CN101366138B - 燃料电池 - Google Patents

Abstract

在燃料电池中，通过将阳极面对板(42)、中间板(43)和阴极面对板(44)叠置并结合来形成隔离器。阳极面对板(42)具有二维分散在该板表面上的多个氢供给口(422i)。这抑制了由于所产生的水局部保留在阳极或阴极表面上而导致的发电能力的降低。

Description

燃料电池

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。

这种布置有效地使反应气体平面内分布均匀地供给在电池层叠物的阳极和阴极的至少之一的整个表面上，并确保以二维分散的方式供给反应气体，由此实现有效发电。

在燃料电池堆的一个优选结构中，所述多个反应气体入口具有不同的开口面积，使得从反应气体供给流路的更下游侧接收反应气体供给的反应气体入口具有更大的开口面积。

在一种布置中，所述多个反应气体入口在从反应气体供给流路的上游到下游的整个区域上具有基本相同的开口面积并具有基本相等的间隔，供给到电池层叠物的阳极和阴极的至少之一的表面的反应气体压力在反应气体供给流路的更下游处较低。在这种情况下，通过各反应气体入口供给的反应气体的每单位时间流量在反应气体供给流路的更下游处较低。

在上述优选结构的燃料电池堆中，反应气体入口设计为在反应气体供给流路的更下游处具有更大的开口面积。这种布置有效地使通过各反应气体入口供给的反应气体的每单位时间的流量均匀，由此使得能够有效发电。

在燃料电池堆的另一优选结构中，所述多个反应气体入口具有基本相等的开口面积并且以不同的密度布置，使得从反应气体供给流路的更下游侧接收反应气体供给的反应气体入口形成为具有更高的密度。

这种布置有效地使供给的反应气体的流量平面内分布均匀地供给在阳极和阴极的至少之一的表面上，即使在反应气体供给流路的下游处反应气体供给压力低的情况下也是如此，从而能够有效地发电。

在每个隔离器中均包括中间板的燃料电池堆的一个优选应用中，中间板具有冷却介质流通道，通过依次层叠阳极面对板、中间板和阴极面对板形成所述冷却介质流通道，以限定冷却介质流路用于允许冷却介质流冷却所述燃料电池堆。

与具有在单独构件中形成的冷却介质流路的结构相比，该结构理想地减小了隔离器的总厚度并由此减小燃料电池堆的尺寸。

在燃料电池堆中，隔离器可以包括多个中间板，其中反应气体供给流通道和冷却介质流通道分别提供在所述多个中间板中。但是优选一个单个中间板同时具有反应气体供给流通道和冷却介质流通道。

与具有在多个单独的构件中形成的反应气体供给流通道和冷却介质流通道的结构相比，这种结构理想地减少了作为隔离器构件的部件的总数量并使燃料电池堆的尺寸减小。

在每个隔离器中包括中间板的燃料电池堆的另一个优选应用中，具有多个反应气体入口的阳极面对板和阴极面对板中的至少之一还具有废气出口，所述废气出口形成为在厚度方向上穿透所述板并且在垂直于电池层叠物的表面的方向上排出废气，所述废气是通过所述多个反应气体入口供给的反应气体中没有用于发电的剩余气体。中间板具有废气排放流通道，通过依次层叠阳极面对板、中间板和阴极面对板形成废气排放流通道，以限定废气排放流路用于将所述废气从所述废气出口排出所述燃料电池堆。

这种布置理想地将发电未消耗的反应气体剩余部分以及未用于发电的反应气体的未反应部分排出所述燃料电池堆。

在上述应用的燃料电池堆中，优选在阳极面对板中提供多个反应气体入口和废气出口，并且至少在发电期间废气不从所述废气出口排出燃料电池堆。

这种布置能够使得供给到阳极的燃料气体基本全部用于发电而至少在发电期间没有排放到燃料电池堆的外部。这确保了燃料气体的高利用效率。

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，在阳极面对板中提供多个反应气体入口，通过所述多个反应气体入口供给的反应气体基本全部用于发电而没有排出所述燃料电池堆。在该实施方案中，阳极面对板具有所述多个反应气体入口但没有废气出口。

这种布置能够使得供给到阳极的燃料气体基本全部用于发电，由此确保了燃料气体的高利用效率。

在任意上述布置的燃料电池堆中，阳极面对板、阴极面对板和中间板优选均为平板构件。

平板构件的使用理想地有助于阳极面对板、阴极面对板和中间板的加工。

在根据本发明上述方面的燃料电池堆的一个优选结构中，每个电池层叠物在电池层叠物的至少阴极侧面上具有多孔材料的气体扩散层，以在沿着所述阴极侧面的方向上使反应气体扩散流动。

这种布置能够使得反应气体在至少所述阴极的整个表面上有效地扩散。

根据另一方面，本发明涉及一种聚合物电解质燃料电池堆，所述燃料电池堆具有经过隔离器堆叠的多电池层叠物的堆叠结构，其中每个电池层叠物具有在由固体聚合物材料制成的电解质膜的相反面上形成的阳极和阴极。所述隔离器包括：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水入口，所述多个水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水供给到每个所述电池层叠物的表面。所述多个水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。

在根据本发明上述方面的燃料电池堆中，通过所述多个水入口引入的水以二维分散的方式供给到每个电池层叠物的表面，或者更具体地供给到阳极和阴极的至少之一的表面。以这种方式供给的水穿过阳极或阴极进入电解质膜中。这种布置有效地防止电解质膜局部干燥并由此防止燃料电池堆的电池性能劣化。

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。中间板具有水供给流通道，通过依次层叠阳极面对板、中间板和阴极面对板来形成所述水供给流通道，以限定水供给流路用于以分散的方式将水供给到所述多个水入口中。

在每个隔离器中包括中间板的燃料电池堆的一个优选应用中，中间板具有冷却介质流通道，通过依次层叠阳极面对板、中间板和阴极面对板形成所述冷却介质流通道，以限定冷却介质流路用于允许冷却介质流冷却所述聚合物电解质燃料电池堆。

与具有在单独构件中形成的冷却介质流路的结构相比，该结构理想地减小了隔离器的总厚度并由此使燃料电池堆的尺寸减小。

在上述应用的燃料电池堆中，冷却介质流通道可以用作水供给流通道。这种布置不需要在隔离器中单独形成水供给流通道和冷却介质流通道，因此理想地有助于隔离器的加工。

在每个隔离器中包括中间板的燃料电池堆的另一个优选应用中，具有所述多个水入口的阳极面对板和阴极面对板中的所述至少之一还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且布置为在基本垂直于电池层叠物表面的方向上将预定反应气体供给至所述电池层叠物的表面。中间板具有反应气体供给流通道，通过依次层叠阳极面对板、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用于以分散的方式将反应气体供给到所述多个反应气体入口中。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。

在该应用的燃料电池堆中，通过所述多个反应气体入口引入反应气体并以二维分散的方式供给到每个电池层叠物的表面，或者更具体供给到阳极和阴极的至少之一的表面。这种布置能够在阳极或阴极的整个表面上基本均匀地供给反应气体，并由此防止燃料电池堆的电池性能的劣化。

在上述应用的燃料电池堆的一个优选实施方案中，在阳极面对板中提供所述多个水入口和所述多个反应气体入口，和利用供给到所述电池层叠物表面的所述燃料气体以不排出聚合物电解质燃料电池堆而是保留在内部的状态进行发电。这种布置有效地改善了供给到阳极的燃料气体的利用效率。

在根据本发明上述方面的燃料电池堆中，可以任意设置所述多个水入口的形状、开口面积和布局。例如，所述多个水入口可以以基本相等的间隔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。

这种布置有效地使得水平面内分布均匀地供给在电池层叠物的阳极和阴极至少之一的整个表面上，并确保水的二维分散供给，由此实现有效的发电。

在任意上述布置的燃料电池堆中，优选阳极面对板、阴极面对板和中间板均为平板构件。平板构件的使用理想地有助于阳极面对板、阴极面对板和中间板的加工。

在根据本发明该方面的燃料电池堆中，可以在阳极面对板中提供所述多个水入口。这种布置能够使得电解质膜在厚度方向上保持湿润。

本发明并不限于上述燃料电池堆，而是可以通过多种其它应用来实施，例如在燃料电池堆中采用的隔离器和包括燃料电池堆的燃料电池系统、以及制造燃料电池堆的方法。

附图说明

图1示意性说明在本发明第一实施方案中的包括燃料电池堆100的燃料电池系统1000的结构；

图2是表示燃料电池模件40构造的平面图；

图3是表示MEA单元45的MEA 451的截面图；

图4是显示隔离器41的平面图；

图5表示燃料电池模件40的截面结构；

图6是表示在第二实施方案的燃料电池堆中的燃料电池模件40A的构造的平面图；

图7是表示隔离器41A的平面图；

图8表示燃料电池模件40A的截面结构；

图9示意性说明在第三实施方案中包括燃料电池堆100B的燃料电池系统1000B的结构；

图10是表示第三实施方案的燃料电池堆100B中的燃料电池模件40B的构造的平面图；

图11是表示隔离器41B的平面图；

图12表示燃料电池模件40B的截面结构；

图13是表示在第四实施方案的燃料电池堆中的燃料电池模件40C的构造的平面图；

图14是表示隔离器41C的平面图；

图15表示燃料电池模件40C的截面结构；

图16示意性说明在一个变型实施例中燃料电池系统1000D的结构；

图17是表示作为第一实施方案的阳极面对板42的变型实施例的阳极面对板42E、42F和42G的平面图；

图18表示作为第一实施方案的燃料电池模件40的改变实施例的燃料电池模件的截面结构；

图19示意性说明在本发明第五实施方案中包括燃料电池堆100E的燃料电池系统1000E的结构；

图20是表示在第五实施方案的燃料电池堆100E中的燃料电池模件200的示意性结构的截面图；

图21是表示沿着图20中燃料电池模件200的线A-A截取的MEA单元110的截面结构的平面图；

图22表示在第五实施方案中的中间板133的形状；

图23表示在第五实施方案中的阳极面对板131的形状；

图24表示在第五实施方案中的阴极面对板132的形状；

图25示意性说明在本发明第六实施方案中包括燃料电池堆100F的燃料电池系统1000F的结构；

图26表示在第六实施方案中的中间板133A的形状；

图27表示在第六实施方案中的阳极面对板131A的形状；

图28表示在第六实施方案中的阴极面对板132A的形状；和

图29示意性说明在本发明第七实施方案中的包括燃料电池堆100G的燃料电池系统1000G的结构。

具体实施方式

A.第一实施方案

A1.燃料电池系统的结构

图1示意性说明在本发明第一实施方案中的包括堆叠的燃料电池或燃料电池堆100的燃料电池系统1000的结构。

燃料电池堆100具有通过隔离器堆叠的多电池层叠物的堆叠结构。每个电池层叠物通过氢与氧的电化学反应发电并具有跨越质子导电电解质膜布置的阳极和阴极，如以后将说明的。在该实施方案中电解质膜采用固体聚合物膜。该实施方案的隔离器由三个金属平板构成，所述三个金属平板堆叠并结合在一起并且分别具有多个通孔。隔离器的三个金属板形成待供给到阳极的作为燃料气体的氢的流路、待供给到阴极的作为氧化气体的空气的流路、以及冷却水的流路。根据燃料电池堆100所需的输出要求，任意设定在燃料电池堆100中包含的电池层叠物的数量。

