CN101926035A - 燃料电池单元和燃料电池组 - Google Patents

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Abstract

提供一种燃料电池单元和燃料电池组，所述燃料电池单元和燃料电池组包括在阳极流路中在排出流路侧被设置以与阳极气体扩散层接触的流率控制部件，其中，所述流率控制部件在自设置所述流率控制部件的部分的燃料流路的上游侧和自设置所述流率控制部件的所述部分的燃料流路的下游侧之间产生压力差。所述燃料电池单元和燃料电池组能够均匀地供给燃料，并能够防止包含杂质气体的燃料从下游侧回流。

Description

燃料电池单元和燃料电池组
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
本发明致力于一种燃料电池单元和燃料电池组，所述燃料电池单元和燃料电池组即使当各自的燃料电池单元的流路阻力变动时也能均匀地供给燃料，并能有效地防止包含杂质气体的燃料从其下游侧的回流。
本发明还致力于一种燃料电池单元和燃料电池组，所述燃料电池单元和燃料电池组能抑制由于长时间发电产生的水所导致的流路阻塞。
根据本发明，提供一种燃料电池单元，包括：
引入燃料气体侧的阳极气体扩散层和阳极流路；
具有燃料气体的供给口的供给流路，所述供给流路被连接在所述阳极流路的向其引入燃料气体的上游；
具有燃料气体的排出口的排出流路，所述排出流路被连接在所述阳极流路的向其引入燃料气体的下游，所述供给流路、所述阳极流路和所述排出流路形成燃料流路；以及
在所述燃料流路中在所述排出流路侧被设置以与所述阳极气体扩散层接触的第一流率控制部件，
其中，通过所述第一流率控制部件，在自设置所述第一流率控制部件的部分的所述燃料流路的上游侧和自设置所述第一流率控制部件的所述部分的所述燃料流路的下游侧之间产生压力差。
并且，在根据本发明的燃料电池单元中，由所述第一流率控制部件控制的流率大于进入所述阳极流路的包含氮的杂质气体的进入流率。
并且，在根据本发明的燃料电池单元中，在不发电时，由所述第一流率控制部件产生的燃料气体的压力差大于所述阳极流路中的由发电导致的压力损失。
并且，在根据本发明的燃料电池单元中，所述第一流率控制部件包含多孔体。
并且，在根据本发明的燃料电池单元中，所述阳极流路填充有所述阳极气体扩散层。
并且，根据本发明的燃料电池单元还包括被设置在所述排出口的下游、用于抑制从所述排出口排出的燃料气体的排出量的第二流率控制部件。
并且，根据本发明的燃料电池单元还包括被设置在所述排出口的下游、用于消耗从所述排出口排出的燃料气体的燃料气体消耗机构。
并且，根据本发明的燃料电池单元还包括被设置在所述排出口和所述燃料气体消耗机构之间、用于抑制从所述排出口排出的燃料气体的排出量的第二流率控制部件。
根据本发明，提供一种燃料电池组，包括：
相互堆叠的多个上述燃料电池单元；
具有燃料气体的供给口的供给流路，所述供给流路被连接在所述燃料电池单元中的每一个的阳极流路的向其引入燃料气体的上游；以及
具有燃料气体的排出口的排出流路，所述排出流路被连接在所述燃料电池单元中的每一个的所述阳极流路的向其引入燃料气体的下游，所述供给流路、所述阳极流路和所述排出流路形成燃料流路。
并且，根据本发明的燃料电池组还包括被设置在所述排出口的下游、用于抑制从所述排出口排出的燃料气体的排出量的第二流率控制部件。
并且，根据本发明的燃料电池组还包括被设置在所述排出口的下游、用于消耗从所述排出口排出的燃料气体的燃料气体消耗机构。
并且，根据本发明的燃料电池组还包括被设置在所述排出口和所述燃料气体消耗机构之间、用于抑制从所述排出口排出的燃料气体的排出量的第二流率控制部件。
