CN101755356A - 燃料电池、装配有燃料电池的车辆和膜电极单元 - Google Patents

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CN101755356A CN200880025116A CN200880025116A CN101755356A CN 101755356 A CN101755356 A CN 101755356A CN 200880025116 A CN200880025116 A CN 200880025116A CN 200880025116 A CN200880025116 A CN 200880025116A CN 101755356 A CN101755356 A CN 101755356A
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Abstract

本发明提供一种燃料电池，其包括：电解质(23)；置于所述电解质(23)的一侧上的并且具有燃料气体在其上消耗的燃料气体消耗表面的阳极(22)；置于所述电解质(23)的另一侧上的阴极(24)；和燃料气体通道(225n)，所述燃料气体通道(225n)包括：用于将燃料气体分配到燃料气体供给表面上的预定区域的第一通道(14h)，用于将所分配的燃料气体供给到所述区域的第二通道(22)，和用于将燃料气体从所述第一通道(14h)供给到所述第二通道(22)的燃料气体供给部(21n)。所述燃料电池在燃料气体消耗表面上的区域中消耗大多数所供给的燃料气体。所述燃料气体通道(225n)具有用于抑制第一通道(14h)和第二通道(22)之间的燃料气体泄漏的燃料气体泄漏抑制部(14hg、52n)。

Description

燃料电池、装配有燃料电池的车辆和膜电极单元
技术领域
本发明涉及燃料电池、装配有燃料电池的车辆和膜电极单元。
相关技术的说明
循环型燃料气体供给通道用作将燃料气体供给到燃料电池堆的结构。燃料气体供给通道为循环型的原因之一是将累积在燃料气体供给通道中并且阻碍燃料气体供给的氮气排放到燃料电池堆外部。氮气在燃料气体供给通道中累积的原因是氮气从氧化剂气体通道经过电解质进入燃料气体供给通道。同时，还提出了非稳态运行模式，其中燃料气体供给通道是非循环型的，经由阀在燃料电池堆外部提供用于收集氮气的缓冲器，并且在重复以下操作的同时供给燃料气体：打开阀和在阀关闭时供给燃料气体，这伴随着压力升高(例如，日本专利申请公开2005-243476)。
然而，尚未考虑到使燃料电池稳态运行的构思，其中使燃料气体供给通道为非循环型的。
发明内容
本发明提供一种使燃料电池在燃料电池堆中稳态运行的技术，其中燃料气体供给通道为非循环型的。
根据本发明第一方面的燃料电池包括：电解质；置于所述电解质的一侧上的并且具有燃料气体在其上消耗的燃料气体消耗表面的阳极；置于所述电解质的另一侧上的并且具有氧化剂气体在其上消耗的氧化剂气体消耗表面的阴极；和燃料气体通道，所述燃料气体通道包括：用于将燃料气体分配到燃料气体供给表面上的预定区域的第一通道，用于将所分配的燃料气体供给到所述区域的第二通道，和用于将燃料气体从所述第一通道供给到所述第二通道的燃料气体供给部。所述燃料电池配置为在大多数所供给的燃料气体在所述燃料气体消耗表面上的所述区域中消耗的同时运行，并且所述燃料气体通道具有用于抑制所述第一通道和所述第二通道之间的燃料气体泄漏的燃料气体泄漏抑制部。
在本发明第一方面的燃料气体通道中，抑制了用于将燃料气体分配到所述燃料气体供给表面上预定区域的所述第一通道和用于将所述分配的燃料气体供给到所述区域的第二通道之间的燃料气体泄漏，使得可以通过在燃料气体扩散时抑制氮气从所述第二通道中渗透来促进氢气均匀分配。例如，可以将本文的“第一通道”视为该实施方案中的氢电极侧多孔通道14h；可以将“第二通道”视为该实施方案中的氢电极侧电极层22。
在上述燃料电池中，所述第一通道和所述第二通道中的至少一个由多孔构件形成，和所述燃料气体泄漏抑制部形成为所述多孔构件的外围部，所述多孔构件的外围部的孔隙率比所述多孔构件的内部的孔隙率低。
在上述燃料电池中，所述燃料气体泄漏抑制部可以是形成为一体的构件，其延伸至所述第一通道的外围部的至少一部分和所述第二通道的外围部的至少一部分。利用该结构，可以通过将所述燃料气体通道组装成一个单元来增加刚性。
在上述燃料电池中，所述燃料气体泄漏抑制部可以是设置在所述燃料气体供给部的至少一侧上的隔离物，并且提供所述第一通道和所述第二通道中的至少一个。
根据本发明第二方面的燃料电池包括：电解质；置于所述电解质的一侧上的并且具有燃料气体在其上消耗的燃料气体消耗表面的阳极；置于所述电解质的另一侧上的并且具有氧化剂气体在其上消耗的氧化剂气体消耗表面的阴极；和燃料气体通道，所述燃料气体通道包括：用于将燃料气体分配到所述燃料气体供给表面上的预定区域的第一通道，用于将所分配的燃料气体供给到所述区域的第二通道，和用于将燃料气体从所述第一通道供给到所述第二通道的燃料气体供给部。所述燃料电池配置为在大多数所供给的燃料气体在所述燃料气体消耗表面上消耗的同时运行，并且所述燃料气体供给部形成为金属板，所述金属板包括反应气体泄漏抑制部，所述反应气体泄漏抑制部用于抑制使得所述燃料气体和所述氧化剂气体混合的气体泄漏。
根据本发明第三方面的车辆包括根据上述方面中任一方面所述的燃料电池；和根据由所述燃料电池供给的电力驱动所述车辆的驱动单元。
根据本发明第四方面的用于固体聚合物电解质燃料电池的膜电极单元包括：电解质膜；置于所述电解质膜的一侧上的并且具有燃料气体在其上消耗的燃料气体消耗表面的阳极；置于所述电解质膜的另一侧上的并且具有氧化剂气体在其上消耗的氧化剂气体消耗表面的阴极；燃料气体供给板，所述燃料气体供给板沿从所述燃料气体消耗表面的面外的位置向所述燃料气体消耗表面的方向以预定开口率将燃料气体供给到所述燃料气体消耗表面上的预定区域；和设置在所述燃料气体供给板和所述阳极之间的气体扩散层。所述气体扩散层具有燃料气体渗透抑制部，所述燃料气体渗透抑制部用于抑制所述燃料气体不渗透穿过所述燃料气体供给板。
根据本发明第一和第二方面的所述燃料电池可理解为实现如下操作状态的那些，在该操作状态中，在阳极(氢电极)上的杂质例如氮的分压和阴极(空气电极)上的杂质例如氮的分压平衡的状态下连续发电。本文的“平衡状态”是指例如平衡态，但不一定是指这些分压彼此相等的状态。
