单元串联电连接并使用。

将这类堆叠结构称作燃料电池堆，并且在该堆中，通常氧 化剂流路和燃料路径被称作隔板的构件隔离。板状隔板中每一个配备 有凹部和凸部。将面对膜电极组件的凹部用作气体流路，并且将凸部 用作集流部。

在该燃料电池堆中，多个燃料电池单元同时发电，并且由 于该堆结构热辐射的比例取决于该堆的各个部分而改变。伴随发电产 生的热更可能滞留在堆叠方向上位于中央的燃料电池单元中，并且更 可能从位于两端的燃料电池单元释放。因此，在燃料电池堆的堆叠方 向上，将产生这样的温度分布，即温度在中央最高，温度在两端相对 较低。在该温度分布的存在下，燃料电池堆的各个燃料电池单元在不 同的温度条件下发电。

因此，可能产生以下不利情况。

首先，溢流现象更可能在堆叠方向上位于两端的燃料电池 单元中发生。该溢流现象是在氧化剂电极产生的水冷凝而降低氧化剂 电极中的气体扩散性能的现象，这使特性降低。当温度分布在堆中产 生时，因为水更可能在具有较低温度的燃料电池单元中冷凝，所以溢 流更可能在位于两端的燃料电池单元中发生。

另外，干透现象更可能在堆叠方向上位于中央部分的电池 单元发生。该干透现象是指聚合物电解质中的水含量随温度升高而降 低的现象，这提高电池单元中的内阻从而引起特性的降低。

干透现象可能在具有高温以致在氧化剂电极产生的水不 冷凝而蒸腾的位置发生。

为了消除由于该温度分布而引起的特性的不稳定性，日本 专利申请公开No.2005-340173提出了燃料电池堆，其中为燃料电池堆 的每个电池单元给予空气供给量的分布。

具体地说，将具有低温且位于两端的每个电池单元的隔板 中形成的氧化剂流路的截面积设置为最大。

借助于这种结构，供给的空气的吸入量在两端变大。因此， 即使当温度较低时，水也几乎不冷凝，以致在堆叠方向上溢流现象的 发生程度的变化降低。

另外，日本专利申请公开No.2004-311279提出了以下燃 料电池。该燃料电池的结构使得将燃料电池堆的两端的燃料电池单元 中的气体压力损失设定为小于其它燃料电池单元的气体压力损失，由 此能够抑制堆两端具有较低温度的燃料电池单元中产生的水的排水能 力的降低和其中涉及的不利情况例如阻塞气体流路。

然而，日本专利申请公开No.2005-340173和2004-311279 中公开的上述常规实例具有以下问题。

在具有日本专利申请公开No.2005-340173和 2004-311279中公开的结构的燃料电池堆中，为了排放产生的水和降 低温度变化，用鼓风机等的氧化剂流动是必要的。

更具体地说，必须设置辅助装置例如空气循环机构和鼓风 机，并且供给用于驱动该辅助装置的电力。

因此，例如，在燃料电池系统需要在尺寸上尽可能减小的 移动应用等中，已在尺寸和重量方面造成问题。

发明内容

本发明涉及燃料电池堆，其具有如下结构：该结构不需要 空气循环机构等，并且能够解决在自然扩散或最小氧化剂流动下由堆 叠方向上的温度分布引起的溢流和干透的结构。