CN100546082C - 燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池堆(10)，其包括多个堆叠的单元电池(11)。各单元电池(11)包括膜电极组件(1a)和隔板(1b、1c)，该隔板(1b、1c)设有接触膜电极组件(1a)以实现电流收集功能的肋(5b)、和形成在肋(5b)之间用于向气体扩散电极(1p)供给气体的气体通路(4b)。燃料电池堆(10)的内部包括第一区和具有比第一区低的温度的第二区。气体通路(4b)、肋(5b)、以及气体扩散电极(1p)中的任一个构造成使通过邻近第一区的气体扩散电极(1p)的气体扩散改善至超过通过邻近第二区的气体扩散电极(1p)的气体扩散。

Description

燃料电池堆
技术领域
本发明涉及一种包括多个堆叠的单元电池的燃料电池堆。
背景技术
为了改善聚合物电解质燃料电池的性能，重要的是使各单元电池的表面上的电流密度分布平均并且减小单元电池之间的电压差。
在由日本专利局于1997年公布的JP9-50817A中，使燃料气体侧的隔板的肋宽度在燃料气体的下游侧较窄，以使各单元电池的表面上的电流密度分布平均。
此外，考虑到在使用氧的氧化剂气体侧气体扩散比使用氢的燃料气体侧差，在由日本专利局于1996年公布的JP8-203546A中，使氧化剂气体侧的隔板的肋宽度比燃料气体侧的肋宽度窄。
发明内容
然而，在上述现有技术中，尽管由在燃料气体侧流入隔板中的燃料气体的上游和下游侧的氢气浓度差引起的电流密度的不规则被平均，但在电池表面上由伴随温度差出现的质量流量分配引起的电流密度的不规则未被平均。在电池表面的高温区中，供给气体体积增大导致质量流量减小，因此，作为不足的气体扩散或气体浓度差的结果，电流密度下降。
而且，在包括多个堆叠的单元电池的燃料电池堆中，由于在单元电池的堆叠方向上温度的不规则，质量流量差异出现在单元电池之中，导致单元电池之中的电压差。
因此，本发明的目的在于抑制燃料电池堆的内部中由高温区中的反应气体的质量流量下降引起的电流密度的减小，从而防止燃料电池性能的劣化。
为了实现上述目的，本发明提供一种包括多个堆叠的单元电池的燃料电池堆，其中，每个单元电池包括：膜电极组件，在该膜电极组件中气体扩散电极布置在聚合物电解质膜的每一侧；以及隔板，其包括接触膜电极组件以实现电流收集功能的多个肋和形成在肋之间用于向气体扩散电极供给气体的多个气体通路，该燃料电池堆包括在其内部的第一区和第二区，该第一区具有比该第二区高的温度，并且气体通路、肋、以及气体扩散电极中的至少一个构造成使通过邻近第一区的气体扩散电极的气体扩散改善至超过通过邻近第二区的气体扩散电极的气体扩散，当从所述燃料电池堆的堆叠方向看时，所述第一区是所述单元电池的表面的中央区域，所述第二区是在相同的单元电池的所述表面上的所述第一区在气体通路的宽度方向上的两侧的区域。
为了实现上述目的，本发明还提供一种包括多个堆叠的单元电池的燃料电池堆，其中，每个单元电池包括：膜电极组件，在该膜电极组件中，气体扩散电极布置在聚合物电解质膜的每一侧；以及隔板，其包括接触所述膜电极组件以实现电流收集功能的多个肋和形成在所述肋之间用于向所述气体扩散电极供给气体的多个气体通路，所述燃料电池堆在其堆叠方向上包括第一区和第二区，所述第一区包括在所述多个堆叠的单元电池的中央布置的单元电池，所述第二区包括在布置于所述中央的所述单元电池的外侧布置的单元电池，所述第一区具有比所述第二区高的温度，并且所述气体通路的宽度、所述肋的宽度、以及所述气体扩散电极中的至少一个构造成使通过邻近所述第一区的所述气体扩散电极的气体扩散改善至超过通过邻近所述第二区的所述气体扩散电极的气体扩散。