根据本发明第一和第二方面的燃料电池还包括例如在图38和39中示出的结构。图38中显示的结构实例具有所述第一通道和所述第二通道。所述第一通道置于所述第二通道的上游。所述第一通道和所述第二通道经由高阻力连通孔2100x连通，所述高阻力连通孔2100x对气体流动的阻力比第一通道或第二通道大。这些通道通过燃料气体入口(歧管)从发电区域外部(燃料电池外部)引入燃料气体。具体而言，关于燃料气体到第二通道的供给，主要通过高阻力连通孔2100x(例如，只通过高阻力连通孔2100x)从第一通道引入燃料气体。
虽然第一通道和第二通道可利用下述实施方案中显示的多孔构件形成，但是，例如，这些通道可通过插入密封构件S1和S2(图38)或通过利用蜂巢状结构H2(图39)形成。
为了提供高阻力连通孔2100x，可以使用板状构件，其中在整个平面上分布有例如图38和39中所示的多个引入孔2110x(通孔)。高阻力连通孔2100x可具有至少一个下述功能。第一功能是“限制燃料气体供给到靠近燃料气体入口的第二通道中的区域的功能”。第二功能是“抑制在垂直于第二通道沿其延伸的阳极反应部的平面(燃料气体消耗平面)的方向上施加的气体压力的平面不均匀性的功能。”第三功能是“将沿第一通道沿其延伸的平面流动的燃料气体的流动方向改变为正交方向(即，与平面相交的方向)的功能”。
根据本发明的燃料电池还可以被理解为下述燃料电池系统。具体而言，该燃料电池系统使得大部分所供给的燃料气体在阳极反应部上消耗，所述燃料电池系统包括：用于将阳极气体引入发电电池中的入口；用于沿平行于所述电池平面的方向引入通过所述入口供给的阳极气体的第一气体通道；和沿所述阳极反应部延伸的高阻力部，所述高阻力部通过形成于所述高阻力部中的多个连接孔将阳极气体从第一气体通道引至第二气体通道，所述多个连接孔分布在与电池平行的平面上，同时所述高阻力部对流动的阻力比所述第一通道大，因此阻碍阳极气体从所述第一气体通道流入所述第二气体通道。
根据本发明的燃料电池也可理解为具有下述结构的燃料电池系统。具体而言，所述燃料电池系统可具有如下结构。在一个结构中，高阻力部具有与阳极反应部上的一个区域对应的一个连接孔和与另一区域对应的另一连接孔，并且，在所述一个区域中消耗的阳极气体中，已经穿过高阻力部的所述一个连接孔的气体的比例大于已经穿过所述另一连接孔的气体的比例。在另一结构中，高阻力部具有与阳极反应部上的一个区域对应的一个连接孔和与另一区域对应的另一连接孔，并且，在已穿过所述一个连接孔的阳极气体中，在所述阳极反应部上的一个区域中消耗的气体的比例比在所述另一区域中消耗的气体比例高。
同时，阴极通道可具有其中至少不提供所述高阻力连接孔的结构。该阴极通道可配置为仅具有用于引入阴极气体的第一气体通道，即不提供第二通道，所述阴极气体沿与电池平面平行的方向通过阴极入口供给。然而，当考虑气体扩散层作为第二通道时，阴极通道可配置为具有组合的第一通道和第二通道。在任意情况下，当仅从阴极电极侧除去高阻力连通孔时，预期阴极气体进料器所需的功减少且从阴极电极排水的性能得到改善，这在从阳极电极排水的性能不佳的燃料电池系统，即其中燃料气体非稳态排出的燃料电池系统的情形中是尤其优选的。
注意，本发明可以以各种其他形式实施，例如燃料电池、燃料电池堆制造方法、燃料电池系统和装配有燃料电池的车辆。
附图说明
参照附图，从以下示例实施方案的说明中，本发明的前述和其它特征和优点将变得明显，附图中类似的附图标记用于表示类似的元件/要素，其中：
图1是根据本发明一个实施方案的装配有燃料电池的车辆1000的结构示意图；
图2是显示根据相关技术的燃料电池系统210的结构的框图；
图3是显示当停止燃料气体通道225中的循环时根据相关技术的燃料电池系统210的运行状态的图；
图4是显示根据本发明一个实施方案的燃料电池系统210n的结构的框图；
图5是显示根据相关技术的燃料电池堆100的示意性结构的说明图；
图6是显示根据相关技术的燃料电池堆100的内部通道的说明图；
图7是显示在根据相关技术的燃料电池堆100中停止排放燃料气体时造成氮气累积Cn的情形的说明图；
图8是显示由本发明人推断出的在燃料气体通道中氮气累积的机理的流程图；
图9时显示在燃料气体通道中出现氮气累积的情形的说明图；
图10是显示根据本发明一个实施方案的燃料电池堆100n的示意性结构的说明图；
图11是显示根据一个实施方案的燃料电池堆100n的内部通道的说明图；
图12是显示根据所述实施方案的燃料电池堆100n中的燃料气体供给板21n的布置的说明图；
图13是显示根据所述实施方案燃料气体通过燃料电池堆100n中的燃料气体供给板21n供给的方式的说明图；
图14是显示推断使氢气供给稳定机理的过程的一个实例的流程图；
图15是显示分散在燃料气体通道中的氮气累积的情形的说明图；
图16是显示燃料气体通道的第一修改方案的说明图；
图17是显示燃料气体通道的第二修改方案的说明图；
图18是显示燃料气体通道的第二修改方案的说明图；
图19是显示第二修改方案的另一结构的说明图；
图20是显示燃料气体通道的第三修改方案的说明图；
图21是显示燃料气体通道的第四修改方案的说明图；
图22是显示与燃料电池性能相关的计算式的说明图；
图23是显示与燃料电池性能相关的计算式的说明图；
图24是显示与燃料电池性能相关的计算式的说明图；
图25是显示根据该实施方案的分别位于燃料气体供给板21n的上游侧和下游侧的氢电极侧多孔通道14h的密度和氢电极22的气体扩散层的密度之间的差异的说明图；
图26是显示第二修改方案的氢电极22v2的气体扩散层的说明图；
图27是显示第三实施方案的氢电极22v3的气体扩散层的说明图；
图28是显示第四修改方案的氢电极22v4的气体扩散层的说明图；
图29是显示第五修改方案的氢电极22v5的气体扩散层的说明图；
图30是显示第六修改方案的氢电极22v6的气体扩散层的说明图；
图31是显示第一修改方案的空气电极侧多孔通道14av1的说明图；
图32是显示第二修改方案的空气电极侧多孔通道14av2的说明图；
图33是显示具有第一修改方案的空气电极侧多孔通道构件14av1的燃料电池堆的内部通道的说明图；
图34是显示第三修改方案的空气电极侧多孔通道14av3的说明图；
图35是显示第四修改方案的空气电极侧多孔通道14av4的说明图；
图36是显示第五修改方案的燃料气体供给板21v5的说明图；
图37是显示第六修改方案的燃料气体供给板21v6的说明图；
图38显示燃料电池中的通道的另一结构的第一实例；和
图39显示燃料电池中的通道的另一结构的第二实例。
具体实施方式
