專利名稱：燃料電池堆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括多個(gè)堆疊的單元電池的燃料電池堆。
背景技術(shù)：
為了改善聚合物電解質(zhì)燃料電池的性能，重要的是使各單元電池的表面上的電流密度分布平均并且減小單元電池之間的電壓差。
在由日本專利局于1997年公布的JP9-50817A中，使燃料氣體側(cè)的隔板的肋寬度在燃料氣體的下游側(cè)較窄，以使各單元電池的表面上的電流密度分布平均。
此外，考慮到在使用氧的氧化劑氣體側(cè)氣體擴(kuò)散比使用氫的燃料氣體側(cè)差，在由日本專利局于1996年公布的JP8-203546A中，使氧化劑氣體側(cè)的隔板的肋寬度比燃料氣體側(cè)的肋寬度窄。

發(fā)明內(nèi)容
然而，在上述現(xiàn)有技術(shù)中，盡管由在燃料氣體側(cè)流入隔板中的燃料氣體的上游和下游側(cè)的氫氣濃度差引起的電流密度的不規(guī)則被平均，但在電池表面上由伴隨溫度差出現(xiàn)的質(zhì)量流量分配引起的電流密度的不規(guī)則未被平均。在電池表面的高溫區(qū)中，供給氣體體積增大導(dǎo)致質(zhì)量流量減小，因此，作為不足的氣體擴(kuò)散或氣體濃度差的結(jié)果，電流密度下降。
而且，在包括多個(gè)堆疊的單元電池的燃料電池堆中，由于在單元電池的堆疊方向上溫度的不規(guī)則，質(zhì)量流量差異出現(xiàn)在單元電池之中，導(dǎo)致單元電池之中的電壓差。
因此，本發(fā)明的目的在于抑制燃料電池堆的內(nèi)部中由高溫區(qū)中的反應(yīng)氣體的質(zhì)量流量下降引起的電流密度的減小，從而防止燃料電池性能的劣化。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種包括多個(gè)堆疊的單元電池的燃料電池堆，其中，每個(gè)單元電池包括膜電極組件，在該膜電極組件中氣體擴(kuò)散電極布置在聚合物電解質(zhì)膜的每一側(cè)；以及隔板，其包括接觸膜電極組件以實(shí)現(xiàn)電流收集功能的多個(gè)肋和形成在肋之間用于向氣體擴(kuò)散電極供給氣體的多個(gè)氣體通路，該燃料電池堆包括在其內(nèi)部的第一區(qū)和第二區(qū)，該第一區(qū)具有比該第二區(qū)高的溫度，并且氣體通路、肋、以及氣體擴(kuò)散電極中的至少一個(gè)構(gòu)造成使通過(guò)鄰近第一區(qū)的氣體擴(kuò)散電極的氣體擴(kuò)散改善至超過(guò)通過(guò)鄰近第二區(qū)的氣體擴(kuò)散電極的氣體擴(kuò)散。
本發(fā)明的細(xì)節(jié)以及其它特征和優(yōu)點(diǎn)在說(shuō)明書(shū)的其余部分中闡明，并示出在附圖中。


圖1A是本發(fā)明的燃料電池堆中的單元電池的示意圖。
圖1B是在單元電池中使用的氧化劑氣體隔板的平面圖。
圖2類似于圖1B，但示出本發(fā)明的第二實(shí)施例。
圖3是在第二實(shí)施例中使用的氧化劑氣體隔板的后視圖。
圖4是在第三實(shí)施例中使用的氧化劑氣體擴(kuò)散電極的平面圖。
圖5類似于圖1B，但示出本發(fā)明的第三實(shí)施例。
圖6類似于圖1B，但示出本發(fā)明的第四實(shí)施例。
圖7是第五實(shí)施例中的燃料電池堆的側(cè)視圖。
圖8類似于圖1B，但示出本發(fā)明的第六實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
第一實(shí)施例圖1A示出了根據(jù)本發(fā)明的燃料電池堆10中的單元電池11的構(gòu)造概要。單元電池11由膜電極組件1a、氧化劑氣體隔板1b、以及燃料氣體隔板1c構(gòu)成，其中，在該膜電極組件1a中氣體擴(kuò)散電極1p布置在聚合物電解質(zhì)膜1m的每一側(cè)上，氧化劑氣體隔板1b和燃料氣體隔板1c布置在膜電極組件1a的每一側(cè)上。燃料電池堆10由堆疊在一起的多個(gè)單元電池11構(gòu)成。