通过跨越燃料电池模件40依次向外布置一对集电体30、一对绝缘体板20和一对末端板10，构建燃料电池堆100。燃料电池堆100的这些元件具有入口和出口，以将氢气流、氧气流和冷却水流引入和排出燃料电池堆100。每个燃料电池模件40均包括隔离器41和膜电极组件(下文中称为MEA)单元45，该MEA单元45包括电解质膜与阳极和阴极。燃料电池模件40和MEA单元45的详细结构将在下文中描述。

末端板10由金属例如钢制成，以具有刚性。绝缘体板20由绝缘材料例如橡胶或树脂制成。集电体30由气体不可渗透的导电材料例如致密碳或铜制成。集电体30具有输出端子(未示出)，以输出燃料电池堆100中产生的电能。

虽然没有具体地说明，但是在所述堆叠结构的堆叠方向上对燃料电池堆100施加压力，以防止由于在堆叠结构的任意位置中接触电阻的增加而导致的电池性能劣化和防止堆叠结构中任意的气体泄漏。

由管53从高压氢的氢罐50引入氢的供给，并作为燃料气体输送到燃料电池堆100的阳极。可以通过作为原料的醇、烃、或醛的重整反应产生待供给到阳极的氢，来替代氢罐50的使用。

在氢罐50中储存的高压氢流过截止阀51和调节器52，然后供给到阳极，其中所述截止阀51和调节器52提供在氢罐50的出口处以调节压力和流量。该实施方案的燃料电池系统1000设计为完全消耗供给到燃料电池堆100的阳极的氢用于发电，并且没有排放管以从阳极排出废气(下文中称为阳极废气)到燃料电池堆100的外部。燃料电池系统1000的这种结构确保了燃料气体的有效利用。

由压缩机60压缩的空气供给流过管61并作为含氧的氧化气体供给到燃料电池堆100的阴极。来自阴极的废气(下文中称为阴极废气)经管62排出到燃料电池堆100的外部。在燃料电池堆100中通过氢与氧的电化学反应在阴极上产生的水通过管62随阴极废气排出。

还将冷却水流供给到燃料电池堆100以冷却该燃料电池堆100。利用泵70使冷却水流过管72，由散热器71冷却并供给到燃料电池堆100。A2.燃料电池模件的结构

图2是显示燃料电池模件40的构造的平面图。如上所述，通过堆叠隔离器41和MEA单元45构建燃料电池模件40。通过依次堆叠分别具有多个通孔的三个平板，即阳极面对板42、中间板43和阴极面对板44并热压这三个板的层叠物，得到隔离器41。在该实施方案的结构中，阳极面对板42、中间板43和阴极面对板44是相同矩形形状的不锈钢板。阳极面对板42、中间板43和阴极面对板44的材料不限于不锈钢，而是可以为其它的金属例如钛或铝。因为这些板暴露于冷却水，所以优选耐腐蚀性高的金属用作这些板的材料。

图2(a)是表示与MEA单元45的阳极面接触的阳极面对板42的平面图。如所示的，阳极面对板42具有氢供给通孔422a、多个氢入口422i、空气供给通孔424a、空气排放通孔424b、冷却水供给通孔426a和冷却水排放通孔426b。在该实施方案的结构中，氢供给通孔422a、空气供给通孔424a、空气排放通孔424b、冷却水供给通孔426a和冷却水排放通孔426b基本为矩形形状。可以任意规定这些通孔的形状、尺寸和布局。所述多个氢入口422i是相同直径的圆形孔。在与MEA单元45的MEA 451相对的特定区域中以基本相等的间隔二维分散和布置所述多个氢入口422i，以在MEA单元45中阳极的整个表面上使氢供给均匀地在平面内分散。

图2(b)是表示与MEA单元45的阴极面接触的阴极面对板44的平面图。如所示的，阴极面对板44具有氢供给通孔442a、空气供给通孔444a、多个空气入口444i、多个空气出口444o、空气排放通孔444b、冷却水供给通孔446a和冷却水排放通孔446b。如在阳极面对板42中，氢供给通孔442a、空气供给通孔444a、空气排放通孔444b、冷却水供给通孔446a和冷却水排放通孔446b基本为矩形形状。所述多个空气入口444i和多个空气出口444o为相同直径的圆形孔。所述多个空气入口444i布置为将空气引入到MEA单元45中的接近空气供给通孔444a的阴极的外周。所述多个空气出口444o布置为从MEA单元45中的接近空气排放通孔444b的阴极外周排放阴极废气。

图2(c)是表示中间板43的平面图。如所示的，中间板43具有氢供给通孔432a、空气供给通孔434a、空气排放通孔434b、冷却水供给通孔436a和冷却水排放通孔436b。如在阳极面对板42和阴极面对板44中，氢供给通孔432a、空气供给通孔434a、空气排放通孔434b、冷却水供给通孔436a和冷却水排放通孔436b基本为矩形形状。氢供给通孔432a具有多个氢供给流通道432p，以允许氢以二维分散的方式从氢供给通孔432a流入形成在阳极面对板42中的所述多个氢入口422i中。空气供给通孔434a具有多个空气供给流通道434pi，以允许空气以分散的方式从空气供给通孔434a流入形成在阴极面对板44中的所述多个空气入口444i。空气排放通孔434b具有多个空气排放流通道434po，以允许阴极废气流以集中的方式从形成在阴极面对板44中的所述多个空气出口444o排出到空气排放通孔434b。如图所示的，为了冷却MEA单元45的整个生热或放热部位，冷却水流通道436p形成为蛇形布局以连接冷却水供给通孔436a和冷却水排放通孔436b，并使得在所述多个多个氢供给流通道432p之间形成冷却水的蛇形流动。

图2(d)是表示MEA单元45的阴极面的平面图。图3是表示MEA单元45的MEA 451的截面图。

布置在MEA单元45的中心区域中的MEA 451是膜电极层叠物，该层叠物包括依次形成在电解质膜46的一个面(阴极面)上的阴极催化层47c和阴极扩散层48c、和依次形成在电解质膜46的另一个面(阳极面)上的阳极催化层47a和阳极扩散层48a，如图3所示。在该实施方案中，多孔碳用于阳极扩散层48a和阴极扩散层48c。多孔金属层49另外同时形成在MEA 451的两面上，用作MEA单元45和隔离器41的层叠物中的氢流和空气流的气体流路层。阴极扩散层48c、阳极扩散层48a和多孔金属层49确保气体供给在阳极和阴极的整个表面上的有效扩散。气体流路层的材料不限于多孔金属，而是可以为具有导电性和气体扩散性的任意其它材料，例如碳。

MEA单元45具有通过硅橡胶支撑框架固定的MEA 451。可以用其它具有不可透气性、弹性和耐热性的适当材料的支撑框架替代硅橡胶支撑框架。虽然没有具体说明，但是支撑框架具有一体化形成的密封结构，以防止在MEA单元45和隔离器41的层叠物中气体和冷却水的泄漏。例如可以通过注射成型形成支撑框架。

如图2(d)所示，除了MEA 451之外，MEA单元45还具有形成在支撑框架中的氢供给通孔452a、空气供给通孔454a、空气排放通孔454b、冷却水供给通孔456a和冷却水排放通孔456b。如在阳极面对板42、阴极面对板44和中间板43中，氢供给通孔452a、空气供给通孔454a、空气排放通孔454b、冷却水供给通孔456a和冷却水排放通孔456b基本为矩形形状。

图4是表示隔离器41的平面图。如上所述，隔离器41设计为具有阳极面对板42、中间板43和阴极面对板44的堆叠结构。图4表示隔离器41的阳极面对板42。

如从所示内容可以清楚地理解的，氢供给通孔422a、氢供给通孔432a和氢供给通孔442a具有相同的形状，并且分别形成在阳极面对板42、中间板43和阴极面对板44中的相应的等同位置处。同样，空气供给通孔424a、空气供给通孔434a和空气供给通孔444a具有相同的形状，并且分别形成在阳极面对板42、中间板43和阴极面对板44中相应的等同位置处。空气排放通孔424b、空气排放通孔434b和空气排放通孔444b具有相同的形状，并且分别形成在阳极面对板42、中间板43和阴极面对板44中相应的等同位置处。冷却水供给通孔426a、冷却水供给通孔436a和冷却水供给通孔446a具有相同的形状，并且分别形成在阳极面对板42、中间板43和阴极面对板44中相应的等同位置处。冷却水排放通孔426b、冷却水排放通孔436b和冷却水排放通孔446b具有相同的形状，并且分别形成在阳极面对板42、中间板43和阴极面对板44中相应的等同位置处。

图5表示燃料电池模件40的截面结构。图5(a)是沿着图4的线A-A截取的截面图，图5(b)是沿着图4的线B-B截取的截面图。

形成在MEA单元45中MEA 451的阳极扩散层48a上的多孔金属层49布置为与在MEA单元45和隔离器41的层叠物中的隔离器41的阳极面对板42接触。形成在MEA单元45中MEA 451的阴极扩散层48c上的多孔金属层49布置为与在MEA单元45和隔离器41的层叠物中的隔离器41的阴极面对板44接触。

如图5(a)中的箭头所示，在燃料电池模件40中，穿过阴极面对板44中的氢供给通孔442a、中间板43中的氢供给通孔432a和阳极面对板42中的氢供给通孔422a的氢流从中间板43中的氢供给通孔432a分流，进入所述多个氢供给流通道432p，穿过阳极面对板42中的所述多个氢入口422i和阳极侧多孔金属层49，在阳极扩散层48a的整个表面上扩散地供给。

如图5(b)中的箭头所示，在燃料电池模件40中，穿过阳极面对板42中的空气供给通孔424a、中间板43中的空气供给通孔434a和阴极面对板44中的空气供给通孔444a的空气流从中间板43中的空气供给通孔434a分流，进入所述多个空气供给流通道434pi，穿过阴极面对板44中的所述多个空气入口444i，以垂直于阴极侧多孔金属层49的表面的方向供给。然后空气扩散流过多孔金属层49和阴极扩散层48c。阴极废气以垂直于多孔金属层49的表面的方向流出阴极面对板44中的所述多个空气出口444o，穿过中间板43中的所述多个空气排放流通道434po和空气排放通孔434b，并通过阳极面对板42中的空气排放通孔424b排出。