将按下述顺序描述本发明的实施方案。具体而言，将按下述顺序描述根据本发明实施方案的装配有燃料电池的车辆的结构、根据相关技术和实施方案的燃料电池系统的结构、根据相关技术的燃料电池堆的结构、根据实施方案的燃料电池堆的结构、根据实施方案的制造燃料电池堆的方法和修改方案。
图1是根据本发明实施方案的装配有燃料电池的车辆1000的结构示意图。装配有燃料电池的车辆1000包括电源系统200、负载部300和控制器250。电源系统200将电力作为动力能源供给到装配有燃料电池的车辆1000。负载部300将供给的电力转换成机械动力以驱动装配有燃料电池的车辆1000。控制器250控制电源系统200和负载部300。
供电系统200包括燃料电池系统210n、二次电池226(这也称为电容)和DC-DC变流器264。负载部分300包括驱动电路360，马达310，齿轮装置320，和车轮340。燃料电池系统210n可以是小型、重量轻、高功率的，以安装为车辆上的系统。
控制器250电连接到燃料电池系统210n、DC-DC变流器264和驱动电路360，并进行包括对这些电路的控制的各种控制操作。控制器250执行存储在包括于控制器250中的存储器(没有显示)中的计算机程序，以执行各种控制操作。各种存储介质如R0M和硬盘驱动器均可以用作存储器。
图2是显示根据相关技术的燃料电池系统210的结构的框图。燃料电池系统210包括燃料电池堆100、用于将作为氧化剂气体的空气供给到燃料电池堆100的空气供给系统230、用于使作为燃料气体的氢气循环通过燃料电池堆100的氢气循环系统220、和用于将氢气供给到氢气循环系统220的氢气供给系统240。控制器250控制空气供给系统230、氢气供给系统240和氢气循环系统220。
燃料电池堆100是具有堆叠结构的固体聚合物电解质燃料电池，其中堆叠多个燃料电池(在下文描述)。每个燃料电池中具有空气通道235和燃料气体通道225。
空气供给系统230是将用于加湿空气供给到每个燃料电池中的空气通道235中的系统。空气供给系统230包括用于吸入外部空气的鼓风机231、用于给吸入的空气加湿的加湿器239、由于将加湿的空气供给到空气通道235的加湿空气供给管234、和用于从空气通道235排放空气的排放管236。
氢气供给系统240包括用于储存氢气的氢气罐242和用于控制氢气向氢气循环系统220的供给的氢阀241。
氢气循环系统220包括用于使氢气在氢气循环系统220中循环的循环泵228、用于将从循环泵228排出的氢气供给到燃料气体通道225的氢气供给管224、用于将湿润的氢气从燃料气体通道225供给到气体/液体分离器229的排气管226、用于分离水和氢气并将氢气供给到循环泵228的气体/液体分离器229、和排泄阀229V。
提供这些循环通道226、229和228的原因是，在相关技术中，从空气通道235通过电解质层(在下文描述)进入的氮气累积在燃料气体通道225中，其使燃料电池堆100不能发电。
图3示出图Gl和G2，其显示当停止通过燃料气体通道225的循环时根据相关技术的燃料电池系统210的运行状态。图G1显示自停止排放燃料气体起过去的时间和电池电压之间的关系。图G2显示自停止排放燃料气体起过去的时间和(燃料气体通道225中的)气体分压之间的关系。
如从图G1可以看出的，电池电压随时间推移逐渐降低。电池电压的降低是由于如图G2所示的燃料气体通道225中的氢分压降低造成的。这种氢分压降低是由于如上所述的从空气通道235进入的氮气分压升高所造成的。为了抑制这种氢分压降低，在日本专利申请公开2005-243476(JP-A-2005-243476)所提出的技术中，将系统配置为在有意升高总压力的同时供给氢气，以保持氢的分压，从而克服氮的分压升高。然而，可容许的总压存在限制，因此有必要进行周期性排放。
图4是显示根据发明实施方案的燃料电池系统210n的结构的框图。在燃料电池系统210n中，循环通道226、229和228被除去，燃料电池系统210n包括用于维护的气体排放管227和排放阀230V。同时，用燃料电池堆100n代替燃料电池堆100。燃料电池堆100n设计为使燃料堆稳定运行，即使在停止排放燃料气体时也是如此。
在描述根据本发明实施方案的燃料电池堆100n之前，将参照图5至9描述根据相关技术的燃料电池堆的典型结构、和已经被本发明人阐明的氮累积机理。
图5是显示根据相关技术的燃料电池堆100的示意性结构的说明图。将关于示例性的固体聚合物电解质燃料电池的情况，描述相关技术和下述实施方案的说明。在相关技术的燃料电池堆100中，膜电极单元20、氢电极侧多孔通道14h，空气电极侧多孔通道14a、和隔离器40交替堆叠，并且在所述堆叠体的每侧上，设置端子、绝缘子和端板(没有显示)，使得通过这些构件夹住所述堆叠体，由此形成燃料电池堆100。
膜电极单元20是其中发生燃料电池的电化学反应的部分，并包括氢电极侧电极层22、电解质膜23和空气电极侧电极层24。电解质膜23具有质子导电性的离子交换膜，其由固体聚合物材料制成。氢电极侧电极层22和空气电极侧电极层24分别通过在导电载体上负载催化剂形成。
氢电极侧多孔通道14h和空气电极侧多孔通道14a提供在膜电极单元20中的电化学反应中使用的反应气体(包含氢的燃料气体和包含氧的氧化剂气体)的通道，并有收集电流的功能。一般地，多孔通道14h和14a可以由透气性导电材料如碳纸、碳布和碳纳米管形成。
密封部50设置在膜电极单元20及两个多孔通道14h和14a周围，以确保密封由多孔通道14h和14a形成的反应气体通道。密封部50包括衬垫52和框形密封54。
隔离器40配置为形成用作反应气体通道的多孔通道14h和14a的壁。对于隔离器40，可以使用各种材料，例如通过压制碳使得碳不可透过气体的致密碳材料、碳精(baked carbon)材料或不锈钢，只要它是不可透过反应气体的导电材料即可。在该实施方案中，隔离器40构建为三层隔离器，其中接触空气电极侧多孔通道14a的阴极侧隔离器41、接触氢电极侧多孔通道14h的阳极侧隔离器43、和置于隔离器41和43之间的中间隔离器42形成为一体。
图6是与图5一起显示根据相关技术的燃料电池堆100的内部通道的说明图。燃料电池堆100中的通道包括燃料气体通道225(图2)、空气通道235(图2)和冷却剂通道。冷却剂通道包括冷却剂供给歧管11wm、冷却剂供给通道12w和冷却剂排放歧管13wm，并且配置为使得冷却剂以该顺序流过这些部分。
燃料气体通道225(图2)包括两个燃料供给歧管11hmL和11hmR、燃料气体供给通道12h、燃料气体供给孔13h、氢电极侧多孔通道14h、燃料气体排放孔15h、燃料气体排放通道16h(图5)和两个燃料气体排放歧管17hmL和17hmR(图5)，并配置为使得燃料气体以该顺序流过这些部分。