圖1B示出了氧化劑氣體隔板1b的構(gòu)造。隔板1b由導(dǎo)電碳樹(shù)脂復(fù)合物(conductive carbon resin composite)制造。隔板1b形成有用作分別允許燃料氣體、氧化劑氣體、以及冷卻劑沿燃料電池堆10的堆疊方向流動(dòng)的通路的燃料氣體歧管2a、3a，氧化劑氣體歧管2b、3b，以及冷卻劑歧管2c、3c。各歧管用作流體供給歧管或流體排出歧管。
隔板1b設(shè)有從氧化劑氣體供給歧管2b分支并且延伸到氧化劑氣體排出歧管3b的多個(gè)氧化劑氣體通路4b。具有凸起橫截面并且接觸氣體擴(kuò)散電極1p以實(shí)現(xiàn)電流收集功能的肋5b設(shè)置在通路4b之間。通路4b的寬度從隔板1b的表面的端部向中央逐漸增大。
如果假定從堆疊方向看燃料電池堆10時(shí)，在單元電池11的電池表面上的中央?yún)^(qū)域是第一區(qū)，在第一區(qū)外側(cè)的區(qū)域是第二區(qū)，那么第一區(qū)的溫度高于第二區(qū)的溫度。在這個(gè)實(shí)施例中，鄰近第一區(qū)的通路4b的寬度大于鄰近第二區(qū)的通路4b的寬度，因此，鄰近第一區(qū)的通路4b具有較大的截面面積。
在燃料電池堆10中，電池表面上的溫度分布是不均勻的，靠近反應(yīng)熱難以散發(fā)的中央的溫度高。作為膨脹系數(shù)和飽和蒸汽壓不同的結(jié)果，在表面上產(chǎn)生氣體溫度差，從而靠近中央流動(dòng)的氧化劑氣體的質(zhì)量流量下降。這種趨勢(shì)在高電流密度區(qū)域中尤其顯著。然而，在這個(gè)實(shí)施例中，通路4b如上述構(gòu)造，因此，氧化劑氣體在電池表面的中央附近可容易地流動(dòng)。
結(jié)果，電池表面的中央附近的氣體擴(kuò)散提高至超過(guò)端側(cè)的氣體擴(kuò)散，由此抑制與反應(yīng)氣體的質(zhì)量流量下降伴隨發(fā)生的電流密度的減小，因而即使在擴(kuò)散限制可能發(fā)生的如高電流密度等的操作條件下，也可得到呈現(xiàn)穩(wěn)定性和高性能的燃料電池堆。
應(yīng)該注意，在這個(gè)實(shí)施例中，通路4b的寬度向電池表面的內(nèi)部逐漸增大，但寬度可以每次幾個(gè)通路分級(jí)地增大。此外，改變通路4b的寬度的原因是增大通路4b的截面面積，因此，代替改變通路4b的寬度或者除了改變通路4b的寬度之外，可以改變通路4b的深度。而且，類似的構(gòu)造可以應(yīng)用于燃料氣體側(cè)以及氧化劑氣體側(cè)。
第二實(shí)施例圖2示出在第二實(shí)施例的單元電池11中使用的氧化劑氣體隔板1b的構(gòu)造。單元電池11的基本構(gòu)造與圖1A中所示的相同。與第一實(shí)施例共用的構(gòu)造已分配了相同的附圖標(biāo)記，并且省略了對(duì)其的說(shuō)明。
氧化劑氣體隔板1b由導(dǎo)電碳樹(shù)脂復(fù)合物制造。隔板1b形成有分別允許燃料氣體、氧化劑氣體、以及冷卻劑沿燃料電池堆10的堆疊方向流動(dòng)的燃料氣體歧管2a、3a，氧化劑氣體歧管2b、3b，以及冷卻劑歧管2c、3c。各歧管用作流體供給歧管或流體排出歧管。
氧化劑氣體隔板1b設(shè)有從氧化劑氣體供給歧管2b分支并且延伸到氧化劑氣體排出歧管3b的多個(gè)氧化劑氣體通路4b。具有凸起橫截面并且接觸氣體擴(kuò)散電極1p以實(shí)現(xiàn)電流收集功能的肋5b設(shè)置在通路4b之間。肋5b的寬度從圖中的隔板表面的下部向上部分級(jí)減小。
圖3示出圖2所示的氧化劑氣體隔板1b的后視圖。冷卻劑從冷卻劑入口歧管2c引入到冷卻劑通路4c中，并且從冷卻劑排出歧管3c排出到燃料電池堆10的外部。氧化劑氣體隔板1b的肋5b窄的區(qū)域(圖2的上部)布置在冷卻劑通路4c的下游側(cè)的后部。在操作期間，冷卻劑和氣體擴(kuò)散電極1p的溫度在冷卻劑通路4c的下游側(cè)最高。
因此，假定靠近冷卻劑通路4c的出口的區(qū)域是第一區(qū)，并且在第一區(qū)外側(cè)的區(qū)域是第二區(qū)，則第一區(qū)的溫度高于第二區(qū)的溫度。在這個(gè)實(shí)施例中，設(shè)置在氧化劑氣體隔板1b上的肋5b的寬度從隔板1b的表面的下部到上部減小，因此，鄰近第一區(qū)的通路4b的寬度大于鄰近第二區(qū)的通路4b的寬度。