为了实现上述目的，本发明还提供一种包括多个堆叠的单元电池的燃料电池堆，其中，每个单元电池包括：膜电极组件，在该膜电极组件中，气体扩散电极布置在聚合物电解质膜的每一侧；以及隔板，其包括接触所述膜电极组件以实现电流收集功能的多个肋和形成在所述肋之间用于向所述气体扩散电极供给气体的多个气体通路，所述燃料电池堆包括在其内部的第一区和第二区，所述第一区具有比所述第二区高的温度，所述燃料电池堆还包括多个冷却剂通路，冷却剂通过该冷却剂通路流到所述气体通路的后侧，其中，所述第一区是靠近所述冷却剂通路的出口的区域，所述第二区是在相同单元电池的所述第一区外侧的区域，并且所述气体扩散电极构造成使通过邻近所述第一区的所述气体扩散电极的气体扩散改善至超过通过邻近所述第二区的所述气体扩散电极的气体扩散。
本发明的细节以及其它特征和优点在说明书的其余部分中阐明，并示出在附图中。
附图说明
图1A是本发明的燃料电池堆中的单元电池的示意图。
图1B是在单元电池中使用的氧化剂气体隔板的平面图。
图2类似于图1B，但示出本发明的第二实施例。
图3是在第二实施例中使用的氧化剂气体隔板的后视图。
图4是在第三实施例中使用的氧化剂气体扩散电极的平面图。
图5类似于图1B，但示出本发明的第三实施例。
图6类似于图1B，但示出本发明的第四实施例。
图7是第五实施例中的燃料电池堆的侧视图。
图8类似于图1B，但示出本发明的第六实施例。
具体实施方式
第一实施例
图1A示出了根据本发明的燃料电池堆10中的单元电池11的构造概要。单元电池11由膜电极组件1a、氧化剂气体隔板1b、以及燃料气体隔板1c构成，其中，在该膜电极组件1a中气体扩散电极1p布置在聚合物电解质膜1m的每一侧上，氧化剂气体隔板1b和燃料气体隔板1c布置在膜电极组件1a的每一侧上。燃料电池堆10由堆叠在一起的多个单元电池11构成。
图1B示出了氧化剂气体隔板1b的构造。隔板1b由导电碳树脂复合物(conductive carbon resin composite)制造。隔板1b形成有用作分别允许燃料气体、氧化剂气体、以及冷却剂沿燃料电池堆10的堆叠方向流动的通路的燃料气体歧管2a、3a，氧化剂气体歧管2b、3b，以及冷却剂歧管2c、3c。各歧管用作流体供给歧管或流体排出歧管。
隔板1b设有从氧化剂气体供给歧管2b分支并且延伸到氧化剂气体排出歧管3b的多个氧化剂气体通路4b。具有凸起横截面并且接触气体扩散电极1p以实现电流收集功能的肋5b设置在通路4b之间。通路4b的宽度从隔板1b的表面的端部向中央逐渐增大。
如果假定从堆叠方向看燃料电池堆10时，在单元电池11的电池表面上的中央区域是第一区，在第一区外侧的区域是第二区，那么第一区的温度高于第二区的温度。在这个实施例中，邻近第一区的通路4b的宽度大于邻近第二区的通路4b的宽度，因此，邻近第一区的通路4b具有较大的截面面积。
在燃料电池堆10中，电池表面上的温度分布是不均匀的，靠近反应热难以散发的中央的温度高。作为膨胀系数和饱和蒸汽压不同的结果，在表面上产生气体温度差，从而靠近中央流动的氧化剂气体的质量流量下降。这种趋势在高电流密度区域中尤其显著。然而，在这个实施例中，通路4b如上述构造，因此，氧化剂气体在电池表面的中央附近可容易地流动。
结果，电池表面的中央附近的气体扩散提高至超过端侧的气体扩散，由此抑制与反应气体的质量流量下降伴随发生的电流密度的减小，因而即使在扩散限制可能发生的如高电流密度等的操作条件下，也可得到呈现稳定性和高性能的燃料电池堆。
应该注意，在这个实施例中，通路4b的宽度向电池表面的内部逐渐增大，但宽度可以每次几个通路分级地增大。此外，改变通路4b的宽度的原因是增大通路4b的截面面积，因此，代替改变通路4b的宽度或者除了改变通路4b的宽度之外，可以改变通路4b的深度。而且，类似的构造可以应用于燃料气体侧以及氧化剂气体侧。