虽然没有具体说明，但是穿过阳极面对板42中的冷却水供给通孔426a、中间板43中的冷却水供给通孔436a和阴极面对板44中的冷却水供给通孔446a的冷却水流从中间板43中的冷却水供给通孔436a分流，穿过冷却水流通道436p，并通过中间板43中的冷却水排放通孔436b排出。

在上述第一实施方案的燃料电池堆100中，氢流穿过以基本相等间隔布置在阳极面对板42中的所述多个氢入口422i，并以垂直于MEA451的阳极表面的方向以二维分散的方式供给到阳极的基本整个表面上用于发电。这种布置有效地防止在电化学反应期间产生的并通过电解质膜46从阴极侧传输到阳极侧的水局部累积在阳极表面上和阻塞氢通道。这种布置还防止未用于发电的氮或其它未反应气体成分从阴极侧传输到阳极侧、在阳极表面上局部累积、和阻塞氢通道。因此第一实施方案的结构理想地防止燃料电池堆100的发电性能劣化。

如上所述，第一实施方案的燃料电池系统1000设计为全部消耗供给到燃料电池堆100的阳极的氢用于发电，并且没有排放管以将阳极废气排放到燃料电池堆100的外部。在这种设计的常规燃料电池系统中，未用于发电的氮和其它未反应气体成分倾向于局部累积在阳极表面上并导致燃料电池堆的发电性能明显劣化。但是，在第一实施方案的燃料电池系统1000中，燃料电池堆100的结构有效防止未用于发电的氮和其它未反应气体成分局部累积在阳极表面上，从而理想地防止燃料电池堆100的发电性能劣化。

在该实施方案的结构中，冷却水流通道436p形成在中间板43中。与具有在单独构件中形成的冷却水流通道的结构相比，该结构理想地减小了隔离器的总厚度，由此减小了燃料电池堆的尺寸。

氢供给流通道432p、空气供给流通道434pi、空气排放流通道434po和冷却水流通道436p形成在一个单个的中间板43中。与具有在多个单独的构件中形成的气体流通道和冷却水流通道的结构相比，这种结构理想地减少了作为隔离器构件的部件的总数量。

B.第二实施方案

除了燃料电池堆与第一实施方案的燃料电池堆100不同之外，第二实施方案的燃料电池系统具有与第一实施方案的燃料电池系统1000类似的结构。因此下面的说明与第二实施方案的燃料电池堆的结构相关。

图6是表示第二实施方案的燃料电池堆中的燃料电池模件40A的构造的平面图。与第一实施方案的燃料电池模件40相似，通过堆叠隔离器41A和MEA单元45A构建第二实施方案的燃料电池模件40A。通过依次堆叠阳极面对板42A、中间板43A和阴极面对板44A并热压这三个板的层叠物，得到隔离器41A。在该实施方案的结构中，阳极面对板42A、中间板43A和阴极面对板44A是相同矩形形状的不锈钢板。

第二实施方案与第一实施方案的结构不同之处包括在阴极面对板44A中二维分散布置的多个空气入口，和在阳极面对板42A中二维分散布置的多个氢入口。

图6(a)是表示与MEA单元45A的阳极面接触的阳极面对板42A的平面图。如所示的，阳极面对板42A具有氢供给通孔422Aa、多个氢入口422Ai、空气供给通孔424Aa、空气排放通孔424Ab、冷却水供给通孔426Aa和冷却水排放通孔426Ab。在该实施方案的结构中，氢供给通孔422Aa、空气供给通孔424Aa、空气排放通孔424Ab、冷却水供给通孔426Aa和冷却水排放通孔426Ab基本为矩形形状。所述多个氢入口422Ai是相同直径的圆形孔。如第一实施方案的结构一样，所述多个氢入口422Ai以基本相等的间隔二维分散和布置在与MEA单元45A的MEA 451相对的特定区域中，以使氢供给平面内分布均匀地供给在MEA单元45A中阳极的整个表面上。

图6(b)是表示与MEA单元45A的阴极面接触的阴极面对板44A的平面图。如所示的，阴极面对板44A具有氢供给通孔442Aa、空气供给通孔444Aa、多个空气入口444Ai、多个空气出口444Ao、空气排放通孔444Ab、冷却水供给通孔446Aa和冷却水排放通孔446Ab。如在阴极面对板42A中，氢供给通孔442Aa、空气供给通孔444Aa、空气排放通孔444Ab、冷却水供给通孔446Aa和冷却水排放通孔446Ab基本为矩形形状。所述多个空气入口444Ai和多个空气出口444Ao为相同直径的圆形孔。与第一实施方案的结构不同，所述多个空气入口444Ai以基本相等的间隔二维分散和布置在与MEA单元45A的MEA 451相对的特定区域中，以使空气供给平面内分布均匀地供给在MEA单元45A中阴极的整个表面上。所述多个空气出口444Ao布置为从MEA单元45A中的接近空气排放通孔444Ab的阴极的外周排放阴极废气。

图6(c)是表示中间板43A的平面图。如所示的，中间板43A具有氢供给通孔432Aa、空气供给通孔434Aa、空气排放通孔434Ab、冷却水供给通孔436Aa和冷却水排放通孔436Ab。如在阳极面对板42A和阴极面对板44A中，氢供给通孔432Aa、空气供给通孔434Aa、空气排放通孔434Ab、冷却水供给通孔436Aa和冷却水排放通孔436Ab基本为矩形形状。氢供给通孔432Aa具有多个氢供给流通道432Ap，以允许氢流以二维分散的方式从氢供给通孔432Aa进入形成在阳极面对板42A中的所述多个氢入口422Ai。空气供给通孔434Aa具有多个空气供给流通道434Api，以允许空气流以分散的方式从空气供给通孔434Aa进入形成在阴极面对板44A中的所述多个空气入口444Ai。空气排放通孔434Ab具有多个空气排放流通道434Apo，以允许阴极废气流以集中的方式从形成在阴极面对板44A中的所述多个空气出口444Ao流动到空气排放通孔434Ab。如所示的，为了冷却MEA单元45A的整个生热或放热部位，冷却水流通道436Ap形成为蛇形布局，以连接冷却水供给通孔436Aa和冷却水排放通孔436Ab，并在所述多个氢供给流通道432Ap与所述多个空气供给流通道434Api之间形成冷却水的蛇形流。

图6(d)是表示MEA单元45A阴极面的平面图。如所示的，除了MEA 451之外，MEA单元45A具有形成在支撑框架中的氢供给通孔452Aa、空气供给通孔454Aa、空气排放通孔454Ab、冷却水供给通孔456Aa和冷却水排放通孔456Ab。如在阳极面对板42A、阴极面对板44A和中间板43A中，氢供给通孔452Aa、空气供给通孔454Aa、空气排放通孔454Ab、冷却水供给通孔456Aa和冷却水排放通孔456Ab基本为矩形形状。第二实施方案的MEA单元45A的其它结构元件与第一实施方案的MEA单元45的那些结构元件一样。

图7是表示隔离器41A的平面图。与第一实施方案的隔离器41相类似，隔离器41A设计为具有阳极面对板42A、中间板43A和阴极面对板44A的堆叠结构。图7表示隔离器41A的阳极面对板42A。

如从所示内容可以清楚地理解的，氢供给通孔422Aa、氢供给通孔432Aa和氢供给通孔442Aa具有相同的形状，并且分别形成在阳极面对板42A、中间板43A和阴极面对板44A中相应的等同位置处。同样，空气供给通孔424Aa、空气供给通孔434Aa和空气供给通孔444Aa具有相同的形状，并且分别形成在阳极面对板42A、中间板43A和阴极面对板44A中相应的等同位置处。空气排放通孔424Ab、空气排放通孔434Ab和空气排放通孔444Ab具有相同的形状，并且分别形成在阳极面对板42A、中间板43A和阴极面对板44A中相应的等同位置处。冷却水供给通孔426Aa、冷却水供给通孔436Aa和冷却水供给通孔446Aa具有相同的形状，并且分别形成在阳极面对板42A、中间板43A和阴极面对板44A中相应的等同位置处。冷却水排放通孔426Ab、冷却水排放通孔436Ab和冷却水排放通孔446Ab具有相同的形状，并且分别形成在阳极面对板42A、中间板43A和阴极面对板44A中相应的等同位置处。

图8表示燃料电池模件40A的截面结构。图8(a)是沿着图7的线A-A截取的截面图，图8(b)是沿着图7的线B-B截取的截面图，图8(c)是沿着图7的线C-C截取的截面图。

如从图7和8清楚地理解的，在燃料电池模件40A中，穿过阴极面对板44A中的氢供给通孔442Aa、中间板43A中的氢供给通孔432Aa和阳极面对板42A中的氢供给通孔422Aa的氢流从中间板43A中的氢供给通孔432Aa分流，进入所述多个氢供给流通道432Ap，穿过阳极面对板42A中的所述多个氢入口422Ai和阳极侧多孔金属层49，并扩散供给到阳极扩散层48a的整个表面上。

在燃料电池模件40A中，穿过阳极面对板42A中的空气供给通孔424Aa、中间板43A中的空气供给通孔434Aa和阴极面对板44A中的空气供给通孔444Aa的空气流从中间板43A中的空气供给通孔434Aa分流，进入所述多个空气供给流通道434Api，穿过阴极面对板44A中的所述多个空气入口444Ai和阴极侧多孔金属层49，并扩散供给到阴极扩散层48c的整个表面上。然后空气扩散流过阴极扩散层48c。阴极废气以垂直于多孔金属层49表面的方向流出阴极面对板44A中的所述多个空气出口444Ao，穿过中间板43A中的所述多个空气排放流通道434Apo和空气排放通孔434Ab，并从阳极面对板42A中的空气排放通孔424Ab排出。

穿过阳极面对板42A中的冷却水供给通孔426Aa、中间板43A中的冷却水供给通孔436Aa和阴极面对板44A中的冷却水供给通孔446Aa的冷却水流从中间板43A中的冷却水供给通孔436Aa分流，穿过冷却水流通道436Ap，并从中间板43A中的冷却水排放通孔436Ab排出。

在上述第二实施方案的燃料电池堆中，氢流穿过以基本相等的间隔布置在阳极面对板42A中的所述多个氢入口422Ai，并以垂直于MEA451的阳极表面的方向二维分散在阳极的基本整个表面上用于发电。空气流穿过以基本相等的间隔布置在阴极面对板44A中的所述多个空气入口444Ai，并以垂直于MEA 451的阴极表面的方向二维分散在阴极的基本整个表面上用于发电。在燃料电池堆的阳极中，这种布置有效防止在电化学反应期间产生的并通过电解质膜46从阴极侧传输到阳极侧的水以及未用于发电的氮和其它未反应气体成分局部累积在阳极表面上和阻塞氢通道。在燃料电池堆的阴极中，这种布置防止在电化学反应期间在阴极上产生的水局部累积在阴极表面上和阻塞空气通道。因此，第二实施方案的结构理想地防止燃料电池堆的发电性能劣化。