在燃料電池堆10中，電池表面上的溫度分布是不均勻的，在冷卻劑通路4c的下游區(qū)域中的溫度高。氣體的這種表面溫度差使膨脹系數(shù)和飽和蒸汽壓出現(xiàn)差異，導(dǎo)致在氧化劑氣體隔板1b的上部中流動(dòng)的氧化劑氣體的質(zhì)量流量減小。這種趨勢(shì)在高電流密度區(qū)域中尤其顯著。
然而，在這個(gè)實(shí)施例中，如上所述，肋5b的寬度在氧化劑氣體隔板1b的上部處減小，因此，在氣體擴(kuò)散電極1p與氧化劑氣體隔板1b的上部重疊的部分中，與氧化劑氣體接觸的表面面積增大。結(jié)果，改善了氣體擴(kuò)散，并且即使當(dāng)氧化劑氣體的質(zhì)量流量下降時(shí)，也可以抑制氣體擴(kuò)散的減小。
因此，抑制了由電池表面的高溫區(qū)中的氣體的質(zhì)量流量的減小引起的電流密度的減小，因而，即使在擴(kuò)散限制可能發(fā)生的如高電流密度等的操作條件下，也可以得到呈現(xiàn)穩(wěn)定性和高性能的燃料電池堆。
應(yīng)該注意，在這個(gè)實(shí)施例中，肋5b的寬度分級(jí)減小，但肋5b的寬度可以向氧化劑氣體隔板1b的上部逐漸減小。此外，類似的構(gòu)造可以應(yīng)用于燃料氣體側(cè)以及氧化劑氣體側(cè)。而且，除減小肋5b的寬度之外，可以以柵格形式等形成肋5b，以減小接觸氣體擴(kuò)散電極1p的肋5b的表面面積。
而且，冷卻劑通路4c設(shè)置在氧化劑氣體隔板1b的后表面上，但是代替地，冷卻板可以布置成鄰近氧化劑氣體隔板1b，并且冷卻劑通路可以設(shè)置在冷卻板中。
第三實(shí)施例圖4示出在第三實(shí)施例的燃料電池堆中使用的氧化劑氣體擴(kuò)散電極1p的構(gòu)造。單元電池11的基本構(gòu)造與圖1A中示出的相同。與第一實(shí)施例共用的構(gòu)造已分配了相同的附圖標(biāo)記，并且已省略了對(duì)其的說(shuō)明。
氧化劑氣體擴(kuò)散電極1p通過(guò)用負(fù)載鉑催化劑的碳粉和電解質(zhì)溶液的混合物涂覆碳紙(carbon paper)的表面而構(gòu)成。氧化劑氣體擴(kuò)散電極1p的外形與設(shè)置在氧化劑氣體隔板1b中的氣體通路4b的范圍近似相同。
如圖4所示，碳紙的表面的一部分在用負(fù)載鉑催化劑的碳粉和電解質(zhì)溶液的混合物涂覆之前，用碳和聚四氟乙烯(Teflon)的混合物涂覆。沒(méi)有用碳-聚四氟乙烯混合物涂覆的區(qū)域A布置在氧化劑氣體擴(kuò)散電極1p的上部區(qū)域中，并且重疊溫度最高的冷卻劑通路4c的下游側(cè)區(qū)域。采用這種氧化劑氣體擴(kuò)散電極1p的膜電極組件1a、燃料氣體隔板1c、以及在圖5中示出的氧化劑氣體隔板1b被堆疊在一起，以形成單元電池11。
在圖4所示的氧化劑氣體擴(kuò)散電極1p中，由碳紙單獨(dú)構(gòu)成的并且沒(méi)有用碳-聚四氟乙烯混合物涂覆的區(qū)域A(圖的上部)在厚度方向上比涂覆區(qū)域B具有更大的平均孔隙率(porosity)，因此，氧化劑氣體擴(kuò)散在區(qū)域A中較佳。
在燃料電池堆10中，電池表面上的溫度分布是不均勻的，在冷卻劑通路的下游區(qū)域中的溫度高。氣體的這種表面溫度差使膨脹系數(shù)和飽和蒸汽壓產(chǎn)生差異，導(dǎo)致在氧化劑氣體隔板1b的上部中流動(dòng)的氧化劑氣體的質(zhì)量流量減小。這種趨勢(shì)在高電流密度區(qū)域中尤其顯著。
然而，在這個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)增大鄰近氧化劑氣體隔板1b的氣體擴(kuò)散電極1p的上部中的平均孔隙率來(lái)改善氣體擴(kuò)散。
結(jié)果，抑制與質(zhì)量流量的減小伴隨發(fā)生的電流密度的減小，并且即使在擴(kuò)散限制可能發(fā)生的如高電流密度等操作條件下，也可得到呈現(xiàn)穩(wěn)定性和高性能的燃料電池堆。而且，不必像在以前的實(shí)施例中那樣，為了補(bǔ)償氣體擴(kuò)散而改變氧化劑氣體隔板1b的隔板表面上的通路4b或肋5b的寬度。