第二实施例
图2示出在第二实施例的单元电池11中使用的氧化剂气体隔板1b的构造。单元电池11的基本构造与图1A中所示的相同。与第一实施例共用的构造已分配了相同的附图标记，并且省略了对其的说明。
氧化剂气体隔板1b由导电碳树脂复合物制造。隔板1b形成有分别允许燃料气体、氧化剂气体、以及冷却剂沿燃料电池堆10的堆叠方向流动的燃料气体歧管2a、3a，氧化剂气体歧管2b、3b，以及冷却剂歧管2c、3c。各歧管用作流体供给歧管或流体排出歧管。
氧化剂气体隔板1b设有从氧化剂气体供给歧管2b分支并且延伸到氧化剂气体排出歧管3b的多个氧化剂气体通路4b。具有凸起横截面并且接触气体扩散电极1p以实现电流收集功能的肋5b设置在通路4b之间。肋5b的宽度从图中的隔板表面的下部向上部分级减小。
图3示出图2所示的氧化剂气体隔板1b的后视图。冷却剂从冷却剂入口歧管2c引入到冷却剂通路4c中，并且从冷却剂排出歧管3c排出到燃料电池堆10的外部。氧化剂气体隔板1b的肋5b窄的区域(图2的上部)布置在冷却剂通路4c的下游侧的后部。在操作期间，冷却剂和气体扩散电极1 p的温度在冷却剂通路4c的下游侧最高。
因此，假定靠近冷却剂通路4c的出口的区域是第一区，并且在第一区外侧的区域是第二区，则第一区的温度高于第二区的温度。在这个实施例中，设置在氧化剂气体隔板1b上的肋5b的宽度从隔板1b的表面的下部到上部减小，因此，邻近第一区的通路4b的宽度大于邻近第二区的通路4b的宽度。
在燃料电池堆10中，电池表面上的温度分布是不均匀的，在冷却剂通路4c的下游区域中的温度高。气体的这种表面温度差使膨胀系数和饱和蒸汽压出现差异，导致在氧化剂气体隔板1b的上部中流动的氧化剂气体的质量流量减小。这种趋势在高电流密度区域中尤其显著。
然而，在这个实施例中，如上所述，肋5b的宽度在氧化剂气体隔板1b的上部处减小，因此，在气体扩散电极1p与氧化剂气体隔板1b的上部重叠的部分中，与氧化剂气体接触的表面面积增大。结果，改善了气体扩散，并且即使当氧化剂气体的质量流量下降时，也可以抑制气体扩散的减小。
因此，抑制了由电池表面的高温区中的气体的质量流量的减小引起的电流密度的减小，因而，即使在扩散限制可能发生的如高电流密度等的操作条件下，也可以得到呈现稳定性和高性能的燃料电池堆。
应该注意，在这个实施例中，肋5b的宽度分级减小，但肋5b的宽度可以向氧化剂气体隔板1b的上部逐渐减小。此外，类似的构造可以应用于燃料气体侧以及氧化剂气体侧。而且，除减小肋5b的宽度之外，可以以栅格形式等形成肋5b，以减小接触气体扩散电极1p的肋5b的表面面积。
而且，冷却剂通路4c设置在氧化剂气体隔板1b的后表面上，但是代替地，冷却板可以布置成邻近氧化剂气体隔板1b，并且冷却剂通路可以设置在冷却板中。
第三实施例
图4示出在第三实施例的燃料电池堆中使用的氧化剂气体扩散电极1p的构造。单元电池11的基本构造与图1A中示出的相同。与第一实施例共用的构造已分配了相同的附图标记，并且已省略了对其的说明。
氧化剂气体扩散电极1p通过用负载铂催化剂的碳粉和电解质溶液的混合物涂覆碳纸(carbon paper)的表面而构成。氧化剂气体扩散电极1p的外形与设置在氧化剂气体隔板1b中的气体通路4b的范围近似相同。
如图4所示，碳纸的表面的一部分在用负载铂催化剂的碳粉和电解质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。没有用碳-聚四氟乙烯混合物涂覆的区域A布置在氧化剂气体扩散电极1p的上部区域中，并且重叠温度最高的冷却剂通路4c的下游侧区域。采用这种氧化剂气体扩散电极1p的膜电极组件1a、燃料气体隔板1c、以及在图5中示出的氧化剂气体隔板1b被堆叠在一起，以形成单元电池11。