根据本发明，通过在燃料流路中在排出流路侧设置的第一流率控制部件，能够在自设置第一流率控制部件的部分的燃料流路的上游侧和自设置第一流率控制部件的所述部分的燃料流路的下游侧之间产生大的压力差。
这允许从燃料电池的供给流路向包含发电部分的阳极流路均匀地供给燃料，并且，能够防止包含杂质气体的燃料气体从排出流路回流。
并且，通过将流率控制部件设置为与阳极气体扩散层接触，能够防止由于水分(moisture)的冷凝所导致的流路的阻塞，所述水分与燃料电池的发电反应相关联地产生，并且在阳极流路中扩散。
阳极流路和流率控制部件之间的流路的阻塞阻止了进入阳极流路的杂质气体的排出，并由此降低燃料电池的性能。
将流率控制部件设置为与阳极气体扩散层接触允许在与发电部分的温度条件等价或接近的温度条件下设置流率控制部件，并由此能防止冷凝。结果，能够稳定地驱动燃料电池。
利用这种配置，即使在死端燃料电池中以及在燃料的流率在燃料电池组的燃料流路的下游被严格限制的系统中，也均匀地给燃料电池和燃料电池组的各自燃料电池单元供给燃料，并能防止来自下游侧的杂质气体的回流和积累。
并且，阳极流路和第一流率控制部件之间的流路不被冷凝所阻塞，并由此能稳定地驱动燃料电池。
并且，燃料电池组可适于在排出流路的下游具有作为第二流率控制部件的诸如针阀的流率调整机构，在所述燃料电池组中，第一流率控制部件被设置为与燃料电池单元中的每一个的阳极气体扩散层接触。
通过在这种配置中用流率调整机构限制流率，能改善燃料的使用效率。
并且，流率控制部件被设置为与燃料电池单元中的每一个的阳极气体扩散层接触的燃料电池组的排出流路的下游可适于不具有附加的流率控制部件。能通过被设置为与阳极气体扩散层接触的流率控制部件来防止气体向燃料电池单元中的每一个的回流，由此，即使例如燃料电池组的排出口向大气开放，电池组的性能也不被影响。
从参照附图对示例性实施例的以下描述，本发明的进一步的特征将变得明显。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施例1的燃料电池单元的示例性配置的示意性截面图。
图2是根据本发明的实施例1的图1所示的燃料电池单元中的流率控制部件周围的放大示意图。
图3是示出根据本发明的实施例1的燃料电池组的示例性配置的示意性截面图。
图4是示出根据本发明的实施例2的燃料电池单元的示例性配置的流率控制部件周围的放大示意性截面图。
图5是示出根据本发明的实施例3的燃料电池单元的示例性配置的流率控制部件周围的放大示意性截面图。
图6是示出根据本发明的实施例4的燃料电池组的示例性配置的示意性截面图。
图7是示出根据本发明的实施例5的燃料电池组的示例性配置的示意性截面图。
图8是示出根据本发明的例子1的阳极集电器(collector)的示例性配置的示意性透视图。
图9是示出比较例1的燃料电池单元的示例性配置的示意图。
图10是表示根据本发明的例子1的燃料电池单元的性能的曲线图。
图11是表示比较例1的燃料电池单元的性能的曲线图。
图12是表示根据本发明的例子2的燃料电池单元的性能的曲线图。
图13是示出根据本发明的例子3的燃料电池组的示例性配置的示意性截面图。
图14是示出根据本发明的例子4的燃料电池组的示例性配置的示意性截面图。
图15是示出比较例2的燃料电池组的示例性配置的示意性截面图。
图16是表示根据本发明的例子3的燃料电池组的性能的曲线图。
图17是表示根据本发明的例子4的燃料电池组的性能的曲线图。
图18是表示比较例2的燃料电池组的性能的曲线图。
图19是示出比较例2的燃料流动的示意图。
图20是示出根据本发明的例子4的燃料流动的示意图。
具体实施方式