應(yīng)該注意，這里引用了氧化劑氣體擴(kuò)散電極，但類似的構(gòu)造可以應(yīng)用于燃料氣體擴(kuò)散電極。
第四實(shí)施例圖6示出在根據(jù)第四實(shí)施例的燃料電池堆10中使用的氧化劑氣體隔板1b的構(gòu)造。單元電池11的基本構(gòu)造與圖1A中示出的相同。與第一實(shí)施例共用的構(gòu)造已分配了相同的附圖標(biāo)記，并且已省略了對(duì)其的說(shuō)明。
隔板1b由導(dǎo)電碳樹(shù)脂復(fù)合物制造。隔板1b形成有分別允許燃料氣體、氧化劑氣體、以及冷卻劑沿燃料電池堆10的堆疊方向流動(dòng)的燃料氣體歧管2a、3a，氧化劑氣體歧管2b、3b，以及冷卻劑歧管2c、3c。各歧管用作流體供給歧管或流體排出歧管。
隔板1b設(shè)有從歧管2b分支并且延伸到氧化劑氣體排出歧管3b的多個(gè)氧化劑氣體通路4b。具有凸起橫截面并且接觸氣體擴(kuò)散電極1p以實(shí)現(xiàn)電流收集功能的肋5b設(shè)置在通路4b之間。
通路4b的寬度從隔板1b的表面的端部向中央分級(jí)增大。另外，通路4b的寬度向下游側(cè)(圖的右側(cè))增大而肋5b的寬度向該側(cè)減小。
在燃料電池堆10中，電池表面上的溫度分布是不均勻的，靠近反應(yīng)熱難以散發(fā)的中央的溫度高。表面上的這種氣體溫度差使膨脹系數(shù)和飽和蒸汽壓產(chǎn)生差異，導(dǎo)致靠近中央流動(dòng)的氧化劑氣體的質(zhì)量流量減小。這種趨勢(shì)在高電流密度區(qū)域中尤其顯著。然而，在這個(gè)實(shí)施例中，上述構(gòu)造能夠使氧化劑氣體比流過(guò)在外側(cè)存在的通路4b更容易地流過(guò)靠近隔板中央的通路4b，因此，可改善靠近中央的氣體擴(kuò)散。
此外，在氧化劑氣體的氧化劑氣體濃度由于電極反應(yīng)而減小的下游區(qū)域中，肋5b的寬度減小，因而在下游區(qū)域中，氧化劑氣體與氣體擴(kuò)散電極1p之間的表面接觸面積增大，由此改善氣體擴(kuò)散。
因此，根據(jù)這個(gè)實(shí)施例，可抑制在電池表面的中央附近與減小的質(zhì)量流量伴隨發(fā)生的電流密度的減小，并且即使在反應(yīng)氣體的下游區(qū)域中也可防止由濃度減小引起的電流密度的減小。結(jié)果，即使在擴(kuò)散限制可能發(fā)生的如高電流密度操作或具有高反應(yīng)氣體利用率的操作等操作條件下，也可得到呈現(xiàn)穩(wěn)定性和高性能的燃料電池堆。
應(yīng)該注意，在這個(gè)實(shí)施例中，通路4b的寬度分級(jí)增大。然而，通路4b的寬度可以逐漸增大。而且，改變通路4b的寬度的原因是增大通路4b的截面面積，因此，代替改變通路4b的寬度或除改變通路4b的寬度之外，可以改變通路4b的深度。
此外，如上所述肋5b的寬度在通路4b的下游區(qū)域中減小，但除減小肋5b的寬度之外，肋5b可以以柵格形式等形成，以減小接觸氣體擴(kuò)散電極1p的肋5b的表面面積和增大氧化劑氣體與氣體擴(kuò)散電極1p之間的表面接觸面積。而且，類似的構(gòu)造可以應(yīng)用于燃料氣體側(cè)的隔板1c以及氧化劑氣體側(cè)的隔板1b。
第五實(shí)施例圖7示出根據(jù)第五實(shí)施例的燃料電池堆的構(gòu)造。
燃料電池堆10包括多個(gè)堆疊的單元電池11。單元電池11的基本構(gòu)造與圖1A中示出的相同，包括膜電極組件1a、燃料氣體隔板1c、以及在其后表面上設(shè)有冷卻劑通路的氧化劑氣體隔板1b。也提供電流收集功能的端板12布置在兩個(gè)端部上。
在堆疊方向上位于中央附近的多個(gè)單元電池11中所使用的氧化劑氣體隔板1b(圖7中用對(duì)角線加陰影的截面)當(dāng)從上方看時(shí)與圖5中示出的氧化劑隔板1b相同，但通路4b比較深，例如0.50mm。在其它堆疊位置中所使用的氧化劑氣體隔板1b(圖7的非陰影部分)當(dāng)從上方看時(shí)也與圖5中示出的氧化劑隔板1b相同，但通路4b比較淺，例如0.45mm。