C.第三实施方案

图9示意性说明在第三实施方案中的包括燃料电池堆100B的燃料电池系统1000B的结构。与第一实施方案的燃料电池系统1000不同，第三实施方案的燃料电池系统1000B包括排放管56以将阳极废气排出燃料电池堆100B，以及循环管54以将阳极废气再循环到用于氢供给的管53。排放管56装配有排放阀57，循环管54装配有泵55。燃料电池堆100B还具有排放阳极废气的结构，如后面将说明的。控制泵55和排放阀57的操作，以在排出燃料电池堆100B和再循环到管53之间切换阳极废气流。第三实施方案的燃料电池系统1000B的其它结构元件与第一实施方案的燃料电池系统1000的那些结构元件一样。

图10是表示第三实施方案的燃料电池堆100B中的燃料电池模件40B的构造的平面图。与第一实施方案的燃料电池模件40相同，通过堆叠隔离器41B和MEA单元45B构建第三实施方案的燃料电池模件40B。通过依次堆叠阳极面对板42B、中间板43B和阴极面对板44B并热压这三个板的层叠物，得到隔离器41B。在该实施方案的结构中，阳极面对板42B、中间板43B和阴极面对板44B是相同矩形形状的不锈钢板。

第三实施方案与第一实施方案的结构不同之处包括在隔离器41B和MEA单元45B中形成氢排放通孔和在阳极面对板42B中形成多个氢出口。

图10(a)是表示与MEA单元45B的阳极面接触的阳极面对板42B的平面图。如所示的，阳极面对板42B具有氢供给通孔422Ba、多个氢入口422Bi、多个氢出口422Bo、氢排放通孔422Bb、空气供给通孔424Ba、空气排放通孔424Bb、冷却水供给通孔426Ba和冷却水排放通孔426Bb。氢供给通孔422Ba、氢排放通孔422Bb、空气供给通孔424Ba、空气排放通孔424Bb、冷却水供给通孔426Ba和冷却水排放通孔426Bb基本为矩形形状。所述多个氢入口422Bi和多个氢出口422Bo为相同直径的圆形孔。与第一实施方案的结构相似，所述多个氢入口422Bi以基本相等的间隔二维分散和布置在与MEA单元45B的MEA451相对的特定区域中，以使氢供给平面内分布均匀地供给在MEA单元45B中阳极的整个表面上。与第一实施方案的结构不同，所述多个氢出口422Bo布置为从MEA单元45B中的接近氢排放通孔422Bb的阳极外周排放阳极废气。

图10(b)是表示与MEA单元45B的阴极面接触的阴极面对板44B的平面图。如所示的，阴极面对板44B具有氢供给通孔442Ba、氢排放通孔442Bb、空气供给通孔444Ba、多个空气入口444Bi、多个空气出口444Bo、空气排放通孔444Bb、冷却水供给通孔446Ba和冷却水排放通孔446Bb。如在阳极面对板42B中，氢供给通孔442Ba、氢排放通孔442Bb、空气供给通孔444Ba、空气排放通孔444Bb、冷却水供给通孔446Ba和冷却水排放通孔446Bb基本为矩形形状。所述多个空气入口444Bi和多个空气出口444Bo为相同直径的圆形孔。所述多个空气入口444Bi布置为将空气引入到MEA单元45B中的接近空气供给通孔444Ba的阴极外周。所述多个空气出口444Bo布置为从MEA单元45B中的接近空气排放通孔444Bb的阴极外周排放阴极废气。

图10(c)是表示中间板43B的平面图。如所示的，中间板43B具有氢供给通孔432Ba、氢排放通孔432Bb、空气供给通孔434Ba、空气排放通孔434Bb、冷却水供给通孔436Ba和冷却水排放通孔436Bb。如在阳极面对板42B和阴极面对板44B中，氢供给通孔432Ba、氢排放通孔432Bb、空气供给通孔434Ba、空气排放通孔434Bb、冷却水供给通孔436Ba和冷却水排放通孔436Bb基本为矩形形状。氢供给通孔432Ba具有多个氢供给流通道432Bp，以允许氢流以分散的方式从氢供给通孔432Ba进入形成在阳极面对板42B中的所述多个氢入口422Bi。氢排放通孔432Bb有多个氢排放流通道432Bpo，以允许阳极废气流以集中的方式从形成在阳极面对板42B中的所述多个氢出口422Bo流动到氢排放通孔432Bb。空气供给通孔434Ba具有多个空气供给流通道434Bpi，以允许空气流以分散的方式从空气供给通孔434Ba进入形成在阴极面对板44B中的所述多个空气入口444Bi。空气排放通孔434Bb具有多个空气排放流通道434Bpo，以允许阴极废气流以集中的方式从形成在阴极面对板44B中的所述多个空气出口444Bo流动到空气排放通孔434Bb。如所示的，为了冷却MEA单元45B的整个生热或放热部位，冷却水流通道436Bp形成为蛇形布局以连接冷却水供给通孔436Ba和冷却水排放通孔436Bb，并在所述多个氢供给流通道432Bp之间形成冷却水的蛇形流动。

图10(d)是表示MEA单元45B的阴极面的平面图。如所示的，除了MEA 451之外，MEA单元45B具有形成在支撑框架中的氢供给通孔452Ba、氢排放通孔452Bb、空气供给通孔454Ba、空气排放通孔454Bb、冷却水供给通孔456Ba和冷却水排放通孔456Bb。如在阳极面对板42B、阴极面对板44B和中间板43B中，氢供给通孔452Ba、氢排放通孔452Bb、气供给通孔454Ba、空气排放通孔454Bb、冷却水供给通孔456Ba和冷却水排放通孔456Bb基本为矩形形状。第三实施方案的MEA单元45B的其它结构元件与第一实施方案的MEA单元45的那些结构元件一样。

图11是表示隔离器41B的平面图。与第一实施方案的隔离器41相同，隔离器41B设计为具有阳极面对板42B、中间板43B和阴极面对板44B的堆叠结构。图11表示隔离器41B的阳极面对板42B。

如从所示内容可以清楚地理解的，氢供给通孔422Ba、氢供给通孔432Ba和氢供给通孔442Ba具有相同的形状，并且分别形成在阳极面对板42B、中间板43B和阴极面对板44B相应的等同位置处。同样，氢排放通孔422Bb、氢排放通孔432Bb和氢排放通孔442Bb具有相同的形状，并且分别形成在阳极面对板42B、中间板43B和阴极面对板44B相应的等同位置处。空气供给通孔424Ba、空气供给通孔434Ba和空气供给通孔444Ba具有相同的形状，并且分别形成在阳极面对板42B、中间板43B和阴极面对板44B中相应的等同位置处。空气排放通孔424Bb、空气排放通孔434Bb和空气排放通孔444Bb具有相同的形状，并且分别形成在阳极面对板42B、中间板43B和阴极面对板44B中相应的等同位置处。冷却水供给通孔426Ba、冷却水供给通孔436Ba和冷却水供给通孔446Ba具有相同的形状，并且分别形成在阳极面对板42B、中间板43B和阴极面对板44B中相应的等同位置处。冷却水排放通孔426Bb、冷却水排放通孔436Bb和冷却水排放通孔446Bb具有相同的形状，并且分别形成在阳极面对板42B、中间板43B和阴极面对板44B中相应的等同位置处。

图12表示燃料电池模件40B的截面结构。图12(a)是沿着图11的线A-A截取的截面图，图12(b)是沿着图11的线B-B截取的截面图。

如图12(a)中的箭头所示，在燃料电池模件40B中，穿过阴极面对板44B中的氢供给通孔442Ba、中间板43B中的氢供给通孔432Ba和阳极面对板42B中的氢供给通孔422Ba的氢流从中间板43B中的氢供给通孔432Ba分流，进入所述多个氢供给流通道432Bp，穿过阳极面对板42B中的所述多个氢入口422Bi和阳极侧多孔金属层49，并扩散供给到阳极扩散层48a的整个表面上。阳极废气以垂直于多孔金属层49表面的方向流出阳极面对板42B中的所述多个氢出口422Bo，穿过中间板43B中的多个氢排放流通道432Bpo和氢排放通孔432Bb，并从阴极面对板44B中的氢排放通孔442Bb排出。

如图12(b)中的箭头所示，在燃料电池模件40B中，穿过阳极面对板42B中的空气供给通孔424Ba、中间板43B中的空气供给通孔434Ba和阴极面对板44B中的空气供给通孔444Ba的空气流从中间板43B中的空气供给通孔434Ba分流，进入所述多个空气供给流通道434Bpi，穿过阴极面对板44B中的所述多个空气入口444Bi，以垂直于阴极侧多孔金属层49的表面的方向供给。然后空气扩散流过多孔金属层49和阴极扩散层48c。阴极废气以垂直于多孔金属层49的表面的方向流出阴极面对板44B中的所述多个空气出口444Bo，穿过中间板43B中的所述多个空气排放流通道434Bpo和空气排放通孔434Bb，并从阳极面对板42B中的空气排放通孔424Bb排出。

穿过阳极面对板42B中的冷却水供给通孔426Ba、中间板43B中的冷却水供给通孔436Ba和阴极面对板44B中的冷却水供给通孔446Ba的冷却水流从中间板43B中的冷却水供给通孔436Ba分流，穿过冷却水流通道436Bp，并从中间板43B中的冷却水排放通孔436Bb排出。

如在第一实施方案的燃料电池堆100中，在上述第三实施方案的燃料电池堆100B中，氢流穿过以基本相等的间隔布置在阳极面对板42B中的所述多个氢入口422Bi，并以垂直于MEA 451的阳极表面的方向供给，以二维分散在阳极的基本整个表面上用于发电。这种布置有效防止在电化学反应期间产生的并通过电解质膜46从阴极侧传输到阳极侧的水局部累积在阳极表面上和阻塞氢通道。因此第三实施方案的结构理想地防止燃料电池堆100B的发电性能劣化。第三实施方案的结构还能够将包含未用于发电的未反应气体成分的阳极废气排放到燃料电池堆100B的外部。

D.第四实施方案

除了燃料电池堆与第三实施方案的燃料电池堆100B不同之外，第四实施方案的燃料电池系统具有与第三实施方案的燃料电池系统1000B相似的结构。因此下面的说明与第四实施方案的燃料电池堆的结构相关。