现在，在下面参照附图进一步详细描述根据本发明的燃料电池单元和燃料电池组的实施例。在燃料电池单元和燃料电池组中，在燃料气体引入侧设置阳极气体扩散层和阳极流路。被引入燃料气体的阳极流路的上游侧与燃料气体的供给流路连接，并且，阳极流路的下游侧与燃料气体的排出流路连接。燃料电池单元和燃料电池组具有由供给流路、阳极流路和排出流路形成的燃料流路。
(实施例1)
在本实施例中，描述在燃料电池的燃料流路中邻近(adjacently to)阳极气体扩散层的侧表面设置流率控制部件的示例性配置。
图1是示出根据本实施例的燃料电池单元的示例性配置的示意性截面图。
图2是图1的流率控制部件周围的放大图，图3是示出相互堆叠多个根据本实施例的燃料电池单元的燃料电池组的配置的示意性截面图。
在图1至3中，燃料电池单元和燃料电池组包含燃料电池单元1、膜电极组件2、阳极气体扩散层3、阴极气体扩散层4和氧化剂供给层5。
燃料电池单元和燃料电池组包含阳极集电器6、阴极集电器7、绝缘板8、端板9、供给流路10、阳极流路11、排出流路12、第一流率控制部件13、供给口14和排出口15。图3示出燃料电池组16。应当注意，在以下的附图中，使用类似的附图标记来指示类似或相同的构成元件。
如图1所示，实施例1的燃料电池单元1包含邻近阳极流路11中的阳极气体扩散层3的侧表面设置的第一流率控制部件13。膜电极组件2设置在燃料电池单元1的中间，并且，阳极气体扩散层3设置在其一个表面上，而阴极气体扩散层4设置在其另一个表面上。
如众所周知的那样，膜电极组件2是其每一个表面上形成有包含催化剂层的电极的聚合物电解质膜。
作为聚合物电解质膜，一般使用基于全氟磺酸的质子交换树脂膜等，但是，能够与聚合物电解质膜的种类无关地实施本发明。
在聚合物电解质膜的两个表面上形成的催化剂层通常由促进燃料电池的反应的催化剂和具有质子导电性的电解质形成，并且，在必要时，向其添加催化剂载体、疏水剂、亲水剂等。
作为一般使用的催化剂，铂或铂合金的颗粒、携带铂的碳等是已知的，但是，能够与这些催化剂的种类无关地实施本发明。
阳极气体扩散层3和阴极气体扩散层4是能透过气体且导电的层。
具体而言，阳极气体扩散层3和阴极气体扩散层4具有如下功能：为了有效地执行电极反应而均匀且充分地给催化剂的反应区域供给燃料和氧化剂，以及，从电池取出由电极反应产生的电荷。
一般地，使用多孔碳材料作为气体扩散层，并且，在本发明中，可使用这种一般使用的材料。
氧化剂供给层5被设置在阴极气体扩散层4的外面，并且具有如下功能：给阴极气体扩散层4的表面供给诸如空气或氧的氧化剂，以及，电连接阴极集电器7和阴极气体扩散层4。
用于氧化剂供给层5的示例性材料包含泡沫(foamed)金属、多孔碳结构、金属网、和具有用于供给氧化剂的沟槽的导电板。
在图1中，示出仅在阴极侧设置氧化剂供给层5的燃料电池，但是，也可配置燃料电池，使得具有相似功能的燃料供给层被设置在阳极气体扩散层3的外面。
在本实施例中，阳极气体扩散层3既用作气体扩散层，又用作燃料供给层。
阳极集电器6和阴极集电器7是由诸如金属或碳的导电材料形成的板状部件，并且具有向外部取出由燃料电池反应产生的电子的功能。
因此，阳极集电器6和阴极集电器7具有被设置为分别与阳极气体扩散层3和氧化剂供给层5接触的、用于向外部取出输出的端子。
绝缘板8具有使端板9与阳极集电器6和阴极集电器7中的一个电绝缘的功能。
绝缘板8可由例如树脂形成。端板9具有均匀地给燃料电池和燃料电池组传送夹持(clamping)压力的功能。端板9可由诸如不锈钢(steel use stainless)(SUS)的刚性材料形成。
在本实施例中，示出一对端板9中的一个具有在其中形成的燃料气体的供给口14和排出口15的示例性配置，但是，本发明不限于这种配置。
在本实施例中，在由供给流路10、阳极流路11和排出流路12形成的燃料流路中，第一流率控制部件13被设置为与阳极气体扩散层3的在阳极流路11的排出流路12侧的侧表面接触。