空气通道235(图2)包括空气供给歧管11am、空气供给通道12a、空气供给孔13a、空气电极侧多孔通道14a、空气排放孔15a、空气排放通道16a(图5)和空气排放歧管17am(图5)，并且配置为使得空气以该顺序流过这些部分。
图7是显示在根据相关技术的燃料电池堆100中停止排放燃料气体时造成氮气累积Cn的情形的说明图。如从图7可以看出的，氮气的积累Cn发生在氢电极侧多孔通道14h的下游区域。
图8是显示由本发明人推断出的燃料气体通道中氮气累积的机理的流程图。图9是显示在燃料气体通道中出现氮气累积的情形的说明图。在根据相关技术的燃料气体通道中，如从图9可以看出的，燃料气体沿燃料气体在其上消耗的膜电极单元20的反应表面(燃料气体消耗表面)供给，因此出现燃料气体中氢的分压随燃料气体向下游流动而降低的现象。注意，此推论是在本发明的创造过程中做出的，而本发明不是以该机理的存在为前提的。
如果发电是在开始发电时燃料通道(氢电极侧多孔通道14h)中的氢气分压均匀的情况下开始的，则当膜电极单元20开始因为发电而吸收和消耗氢时开始供给燃料气体。在供给燃料气体时，氢气在膜电极单元20的反应表面上的区域(区域A至D)中消耗，并且，根据消耗，燃料气体中的氢分压因此随燃料气体向下游流动而降低。
具体而言，当供给燃料气体时，当燃料气体从区域A向区域B流动时，膜电极单元20上区域A中的氢气消耗(步骤S1100)使得供给到区域B的燃料气体中的氢气分压降低(步骤S1200)。这种氢气分压降低也在从区域B向区域C的流中和从区域C向区域D的流中出现。
因此，与区域A中氢的分压相比其氢的分压非常低的燃料气体被供给到作为下游区域的区域D(步骤S1300)。如从图9中显示的20分钟之后出现的情形可见，这种氢分压的极度降低导致区域D中氢气消耗的减少(步骤S1400)，并因此导致燃料气体供给(流速)减少(步骤S1500)。这种燃料气体供给的减少协同且循环地连续进行，直至向区域D的燃料气体的供给停止(步骤S1600)。
结果，如从图9中显示的40分钟之后的情形中可见的，区域D变成氮气累积区域，并且不再供给燃料气体(步骤S1700)。此外，这种协同恶性循环使氮气累积区域扩展到上游区域，区域C、区域B等。
图10是显示根据本发明一个实施方案的燃料电池堆100n的示意性结构的说明图。燃料电池堆100n与相关技术的区别在于用新形成的燃料气体通道225n代替燃料气体通道225(图2)，空气通道235和冷却剂通道与相关技术中的那些相同。
图11是与图10一起显示根据该实施方案的燃料电池堆100n中的内部通道的说明图。燃料气体通道225n与根据相关技术的燃料气体通道225的区别在于燃料气体通道225n设置有：用于抑制在停止排放燃料气体时引起的燃料气体通道225中的氮气累积的燃料气体供给板21n；和围绕氢电极侧电极层22的衬垫14hg和衬垫52n。在燃料气体供给板21n中以例如2cm节距形成直径为约1mm的多个孔211n，此外，在燃料气体供给板21n中形成与空气供给歧管11am连通的三个空气口212n。
衬垫14hg和衬垫52n分别由其刚性比氢电极侧电极层22大的且耐受由厚度方向上的压缩力引起的变形的材料制成。围绕氢电极侧电极层22的衬垫14hg可以通过用衬垫材料浸渍氢电极侧电极层22的外围部分来形成。
图12是显示根据一个实施方案的燃料电池堆100n中的燃料气体供给板21n的布置的说明图。燃料气体供给板21n夹在膜电极单元20的氢电极侧多孔通道14h和氢电极侧电极层22之间。在该实施方案中，燃料气体供给板21n形成为抑制燃料气体通道和氧化剂气体通道之间的泄漏的金属板。因此，该实施方案的有利之处在于增强了膜电极单元20n的刚性，抑制了热收缩，并且使得燃料气体和氧化剂气体之间的压差的耐受性变强。
燃料气体供给板21n可通过将燃料气体供给板21n连接至膜电极单元20而形成为膜电极单元20n的一部分(与该实施方案中的情形一样)，或者可通过将燃料气体供给板21n连接至氢电极侧多孔通道14h以形成为氢电极侧多孔通道14h的一部分，或者可以形成为单独的部件。不需要提供多孔构件形式的燃料气体通道。燃料气体通道可由设置于燃料气体供给板21n的上游侧和下游侧中至少其一上的间隔物(未显示)形成。
图13是显示根据所述实施方案通过燃料电池堆100n中的燃料气体供给板21n供给燃料气体的方式的说明图。通过燃料气体供给孔13h(图11)供给的燃料气体经过氢电极侧多孔通道14h分配到燃料气体供给板21n的孔211n。燃料气体通过孔211n供给到氢电极22。
因为提供用于将燃料气体分配到孔211n的通道的氢电极侧多孔通道14h以该方式通过燃料气体供给板21n与氢电极22隔开，所以抑制了上述氢分压的降低(图8和9)。同时，本发明人进行的分析和实验揭示穿过膜电极单元20并出现在氢电极22上的氮气也从氢电极侧多孔通道14h穿过膜电极单元20到达空气侧多孔通道14a，因此可以保持平衡状态。注意，本文的术语“隔开”具有广泛的意思，其不仅包括完全隔开，而且包括防止流体流动或接触的隔开。
以该方式，通过本发明人进行的实验已证实，当可以稳定地保持氮气分布在膜电极单元20附近的状态时，例如，可以连续供给燃料气体至氢电极22侧，并且连续而稳定地发电，而不排放和循环燃料气体。
图14是显示推断使氢气供给稳定的过程的一个实例的流程图。图15是显示分散在燃料气体通道中的氮气累积的情形的说明图。该推断显示消除氮分压升高的机理，甚至当氮分压因一些扰动而部分升高时也是如此。具体而言，甚至当区域中氮气分压升高时，也因下文所述的机理消除氮气分压的升高。
具体而言，如图14所示，例如，当假定区域中的氮气分压升高时(步骤S2100)，所述区域中的氢气分压相对降低，并且所述区域中膜电极单元20所吸收的氢气的量相对减少(步骤S2200)。这使得燃料气体的流速v1和跨孔211n的压力损失(＝Pu-p1)降低(步骤S2300)。
这种压力损失(＝Pu-p1)的降低又使通过孔211n将燃料气体供给至氢电极22的压力增加(步骤S2400)。具体而言，通过孔211n供给燃料气体的压力p1相对于孔211n接近上游侧压力Pu。这使得该区域中的总压力暂时增加(步骤S2500)，其进而使氮气扩散(步骤S2600)。该现象可以理解为因从其中流速为v1(相对低)区域向其中流速为v0(相对高)的区域的伯努利效应而引起的抽吸。
虽然这种分析目前是推断性的，但是通过本发明人进行的实验已经证实，因为一些物理现象，上述结构使得可以稳定地发电几小时，而没有在燃料气体通道中的循环。