在图4所示的氧化剂气体扩散电极1p中，由碳纸单独构成的并且没有用碳-聚四氟乙烯混合物涂覆的区域A(图的上部)在厚度方向上比涂覆区域B具有更大的平均孔隙率(porosity)，因此，氧化剂气体扩散在区域A中较佳。
在燃料电池堆10中，电池表面上的温度分布是不均匀的，在冷却剂通路的下游区域中的温度高。气体的这种表面温度差使膨胀系数和饱和蒸汽压产生差异，导致在氧化剂气体隔板1b的上部中流动的氧化剂气体的质量流量减小。这种趋势在高电流密度区域中尤其显著。
然而，在这个实施例中，通过增大邻近氧化剂气体隔板1b的气体扩散电极1p的上部中的平均孔隙率来改善气体扩散。
结果，抑制与质量流量的减小伴随发生的电流密度的减小，并且即使在扩散限制可能发生的如高电流密度等操作条件下，也可得到呈现稳定性和高性能的燃料电池堆。而且，不必像在以前的实施例中那样，为了补偿气体扩散而改变氧化剂气体隔板1b的隔板表面上的通路4b或肋5b的宽度。
应该注意，这里引用了氧化剂气体扩散电极，但类似的构造可以应用于燃料气体扩散电极。
第四实施例
图6示出在根据第四实施例的燃料电池堆10中使用的氧化剂气体隔板1b的构造。单元电池11的基本构造与图1A中示出的相同。与第一实施例共用的构造已分配了相同的附图标记，并且已省略了对其的说明。
隔板1b由导电碳树脂复合物制造。隔板1b形成有分别允许燃料气体、氧化剂气体、以及冷却剂沿燃料电池堆10的堆叠方向流动的燃料气体歧管2a、3a，氧化剂气体歧管2b、3b，以及冷却剂歧管2c、3c。各歧管用作流体供给歧管或流体排出歧管。
隔板1b设有从歧管2b分支并且延伸到氧化剂气体排出歧管3b的多个氧化剂气体通路4b。具有凸起横截面并且接触气体扩散电极1p以实现电流收集功能的肋5b设置在通路4b之间。
通路4b的宽度从隔板1b的表面的端部向中央分级增大。另外，通路4b的宽度向下游侧(图的右侧)增大而肋5b的宽度向该侧减小。
在燃料电池堆10中，电池表面上的温度分布是不均匀的，靠近反应热难以散发的中央的温度高。表面上的这种气体温度差使膨胀系数和饱和蒸汽压产生差异，导致靠近中央流动的氧化剂气体的质量流量减小。这种趋势在高电流密度区域中尤其显著。然而，在这个实施例中，上述构造能够使氧化剂气体比流过在外侧存在的通路4b更容易地流过靠近隔板中央的通路4b，因此，可改善靠近中央的气体扩散。
此外，在氧化剂气体的氧化剂气体浓度由于电极反应而减小的下游区域中，肋5b的宽度减小，因而在下游区域中，氧化剂气体与气体扩散电极1p之间的表面接触面积增大，由此改善气体扩散。
因此，根据这个实施例，可抑制在电池表面的中央附近与减小的质量流量伴随发生的电流密度的减小，并且即使在反应气体的下游区域中也可防止由浓度减小引起的电流密度的减小。结果，即使在扩散限制可能发生的如高电流密度操作或具有高反应气体利用率的操作等操作条件下，也可得到呈现稳定性和高性能的燃料电池堆。
应该注意，在这个实施例中，通路4b的宽度分级增大。然而，通路4b的宽度可以逐渐增大。而且，改变通路4b的宽度的原因是增大通路4b的截面面积，因此，代替改变通路4b的宽度或除改变通路4b的宽度之外，可以改变通路4b的深度。
此外，如上所述肋5b的宽度在通路4b的下游区域中减小，但除减小肋5b的宽度之外，肋5b可以以栅格形式等形成，以减小接触气体扩散电极1p的肋5b的表面面积和增大氧化剂气体与气体扩散电极1p之间的表面接触面积。而且，类似的构造可以应用于燃料气体侧的隔板1c以及氧化剂气体侧的隔板1b。
第五实施例
图7示出根据第五实施例的燃料电池堆的构造。
燃料电池堆10包括多个堆叠的单元电池11。单元电池11的基本构造与图1A中示出的相同，包括膜电极组件1a、燃料气体隔板1c、以及在其后表面上设有冷却剂通路的氧化剂气体隔板1b。也提供电流收集功能的端板12布置在两个端部上。