流率控制部件13具有将气体流路阻力给予燃料流动的功能。
因此，从供给流路10供给的燃料长时间保持在阳极流路11中，这允许均匀地给阳极流路11供给燃料。
如图3所示，在通过堆叠每一个包含上述流率控制部件13的多个燃料电池单元而形成的燃料电池组16中，即使各自的燃料电池单元的流路阻力在燃料电池单元之间变动，也能均匀地给各自的燃料电池单元供给燃料。
并且，流率控制部件13具有如下功能：防止存在于燃料电池单元和燃料电池组的排出流路12中的包含杂质气体的燃料气体(从排出口15回流的包含大气中的空气的燃料气体)回流到阳极流路11中。
在紧接着燃料电池的发电开始之后最可能出现回流。
当发电开始时，填充阳极流路11的燃料气体被消耗，由此阳极流路11中的燃料气体的压力下降，并且燃料气体从包含排出流路12的阳极流路11的下游回流。
随着包含于回流的燃料气体中的杂质气体的浓度变高，对于燃料电池的性能的影响变大。
阳极流路11中的压力下降的量取决于消耗的燃料气体的量，并且，随着发电越多，压力下降越大。
通过在燃料流路中的排出流路侧设置流率控制部件以便防止包含杂质气体的燃料气体的上述回流，能防止回流到阳极流路11中。
由发电导致的阳极流路11中的压力损失的大小来确定为了防止回流到阳极流路11中的流率控制部件的流路阻力的下限值。当不发电时由流率控制部件产生的燃料气体的压力差的特征在于，其至少大于阳极流路中的由发电导致的压力损失。
优选在这里产生能由燃料电池产生的最大量电流的假定条件下执行设计。
通过以这种方式设计由流率控制部件产生的压力差，即使最可能出现回流时的紧接着燃料电池的发电开始之后，也能防止回流到阳极流路11中。
并且，流率控制部件13具有如下功能：当形成图3所示的燃料电池组16时，防止包含杂质气体的燃料气体从排出流路12回流到特定燃料电池单元的阳极流路11中。
同时，流率控制部件13还具有如下功能：将进入阳极流路11的诸如氮、二氧化碳或水蒸气的杂质气体排出到排出流路12。
进入阳极流路11的杂质气体主要通过膜电极组件2并然后进入阳极流路11。
虽然通过膜电极组件2的杂质气体的速度取决于聚合物电解质膜的种类、温度、湿度、分压等大大地变动，但是，进入阳极流路11的杂质气体影响燃料电池的性能，因此，必需将杂质气体迅速排出到排出流路12。
因此，由作为流率控制部件13的第一流率控制部件控制的流率优选被设为至少比进入阳极流路11的包含氮的杂质气体的流率高。
更具体而言，通过流率控制部件导致的流路阻力的上限值由进入的杂质气体的流率确定。通过以这种方式进行设计，燃料电池单元1能在杂质气体不在阳极流路11中对流的情况下稳定地发电。
虽然在图2中在到排出流路12的整个区域之上形成流率控制部件13，但是，只要流率控制部件13执行上述的功能，就可仅在到排出流路12的区域的一部分中形成流率控制部件13。
流率控制部件13被邻近阳极气体扩散层3的侧表面而设置，并能由此增强燃料电池单元1的发电的稳定性。
如果流率控制部件13被远离阳极气体扩散层3而设置，那么存在如下风险：在流率控制部件13的上游，流路被水的冷凝而阻塞。
结果，杂质气体从阳极流路11的排出被中断，由此，燃料电池的性能降低。
通过邻近阳极气体扩散层3的侧表面设置流率控制部件13，流率控制部件13的温度条件基本上与燃料电池的发电部分的温度条件相同，由此较不可能出现冷凝。
同时，流率控制部件13邻近阳极气体扩散层3的侧表面，由此流路不被完全阻塞，由此能够维持通过流率控制部件13的流动。
在本实施例中，流率控制部件13可由例如多孔体形成。
只要能够在上述范围中实现流路阻力(流率控制)，多孔体就可以是任何种类的多孔体。
应根据上述范围中的所要求的流路阻力，设定诸如流率控制部件13的尺寸以及形成流率控制部件13的部件的开口率(aperture ratio)和开口直径的限定流路阻力的参数。
