[发明专利]燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及包含有氧供应层的燃料电池，所述氧供应层用作向发电层构件供应氧的供应通道和将发电层构件所产生的水分子排出的排出通道。更具体地说，本发明涉及能够有效地将不需要的液态水从发电层构件除去的燃料电池，并涉及利用该燃料电池的燃料电池系统。

背景技术

燃料电池系统已经进入实际应用，所述燃料电池系统包括：位于发电层构件的一个表面侧的密封的燃料气体供应空间、以及位于该发电层构件的另一表面侧的氧供应层。发电层构件从燃料气体供应空间吸取氢离子，并允许氢离子在氧供应层侧的表面上与氧进行反应，从而产生电力。氧供应层不仅是用于向发电层构件的表面供应所需要的量的氧的供应通道，而且也是用于将在发电层构件中产生的水分子输出的扩散(或者强力排出)通道。

美国专利US Patent No.6,423,437揭示了一种燃料电池系统，在所述燃料电池系统中，将每一个都具有发电层构件的燃料电池层叠，并串联连接。通过位于每个燃料电池的侧面的开口吸取大气中的氧，使氧供应层中的水蒸发并通过同一个开口扩散到大气中。作为发电层构件，采用膜电极组件，在所述膜电极组件中，在聚合物电解质膜的两个表面上都形成多孔导电性催化剂层，在具有三维空气渗透性的板状的氧供应层中邻近所述开口的侧面向大气敞开。从氧供应层的侧面吸取的氧在氧供应层内三维扩散，并通过氧供应层的一个底面供应给膜电极组件的整个表面。在膜电极组件内产生的水分子作为水蒸气被吸取到氧供应层内，根据水蒸气的浓度梯度向侧面移动，通过所述开口扩散到大气中。

日本专利申请公开特开2005-174607揭示了一种燃料电池系统，所述燃料电池系统将大气从氧供应层的一侧的表面强制送到另一侧的表面，从而使大气流过氧供应层。这里，以层叠在氧供应层上的方式配置分离器，在所述分离器中，槽状气流通道通过所述燃料电池系统的相反侧的表面。然后，在厚度方向上改变与气流通道接触的氧供应层的组织密度，并且将与气流通道接触的表面层的组织密度和与膜电极组件接触的表面层的组织密度设定得大于中间层的组织密度，借此，提高中间层的水分保持特性。

日本专利申请公开特开2002-110182揭示了一种燃料电池系统，在所述燃料电池系统中，在层叠在发电层构件上的氧扩散层的聚合物电解质膜侧的表面上形成催化剂层。通过自然扩散，在氧扩散层中被动地进行氧的供应和水蒸气的排出。允许氧扩散层在厚度方向上贯通，以便形成无数的孔径为100μm或者以下、密度为400个孔/mm²的通孔，借此，提高在厚度方向上的扩散性能。截面面积从聚合物电解质膜侧向相反侧的表面增大的每个通孔(圆锥形)，增大了聚合物电解质膜侧的接触面积，并增大了氧扩散层的强度，同时减少了氧和水蒸气的通过阻力。

日本专利申请公开特开2005-353605揭示了一种燃料电池系统，所述燃料电池系统在氧电极处包含水分吸收材料，所述水分吸收材料利用毛细管作用吸出水分，从而抑制满溢。

理想的是，与设备成一整体地装载的燃料电池系统利用自然扩散被动地通过氧供应层进行氧的供应和水蒸气的排出。理想的是，这种燃料电池系统不需要为了激活而从外部供应能量，因为循环机构和空气鼓风机会增加部件数目，而这与燃料电池系统的小型化和轻量化相矛盾。日本专利申请公开特开2005-174607所揭示的燃料电池系统以这种循环机构和空气鼓风机为基础。

但是，在氧供应层中完全通过自然扩散进行氧的供应和水蒸气的排出的情况下，氧和水蒸气的运动方向彼此相反。从而，如果燃料电池系统的输出电流增加从而增大了水蒸气的排出量的话，则有可能防止氧的供应。特别是，在将燃料电池层叠并且通过每个燃料电池的侧面上的开口排出水蒸气的情况下，氧被朝向所述开口的水蒸气流所阻碍，结果，氧不太可能到达远离所述开口的部位处。

当氧向发电层构件的供应被阻碍时，电动力降低，减小了燃料电池的发电效率。当发热量增大，作为发电效率降低的结果，导致温度进一步升高时，在氧供应层中的水蒸气分压增加，氧分压降低，结果，氧向发电层构件的供应被进一步阻碍。

进而，当氧供应层的水蒸气分压增大时，在发电层构件的界面处水产生的蒸发受到阻碍，使液态水积累，所述界面被液态水局部地覆盖，导致满溢。在满溢的部分中，氧的供应中止，停止发电。从而，未满溢的部分的电流密度增加，燃料电池的电动势降低。然后，当照样地继续进行操作时，满溢的区域蔓延到电流密度已经增加的区域，导致发电层构件的整个表面的满溢，这会导致燃料电池的发电的全面中止。