[发明专利]燃料电池单元和燃料电池组

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池单元和燃料电池组(fuel cell stack)。

背景技术

聚合物电解质燃料电池单元包含具有质子导电性的聚合物电解质膜(polymer electrolyte membrane)和设置在其两个表面上的一对电极。

电极包含催化剂层和气体扩散层，所述催化剂层包含铂或铂族金属，所述气体扩散层在催化剂层的外表面上形成，并且供给气体以及收集电流。

所述一对电极和聚合物电解质膜的整体被称为膜电极组件(MEA)。通过给电极中的一个供给燃料(氢)并给电极中的另一个供给氧化剂(氧)来发电。

燃料电池单元的理论电压约为1.23V。在实际的操作中，一般约以0.7V的输出电压使用燃料电池单元。

因此，当必需较高的电动电压时，将多个燃料电池单元相互堆叠，并且燃料电池单元被相互串联电连接以被使用。这种结构被称为燃料电池组。

这里使用的燃料电池指的是燃料电池单元和燃料电池组两者。

为了使得燃料电池组有效地发电，必需使得形成燃料电池组的各个燃料电池单元有效地发电。

因此，必需设计和控制，使得各自的燃料电池单元的温度条件以及对于各自的燃料电池单元的燃料和氧化剂的供给是均匀的。

一般地，与燃料电池单元并行地形成燃料电池组中的燃料流路和氧化剂流路，并且，燃料和氧化剂被并行地分配给各自的燃料电池单元。日本专利申请公开No.H08-213044公开了一种技术，其中，在这种燃料电池中，在燃料电池组的气体口处设置由具有三维网络的多孔体形成的整流部件，以使得对于各自的燃料电池单元的燃料和氧化剂的供给均匀。

同时，所谓的死端(dead-end)燃料电池是已知的，在该死端燃料电池中，为了使得包含燃料电池的系统较小并为了改善燃料的使用效率，在燃料电池组的燃料流路的下游侧关闭燃料流路。

尽管死端燃料电池能使得系统较小并能改善燃料的使用效率，但是，它具有如下问题：由于诸如氮或水蒸气的杂质气体的积累，燃料电池的性能降低。

因此，为了不允许在各自的燃料电池单元中积累杂质气体，提出了如下配置：其中，在少量的包含杂质气体的燃料稳定地从燃料电池组的下游侧流动的情况下发电。

日本专利申请公开No.2002-008691公开了一种燃料电池系统，在该燃料电池系统中，通过根据在燃料电池中消耗的氢的量打开和关闭死端燃料电池的排气阀，减少与杂质气体一起排出的未反应的氢的量。

另一方面，日本专利申请公开No.2007-227365公开了一种燃料电池装置，该燃料电池装置通过设计燃料电池组的供给侧流路、与发电部分对应的分支流路、和排出侧流路的流路阻力，实现燃料气体的均匀供给和杂质气体的有效排出。

在使得燃料稳定地流动的配置中，日本专利申请公开No.H08-213044中公开的技术是有效的，但是，在死端燃料电池中以及在燃料的流率(flow rate)在燃料电池组的燃料流路的下游被严格限制的系统中，难以均匀地给各自的燃料电池单元供给燃料。

这是因为，由于如下问题，导致来自下游侧的回流和积累，所述问题是：各自的燃料电池单元的流路阻力在各自的燃料电池单元内不均匀并在各自的燃料电池单元之间变动，以及，由于发电消耗燃料而在发电部分处导致压力损失等。

日本专利申请公开No.2002-008691中公开的燃料电池系统是用于借助于打开和关闭排气阀来暂时恢复由于杂质气体的积累所降低的性能的单元，并且，杂质气体积累本身不能被抑制。

并且，由于各自的燃料电池单元的流路阻力如上面描述的那样不均匀，因此，出现在特定的燃料电池单元中导致杂质气体的积累并且性能大大降低的问题。

这被认为是因为包含杂质气体的燃料气体从燃料电池组的排出流路的回流集中于特定的燃料电池单元。

因此，出现如下问题：必须通过频繁地打开和关闭排气阀来排出包含杂质气体的燃料气体，并且氢的使用效率降低。

日本专利申请公开No.2007-227365中公开的燃料电池装置能实现燃料气体的均匀供给和杂质气体的有效排出，但是，出现如下问题：当由于制造误差各自的燃料电池单元之间的流路阻力的变动大或流路阻力通过发电产生的水而改变时，针对其的对策不足够。特别地，针对水滴导致的流路阻塞，对策是不足够的，所述水滴由长时间发电导致的燃料流路中的冷凝所产生。因此，希望有针对各自的燃料电池单元之间的流路阻力的变动以及针对由于长时间发电产生的水所导致的流路阻塞的对策。

发明内容