本发明人进行的分析和实验已经表明，燃料气体供给板21n中的孔211n的直径和节距可以设定为使得在预定操作条件下(例如额定操作条件下)，出现高或大到足以使得穿过孔211n的燃料气体的流速充分抑制因氮气扩散而引起的燃料气体回流的跨孔211n的流速或压力损失。例如，已经证实，在固体聚合物电解质燃料电池中，当燃料气体供给板21n的开口率设定为约1％或更低时出现优选的流速或压力损失。开口率是通过用所有孔211n的开口截面积之和除以燃料气体供给板21n的面积而获得的值。通过本发明人进行的计算已经证实，在该实施方案中，开口率为循环型燃料气体通道的约1％的级别上，用于循环的循环泵(压缩机)228(图2)的功率损失变成过大的不理想的值。
图16是显示燃料气体通道的第一修改方案的说明图。在第一修改方案中，比氢电极侧多孔通道14h更“致密”或比氢电极侧多孔通道14h表现出更大的“压力损失”的致密多孔构件21v1用作燃料气体供给板21n。具体而言，形成致密多孔构件21v1，使得致密多孔构件21v1将氢电极侧多孔通道14h(提供分配燃料气体的通道)与氢电极22隔开，并且实现预先确定的燃料气体的压力损失或内部流速。
图17和18是显示燃料气体通道的第二修改方案的说明图。在第二修改方案中，燃料气体供给板21v2由压制的金属板制成。燃料气体供给板21v2具有：用于形成燃料气体供给板21v2上游的通道的突起21v2t；和在突起21v2t中形成的孔211v2。该结构的有利之处在于，因为燃料气体供给板21v2上游的通道也通过整体式突起21v2t形成，所以可以省去根据该实施方案的氢电极侧多孔通道14h。
图19是显示第二修改方案的另一结构的说明图。该实例配置为通过具有导电性的固定尺寸突起21v2c形成上游侧通道。该结构的有利之处在于，因为燃料气体供给板21v2a的突起21v2ta不必承受因燃料电池堆100n的堆叠结构而施加的负载，所以燃料气体供给板21v2a的形状的自由度高。例如，突起21v2ta可配置为，当从燃料气体供给板21v2a上方观察时，突起21v2ta具有菱形形状。
图20是显示燃料气体通道的第三修改方案的说明图。第三修改方案的通道14hv3是一个实例，其中实现将燃料气体通过在多孔构件中形成的连通孔210v3和孔211v3分配到多个区域的结构，所述孔211v3分别形成为从对应的连通孔210v3延伸到外部。以该方式，燃料气体通道可配置为使得多孔构件具有分配燃料气体的功能。
图21是显示燃料气体通道的第四修改方案的说明图。其中将燃料气体通过孔211v4分配到多个区域的结构由第四修改方案的通道14hv4来实现，第四修改方案的通道14hv4利用其中形成有孔211v4的管210v4，而不是利用多孔构件或压制金属材料来实现。如上所述，燃料气体通道不限于使用多孔构件或压制金属板的燃料气体通道，而是使燃料气体通道配置为将燃料气体分配到多个区域就足够了。
因此，使用燃料气体供给板21n的燃料气体通道及其修改方案可配置为具有用于将燃料气体(例如直接)供给到氢电极22上的单个区域而不穿过燃料气体在其上消耗的氢电极22上的其它区域的通道。或者，燃料气体可以沿从平面外的位置(其优选是与氢电极22隔开的通道)向氢电极22方向，即沿与电解质23的反应表面(催化剂表面，未显示)相交的方向供给。本文的术语“消耗”具有广泛的意思，其包括反应消耗和横跨泄漏。同时，氢电极22可具有平坦表面，使得不出现氮累积在凹陷中的情况。
虽然在上述实施方案和修改方案中不必要引起规定的流速和压力损失，但是本发明人进行的实验和分析已经证实，通过引起规定流速和压力损失获得了显著效果。
其中不循环燃料气体的这种结构带来实现燃料电池系统有效、高压运行的效果，该效果是在提交本申请时本领域的技术人员不能预料到的。例如，如图22所示，已知的是，关于燃料电池的电动势，根据能斯特方程，当燃料电池系统中燃料气体通道中的压力增加时获得高功率。然而，在循环型燃料气体供给系统中，燃料气体通道中的压力升高增大循环燃料气体的泵的负载，这造成系统效率改进受限的问题。
在图22中，方程F1显示电动势(EME)E与氢气的活性(氢的分压/常压)和氧气的活性(氧的分压/常压)具有正相关性。方程F2是氢气项部分，表示电动势是因氢分压的升高(P1→P2)而增加的。
该实施方案的显著优点在于，它可以通过实现非循环型燃料电池而在避免循环泵的负载增加的同时增加燃料电池系统中的压力，因此可以减小系统的尺寸和重量并增加功率，从车辆上系统的安装而言，这尤其重要。具体而言，对于本领域技术人员而言，小型燃料电池系统中的压力增加导致燃料电池系统效率降低是公知技术常识，因此，在提交该申请时本领域的技术人员不可能预期上述优点。
在小型轻型固体聚合物电解质燃料电池中，使用聚合物电解质。因此，这种固体聚合物电解质燃料电池尤其适用于车船上的用途，其原因是容易实现利用其中只升高燃料气体侧通道中的压力的压差进行操作，并且根据2000年由Parsons Inc.(James Larminie和Andrew Dicks，Fuel CellSystems Explained，第二版(2003))发现的经验方程F3(图23)，功率因增加压力而显著增加。经验方程F3是与方程F2对应的方程，后者是与高温燃料电池高度相关的理论方程。
此外，该实施方案还可设置为通过抑制氮气从氢电极22向氢电极侧多孔通道14h的扩散流动而将氢电极侧多孔通道14h与氢电极22隔开。随着氮气的扩散速度变快，这种隔开变得困难。然而，在在低温下运行的固体聚合物电解质燃料电池中，相对容易实现这种隔开。这是因为随着运行温度升高，扩散速度明显变快。另一方面，燃料气体的压力增加导致扩散速度降低，因此，固体聚合物电解质燃料电池的高温运行给出了非常优选的实施方案。
图24显示代表与稳态流动相关的费克第一定律的方程F4。在方程F4中，氮气的扩散速度与氮气的浓度梯度和扩散系数成比例。已知扩散系数与温度具有正相关性，与压力具有负相关性。因此，可以理解，获得了上述有利效果。
图25是显示氢电极侧多孔通道14h的密度和氢电极22中气体扩散层的密度之间的差异的说明图，其分别位于根据该实施方案的燃料气体供给板21n的上游侧和下游侧。该实施方案设置为，用于上游侧氢电极侧多孔通道14h的材料的密度比用于下游侧氢电极22中的气体扩散层的材料的密度低，换言之，用于氢电极侧多孔通道14h的材料造成的压力损失比用于下游侧氢电极22中的气体扩散层的材料所造成的压力损失低。这种结构产生降低燃料气体流过氢电极侧多孔通道14h时出现的压降的效果。因此，该配置是有利的，其原因是容易使供给到多个孔211n的燃料气体的压力变得均匀。