图13是表示第四实施方案的燃料电池堆中的燃料电池模件40C的构造的平面图。与第一实施方案的燃料电池模件40相同，通过堆叠隔离器41C和MEA单元45C构建第四实施方案的燃料电池模件40C。通过依次堆叠阳极面对板42C、中间板43C和阴极面对板44C并热压这三个板的层叠物，得到隔离器41C。在该实施方案的结构中，阳极面对板42C、中间板43C和阴极面对板44C是相同矩形形状的不锈钢板。

第四实施方案与第三实施方案的结构不同之处包括在阴极面对板44C中以二维分散的方式布置多个空气入口，以及在阳极面对板42C中以二维分散的方式布置多个氢入口。

图13(a)是表示与MEA单元45C的阳极面接触的阳极面对板42C的平面图。如所示的，阳极面对板42C具有氢供给通孔422Ca、多个氢入口422Ci、多个氢出口422Co、氢排放通孔422Cb、空气供给通孔424Ca、空气排放通孔424Cb、冷却水供给通孔426Ca和冷却水排放通孔426Cb。氢供给通孔422Ca、氢排放通孔422Cb、空气供给通孔424Ca、空气排放通孔424Cb、冷却水供给通孔426Ca和冷却水排放通孔426Cb基本为矩形形状。所述多个氢入口422Ci和多个氢出口422Co为相同直径的圆形孔。与第三实施方案的结构相似，所述多个氢入口422Ci以基本相等的间隔二维分散和布置在与MEA单元45C的MEA451相对的特定区域中，以使氢供给平面内分布均匀地供给在MEA单元45C中阳极的整个表面上。所述多个氢出口422Co布置为从MEA单元45C中的接近氢排放通孔422Cb的阳极外周排放阳极废气。

图13(b)是表示与MEA单元45C的阴极面接触的阴极面对板44C的平面图。如所示的，阴极面对板44C具有氢供给通孔442Ca、氢排放通孔442Cb、空气供给通孔444Ca、多个空气入口444Ci、多个空气出口444Co、空气排放通孔444Cb、冷却水供给通孔446Ca和冷却水排放通孔446Cb。如在阳极面对板42C中，氢供给通孔442Ca、氢排放通孔442Cb、空气供给通孔444Ca、空气排放通孔444Cb、冷却水供给通孔446Ca和冷却水排放通孔446Cb基本为矩形形状。所述多个空气入口444Ci和多个空气出口444Co为相同直径的圆形孔。与第二实施方案的结构类似，所述多个空气入口444Ci以基本相等的间隔二维分散和布置在与MEA单元45C的MEA 451相对的特定区域中，以使氢供给均匀地平面内分布在MEA单元45C中阴极的整个表面上。所述多个空气出口444Co布置为从MEA单元45C中的接近空气排放通孔444Cb的阴极外周排放阴极废气。

图13(c)是表示中间板43C的平面图。如所示的，中间板43C具有氢供给通孔432Ca、氢排放通孔432Cb、空气供给通孔434Ca、空气排放通孔434Cb、冷却水供给通孔436Ca和冷却水排放通孔436Cb。如在阳极面对板42C和阴极面对板44C中，氢供给通孔432Ca、氢排放通孔432Cb、空气供给通孔434Ca、空气排放通孔434Cb、冷却水供给通孔436Ca和冷却水排放通孔436Cb基本为矩形形状。氢供给通孔432Ca具有多个氢供给流通道432Cp，以允许氢以二维分散的方式从氢供给通孔432Ca进入形成在阳极面对板42C中的所述多个氢入口422Ci。氢排放通孔432Cb有多个氢排放流通道432Cpo，以允许阳极废气流以集中的方式从形成在阳极面对板42C中的所述多个氢出口422Co流动到氢排放通孔432Cb。空气供给通孔434Ca具有多个空气供给流通道434Cp，以允许空气流以分散的方式从空气供给通孔434Ca进入形成在阴极面对板44C中的所述多个空气入口444Ci。空气排放通孔434Cb具有多个空气排放流通道434Cpo，以允许阴极废气流以集中的方式从形成在阴极面对板44C中的所述多个空气出口444Co流动到空气排放通孔434Cb。如所示的，为了冷却MEA单元45C的整个生热或放热部位，冷却水流通道436Cp形成为蛇形布局，以连接冷却水供给通孔436Ca和冷却水排放通孔436Cb，并在所述多个氢供给流通道432Cp和所述多个空气供给流通道434Cp之间形成冷却水的蛇形流动。

图13(d)是表示MEA单元45C的阴极面的平面图。如所示的，除了MEA 451之外，MEA单元45C具有形成在支撑框架中的氢供给通孔452Ca、氢排放通孔452Cb、空气供给通孔454Ca、空气排放通孔454Cb、冷却水供给通孔456Ca和冷却水排放通孔456Cb。如在阳极面对板42C、阴极面对板44C和中间板43C中，氢供给通孔452Ca、氢排放通孔452Cb、气供给通孔454Ca、空气排放通孔454Cb、冷却水供给通孔456Ca和冷却水排放通孔456Cb基本为矩形形状。第四实施方案的MEA单元45C的其它结构元件与第一实施方案的MEA单元45的那些结构元件一样。

图14是表示隔离器41C的平面图。与第一实施方案的隔离器41相同，隔离器41C设计为具有阳极面对板42C、中间板43C和阴极面对板44C的堆叠结构。图14表示隔离器41C的阳极面对板42C。

如从所示内容可以清楚地理解的，氢供给通孔422Ca、氢供给通孔432Ca和氢供给通孔442Ca具有相同的形状，并且分别形成在阳极面对板42C、中间板43C和阴极面对板44C相应的等同位置处。同样，氢排放通孔422Cb、氢排放通孔432Cb和氢排放通孔442Cb具有相同的形状，并且分别形成在阳极面对板42C、中间板43C和阴极面对板44C相应的等同位置处。空气供给通孔424Ca、空气供给通孔434Ca和空气供给通孔444Ca具有相同的形状，并且分别形成在阳极面对板42C、中间板43C和阴极面对板44C中相应的等同位置处。空气排放通孔424Cb、空气排放通孔434Cb和空气排放通孔444Cb具有相同的形状，并且分别形成在阳极面对板42C、中间板43C和阴极面对板44C中相应的等同位置处。冷却水供给通孔426Ca、冷却水供给通孔436Ca和冷却水供给通孔446Ca具有相同的形状，并且分别形成在阳极面对板42C、中间板43C和阴极面对板44C中相应的等同位置处。冷却水排放通孔426Cb、冷却水排放通孔436Cb和冷却水排放通孔446Cb具有相同的形状，并且分别形成在阳极面对板42C、中间板43C和阴极面对板44C中相应的等同位置处。

图15表示燃料电池模件40C的截面结构。图15(a)是沿着图14的线A-A截取的截面图，图15(b)是沿着图14的线B-B截取的截面图，图15(c)是沿着图14的线C-C截取的截面图，图15(d)是沿着图14的线D-D截取的截面图。

如从图14和15可以清楚地理解的，在燃料电池模件40C中，穿过阴极面对板44C中的氢供给通孔442Ca、中间板43C中的氢供给通孔432Ca和阳极面对板42C中的氢供给通孔422Ca的氢流从中间板43C中的氢供给通孔432Ca分流，进入所述多个氢供给流通道432Cp，穿过阳极面对板42C中的所述多个氢入口422Ci和阳极侧多孔金属层49，并扩散供给到阳极扩散层48a的整个表面上。阳极废气以垂直于多孔金属层49表面的方向流出阳极面对板42C中的所述多个氢出口422Co，穿过中间板43C中的氢排放流通道432Cpo和氢排放通孔432Cb，并从阴极面对板44C中的氢排放通孔442Cb排出。

在燃料电池模件40C中，穿过阳极面对板42C中的空气供给通孔424Ca、中间板43C中的空气供给通孔434Ca和阴极面对板44C中的空气供给通孔444Ca的空气流从中间板43C中的空气供给通孔434Ca分流，进入所述多个空气供给流通道434Cp，穿过阴极面对板44C中的所述多个空气入口444Ci和阴极侧多孔金属层49，并扩散供给到阴极扩散层48c的整个表面上。然后空气扩散流过阴极扩散层48c。阴极废气以垂直于多孔金属层49的表面的方向流出阴极面对板44C中的所述多个空气出口444Co，穿过中间板43C中的所述多个空气排放流通道434Cpo和空气排放通孔434Cb，并从阳极面对板42C中的空气排放通孔424Cb排出。

穿过阳极面对板42C中的冷却水供给通孔426Ca、中间板43C中的冷却水供给通孔436Ca和阴极面对板44C中的冷却水供给通孔446Ca的冷却水流从中间板43C中的冷却水供给通孔436Ca分流，穿过冷却水流通道436Cp，并从中间板43C中的冷却水排放通孔436Cb排出。

在上述第四实施方案的燃料电池堆中，氢流穿过以基本相等间隔布置在阳极面对板42C中的所述多个氢入口422Ci，并以垂直于MEA451的阳极表面的方向供给，以二维分散在阳极的基本整个表面上用于发电。空气流穿过以基本相等的间隔布置在阴极面对板44C中的所述多个空气入口444Ci，并以垂直于MEA 451的阴极表面的方向供给，以二维分散在阴极的基本整个表面上用于发电。在燃料电池堆中的阳极中，这种布置有效地防止在电化学反应期间产生的并通过电解质膜46从阴极侧传输到阳极侧的水局部累积在阳极表面上和阻塞氢通道。在燃料电池堆的阴极中，这种布置防止在电化学反应期间在阴极上产生的水局部累积在阴极表面上和阻塞空气通道。因此第四实施方案的结构理想地防止燃料电池堆的发电性能劣化。第四实施方案的结构还能够将包含未用于发电的未反应气体成分的阳极废气排放到燃料电池堆的外部。

E.第一到第四实施方案的其它方面

上述第一到第四实施方案在所有方面认为是示例性的而非限制性的。这些实施方案可以存在许多改变、变化和替代，而不背离本发明主要特征的范围或精神。下面给出一些可能的变型实施例。

E1.变型实施例1

图16示例性说明在一个变型实施例中燃料电池系统1000D的结构。这种变型结构的燃料电池系统1000D设计为从第三实施方案的燃料电池系统或从第四实施方案的燃料电池系统省略循环管54和泵55。在燃料电池系统1000D中采用的燃料电池堆100D可以是第三实施方案的燃料电池堆100B或第四实施方案的燃料电池堆。在燃料电池系统1000D中，在发电期间，排放阀57关闭以使燃料电池堆100D处于完全消耗供给到燃料电池堆100D的阳极的氢并禁止废气排放的特定状态。在预设的时间，打开排放阀57以将未用于发电和累积在燃料电池堆100D内部的未反应气体成分排放到外部。这种变型的结构保证了燃料气体的有效利用。

