[发明专利]燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池，更具体涉及具有经过隔离器堆叠的多电池层叠物的堆叠结构的燃料电池堆，其中每个电池层叠物具有在质子导电电解质膜的相反面上形成的阳极和阴极。

背景技术

通过氢与氧的电化学反应产生电能的燃料电池已经成为高效的能源。如在日本专利公开No.2003-68318中所公开的，这种燃料电池的一种典型布置是堆叠结构，其中膜电极组件和隔离器交替布置并且各膜电极组件具有形成在质子导电电解质膜的相反面上的阳极(氢电极)和阴极(氧电极)(堆叠结构的燃料电池称为“燃料电池堆”)。

已经提出了各种用于在燃料电池堆中所采用的隔离器的结构的技术。例如，在日本专利公开No.2004-6104中所公开的一种建议的隔离器结构包括与阳极相对的燃料气体板、与阴极相对的氧化气体板和位于燃料气体板和氧化气体板之间的中间板。在这种所建议的技术中，各个板被设计为具有将燃料气体和氧化气体供给到燃料电池并允许用于冷却燃料电池的冷却介质流动的结构元件。将燃料气体和氧化气体从阳极和阴极的各自外周的特定部分引入到阳极和阴极中，以基本均匀地供给到阳极的整个表面和阴极的整个表面上。

在燃料电池中，在氢与氧进行电化学反应以发电的期间产生水。所产生的水通常随着废气排出。但是，在一些运行条件下，所产生的水局部累积在阳极或阴极的表面上，并部分阻塞燃料气体(氢)通道或阻塞氧化气体(氧)通道。气体通道的这种阻塞不希望地干扰燃料气体或氧化气体在阳极的整个表面上或阴极的整个表面上的均匀供给，并且可能降低燃料电池的发电能力。发电能力降低的问题不仅仅是由所产生水的局部累积所导致的，其还由用于发电的电化学反应未使用的未反应气体成分(例如，包含在用作氧化气体的含氧空气中的氮)在阳极表面或阴极表面上的局部累积引起。

在燃料电池中，必须保持电解质膜湿润，以有利于发电性能。例如通过加湿反应气体(燃料气体和氧化气体)来保持电解质膜湿润。

在从燃料电池中催化电极(阳极和阴极)外周的特定部分供给加湿反应气体的情况下，反应气体可能未全部供给在催化电极的整个表面上。这导致电解质膜一些部分的加湿不充分。这种不充分的加湿可能导致电解质膜局部干燥并使燃料电池的电池性能劣化。

因此，在燃料电池堆中，会需要防止由于至少在用于发电的电化学反应期间所产生的水在阳极表面上或阴极表面上的局部累积而导致的发电能力降低。还会需要防止燃料电池中电解质膜的局部干燥。

发明内容

本发明通过下列结构满足了上述要求以及其它相关要求的至少一部分。根据一个方面，本发明涉及具有经过隔离器(例如隔板)堆叠的多电池层叠物的堆叠结构的燃料电池堆，其中每个电池层叠物具有在质子导电电解质膜的相反面上形成的阳极和阴极。隔离器包括：与电池层叠物的阳极相对的阳极面对板；和与电池层叠物的阴极相对的阴极面对板。阳极面对板和阴极面对板中的至少之一具有多个反应气体入口，所述多个反应气体入口形成为在厚度方向上穿透所述板并布置为在基本垂直于每个电池层叠物表面的方向上将预定反应气体供给到每个电池层叠物的表面。所述多个反应气体入口以二维分散的方式布置在阳极面对板和阴极面对板中的至少之一的板表面上。

所述“预定反应气体”表示燃料气体和氧化气体，所述燃料气体和氧化气体分别供给到结构化成为膜电极组件的电池层叠物中的阳极和阴极。

在根据本发明上述方面的燃料电池堆的结构中，反应气体通过所述多个反应气体入口引入并以二维分散的方式供给到每个电池层叠物的表面，或者更具体供给到每个膜电极组件的阳极和阴极中至少之一的表面。这种布置有效地防止在电化学反应发电期间所产生的水局部累积在阳极和阴极至少之一的表面上并阻塞反应气体通道。这种布置还防止未用于发电的剩余气体局部累积在阳极和阴极至少之一的表面上并阻塞反应气体通道。因此，这防止燃料电池堆的发电能力降低。

在根据本发明上述方面的燃料电池堆的一个优选实施方案中，隔离器还包括位于阳极面对板和阴极面对板之间的中间板。该中间板具有反应气体供给流通道，通过顺序层叠阳极面对板、中间板和阴极面对板形成所述反应气体供给流通道以限定反应气体供给流路，从而以分散方式将反应气体供给到所述多个反应气体入口中。

在根据本发明上述方面的燃料电池堆中，可以任意设定所述多个反应气体入口的形状、开口面积以及布局。例如，所述多个反应气体入口可以在阳极面对板和阴极面对板中的至少之一的板表面上以基本相等的间隔布置在特定区域中，所述特定区域对应于电池层叠物的发电区域。