在堆叠方向上位于中央附近的多个单元电池11中所使用的氧化剂气体隔板1b(图7中用对角线加阴影的截面)当从上方看时与图5中示出的氧化剂隔板1b相同，但通路4b比较深，例如0.50mm。在其它堆叠位置中所使用的氧化剂气体隔板1b(图7的非阴影部分)当从上方看时也与图5中示出的氧化剂隔板1b相同，但通路4b比较浅，例如0.45mm。
在堆叠的单元电池11中，如果假定布置在中央的单元电池构成第一区，假定在布置在中央的单元电池11的外侧布置的单元电池11构成第二区，那么，第一区的温度高于第二区的温度。在这个实施例中，邻近第一区的通路4b的宽度大于邻近第二区的通路4b的宽度，因此，邻近第一区的通路4b具有较大的截面面积。
在燃料电池堆10中，在堆叠方向上的温度分布是不均匀的，位于热量散发困难的中央附近的单元电池11的温度增高。这种温度差使膨胀系数和饱和蒸汽压产生差异，导致流过位于中央附近的单元电池11的氧化剂气体隔板的氧化剂气体的质量流量减小。这种趋势在高电流密度区域中尤其显著。
然而，根据上述构造，氧化剂气体流过在堆叠方向上位于中央附近的单元电池11中的氧化剂气体隔板比流过在其它堆叠位置存在的单元电池11中的氧化剂气体隔板更容易。
所以，在堆叠方向上位于燃料电池堆10的中央附近的单元电池11中的气体扩散相对于在其它堆叠位置的单元电池11的气体扩散被改善，能够抑制由减小的质量流量引起的电池电压的减小。结果，即使在扩散限制可能发生的如特别是高电流密度的操作条件下，也可得到呈现稳定性和高性能、以及具有均匀电池电压分布的燃料电池堆。
应该注意，在这个实施例中，隔板1b中的通路4b的深度根据在燃料电池堆10中的堆叠位置而变化，但代替改变通路4b的深度或除改变通路4b的深度之外，可以改变通路4b的截面面积。
此外，通路4b的深度在沿堆叠方向位于燃料电池堆10的中央附近的多个单元电池11与位于其它部分的单元电池11之间改变，但通路4b的深度可以从端部向中央逐渐增大。而且，这种构造可以应用于燃料气体侧以及氧化剂气体侧。
第六实施例
根据本发明第六实施例的燃料电池的基本构造与图7中示出的第五实施例类似。然而，这个实施例的燃料电池堆10与第五实施例的不同之处在于，在沿堆叠方向位于中央附近的多个单元电池11中所使用的氧化剂气体隔板1b(图7中由对角线加阴影的截面)的构造。在其它堆叠位置所使用的氧化剂气体隔板(图7的非阴影部分)的构造与图5中示出的氧化剂气体隔板1b的构造相同。
在堆叠方向的中央附近所使用的氧化剂气体隔板1b的构造示出在图8中。图8和图5中的氧化剂气体隔板之间的差别在于，图8中的氧化剂气体隔板1b的氧化剂气体通路4b和肋5b比图5中的隔板的窄。然而，应该注意，通路4b的深度在两种隔板中相同，并且在单个气体隔板1b的表面上存在的所有通路4b的总截面面积在图8和图5二者中相同。
在燃料电池堆10中，在堆叠方向上的温度分布是不均匀的，位于热量散发困难的中央附近的单元电池11的温度增高。这种温度差使膨胀系数和饱和蒸汽压产生差异，导致流过位于中央附近的单元电池11的氧化剂气体隔板1b的氧化剂气体的质量流量减小。这种趋势在高电流密度区域中尤其显著。
然而，在这个实施例中，通过如上所述设置氧化剂气体隔板1b的肋5b的宽度，改善在堆叠方向上靠近中央的气体扩散，因此，即使当流过靠近中央的单元电池11的氧化剂气体的质量流量减小时，也可抑制气体扩散的减小。
所以，抑制由位于燃料电池堆叠方向的中央附近的单元电池11中的减小的质量流量引起的电池电压的减小，结果，即使在扩散限制可能发生的如高电流密度等操作条件下，也可得到呈现稳定性和高性能、以及具有均匀电池电压分布的燃料电池堆。