作为用作流率控制部件13的多孔体，由于化学上和机械上的高稳定性等，可以使用多孔PTFE过滤器等。
并且，也可通过混合颗粒和粘合剂来形成多孔体。能够通过颗粒的尺寸、分散浓度等来控制通过混合颗粒和粘合剂而形成的多孔体的孔直径、孔分布等，并由此能实现希望的流路阻力。
由于其在化学上的高稳定性，因此示例性的粘合剂包括PTFE分散体。作为颗粒，可以使用诸如碳、携带铂的碳和铂黑的在化学上高度稳定的颗粒，或诸如储氢材料的功能颗粒。
例如，通过使用携带铂的碳或铂黑作为颗粒，使得流率控制部件13用作催化剂，并且，除了作为流率控制部件的功能以外，还能给予流率控制部件13作为用于将燃料安全地排放到外部空气的燃烧装置的功能。
作为替代方案，通过使用诸如储氢材料的功能颗粒，能够在利用与氢接触时或与水分接触时气体的体积变化的同时，控制流率控制部件的流路阻力。
(实施例2)
在实施例2中，与邻近阳极气体扩散层3的侧表面设置流率控制部件13的实施例1的配置不同，描述流率控制部件13被设置为与阳极气体扩散层3的后表面接触的示例性配置。
图4是示出根据本实施例的燃料电池单元的示例性配置的流率控制部件周围的放大示意性截面图。
如图4所示，除了流率控制部件13的位置以外，燃料电池单元的配置与实施例1中的相同。
流率控制部件13的至少一部分保持与阳极流路11中的阳极气体扩散层3接触并且被设置在排出流路12侧就够了。
在本实施例中，如图4所示，流率控制部件13适于被设置在阳极气体扩散层3的后表面上。
这允许使用片状或膜状材料作为流率控制部件13，由此提供对要被用作流率控制部件13的材料的广泛选择。
例如，可以使用PTFE过滤器、亲水PTFE过滤器或纤维素混合酯过滤器。
并且，电池的形状或流路的形状的灵活度变高，因此燃料电池的小型化和制造工艺的简化变为可能。
(实施例3)
在实施例3中，描述通过改变阳极气体扩散层3的在阳极流路下游侧的一部分来形成实施例1的流率控制部件13的示例性配置。
图5是示出根据本实施例的燃料电池单元的示例性配置的流率控制部件周围的放大示意性截面图。
如上所述，除了改变阳极气体扩散层3的一部分以外，本实施例的燃料电池单元的配置与实施例1所示的相同。
虽然在实施例1和2中流率控制部件13由与阳极气体扩散层3分别设置的部件形成，但是，本实施例的特征在于，阳极气体扩散层3的一部分被配置为形成流率控制部件13。
通过在燃料流路的下游侧使得能高度透过气体的阳极气体扩散层3的气体透过性较低，能够获得上述配置。
用于降低阳极气体扩散层3的气体透过性的示例性手段包括：用于压缩气体扩散层的手段、用于用填充剂等填充气体扩散层的手段、和用于使用填充手段和压缩手段两者的手段。
(实施例4)
在实施例4中，描述堆叠多个包含实施例1至3所示的流率控制部件13的燃料电池单元的燃料电池组的示例性配置。
图6是示出根据本实施例的燃料电池组的示例性配置的示意性截面图。
在本实施例中，在具有流率控制部件13的燃料电池组16的排出口15的下游，不必设置附加的流率控制部件。
为各自的阳极流路11设置的流率控制部件13能防止来自排出流路12的回流，由此，排出口15可例如对大气开放。
从所供给燃料的使用效率和安全性的观点看，优选采用流率控制部件13大大限制燃料流率的配置。
为了使得并入电子设备中时的位置灵活度较高，可以在排出口的下游设置燃料稀释器或诸如铂的催化剂，并且，可以设置用于通过使用诸如燃烧装置的部件来消耗燃料的机构，所述燃烧装置用于使包含于排出气体中的燃料与大气中的氧逐渐反应。
(实施例5)
在实施例5中，描述如下示例性配置：其中，在燃料电池组16的排出口15的下游，设置作为第二流率控制部件的流率调整机构，所述燃料电池组16在其中堆叠有多个包含实施例1至3所示的流率控制部件13的燃料电池单元。