另一方面，图25中显示的第一修改方案配置为使得由用于下游侧氢电极22中的气体扩散层的材料的密度或所造成的压力损失比用于上游侧氢电极侧多孔通道14h的材料的密度或所造成压力损失低或者小。这种结构是有利的，其原因是可以防止氮气从氢电极22v1的气体扩散层进入上游侧的氢电极侧多孔通道14hv1。这是因为氢电极侧多孔通道14hv1具有高的密度，或者造成大的压力损失，因此有很强的趋势使得氮气扩散的方向为氢电极22v1中的平面内方向而非朝向氢电极侧多孔通道14hv1的方向。施加到多个孔211n的燃料气体的压力的均匀性可以通过改变例如多个孔211n的直径和节距来实现。
图26是显示第二修改方案的氢电极22v2的气体扩散层的说明图。在第二修改方案中，氢电极22v2的气体扩散层具有双层结构。气体扩散层配置为，使得在双层气体扩散层中，由用于靠近电解质膜23的一层的材料的密度或造成的压力损失比用于另一层的材料的密度或造成的压力损失小。这种结构的有利之处在于使得从电解质膜23排放的生成水向氢电极侧多孔通道14h扩散，从而获得抑制因水淹引起的气体供给堵塞的效果。
这种生成水的排放利用如下物理性质：多孔构件的密度越高或由多孔构件造成的压力损失越大，则因毛细力引起的吸水力就越强。因此，将气体扩散层配置为使毛细力随距电解质膜23的距离而增加就足够了。相应地，气体扩散层可以为其中密度等具有梯度的单层多孔构件或由三个或更多层构成的多孔构件。
图27是显示第三修改方案的氢电极22v3的气体扩散层的说明图。在第三修改方案中，氢电极22v3的气体扩散层具有三层结构。该气体扩散层配置为，使得在三层气体扩散层中，层离电解质膜23越近，则用于该层的材料的疏水性越高，或者用于该层的材料的亲水性越低。这种结构的有利之处在于，使从电解质膜23排放的生成水扩散，并且获得抑制水淹的效果。
第二修改方案中使用的密度等在该结构中用使生成水扩散或排放的亲水性或疏水性等代替。因此，将气体扩散层配置为使亲水性随距电解质膜23的距离而变高(或者疏水性变低)就足够了。相应地，气体扩散层可以为其中亲水性等具有梯度的单层多孔构件或由三层或更多层构成的多孔构件。注意，亲水性和疏水性可以组合给出，此外，还可以改变密度等。
图28是显示第四修改方案的氢电极22v4的气体扩散层的说明图。第四修改方案的气体扩散层的结构与上述结构的不同之处在于，在多个位置处形成例如与燃料气体供给板21n的孔211n连接的连接孔212v4。连接孔212v4具有将累积在氢电极22v4的催化剂层(未显示)的表面上的生成水分开并扩散的功能。具体而言，在第四修改方案中，连接孔212v4具有比孔211n小的直径，并且配置为使得通过连接孔212v4排放的生成水wd被氢电极22v4吸收，从而获得抑制生成水堵塞孔211n的效果。
图29是显示第五修改方案的氢电极22v5的气体扩散层的说明图。第五修改方案的气体扩散层与第四修改方案的相同之处在于，在多个位置处形成例如与燃料气体供给板21n的孔211n连接的连接孔212v5，并且连接孔212v5具有将累积在氢电极22v5的催化剂层的表面上的生成水分开并扩散的功能。然而，第五修改方案与第四修改方案的区别在于，连接孔212v5的直径比孔211n的直径大。连接孔212v5配置为使得通过连接孔212v5排放的水wd被燃料气体供给板21n阻挡并被氢电极22v5吸收。因此，与第四修改方案的情形一样，获得抑制生成水阻塞孔211n的效果。
注意，当连接孔212v4和212v5连接至孔211n时，这些孔可将生成水分开，并且连接孔212v4和212v5的直径不必与孔211n的直径不同。
图30是显示第六修改方案的氢电极22v6的气体扩散层的说明图。第六修改方案与第五修改方案的相同之处在于在多个位置处形成例如与燃料气体供给板21n的孔211n连接的连接孔212v5，并且连接孔212v5具有的直径比孔211n的直径大。然而，第六修改方案的燃料气体供给板21v6与第五修改方案的不同之处在于所述燃料气体供给板21v6具有确定孔211n和氢电极22v6之间的位置关系的定位构件Cg。定位构件Cg确定燃料气体供给板21v6的孔211n和连接孔212v5之间的位置关系，由此产生容易获得上述效果的优点。
通过这类手段获得的这种抑制水淹的效果在发电期间不稳定排放燃料气体的系统中尤其重要。这是因为，在发电期间不稳定排放燃料气体的系统中，难以使用伴随燃料气体排放的水蒸汽排放。上述结构具有实现燃料电池系统稳态运行的重要功能，其中生成水适当地扩散而无需通过排放燃料气体来排放水蒸汽，并且其中利用生成水加湿燃料气体的循环顺利地继续进行，从而不需要循环燃料气体。
图31至35是空气电极侧多孔通道14a的修改方案的说明图。这些修改方案配置为提供解决与制造非循环型燃料气体供给系统所引起的空气通道侧相关的问题的技术手段。该问题是本发明人首次发现的新问题。
具体而言，本发明人已发现，不循环燃料气体的结构不仅涉及燃料气体通道，而且影响空气通道的设计。例如，如从图5中显示的相关技术可见的，在相关技术中，燃料气体流和空气流的方向相反，由此可以使膜电极单元20的润湿均匀。更具体地，在相关技术的反应气体通道的情况下，因为反应气体由通过氢电极侧电极层22和空气电极侧电极层24排放的水加湿，并且反应气体的湿度因此从通道入口到出口增加，所以可以通过采用逆流结构来使膜电极单元20的润湿均匀，在所述逆流结构中，一个电极侧通道的出口靠近另一电极侧通道的入口。
然而，在上述实施方案和修改方案中，供给到膜电极单元20的燃料气体的状态为氢分压比循环燃料气体的情况下更均匀，并且不产生由逆流结构获得的上述效果。本发明人已经首次构建了以下结构作为解决该新问题的手段。
图31是显示第一修改方案的空气电极侧多孔通道14av1的说明图。图32是显示第二修改方案的空气电极侧多孔通道14av2的说明图。图33是显示具有第一修改方案的空气电极侧多孔通道14av1的燃料电池堆的内部通道的说明图。第二修改方案的空气电极侧多孔通道14av2配置为通过提供具有槽通道构件(压制金属板)14c的实施方案的空气电极侧多孔通道14a来获得与通过第一修改方案的空气电极侧多孔通道14av1获得的类似的效果。槽通道构件14c的提供可以结合在空气电极侧多孔通道14av1中形成槽来执行。槽的内表面可处理为具有亲水性。