在堆疊的單元電池11中，如果假定布置在中央的單元電池構(gòu)成第一區(qū)，假定在布置在中央的單元電池11的外側(cè)布置的單元電池11構(gòu)成第二區(qū)，那么，第一區(qū)的溫度高于第二區(qū)的溫度。在這個(gè)實(shí)施例中，鄰近第一區(qū)的通路4b的寬度大于鄰近第二區(qū)的通路4b的寬度，因此，鄰近第一區(qū)的通路4b具有較大的截面面積。
在燃料電池堆10中，在堆疊方向上的溫度分布是不均勻的，位于熱量散發(fā)困難的中央附近的單元電池11的溫度增高。這種溫度差使膨脹系數(shù)和飽和蒸汽壓產(chǎn)生差異，導(dǎo)致流過(guò)位于中央附近的單元電池11的氧化劑氣體隔板的氧化劑氣體的質(zhì)量流量減小。這種趨勢(shì)在高電流密度區(qū)域中尤其顯著。
然而，根據(jù)上述構(gòu)造，氧化劑氣體流過(guò)在堆疊方向上位于中央附近的單元電池11中的氧化劑氣體隔板比流過(guò)在其它堆疊位置存在的單元電池11中的氧化劑氣體隔板更容易。
所以，在堆疊方向上位于燃料電池堆10的中央附近的單元電池11中的氣體擴(kuò)散相對(duì)于在其它堆疊位置的單元電池11的氣體擴(kuò)散被改善，能夠抑制由減小的質(zhì)量流量引起的電池電壓的減小。結(jié)果，即使在擴(kuò)散限制可能發(fā)生的如特別是高電流密度的操作條件下，也可得到呈現(xiàn)穩(wěn)定性和高性能、以及具有均勻電池電壓分布的燃料電池堆。
應(yīng)該注意，在這個(gè)實(shí)施例中，隔板1b中的通路4b的深度根據(jù)在燃料電池堆10中的堆疊位置而變化，但代替改變通路4b的深度或除改變通路4b的深度之外，可以改變通路4b的截面面積。
此外，通路4b的深度在沿堆疊方向位于燃料電池堆10的中央附近的多個(gè)單元電池11與位于其它部分的單元電池11之間改變，但通路4b的深度可以從端部向中央逐漸增大。而且，這種構(gòu)造可以應(yīng)用于燃料氣體側(cè)以及氧化劑氣體側(cè)。
第六實(shí)施例根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施例的燃料電池的基本構(gòu)造與圖7中示出的第五實(shí)施例類似。然而，這個(gè)實(shí)施例的燃料電池堆10與第五實(shí)施例的不同之處在于，在沿堆疊方向位于中央附近的多個(gè)單元電池11中所使用的氧化劑氣體隔板1b(圖7中由對(duì)角線加陰影的截面)的構(gòu)造。在其它堆疊位置所使用的氧化劑氣體隔板(圖7的非陰影部分)的構(gòu)造與圖5中示出的氧化劑氣體隔板1b的構(gòu)造相同。
在堆疊方向的中央附近所使用的氧化劑氣體隔板1b的構(gòu)造示出在圖8中。圖8和圖5中的氧化劑氣體隔板之間的差別在于，圖8中的氧化劑氣體隔板1b的氧化劑氣體通路4b和肋5b比圖5中的隔板的窄。然而，應(yīng)該注意，通路4b的深度在兩種隔板中相同，并且在單個(gè)氣體隔板1b的表面上存在的所有通路4b的總截面面積在圖8和圖5二者中相同。
在燃料電池堆10中，在堆疊方向上的溫度分布是不均勻的，位于熱量散發(fā)困難的中央附近的單元電池11的溫度增高。這種溫度差使膨脹系數(shù)和飽和蒸汽壓產(chǎn)生差異，導(dǎo)致流過(guò)位于中央附近的單元電池11的氧化劑氣體隔板1b的氧化劑氣體的質(zhì)量流量減小。這種趨勢(shì)在高電流密度區(qū)域中尤其顯著。
然而，在這個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)如上所述設(shè)置氧化劑氣體隔板1b的肋5b的寬度，改善在堆疊方向上靠近中央的氣體擴(kuò)散，因此，即使當(dāng)流過(guò)靠近中央的單元電池11的氧化劑氣體的質(zhì)量流量減小時(shí)，也可抑制氣體擴(kuò)散的減小。
所以，抑制由位于燃料電池堆疊方向的中央附近的單元電池11中的減小的質(zhì)量流量引起的電池電壓的減小，結(jié)果，即使在擴(kuò)散限制可能發(fā)生的如高電流密度等操作條件下，也可得到呈現(xiàn)穩(wěn)定性和高性能、以及具有均勻電池電壓分布的燃料電池堆。