E2.变型实施例2

在第一实施方案的结构中，在阳极面对板42中形成的多个氢入口422i是相同直径的圆形孔并且以基本相等的间隔布置。但是这种布置既不是必需的也不是限制性的。所述多个氢入口422i的形状、尺寸和布局可以任意规定，只要这种规定确保氢供给二维分散在MEA 451的阳极的整个表面上。

图17是表示作为第一实施方案的阳极面对板42的变型实施例的阳极面对板42E、42F和42G的平面图。

在图17(a)所示的实例中，阳极面对板42E具有多个氢入口422Ei，所述多个氢入口422Ei以基本相等的间隔布置但具有不同的直径(开口面积)，使得位于氢流更下游的氢入口422Ei具有更大的开口面积。在相同开口面积的多个氢入口以相等间隔布置在从氢流的上游到下游的整个区域上的布置中，供给到MEA 451的阳极表面上的氢压力低于在氢流更下游处的压力。在这种情况下，通过各个氢入口供给的氢的每单位时间的流量在氢流的更下游较低。阳极面对板42E的这种结构有效地使通过各个氢入口422Ei供给的氢的每单位时间的流量相等。

在图17(b)所示的实例中，阳极面对板42F具有以不同间隔布置的开口面积相同的多个氢入口422Fi，使得位于氢流更下游的氢入口422Fi以更窄的间隔布置。这种布置有效地使供给的氢的流量平面内分布均匀地供给在阳极的表面上，甚至在氢流下游中氢供给压力低的情况下也是如此。

在图17(c)所示的实例中，阳极面对板42G具有形成为矩形狭缝的多个氢入口422Gi。该氢入口可以具有任意其它适当的形状。

这些变型同样可适用于其它实施方案的阳极面对板中的氢入口，以及适用于第二实施方案和第四实施方案的阴极面对板中的空气入口。

E3.变型实施例3

图18表示作为第一实施方案的燃料电池模件40的变型实施例的燃料电池模件的截面结构。图18(a)的左侧图是表示该变型实施例中的MEA单元的MEA截面图。右侧图是对应于图4中A-A截面的该变型实施例的燃料电池模件的截面图。图18(b)是对应于图4中B-B截面的该变型实施例的燃料电池模件的截面图。在该变型结构中的氢流、空气流和冷却水流类似于第一实施方案的结构中的那些，因此此处不具体说明。在该变型实施例的燃料电池模件中，在MEA单元的MEA阳极上没有形成多孔金属层。MEA阳极上没有多孔金属层的这种结构仍能通过形成在阳极面对板42中的所述多个氢入口422i使得氢流供给到基本上整个阳极表面。

E4.变型实施例4

在上述一些实施方案中，阳极面对板具有二维分散布置的多个氢入口。在其它一些实施方案中，阳极面对板具有二维分散布置的多个氢入口，而阴极面对板具有二维分散布置的多个空气入口。通常，需要阳极面对板和阴极面对板的至少之一具有二维分散布置的多个入口。

E5.变型实施例5

在上述实施方案中，在中间板中形成冷却水流通道。但是，这既不是必需的也不是限制性的。在一个变型方案中，可以在单独的构件中形成冷却水流通道。但是，与具有在单独构件中形成的冷却水流通道的结构相比，如上述实施方案中在中间板中形成冷却水流通道理想地减小了隔离器的总厚度，并从而使燃料电池堆的尺寸减小。在上述实施方案的结构中，在一个单个板中形成冷却水流通道和气体流通道。与具有在多个单个的构件中形成的气体流通道和冷却水流通道的结构相比，这种结构理想地减少了作为隔离器构件的部件的总数量。

E6.变型实施例6

在上述实施方案中，阳极面对板、中间板和阴极面对板均是平板。但是，这既不是必需的也不是限制性的。如在上文引用的专利文献1的技术中所说明的，具有用于气体流路的沟槽的阳极面对板和阴极面对板可以用作隔离器。但是，阳极面对板、中间板和阴极面对板采用平板有利地有助于加工。

在上述第一到第四实施方案的结构中，氢流或空气流穿过形成在阳极面对板中的多个氢入口或者穿过形成在阴极面对板中的多个空气入口，并以垂直于阳极表面或阴极表面的方向供给，以二维分散到阳极的基本整个表面上或在阴极的基本整个表面上。另一方面，在下文所述的第五到第七实施方案的结构中，水流过形成在阳极面对板中的多个氢入口(通孔)并经气体扩散层和阳极以二维分散的方式供给到电解质膜。

F.第五实施方案

图19示意性说明在本发明第五实施方案中包括燃料电池堆100E的燃料电池系统1000E的结构。该实施方案的燃料电池堆100E采用尺寸相对小但发电效率高的聚合物电解质燃料电池。燃料电池堆100E包括多个燃料电池模件200、一对末端板300、一对张力板310、一对绝缘体板330和一对集电体340。所述多个燃料电池模件200通过跨越各个绝缘体板330和各个集电体340的一对末端板300来夹持。在燃料电池堆100E中，层叠所述多个燃料电池模件200以形成层叠结构。张力板310利用栓320连接到各个末端板300，使得所述多个燃料电池模件200在其层叠方向上在预设定的力下紧固。

该实施方案的燃料电池堆100E除了接收用于电化学反应的反应气体(燃料气体和氧化气体)供给和用于冷却燃料电池堆100E的冷却介质(例如水、防冻溶液如乙二醇，或空气)供给之外，还接收来自水箱580的水供给。

经过管515从高压氢的氢罐500引入氢源并作为燃料气体供给到燃料电池堆100E的阳极。在管515中提供截止阀510和调节器(未示出)，以调节氢供给流。燃料电池堆100E具有排放管517、其连接燃料气体排放歧管，以将包含未用于电化学反应的未反应气体成分的阳极废气从阳极排放到燃料电池堆100E的外部，如下文将说明的。

由压缩机540压缩空气供给并作为氧化气体经过管544供给到燃料电池堆100E的阴极。从燃料电池堆100E的阴极排放的阴极废气流经排放管546并释放到大气中。

冷却介质流经过管555从散热器550供给到燃料电池堆100E。流出燃料电池堆100E的冷却介质经过管555再引入到散热器550中并再循环到燃料电池堆100E。在管555上提供循环泵560以再循环冷却介质流。

利用水供给泵585将水供给从水箱580流经管587引入到燃料电池堆100E。如下文所述，该水流供给到燃料电池堆100E的阳极。

控制电路600构建为基于微型计算机的逻辑电路，并包括：设计用来根据预设的控制程序执行不同算法操作的CPU(未示出)、设计用来存储由CPU执行的不同算法操作所需的控制程序和控制数据的ROM(未示出)、设计用来临时读取和写入由CPU执行的不同算法操作所需的各种数据的RAM(未示出)和设置用于输入和输出各种信号的输入输出端口。控制单元600调节并控制燃料电池堆100E发电所涉及的相关部件，例如截止阀510、压缩机540、循环泵560和水供给泵585。

F2.燃料电池模件的结构

图20是表示在第五实施方案的燃料电池堆100E中的燃料电池模件200的示意性结构的截面图。如图20所示，通过交替堆叠隔离器130和MEA单元110构建燃料电池模件200。在下文的说明中，交替堆叠隔离器130和MEA单元110的方向称为堆叠方向(等同于“x”方向)，平行于燃料电池模件200的面的方向称为平面方向。

MEA单元110包括MEA、布置在MEA外侧的一对第二气体扩散层114和115、以及密封构件116。MEA包括电解质膜120、跨越电解质膜120布置的并在电解质膜120的相反表面上形成为催化电极的阳极122和阴极124，以及布置在各个催化电极外侧的一对第一气体扩散层126和128。MEA中用于实际发电的有效区域在下文中可以具体称为发电区域。

电解质膜120是由适当固体聚合物材料例如含全氟碳磺酸的氟树脂制成的质子导电离子交换膜，并且在湿润状态下具有有利的导电性。阳极122和阴极124包括用于加速电化学反应的所选催化剂，例如铂或铂合金。第一气体扩散层126和128例如是多孔碳构件。

第二气体扩散层114和115由导电的多孔金属材料例如金属泡沫或钛(Ti)金属网制成。第二气体扩散层114和115布置为完全占据由MEA和隔离器130所限定的空间。第二气体扩散层114和115的内部体积分别具有大量的孔并用作反应气体(燃料气体和氧化气体)的内部燃料电池模件气体流路。燃料气体供给到并流过第二气体扩散层114。因此，在第二气体扩散层114中形成的内部燃料电池模件气体流路被称为燃料气体流路。氧化气体供给到并流过第二气体扩散层115。因此，在第二气体扩散层115中形成的内部燃料电池模件气体流路被称为氧化气体流路。

密封构件116位于每一对相邻的隔离器130之间并且布置为包围MEA和第二气体扩散层114和115。密封构件116由绝缘橡胶材料例如硅橡胶、丁基橡胶、或氟橡胶制成，并且与MEA一体化形成。形成密封构件116的一个典型方法是将MEA配合在模具的腔中，并将树脂材料注模到模具中。然后将树脂材料浸到多孔第一气体扩散层中，使得MEA和密封构件116相互紧密结合以确保在MEA相反表面之间充分的气密性。密封构件116还用作支撑MEA的支撑构件。

图21是表示沿着图20中燃料电池模件200的线A-A截取的MEA单元110的截面结构的平面图。如图21所示，密封构件116是矩形的薄板构件，并且具有七个通孔和基本为矩形的中心孔，所述七个通孔形成在其外周以形成各个歧管的部分，所述中心孔用于接收配合在其中的MEA以及第二气体扩散层114和115(作为填充有斜线的区域给出)。图21中填充有斜线的区域对应于发电区域。

虽然在图21的平面图中没有具体说明，但是密封构件116实际上具有预定的凹凸形状。在燃料电池堆100E中，密封构件116经过密封构件116的突出部与相邻的隔离器130接触，其中所述突出部形成在围绕所述歧管的七个通孔和基本矩形的中心孔的位置处。密封构件116与隔离器130的接触位置(由图20中的单点划线表示)表示为图21平面图中的密封线SL。密封构件116由弹性树脂材料制成，并通过在平行于燃料电池堆100E的堆叠方向的方向上施加压力，实现其在密封线SL位置处的密封性能。

沿着图21的线B-B截取的密封构件116和第二气体扩散层114的形状等同于在图20中的密封构件116和第二气体扩散层114的截面形状。

F3.隔离器130的结构

图22表示在第五实施方案中的中间板133的形状。图23表示在第五实施方案中的阳极面对板131的形状。图24表示在第五实施方案中的阴极面对板132的形状。隔离器130由在堆叠方向上具有相同形状的三个板构成并因此构建为三层隔离器。隔离器130包括与第二气体扩散层114接触的阳极面对板131、与第二气体扩散层115接触的阴极面对板132和位于阳极面对板131和阴极面对板132之间的中间板133。这三个板是导电材料例如金属如钛(Ti)的层叠物，并通过扩散结合或其它合适技术堆叠和结合为一体。这三个板具有平坦表面，在选定位置处具有形成为特定形状的孔。图22、23和24中的虚线对应于MEA单元110和隔离器130的堆叠物中的发电区域的外形(参见图21)。沿着图22、23和24的线B-B截取的中间板133、阳极面对板131和阴极面对板132的形状等同于图20中的中间板133、阳极面对板131和阴极面对板132的截面形状。