应该注意，在这个实施例中，在位于堆叠方向的中央附近的多个单元电池11中的氧化剂气体隔板的构造与位于其它部分的单元电池11的不同，但氧化剂气体隔板的构造可以向中央逐渐变化。这个实施例的构造可以应用于燃料气体侧以及氧化剂气体侧。
第七实施例
根据本发明第七实施例的燃料电池的基本构造与图7中示出的第五实施例类似。然而，在这个实施例的燃料电池堆10中，氧化剂气体扩散电极1p的构造在位于堆叠方向的中央附近的多个单元电池11(图7中由对角线加阴影的截面)中和在位于端侧的多个单元电池11中(图7的非阴影部分)不同。
更具体地说，涂覆到构成氧化剂气体扩散电极1p的碳纸的表面上的碳-聚四氟乙烯混合物的涂层厚度在堆叠方向的中央附近和在端侧上不同。也就是说，该混合物在靠近中央的燃料电池11的气体扩散电极1p上比在端侧的燃料电池11的气体扩散电极1p上涂覆得薄。然而，应该注意，涂覆到该混合物上的催化剂层的规范在两种情况下相同。而且，氧化剂气体隔板的构造与图5中示出的构造相同。
在燃料电池堆10中，在堆叠方向上的温度分布是不均匀的，位于热量散发困难的堆叠方向的中央附近的单元电池11的温度增高。这种温度差使膨胀系数和饱和蒸汽压产生差异，导致流过位于中央附近的单元电池11的氧化剂气体隔板的氧化剂气体的质量流量减小。这种趋势在高电流密度区域中尤其显著。
然而，在这个实施例中，氧化剂气体扩散电极的孔隙率向堆叠方向的中央增大，导致改善堆叠方向的中央附近的气体扩散。
所以，抑制由在堆叠方向上位于燃料电池堆10的中央附近的单元电池11中的减小的质量流量引起的电池电压的减小，结果，即使在扩散限制可能发生的如高电流密度等操作条件下，也可得到呈现稳定性和高性能、以及具有均匀电池电压分布的燃料电池堆。
应该注意，在这个实施例中，氧化剂气体扩散电极1p的构造在位于堆叠方向的中央附近的多个单元电池11中和在位于其它部分的单元电池11中不同，但可以从端部向中央逐渐改变氧化剂气体扩散电极1p的构造(混合物的涂覆厚度)。
而且，在这个实施例中，通过改变混合物的厚度来改变气体扩散电极1p的孔隙率。然而，可以采用另一种方法，例如，可以采用通过不把混合物涂覆到靠近堆叠方向的中央所使用的气体扩散电极上等来改变气体扩散电极1p的孔隙率。此外，这种构造可以应用于燃料气体侧以及氧化剂气体侧。
第八实施例
根据本发明第八实施例的燃料电池堆10的基本构造与图7中示出的第五实施例的构造类似。然而，在第八实施例中，在位于堆叠方向的中央附近的多个单元电池中所使用的氧化剂气体隔板(图7中由对角线加阴影的截面)的构造类似于图6中示出的第四实施例的构造，并且氧化剂气体通路4b比较深，例如0.50mm。在位于端侧的单元电池11中所使用的氧化剂气体隔板(图7的非阴影部分)的构造也类似于图6中示出的构造，但通路4b比较浅，例如0.45mm。此外，在通路4b的下游侧，通路4b宽而肋5b窄。
在燃料电池堆10中，电池表面上的温度分布是不均匀的，靠近热量散发困难的中央的温度增高。气体的这种表面温度差使膨胀系数和饱和蒸汽压产生差异，导致靠近中央流动的氧化剂气体的质量流量减小。这种趋势在高电流密度区域中尤其显著。
然而，在这个实施例中，通过如上述那样构造通路4b，氧化剂气体在中央附近更容易地流动，因此，可改善靠近中央的气体扩散。
此外，在氧化剂气体的氧化剂气体浓度由于电极反应而减小的下游区域中，肋5b的宽度减小，因而在下游区域中，氧化剂气体与气体扩散电极1p之间的表面接触面积增大，能够改善气体扩散。
而且在燃料电池堆10中，在堆叠方向上的温度分布是不均匀的，位于热量散发困难的中央附近的单元电池11的温度增高。这种温度差引起流过位于中央附近的单元电池11的氧化剂气体隔板的氧化剂气体的质量流量减小。这种趋势在高电流密度区域中尤其显著。