第一修改方案的空气电极侧多孔通道14av1与实施方案的空气电极侧多孔通道14a的不同之处在于，在与空气电极侧电极层24与空气电极侧多孔通道14av1接触的空气电极侧电极层24的一侧相反的一侧上形成多个槽14ag1。在该结构中，将空气通过多个槽14ag1供给到空气电极侧多孔通道14av1，使得可以缓和从上游区域到下游区域的湿度梯度。因此，可以抑制靠近空气供给孔13a的空气电极侧多孔通道14av1(入口侧)的干燥和靠近空气排放通道16a的空气电极侧多孔通道14av1(出口侧)的水淹。
此外，图32中显示的空气电极侧多孔通道14av2的靠近空气供给孔13a的部分(入口侧)被处理为具有亲水性，并且该通道配置为使得空气向上流动。亲水处理产生收集水和抑制干燥的效果。向上的空气流动产生利用重力使水保持在较低部分中的效果。
在图5显示的相关技术中，通道配置为使空气向上流动以产生逆流。因此，如果使燃料气体流动的方向反转，则空气通道的方向也反转。在实施方案和修改方案中，将燃料气体直接且均匀地分配到膜电极单元20上，并且不存在与膜电极单元20相关的上述上游和下游的概念。因此，空气通道可配置为使得空气向上流动。
图34是显示第三修改方案的空气电极侧多孔通道14av3的说明图。第三修改方案的空气电极侧多孔通道14av3与第一修改方案的空气电极侧多孔通道14av1的不同之处在于，空气电极侧多孔通道14av3的靠近空气排放通道16a的部分(出口侧)在空气电极侧电极层24侧具有保持水的槽14agv1。通过本发明人进行的实验已经证实，优选每个保持水的槽14agv1的宽度为约1mm或更大。
保持水的槽14agv1可穿过(分开)例如空气电极侧多孔通道14av3。此外，如图35所示，保持水的槽14agv1自身被分开且可配置为其宽度和长度可根据位置变化。
而且，在上述实施方案和修改方案中，将氢分压几乎均匀的燃料气体供给到膜电极单元20，因此，除了控制湿度的问题之外，还出现与相关技术不同的问题，涉及使反应分布和对应于反应分布的生热分布均匀的方法。
当如上所述使燃料气体流和空气流沿相反方向流动时，除了使润湿均匀的效果之外，还获得了使反应分布均匀的效果，如从能斯特方程(图22)可见的。具体而言，其中氧分压低的空气通道下游侧区域与其中氢分压高的燃料气体通道上游侧区域相反(图9)；另一方面，其中氧分压高的空气通道上游侧区域与其中氢分压低的燃料气体通道下游侧区域相反，使得可以使膜电极单元20中的反应均匀。
图31中所示的第一修改方案的空气电极侧多孔通道14av1还产生降低上游区域和下游区域之间的供给空气中的氧分压的差的效果。因此，空气电极侧多孔通道14av1的有利之处在于，它可以解决上述问题。然而，在实施方案和修改方案中，假定排放空气而非燃料气体，并且问题是空气供给功率和所供给的氧分压均匀性之间的折中。
此外，因为如何控制空气通道中的水分会通过水逆向扩散影响燃料气体通道，所以空气通道可以在考虑到对燃料气体通道影响的情况下进行设计。具体而言，在如上所述在发电期间非稳态排放燃料气体的系统中，通过从空气通道扩散水来进行燃料气体的加湿，因此，这种设计是重要的。具体而言，优选促进生成水的排放以有效地抑制氧化剂侧电极的水淹，或实现朝向燃料气体通道侧的相对均匀的逆向扩散。这种效果还可通过以下结构实现，并且以下结构可与上述结构组合。
具体而言，可以将第三修改方案的氢电极22v3的包括双层结构的多层结构(图27)应用于空气电极侧电极层24。在第三修改方案中，氢电极22v3的气体扩散层具有三层结构。气体扩散层配置为，使得在三层气体扩散层中，层离电解质膜23越近，则用于该层的材料的疏水性越高，或者用于该层的材料的亲水性越低。此外，在空气通道的情况下，这种结构的有利之处在于，从电解质膜23排放的生成水扩散，并且获得抑制水淹的效果。
为了使生成水以该方式扩散和排放，将气体扩散层配置为使亲水性随距电解质膜23的距离而增加(或疏水性降低)就足够了。相应地，气体扩散层可以为其中亲水性等具有梯度的单层多孔构件或由三层或更多层构成的多孔构件。注意，亲水性和疏水性可以组合给出，此外，密度等还可以变化。通过协同控制空气通道中的水分和燃料气体通道中的水分，可以在燃料气体通道中实现优选的逆向扩散和合适的水分控制。
图36是显示第五修改方案的燃料气体供给板21v5的说明图。在上述实施方案和修改方案中，当添加燃料气体供给板21v5时，添加放置燃料气体供给板21v5的新制造步骤。第五修改方案的燃料气体供给板21v5的边缘部分弯曲以有助于在放置燃料气体供给板21v5时定位。
图37是显示第六修改方案的燃料气体供给板21v6的说明图。第六修改方案配置如下。具体而言，氢电极侧电极层22在通道中具有两个定位销22ref1和22ref2；燃料气体供给板21v6具有用于定位的装配孔21ref1和21ref2；并且氢电极侧多孔通道14hv6具有用于定位的装配孔14ref1和14ref2。
以该方式将两个定位销22ref1和22ref2设置于通道中与提交本申请时的常规技术知识即应将定位销设置于通道外部的知识相反。根据提交本申请时的常规技术知识，因为气体通过装配孔的壁和销之间的间隙泄露，所以将定位销设置于通道外部。然而，尽管存在这种常规技术知识，但是在考虑到该结构之后，本发明人发现，泄露不会如此成为问题，这是因为它出现在燃料气体通道之间。结果，通过消除用于将销定位在通道外部的空间而实现了尺寸和重量的减小。
虽然上文已经描述了本发明的一些实施方案，但是本发明根本不限于这些实施方案，而是本发明可以在不脱离本发明构思的范围内以各种形式实施。具体而言，在上述实施方案的构成元件中，除在独立权利要求中描述的元件之外的任意元件都是附加的元件，并且可以在合适的情况下移除。此外，例如，如下所述的修改方案也是可行的。
本发明还可以包括以下配置。(1)燃料气体通过燃料气体供给板所分配到的区域可通过隔离壁相互隔开。(2)氢电极侧电极层可具有使气体更容易沿燃料气体供给板的平面扩散到孔以外的扩散结构(径向槽、蛛网状槽或透气性的变化)。(3)氢电极侧电极层可具有隔离壁，该隔离壁限制燃料气体在燃料气体通过孔分配到其的区域之间的流动。然而，不需要给出每个孔和对应的块之间的一对一关系。所述块可布置为具有蜂巢状结构。每个块的尺寸可以变化，以使通过每单位面积的孔供给的燃料气体的量变得尽可能均匀。氢电极侧电极层可以配置为，使得氢电极侧电极层的孔隙度朝向其中燃料气体的供给更可能受阻的氢电极侧多孔通道14的下游区域增加。(4)燃料气体供给板可配置为，使得通过利用流体循环装置如喷射器进行的扩散，抑制燃料气体供给板中的通道上游侧或下游侧中的至少其一中的氮累积(例如，图8和9中显示的恶性循环)。(5)在燃料电池系统中，燃料气体供给通道可提供有储存氮气和其它不反应流体的储存部。