如图22、23和24所示的，中间板133、阳极面对板131和阴极面对板132在等同的位置处分别具有七个通孔140～146。在形成燃料电池模件200的这些板的堆叠物中，在各个板中在每个与所述七个通孔之一等同的位置处形成的相应通孔相互重叠，以形成歧管用于以与燃料电池模件200中堆叠方向平行的方向引入流体。

通孔140构成燃料气体供给歧管(在附图中表示为“H₂进”)，该燃料气体供给歧管布置为将供给到燃料电池堆100E的燃料气体流分散到各个MEA单元110中。通孔141构成燃料气体排放歧管(在附图中表示为“H₂出”)，该燃料气体排放歧管布置为将阳极废气的集合流从各个MEA单元110排放到燃料电池堆100E的外部。

通孔142构成氧化气体供给歧管(在附图中表示为“空气进”)，该氧化气体供给歧管布置为将供给到燃料电池堆100E的氧化气体流分散到各个MEA单元110中。通孔143构成燃料气体排放歧管(在附图中表示为“空气出”)，该燃料气体排放歧管布置为将阴极废气的集合流从各个MEA单元110排放到燃料电池堆100E的外部。

通孔144构成冷却介质供给歧管(在附图中表示为“冷却介质进”)，该冷却介质供给歧管布置为将供给到燃料电池堆100E的冷却介质流分散到各个隔离器130中。通孔145构成冷却介质排放歧管(在附图中表示为“冷却介质出”)，该冷却介质排放歧管布置为将冷却介质的集合流从各个隔离器130排放到燃料电池堆100E的外部。

通孔146构成水供给歧管(在附图中表示为“水进”)，该歧管布置为将从水箱580供给到燃料电池堆100E的水流分散到阳极122中。

如图22所示的，中间板133中的通孔140～146的形状不同于其它板131和132中通孔140～146的形状。中间板133中的通孔140具有多个长通道，所述多个长通道从面向对应于发电区域的特定区域的一侧(特定区域面向侧)突出朝向所述特定区域中的相对通孔146的外周。这些通道在下文中称为连通通道150。

中间板133中的通孔146具有多个长通道，所述多个长通道从其特定区域面向侧突出朝向所述特定区域中的相对通孔140的外周。这些通道在下文中称为连通通道151。如图22所示，连通通道150和连通通道151形成为在平面方向上交替布置。

中间板133中的通孔141、142和143分别具有多个从它们各自的特定区域面向侧朝向所述特定区域伸出的多个短通道。这些通道分别称为连通通道152、153和154。

中间板133中的通孔144和145通过连通通道155互连。连通通道155在对应于发电区域的特定区域中形成为蛇形布局，以围绕连通通道150和151延伸。在阳极面对板131和阴极面对板132之间的中间板133的堆叠物中，由通孔144形成的冷却介质供给歧管与由通孔145形成的冷却介质排放歧管连通，以允许冷却介质流从冷却介质供给歧管流动到冷却介质排放歧管并冷却燃料电池堆100E的内部。

如图23所示的，阳极面对板131具有作为多个入口160的多个通孔，所述多个入口160以基本相等的间隔布置在对应于发电区域的特定区域中并对应于在中间板133中形成的连通通道150的位置处。即，所述多个入口160二维分布在对应于发电区域的阳极面对板131的特定区域中。在阳极面对板131和中间板133的堆叠物中，所述多个入口160通过连通通道150与由通孔140形成的燃料气体供给歧管连通。

阳极面对板131还具有作为多个入口161的多个通孔，所述多个入口161以基本相等的间隔布置在对应于发电区域的特定区域中并在对应于在中间板133中形成的连通通道151的位置处。即，所述多个入口161二维分散在对应于发电区域的阳极面对板131的特定区域中。在阳极面对板131和中间板133的堆叠物中，所述多个入口161通过连通通道151与由通孔146形成的水供给歧管连通。

阳极面对板131还具有作为多个出口162阵列的多个通孔阵列，所述多个出口162在对应于发电区域的特定区域中并在对应于在中间板133中形成的连通通道152的位置处对准。在阳极面对板131和中间板133的堆叠物中，所述多个出口162通过连通通道152与由通孔141形成的燃料气体排放歧管连通。

如图24所示的，阴极面对板132具有作为多个入口163阵列的多个通孔阵列，所述多个入口163在对应于发电区域的特定区域中并在对应于在中间板133中形成的连通通道153的位置处对准。阴极面对板132还具有作为多个出口164阵列的多个通孔阵列，所述多个出口164在对应于发电区域的特定区域中并在对应于在中间板133中形成的连通通道154的位置处对准。在阴极面对板132和中间板133的堆叠物中，所述多个入口163通过连通通道153与由通孔142形成的氧化气体供给歧管连通。类似地，所述多个出口164通过连通通道154与由通孔143形成的氧化气体排放歧管连通。

在燃料电池堆100E(燃料电池模件200)的内部，通过在各个板131、133和132中由通孔146形成的水供给歧管引入水流，经由中间板133(参见图22)中的连通通道155(参见图20)限定的空间进入形成在第二气体扩散层114中的内部燃料电池模件气体流路(燃料气体流路)中，并进入阳极面对板131中二维分散的多个入口161(参见图23)中，并穿过阳极122供给到电解质膜120。这种布置能够使得水以二维分散的方式供给到电解质膜120，因此确保了在电解质膜120的整个表面上基本均匀地供给水。水的这种均匀供给有效地防止电解质膜120局部干燥并从而防止燃料电池堆100E的电池性能劣化。在引起水供给蒸发的燃料电池堆100E的一些运行条件下，通过水蒸发的潜热冷却燃料电池堆100E。

在燃料电池堆100E(燃料电池模件200)的内部，通过在各个板131、133和132中由通孔140形成的燃料气体供给歧管引入燃料气体流，经过由中间板133中的连通通道150限定的空间进入在第二气体扩散层114中形成的内部燃料电池模件气体流路(燃料气体流路)中，并进入阳极面对板131中二维分散的多个入口160中，并同时在平面方向和垂直于平面方向的方向上(即堆叠方向)上扩散。在堆叠方向上扩散的燃料气体穿过第二气体扩散层114和第一气体扩散层126，到达阳极122以进行电化学反应。这种布置能够使得燃料气体以二维分散的方式供给到阳极122，因此确保了在阳极122的整个表面上基本均匀地供给燃料气体。燃料气体的这种均匀供给有效地防止燃料电池堆100E的电池性能劣化。

质子穿过电解质膜120从阳极122移动到阴极124。质子以吸附水分子的水合态移动。在该实施方案的燃料电池堆100E中，流过水供给歧管的水穿过阳极122供给到电解质膜120。换言之，在该实施方案的燃料电池堆100E中，流过水供给歧管的水从质子移动方向的下游供给到电解质膜120。因此电解质膜120在其厚度方向上保持湿润。

进行电化学反应并流过第二气体扩散层114中的燃料气体流路的燃料气体穿过阳极面对板131中的多个出口162阵列和由中间板133中的连通通道152所限定的空间，并排放到由通孔141形成的燃料气体排放歧管中。

类似地，在燃料电池堆100E的内部，通过在各个板131、133和132中由通孔142形成的氧化气体供给歧管引入氧化气体流，经过中间板133中的连通通道153限定的空间进入在第二气体扩散层115中形成的内部燃料电池模件气体流路(氧化气体流路)中，并进入在阴极面对板132(参见图24)中的多个入口163阵列，并同时在平面方向和堆叠方向上扩散。在堆叠方向上扩散的氧化气体穿过第二气体扩散层115和第一气体扩散层128，到达阴极124以进行电化学反应。进行电化学反应并流经第二气体扩散层115中的氧化气体流路的氧化气体穿过阴极面对板132中的多个出口164阵列和由中间板133中连通通道154所限定的空间，排放到由通孔143形成的氧化气体排放歧管中。

在该实施方案结构中的所述多个入口161对应于本发明权利要求中的多个水入口。连通通道151对应于本发明权利要求中的水供给流通道。连通通道155对应于本发明权利要求中的冷却介质流通道。多个入口160对应于本发明权利要求中的多个反应气体入口。连通通道150对应于本发明权利要求中的反应气体供给流通道。

G.第六实施方案

图25示意性说明在本发明第六实施方案中包括燃料电池堆100F的燃料电池系统1000F的结构。图26表示在第六实施方案中的中间板133A的形状。图27表示在第六实施方案中阳极面对板131A的形状。图28表示在第六实施方案中阴极面对板132A的形状。第六实施方案的燃料电池堆100F具有与第五实施方案的燃料电池堆100E类似的结构。相同的元件由相同的附图标记表示，在此不具体说明。

如图26、27和28所示，该实施方案的燃料电池堆100F所采用的中间板133A、阳极面对板131A和阴极面对板132A均没有通孔146。即，燃料电池堆100F没有水供给歧管。因此燃料电池堆100F不包括如图25中所示的用于将水供给到水供给歧管中的水箱580、水供给泵585和管587。虽然没有具体说明，但是密封构件116没有通孔146。

该实施方案的燃料电池堆100F利用水作为冷却介质，以冷却燃料电池，因此具有如图25中所示的在管555上提供的水箱580A。

由于该实施方案的燃料电池堆100F没有水供给歧管，因此分别从中间板133A和阳极面对板131A中省略所述连通通道151和所述多个入口161。

阳极面对板131A具有作为多个入口161A的多个通孔，所述多个入口161A以预设间隔布置在对应于发电区域的特定区域中并在对应于在中间板133A中形成的连通通道155的位置处。即，所述多个入口161A二维分散在对应于发电区域的阳极面对板131A的特定区域中。在阳极面对板131A和中间板133A的堆叠物中，所述多个入口161A与连通通道155连通。