應(yīng)該注意，在這個(gè)實(shí)施例中，在位于堆疊方向的中央附近的多個(gè)單元電池11中的氧化劑氣體隔板的構(gòu)造與位于其它部分的單元電池11的不同，但氧化劑氣體隔板的構(gòu)造可以向中央逐漸變化。這個(gè)實(shí)施例的構(gòu)造可以應(yīng)用于燃料氣體側(cè)以及氧化劑氣體側(cè)。
第七實(shí)施例根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施例的燃料電池的基本構(gòu)造與圖7中示出的第五實(shí)施例類似。然而，在這個(gè)實(shí)施例的燃料電池堆10中，氧化劑氣體擴(kuò)散電極1p的構(gòu)造在位于堆疊方向的中央附近的多個(gè)單元電池11(圖7中由對(duì)角線加陰影的截面)中和在位于端側(cè)的多個(gè)單元電池11中(圖7的非陰影部分)不同。
更具體地說(shuō)，涂覆到構(gòu)成氧化劑氣體擴(kuò)散電極1p的碳紙的表面上的碳-聚四氟乙烯混合物的涂層厚度在堆疊方向的中央附近和在端側(cè)上不同。也就是說(shuō)，該混合物在靠近中央的燃料電池11的氣體擴(kuò)散電極1p上比在端側(cè)的燃料電池11的氣體擴(kuò)散電極1p上涂覆得薄。然而，應(yīng)該注意，涂覆到該混合物上的催化劑層的規(guī)范在兩種情況下相同。而且，氧化劑氣體隔板的構(gòu)造與圖5中示出的構(gòu)造相同。
在燃料電池堆10中，在堆疊方向上的溫度分布是不均勻的，位于熱量散發(fā)困難的堆疊方向的中央附近的單元電池11的溫度增高。這種溫度差使膨脹系數(shù)和飽和蒸汽壓產(chǎn)生差異，導(dǎo)致流過(guò)位于中央附近的單元電池11的氧化劑氣體隔板的氧化劑氣體的質(zhì)量流量減小。這種趨勢(shì)在高電流密度區(qū)域中尤其顯著。
然而，在這個(gè)實(shí)施例中，氧化劑氣體擴(kuò)散電極的孔隙率向堆疊方向的中央增大，導(dǎo)致改善堆疊方向的中央附近的氣體擴(kuò)散。
所以，抑制由在堆疊方向上位于燃料電池堆10的中央附近的單元電池11中的減小的質(zhì)量流量引起的電池電壓的減小，結(jié)果，即使在擴(kuò)散限制可能發(fā)生的如高電流密度等操作條件下，也可得到呈現(xiàn)穩(wěn)定性和高性能、以及具有均勻電池電壓分布的燃料電池堆。
應(yīng)該注意，在這個(gè)實(shí)施例中，氧化劑氣體擴(kuò)散電極1p的構(gòu)造在位于堆疊方向的中央附近的多個(gè)單元電池11中和在位于其它部分的單元電池11中不同，但可以從端部向中央逐漸改變氧化劑氣體擴(kuò)散電極1p的構(gòu)造(混合物的涂覆厚度)。
而且，在這個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)改變混合物的厚度來(lái)改變氣體擴(kuò)散電極1p的孔隙率。然而，可以采用另一種方法，例如，可以采用通過(guò)不把混合物涂覆到靠近堆疊方向的中央所使用的氣體擴(kuò)散電極上等來(lái)改變氣體擴(kuò)散電極1p的孔隙率。此外，這種構(gòu)造可以應(yīng)用于燃料氣體側(cè)以及氧化劑氣體側(cè)。
第八實(shí)施例根據(jù)本發(fā)明第八實(shí)施例的燃料電池堆10的基本構(gòu)造與圖7中示出的第五實(shí)施例的構(gòu)造類似。然而，在第八實(shí)施例中，在位于堆疊方向的中央附近的多個(gè)單元電池中所使用的氧化劑氣體隔板(圖7中由對(duì)角線加陰影的截面)的構(gòu)造類似于圖6中示出的第四實(shí)施例的構(gòu)造，并且氧化劑氣體通路4b比較深，例如0.50mm。在位于端側(cè)的單元電池11中所使用的氧化劑氣體隔板(圖7的非陰影部分)的構(gòu)造也類似于圖6中示出的構(gòu)造，但通路4b比較淺，例如0.45mm。此外，在通路4b的下游側(cè)，通路4b寬而肋5b窄。
在燃料電池堆10中，電池表面上的溫度分布是不均勻的，靠近熱量散發(fā)困難的中央的溫度增高。氣體的這種表面溫度差使膨脹系數(shù)和飽和蒸汽壓產(chǎn)生差異，導(dǎo)致靠近中央流動(dòng)的氧化劑氣體的質(zhì)量流量減小。這種趨勢(shì)在高電流密度區(qū)域中尤其顯著。