然而，在这个实施例中，如上所述氧化剂气体通路4b的深度在中央附近和在端侧不同，因而氧化剂气体更容易地流过靠近中央的单元电池11。结果，可改善靠近中央的气体扩散。
所以，在这个实施例中，可抑制在电池表面的中央附近与减小的质量流量伴随发生的电流密度的减小，并且即使在反应气体的下游区域中也可防止由减小浓度引起的电流密度的不规则。还可抑制由位于堆叠方向的中央附近的单元电池11中的减小的质量流量引起的电池电压的减小。结果，即使在扩散限制可能发生的如高电流密度操作或具有高反应气体利用率的操作等操作条件下，也可得到呈现稳定性和高性能的燃料电池堆。
应该注意，在这个实施例中，通过类似于第四实施例设置在氧化剂气体隔板表面上的气体通路和肋的宽度，可以补偿在表面上的气体扩散。然而，不必必须改变气体通路形式和肋形式，并且可以采用可补偿表面上的气体扩散的任何构造。
此外，在这个实施例中，位于堆叠方向的中央的多个单元电池11与位于其它部分的单元电池11之间分级地改变氧化剂气体隔板的构造，但可以选择从堆叠方向的端部向中央逐渐地改变氧化剂气体隔板的构造。而且，这个实施例的构造可以应用于燃料气体侧以及氧化剂气体侧。
日本专利申请P2003-410509(2003年12月9日提交)的整个内容包括在这里以供参考。
尽管以上已参照本发明的某些实施例说明了本发明，但本发明不限于以上说明的实施例。对于本领域的技术人员，在以上说明的启示下，可以想到上述实施例的变形和修改。本发明的范围参照如下权利要求书限定。
工业实用性
本发明可以应用于燃料电池堆以抑制由高温区域中减小的质量流量引起的电池电压的减小，因而改善燃料电池堆的性能。

Claims (17)

1.一种包括多个堆叠的单元电池(11)的燃料电池堆(10)，其中，每个单元电池(11)包括：
膜电极组件(1a)，在该膜电极组件(1a)中，气体扩散电极(1p)布置在聚合物电解质膜(1m)的每一侧；以及
隔板(1b、1c)，其包括接触所述膜电极组件(1a)以实现电流收集功能的多个肋(5b)和形成在所述肋(5b)之间用于向所述气体扩散电极(1p)供给气体的多个气体通路(4b)，
所述燃料电池堆(10)包括在其内部的第一区和第二区，所述第一区具有比所述第二区高的温度，并且
所述气体通路(4b)、所述肋(5b)、以及所述气体扩散电极(1p)中的至少一个构造成使通过邻近所述第一区的所述气体扩散电极(1p)的气体扩散改善至超过通过邻近所述第二区的所述气体扩散电极(1p)的气体扩散，
其特征在于，当从所述燃料电池堆(10)的堆叠方向看时，所述第一区是所述单元电池(11)的表面的中央区域，所述第二区是在相同的单元电池(11)的所述表面上的所述第一区在所述气体通路(4b)的宽度方向上的两侧的区域。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆(10)，其特征在于，邻近所述第一区的所述气体通路(4b)的截面面积大于邻近所述第二区的所述气体通路(4b)的截面面积。
3.根据权利要求2所述的燃料电池堆(10)，其特征在于，邻近所述第一区的所述气体通路(4b)的截面面积向同一块隔板的下游侧增大。
4.根据权利要求1所述的燃料电池堆(10)，其特征在于，邻近所述第一区的所述肋(5b)的宽度小于邻近所述第二区的所述肋(5b)的宽度。
5.根据权利要求4所述的燃料电池堆(10)，其特征在于，邻近所述第一区的所述肋(5b)的宽度向同一块隔板的下游侧减小。
6.根据权利要求1所述的燃料电池堆(10)，其特征在于，邻近所述第一区的所述气体扩散电极(1p)的孔隙率大于邻近所述第二区的所述气体扩散电极(1p)的孔隙率。