在该实施方案的燃料电池堆100F的内部，通过在各个板131A、133A和132A中由通孔144形成的冷却介质供给歧管引入水流，经过中间板133A(参见图26)中的连通通道155所限定的空间进入在第二气体扩散层114中形成的内部燃料电池模件气体流路(燃料气体流路)中，并进入阳极面对板131A(参见图27)中二维分散的多个入口161A中，并穿过阳极122供给到电解质膜120。这种布置能够使得水以二维分散的方式供给到电解质膜120，因此确保了在电解质膜120的整个表面上基本均匀地供给水。水的这种均匀供给有效地防止电解质膜120局部干燥，并从而防止燃料电池堆100F的电池性能劣化。在引起水供给蒸发的燃料电池堆100F的一些运行条件下，通过水蒸发的潜热冷却燃料电池堆100F。与第一实施方案的燃料电池堆100相同，第六实施方案的燃料电池堆100F没有水供给歧管。这种结构理想地有助于作为隔离器130的构件的各个板的加工，并有利地使得各个板的尺寸减小。

该实施方案结构中的连通通道155等同于本发明权利要求中的冷却介质流通道和水供给流通道。

H.第七实施方案

图29示意性说明在本发明第七实施方案中的包括燃料电池堆100G的燃料电池系统1000G的结构。除了在排放管517上提供截止阀590之外，第七实施方案中的燃料电池堆100G具有与第五实施方案的燃料电池堆100E相似的结构。相同的附图标记表示相同的元件，在此不具体说明。截止阀590由控制电路600控制。

在该实施方案的燃料电池堆100G中，在利用压缩机540将氧化气体供给到阴极124的同时，控制电路600打开截止阀510以将燃料气体供给到阳极122。在燃料电池堆100G中进行电化学反应用于发电，同时控制电路600关闭截止阀590。即，燃料电池堆100G设计为阳极封端型(anode dead end-type)燃料电池，其中在供给到阳极122的燃料气体不排放到燃料电池堆100G外部而是保留在内部的状态下进行发电。穿过电解质膜120从阴极124泄漏的氮和其它杂质可能在第二气体扩散层114中累积。因此，控制电路600在适当时间打开截止阀590以将累积在第二气体扩散层114中的氮和其它杂质随阳极废气流释放。

如上所述，在该实施方案的燃料电池堆100G中，关闭截止阀590来进行发电以使燃料气体保留在燃料电池堆100G内部。这种布置有效地使得燃料气体能够基本完全在阳极122上消耗，由此改进燃料气体的燃料效率。以二维分散方式供给到阳极122的燃料气体确保在阳极122的整个表面上基本均匀地供给燃料气体并改进燃料气体在阳极122上的消耗效率。这种布置有效地改进了燃料电池堆100G的电池性能。

I.第五到第七实施方案的其它方面

上述第五到第七实施方案在所有方面被认为是示例性的而非限制性的。这些实施方案可以存在许多改变、变化和替代，而不背离本发明主要特征的范围或精神。下面给出一些可能的变型实施例。

I1.变型实施例1

在上述实施方案的燃料电池堆中，阳极面对板具有多个入口161以使水供给流过水供给歧管以二维分散的方式供给到阳极。但是这种结构是非限制性的。在一个变型实施方案中，流经水供给歧管的水可以以二维分散的方式供给到阴极。在该变型的结构中，阴极面对板可以具有作为多个入口的多个通孔，所述多个入口以基本相等的间隔布置在对应于发电区域的特定区域中并在对应于在中间板133中形成的连通通道151的位置处。这种变型的布置能够使得水以二维分散的方式穿过阴极供给到电解质膜120，因此保证了在电解质膜120的整个表面上基本均匀地供给水。水的这种均匀供给有效地防止电解质膜120局部干燥，并因此防止燃料电池堆100的电池性能劣化。在引起水供给蒸发的燃料电池堆100的一些运行条件下，通过水蒸发的潜热冷却燃料电池堆100。

I2.变型实施例2

在第七实施方案的燃料电池堆100G中，关闭截止阀590来进行发电，以禁止阳极废气排放到燃料电池堆100G外部。但是这种结构是非限制性的。在一个变型实施方案中，可以从燃料电池堆100G的结构中省略通孔143(构成燃料气体排放歧管)和管517。在这种变型的实施方案中，为了防止可能从阴极124泄漏的氮和其它杂质累积到阳极，可以将高浓度氧作为氧化气体供给到阴极124。

Claims (20)

1.一种燃料电池堆，所述燃料电池堆具有经过隔离器堆叠的多电池层叠物的堆叠结构，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，

所述隔离器包括：

与所述电池层叠物的阳极相对的阳极面对板；和

与所述电池层叠物的阴极相对的阴极面对板，

其中所述阳极面对板和所述阴极面对板中的至少之一具有多个反应气体入口，所述反应气体入口形成为在厚度方向上穿透所述板并布置为以基本垂直于每个电池层叠物的表面的方向将预定反应气体供给到所述每个电池层叠物的表面，和

所述多个反应气体入口以二维分散的方式布置在所述阳极面对板和所述阴极面对板中的所述至少之一的板表面上，

其中所述隔离器还包括位于所述阳极面对板和所述阴极面对板之间的中间板，和

所述中间板具有反应气体供给流通道，所述反应气体供给流通道通过依次层叠所述阳极面对板、所述中间板和所述阴极面对板形成为沟槽形，以在厚度方向上穿透所述中间板，并布置为限定反应气体供给流路，从而以分散的方式将所述反应气体供给到所述多个反应气体入口中。

2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中所述阳极面对板具有所述多个反应气体入口，和

通过所述多个反应气体入口供给的所述反应气体基本全部用于发电而没有排出所述燃料电池堆。

3.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中所述阳极面对板具有作为所述多个反应气体入口的多个阳极气体入口，和

所述阴极面对板具有多个阴极气体入口，所述多个阴极气体入口形成在所述阴极面对板的对应于所述电池层叠物发电区域的特定区域的端部处的板表面上，并且布置为在厚度方向上穿透所述阴极面对板并将预定反应气体供给到所述电池层叠物的表面。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的燃料电池堆，其中所述多个反应气体入口在所述阳极面对板和所述阴极面对板中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所述电池层叠物的发电区域。

5.根据权利要求4所述的燃料电池堆，其中所述反应气体流过反应气体供给流路并且以分散的方式供给到所述多个反应气体入口中，和

所述多个反应气体入口具有不同的开口面积，使得位于所述反应气体供给流路更下游的反应气体入口具有更大的开口面积。

6.根据权利要求1～3中任意一项所述的燃料电池堆，其中所述反应气体流过反应气体供给流路并且以分散的方式供给到所述多个反应气体入口中，和

所述多个反应气体入口具有基本相同的开口面积并以不同的密度布置，使得位于所述反应气体供给流路更下游的反应气体入口形成为具有更高的密度。

7.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中所述中间板具有冷却介质流通道，通过依次层叠所述阳极面对板、所述中间板和所述阴极面对板形成所述冷却介质流通道，以限定冷却介质流路用于允许冷却介质流冷却所述燃料电池堆。

8.根据权利要求7所述的燃料电池堆，其中一个单个中间板同时具有所述反应气体供给流通道和所述冷却介质流通道。

9.根据权利要求1、7和8中任意一项所述的燃料电池堆，其中具有所述多个反应气体入口的所述阳极面对板和所述阴极面对板中的所述至少之一还具有废气出口，所述废气出口形成为在厚度方向上穿透所述板并且在垂直于所述电池层叠物的表面的方向上排出废气，所述废气是在通过所述多个反应气体入口供给的反应气体中未用于发电的剩余气体，和

所述中间板具有废气排放流通道，通过依次层叠所述阳极面对板、所述中间板和所述阴极面对板形成所述废气排放流通道，以限定废气排放流路，用于将所述废气从所述废气出口排出所述燃料电池堆。

10.根据权利要求9所述的燃料电池堆，其中在所述阳极面对板中提供所述多个反应气体入口和所述废气出口，和

在发电期间所述废气不从所述废气出口排出所述燃料电池堆。

11.根据权利要求1～3中任意一项所述的燃料电池堆，其中每一个所述电池层叠物在该电池层叠物的至少阴极侧面上具有多孔材料的气体扩散层，以在沿着所述阴极侧面的方向上使所述反应气体扩散流动。

12.根据权利要求1～3中任意一项所述的燃料电池堆，其中所述阳极面对板和所述阴极面对板均是平板构件。

13.一种燃料电池堆，所述燃料电池堆具有经过隔离器堆叠的多个电池层叠物的堆叠结构，其中每个电池层叠物具有在由固体聚合物材料制成的电解质膜的相反面上形成的阳极和阴极，

所述隔离器包括：

与所述电池层叠物的阳极相对的阳极面对板；和

与所述电池层叠物的阴极相对的阴极面对板，

其中所述阳极面对板和所述阴极面对板中的至少之一具有多个水入口，所述水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所述电池层叠物的表面的方向上将水供给到每个电池层叠物的表面，和

所述多个水入口以二维分散的方式布置在所述阳极面对板和所述阴极面对板中的所述至少之一的板表面上，

其中所述隔离器还包括位于所述阳极面对板和所述阴极面对板之间的中间板，和

所述中间板具有水供给流通道，所述水供给流通道通过依次层叠所述阳极面对板、所述中间板和所述阴极面对板形成为沟槽形，以在厚度方向上穿透所述中间板并布置为限定水供给流路，用于以分散的方式将所述水供给到所述多个水入口中。

14.根据权利要求13所述的燃料电池堆，其中所述中间板具有冷却介质流通道，通过依次层叠所述阳极面对板、所述中间板和所述阴极面对板形成所述冷却介质流通道，以限定冷却介质流路，用于允许冷却介质流冷却所述燃料电池堆。

15.根据权利要求14所述的燃料电池堆，其中所述冷却介质流通道也用作所述水供给流通道。

16.根据权利要求13～15中任意一项所述的燃料电池堆，其中具有所述多个水入口的所述阳极面对板和所述阴极面对板中的所述至少之一还具有多个反应气体入口，所述反应气体入口形成为在厚度方向上穿透所述板并且布置为在基本垂直于所述电池层叠物的表面的方向上将预定反应气体供给到所述电池层叠物的表面，

所述中间板具有反应气体供给流通道，通过依次层叠所述阳极面对板、所述中间板和所述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，用于以分散的方式将所述反应气体供给到所述多个反应气体入口中，和

所述多个反应气体入口以二维分散的方式布置在所述阳极面对板和所述阴极面对板中的所述至少之一的板表面上。

17.根据权利要求16所述的燃料电池堆，其中在所述阳极面对板中提供所述多个水入口和所述多个反应气体入口，和

利用供给到所述电池层叠物表面的所述燃料气体以不排出所述燃料电池堆而是保留在内部的状态进行发电。

18.根据权利要求13～15中任意一项所述的燃料电池堆，其中所述多个水入口以基本相等的间隔布置在所述阳极面对板和所述阴极面对板中的所述至少之一的板表面上。

19.根据权利要求13～15中任意一项所述的燃料电池堆，其中所述阳极面对板具有所述多个水入口。

20.根据权利要求13～15中任意一项所述的燃料电池堆，其中所述阳极面对板和所述阴极面对板均是平板构件。

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