然而，在這個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)如上述那樣構(gòu)造通路4b，氧化劑氣體在中央附近更容易地流動(dòng)，因此，可改善靠近中央的氣體擴(kuò)散。
此外，在氧化劑氣體的氧化劑氣體濃度由于電極反應(yīng)而減小的下游區(qū)域中，肋5b的寬度減小，因而在下游區(qū)域中，氧化劑氣體與氣體擴(kuò)散電極1p之間的表面接觸面積增大，能夠改善氣體擴(kuò)散。
而且在燃料電池堆10中，在堆疊方向上的溫度分布是不均勻的，位于熱量散發(fā)困難的中央附近的單元電池11的溫度增高。這種溫度差引起流過(guò)位于中央附近的單元電池11的氧化劑氣體隔板的氧化劑氣體的質(zhì)量流量減小。這種趨勢(shì)在高電流密度區(qū)域中尤其顯著。
然而，在這個(gè)實(shí)施例中，如上所述氧化劑氣體通路4b的深度在中央附近和在端側(cè)不同，因而氧化劑氣體更容易地流過(guò)靠近中央的單元電池11。結(jié)果，可改善靠近中央的氣體擴(kuò)散。
所以，在這個(gè)實(shí)施例中，可抑制在電池表面的中央附近與減小的質(zhì)量流量伴隨發(fā)生的電流密度的減小，并且即使在反應(yīng)氣體的下游區(qū)域中也可防止由減小濃度引起的電流密度的不規(guī)則。還可抑制由位于堆疊方向的中央附近的單元電池11中的減小的質(zhì)量流量引起的電池電壓的減小。結(jié)果，即使在擴(kuò)散限制可能發(fā)生的如高電流密度操作或具有高反應(yīng)氣體利用率的操作等操作條件下，也可得到呈現(xiàn)穩(wěn)定性和高性能的燃料電池堆。
應(yīng)該注意，在這個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)類似于第四實(shí)施例設(shè)置在氧化劑氣體隔板表面上的氣體通路和肋的寬度，可以補(bǔ)償在表面上的氣體擴(kuò)散。然而，不必必須改變氣體通路形式和肋形式，并且可以采用可補(bǔ)償表面上的氣體擴(kuò)散的任何構(gòu)造。
此外，在這個(gè)實(shí)施例中，位于堆疊方向的中央的多個(gè)單元電池11與位于其它部分的單元電池11之間分級(jí)地改變氧化劑氣體隔板的構(gòu)造，但可以選擇從堆疊方向的端部向中央逐漸地改變氧化劑氣體隔板的構(gòu)造。而且，這個(gè)實(shí)施例的構(gòu)造可以應(yīng)用于燃料氣體側(cè)以及氧化劑氣體側(cè)。
日本專利申請(qǐng)P2003-410509(2003年12月9日提交)的整個(gè)內(nèi)容包括在這里以供參考。
盡管以上已參照本發(fā)明的某些實(shí)施例說(shuō)明了本發(fā)明，但本發(fā)明不限于以上說(shuō)明的實(shí)施例。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在以上說(shuō)明的啟示下，可以想到上述實(shí)施例的變形和修改。本發(fā)明的范圍參照如下權(quán)利要求書(shū)限定。
工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明可以應(yīng)用于燃料電池堆以抑制由高溫區(qū)域中減小的質(zhì)量流量引起的電池電壓的減小，因而改善燃料電池堆的性能。
權(quán)利要求
1.一種包括多個(gè)堆疊的單元電池(11)的燃料電池堆(10)，其中，每個(gè)單元電池(11)包括膜電極組件(1a)，在該膜電極組件(1a)中，氣體擴(kuò)散電極(1p)布置在聚合物電解質(zhì)膜(1m)的每一側(cè)；以及隔板(1b、1c)，其包括接觸所述膜電極組件(1a)以實(shí)現(xiàn)電流收集功能的多個(gè)肋(5b)和形成在所述肋(5b)之間用于向所述氣體擴(kuò)散電極(1p)供給氣體的多個(gè)氣體通路(4b)，所述燃料電池堆(10)包括在其內(nèi)部的第一區(qū)和第二區(qū)，所述第一區(qū)具有比所述第二區(qū)高的溫度，并且所述氣體通路(4b)、所述肋(5b)、以及所述氣體擴(kuò)散電極(1p)中的至少一個(gè)構(gòu)造成使通過(guò)鄰近所述第一區(qū)的所述氣體擴(kuò)散電極(1p)的氣體擴(kuò)散改善至超過(guò)通過(guò)鄰近所述第二區(qū)的所述氣體擴(kuò)散電極(1p)的氣體擴(kuò)散。