7.根据权利要求6所述的燃料电池堆(10)，其特征在于，包含碳的混合物被涂覆到邻近所述第一区的所述气体扩散电极(1p)上的量比被涂覆到邻近所述第二区的所述气体扩散电极(1p)上的量小。
8.一种包括多个堆叠的单元电池(11)的燃料电池堆(10)，其中，每个单元电池(11)包括：
膜电极组件(1a)，在该膜电极组件(1a)中，气体扩散电极(1p)布置在聚合物电解质膜(1m)的每一侧；以及
隔板(1b、1c)，其包括接触所述膜电极组件(1a)以实现电流收集功能的多个肋(5b)和形成在所述肋(5b)之间用于向所述气体扩散电极(1p)供给气体的多个气体通路(4b)，
所述燃料电池堆(10)在其堆叠方向上包括第一区和第二区，所述第一区包括在所述多个堆叠的单元电池(11)的中央布置的单元电池，所述第二区包括在布置于所述中央的所述单元电池(11)的外侧布置的单元电池(11)，所述第一区具有比所述第二区高的温度，并且
所述气体通路(4b)的宽度、所述肋(5b)的宽度、以及所述气体扩散电极(1p)中的至少一个构造成使通过邻近所述第一区的所述气体扩散电极(1p)的气体扩散改善至超过通过邻近所述第二区的所述气体扩散电极(1p)的气体扩散。
9.根据权利要求8所述的燃料电池堆(10)，其特征在于，邻近所述第一区的所述气体通路(4b)的宽度大于邻近所述第二区的所述气体通路(4b)的宽度。
10.根据权利要求9所述的燃料电池堆(10)，其特征在于，邻近所述第一区的所述气体通路(4b)的宽度向同一块隔板的下游侧增大。
11.根据权利要求8所述的燃料电池堆(10)，其特征在于，邻近所述第一区的所述肋(5b)的宽度小于邻近所述第二区的所述肋(5b)的宽度。
12.根据权利要求11所述的燃料电池堆(10)，其特征在于，邻近所述第一区的所述肋(5b)的宽度向同一块隔板的下游侧减小。
13.根据权利要求8所述的燃料电池堆(10)，其特征在于，邻近所述第一区的所述气体扩散电极(1p)的孔隙率大于邻近所述第二区的所述气体扩散电极(1p)的孔隙率。
14.根据权利要求13所述的燃料电池堆(10)，其特征在于，包含碳的混合物被涂覆到邻近所述第一区的所述气体扩散电极(1p)上的量比被涂覆到邻近所述第二区的所述气体扩散电极(1p)上的量小。
15.一种包括多个堆叠的单元电池(11)的燃料电池堆(10)，其中，每个单元电池(11)包括：
膜电极组件(1a)，在该膜电极组件(1a)中，气体扩散电极(1p)布置在聚合物电解质膜(1m)的每一侧；以及
隔板(1b、1c)，其包括接触所述膜电极组件(1a)以实现电流收集功能的多个肋(5b)和形成在所述肋(5b)之间用于向所述气体扩散电极(1p)供给气体的多个气体通路(4b)，
所述燃料电池堆(10)包括在其内部的第一区和第二区，所述第一区具有比所述第二区高的温度，所述燃料电池堆(10)还包括多个冷却剂通路(4c)，冷却剂通过该冷却剂通路(4c)流到所述气体通路(4b)的后侧，其中，所述第一区是靠近所述冷却剂通路(4c)的出口的区域，所述第二区是在相同单元电池(11)的所述第一区外侧的区域，并且
所述气体扩散电极(1p)构造成使通过邻近所述第一区的所述气体扩散电极(1p)的气体扩散改善至超过通过邻近所述第二区的所述气体扩散电极(1p)的气体扩散。
16.根据权利要求15所述的燃料电池堆(10)，其特征在于，邻近所述第一区的所述气体扩散电极(1p)的孔隙率大于邻近所述第二区的所述气体扩散电极(1p)的孔隙率。
17.根据权利要求16所述的燃料电池堆(10)，其特征在于，包含碳的混合物被涂覆到邻近所述第一区的所述气体扩散电极(1p)上的量比被涂覆到邻近所述第二区的所述气体扩散电极(1p)上的量小。
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