(6)在设计燃料气体供给通道时，可以对在部分通道中流动的阻力进行变化和调节(包括调节孔隙度或槽的数目和调节(变化)槽的宽度，或设定通道的布置和/或方向)，以实现与由燃料气体供给板执行的供给燃料气体的功能类似的功能。具体而言，燃料气体可以在燃料气体供给通道中以多个不同的方向(例如，从周边向中央部分)供给。(7)在燃料电池系统中，在启动时将燃料电池的输出限制在预定范围内(包括抑制输出)，可以抑制不期望的输出降低。启动时的这种输出抑制，通过抑制氢气的消耗，促进氮气浓度的平衡态的获得，或者促进氢电极侧电极层中氢分压的优化。(8)燃料电池系统可以将燃料气体供给到具有多个燃料气体供给歧管的燃料电池。在该情况下，对于每个歧管，可以独立地调节供给到歧管的燃料气体的压力，以使燃料气体均匀地供给到氢电极侧电极层。(9)在燃料电池系统中，燃料气体供给通道可提供有燃料电池内部或外部的缓冲罐。缓冲罐可配置为使得缓冲罐经由阀连接至燃料气体供给通道，所述阀在燃料电池系统启动时打开以储存在停止运行时累积的氮气等，并且在燃料电池系统停止时打开以排放所储存的氮气等。(10)氢电极侧电极层上的燃料气体供给板的整个表面或燃料气体供给板中孔的壁可被处理为具有疏水性。此外，燃料气体供给板可以配置为在燃料气体供给板的两侧之间具有亲水性和/或疏水性差异。例如，可以通过镀金或涂拒水层来提供亲水性和疏水性。(11)燃料气体供给板可以具有多个层。在具有多个层的结构的情况下，燃料气体供给板可以配置为使得在更靠近上游侧的层中的通孔数目较少而在更靠近下游侧的层中通孔的数目较大。
虽然在前述实施方案中引用了固体聚合物电解质燃料电池，但是本发明不限于此，而是可以应用于其它类型的燃料电池，例如固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和磷酸燃料电池。然而，本发明人已经发现，当本发明应用于固体聚合物电解质燃料电池时，获得上述显著效果。
虽然在前述实施方案中使用纯氢气作为燃料气体，但是当使用可透过杂质的电解质时，例如，可使用包含这种杂质的重整气体。

Claims (10)

1.一种燃料电池，包括：
电解质；
置于所述电解质的一侧上的并且具有燃料气体在其上消耗的燃料气体消耗表面的阳极；
置于所述电解质的另一侧上的并且具有氧化剂气体在其上消耗的氧化剂气体消耗表面的阴极；和
燃料气体通道，所述燃料气体通道包括：用于将燃料气体分配到所述燃料气体供给表面上的预定区域的第一通道，用于将所分配的燃料气体供给到所述区域的第二通道，和用于将燃料气体从所述第一通道供给到所述第二通道的燃料气体供给部，所述燃料电池的特征在于：
所述燃料电池配置为在大多数所供给的燃料气体在所述燃料气体消耗表面上的所述区域中消耗的同时运行，和
所述燃料气体通道具有用于抑制所述第一通道和所述第二通道之间的燃料气体泄漏的燃料气体泄漏抑制部。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中
所述第一通道和所述第二通道中的至少一个由多孔构件形成，和
所述燃料气体泄漏抑制部形成为所述多孔构件的外围部，所述多孔构件的外围部的孔隙率比所述多孔构件的内部的孔隙率低。
3.根据权利要求2所述的燃料电池，其中所述燃料气体泄漏抑制部是通过用衬垫材料浸渍所述多孔构件的所述外围部形成的。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池，其中所述燃料气体泄漏抑制部是形成为一体的构件，其延伸至所述第一通道的外围部的至少一部分和所述第二通道的外围部的至少一部分。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池，其中所述燃料气体泄漏抑制部是设置在所述燃料气体供给部的至少一侧上的隔离物，并且提供所述第一通道和所述第二通道中的至少一个。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的燃料电池，其中所述第一通道和所述第二通道中的至少一个具有蜂巢状结构。
7.一种燃料电池，包括：
电解质；
置于所述电解质的一侧上的并且具有燃料气体在其上消耗的燃料气体消耗表面的阳极；
置于所述电解质的另一侧上的并且具有氧化剂气体在其上消耗的氧化剂气体消耗表面的阴极；和
燃料气体通道，所述燃料气体通道包括：用于将燃料气体分配到所述燃料气体供给表面上的预定区域的第一通道，用于将所分配的燃料气体供给到所述区域的第二通道，和用于将燃料气体从所述第一通道供给到所述第二通道的燃料气体供给部，所述燃料电池的特征在于：
所述燃料电池配置为在大多数所供给的燃料气体在所述燃料气体消耗表面上消耗的同时运行，和
所述燃料气体供给部形成为金属板，所述金属板包括反应气体泄漏抑制部，所述反应气体泄漏抑制部用于抑制使得所述燃料气体和所述氧化剂气体混合的气体泄漏。
8.一种装配有燃料电池的车辆，包括：
根据权利要求1至7中任一项所述的燃料电池；和
根据由所述燃料电池供给的电力驱动所述车辆的驱动单元。
9.一种用于固体聚合物电解质燃料电池的膜电极单元，包括：
电解质膜；
提供在所述电解质的一侧上的并且具有燃料气体在其上消耗的燃料气体消耗表面的阳极；
提供在所述电解质的另一侧上的并且具有氧化剂气体在其上消耗的氧化剂气体消耗表面的阴极；
燃料气体供给板，所述燃料气体供给板沿从所述燃料气体消耗表面的面外的位置向所述燃料气体消耗表面的方向以预定开口率将燃料气体供给到所述燃料气体消耗表面上的预定区域；和
设置在所述燃料气体供给板和所述阳极之间的气体扩散层，所述膜电极单元的特征在于
所述气体扩散层具有燃料气体渗透抑制部，所述燃料气体渗透抑制部用于抑制所述燃料气体不渗透穿过所述燃料气体供给板。
10.一种燃料电池，包括：
电解质；
置于所述电解质的一侧上的并且具有燃料气体在其上消耗的燃料气体消耗表面的阳极；
置于所述电解质的另一侧上的并且具有氧化剂气体在其上消耗的氧化剂气体消耗表面的阴极；和
燃料气体通道，所述燃料气体通道包括：用于将燃料气体分配到所述燃料气体供给表面上的预定区域的第一通道，用于将所分配的燃料气体供给到所述区域的第二通道，用于将燃料气体从所述第一通道供给到所述第二通道的燃料气体供给部，和用于抑制燃料气体在所述第一通道和所述第二通道之间泄漏的燃料气体泄漏抑制部，其中：
所述燃料电池配置为在大多数所供给的燃料气体在所述燃料气体消耗表面上的所述区域中消耗的同时运行。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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