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆(10)，其特征在于，當(dāng)從所述燃料電池堆(10)的堆疊方向看時(shí)，所述第一區(qū)是所述單元電池(11)的表面的中央?yún)^(qū)域，所述第二區(qū)是在相同的單元電池(11)的所述表面上的所述第一區(qū)外側(cè)的區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆(10)，其特征在于，還包括多個(gè)冷卻劑通路(4c)，冷卻劑通過(guò)該冷卻劑通路(4c)流到所述氣體通路(4b)的后側(cè)，其中，所述第一區(qū)是靠近所述冷卻劑通路(4c)的出口的區(qū)域，所述第二區(qū)是在所述第一區(qū)外側(cè)的區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池堆(10)，其特征在于，所述第一區(qū)包括在所述多個(gè)堆疊的單元電池(11)的中央布置的單元電池，所述第二區(qū)包括在布置于所述中央的所述單元電池(11)的外側(cè)布置的單元電池(11)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的燃料電池堆(10)，其特征在于，鄰近所述第一區(qū)的所述氣體通路(4b)的截面面積大于鄰近所述第二區(qū)的所述氣體通路(4b)的截面面積。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池堆(10)，其特征在于，鄰近所述第一區(qū)的所述氣體通路(4b)的截面面積向下游側(cè)增大。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的燃料電池堆(10)，其特征在于，鄰近所述第一區(qū)的所述肋(5b)的寬度小于鄰近所述第二區(qū)的所述肋(5b)的寬度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池堆(10)，其特征在于，鄰近所述第一區(qū)的所述肋(5b)的寬度向下游側(cè)減小。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的燃料電池堆(10)，其特征在于，鄰近所述第一區(qū)的所述氣體擴(kuò)散電極(1p)的孔隙率大于鄰近所述第二區(qū)的所述氣體擴(kuò)散電極(1p)的孔隙率。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料電池堆(10)，其特征在于，包含碳的混合物被涂覆到鄰近所述第一區(qū)的所述氣體擴(kuò)散電極(1p)上的量比被涂覆到鄰近所述第二區(qū)的所述氣體擴(kuò)散電極(1p)上的量小。
全文摘要
一種燃料電池堆(10)，其包括多個(gè)堆疊的單元電池(11)。各單元電池(11)包括膜電極組件(1a)和隔板(1b、1c)，該隔板(1b、1c)設(shè)有接觸膜電極組件(1a)以實(shí)現(xiàn)電流收集功能的肋(5b)、和形成在肋(5b)之間用于向氣體擴(kuò)散電極(1p)供給氣體的氣體通路(4b)。燃料電池堆(10)的內(nèi)部包括第一區(qū)和具有比第一區(qū)低的溫度的第二區(qū)。氣體通路(4b)、肋(5b)、以及氣體擴(kuò)散電極(1p)中的任一個(gè)構(gòu)造成使通過(guò)鄰近第一區(qū)的氣體擴(kuò)散電極(1p)的氣體擴(kuò)散改善至超過(guò)通過(guò)鄰近第二區(qū)的氣體擴(kuò)散電極(1p)的氣體擴(kuò)散。
文檔編號(hào)H01M8/24GK101069311SQ20048003677
公開(kāi)日2007年11月7日 申請(qǐng)日期2004年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月9日
發(fā)明者大間敦史 申請(qǐng)人:日產(chǎn)自動(dòng)車株式會(huì)社