图7是示出根据本实施例的燃料电池组的示例性配置的示意性截面图。
在具有流率控制部件13的燃料电池组16的排出口15的下游，设置作为第二流率控制部件的诸如针阀的流率调整机构17。
流率调整机构17具有抑制从燃料电池组16排出并且包含杂质气体的燃料气体的排出量的功能。
流率调整机构17例如被形成为用于控制包含杂质气体的燃料气体的排出量的控制阀。
根据通过膜电极组件2并进入阳极流路11的杂质气体的量，确定通过流率调整机构17的气体的流率。
这种配置使得可以增大供给到燃料电池组16的燃料的使用效率，并且还防止杂质气体的积累。
并且，使用诸如燃料稀释器和燃烧装置的上述机构，可以在流率调整机构17的下游设置用于消耗燃料气体的机构。
通过在排出口15和用于消耗燃料气体的机构之间设置流率调整机构17，根据用于消耗燃料气体的机构的处理能力来控制燃料的流率。
根据上述的本发明的实施例，通过上述的第一流率控制部件，能在自设置第一流率控制部件的部分的燃料流路的上游侧和自设置第一流率控制部件的部分的燃料流路的下游侧之间产生大的压力差。
这允许从燃料电池的供给流路向包含发电部分的阳极流路均匀地供给燃料，并且，能防止包含杂质气体的燃料气体从排出流路回流。
并且，通过将流率控制部件设置为与阳极气体扩散层接触，能防止由于水分的冷凝所导致的流路的阻塞，所述水分与燃料电池的发电反应相关联地产生并且在阳极流路中扩散。
阳极流路和流率控制部件之间的流路的阻塞阻止了进入阳极流路的杂质气体的排出，并由此降低燃料电池的性能。
将流率控制部件设置为与阳极气体扩散层接触允许在与发电部分的温度条件等价或接近的温度条件下设置流率控制部件，并由此能防止冷凝。结果，能够稳定地驱动燃料电池。
利用这种配置，即使在死端燃料电池中以及在燃料的流率在燃料电池组的燃料流路的下游被严格限制的系统中，也均匀地给燃料电池和燃料电池组的各自燃料电池单元供给燃料，并能防止来自下游侧的杂质气体的回流和积累。
并且，阳极流路和第一流率控制部件之间的流路不被冷凝所阻塞，并由此能稳定地驱动燃料电池。
并且，燃料电池组可适于如实施例5所述的那样在排出流路的下游具有作为第二流率控制部件的诸如针阀的流率调整机构，在所述燃料电池组中，第一流率控制部件被设置为与燃料电池单元中的每一个的阳极气体扩散层接触。
通过在这种配置中用流率调整机构限制流率，能改善燃料的使用效率。
并且，流率控制部件被设置为与燃料电池单元中的每一个的阳极气体扩散层接触的燃料电池组的排出流路的下游可适于不具有附加的流率控制部件。能通过被设置为与阳极气体扩散层接触的流率控制部件来抑制气体向燃料电池单元中的每一个的回流，由此，即使例如燃料电池组的排出口向大气开放，也能使得对于电池组性能的影响小。
以下描述本发明的例子。
(例子1)
在例子1中，描述如下燃料电池的示例性配置：其中，用作图1所示的流率控制部件13的PTFE过滤器被设置为与阳极气体扩散层接触。
在本例子中，使用如下制备的膜电极组件。
作为聚合物电解质膜，使用Nafion(注册商标)膜(由DuPont制造的NRE-212CS)。
作为催化剂层，使用包含铂枝状结构的催化剂层，所述铂枝状结构通过由铂氧化物形成的枝状结构的适当还原处理而获得。
作为用于形成由铂氧化物形成的枝状结构的基材，使用PTFE片(由NITTO DENKO CORPORATION制造的Nitofron(注册商标))，并且，通过反应溅射以2μm的厚度在其上形成作为催化剂前体的铂氧化物所形成的枝状结构。
这种情况下的携带的Pt的量为0.68mg/cm2。
要注意，通过X射线荧光光谱术检测携带的Pt的量。在总压力为4Pa、氧流率比(QO2/(QAr+QO2))为70％、基板温度为25℃并且施加的功率为4.9W/cm2的条件下，执行反应溅射。
在关于获得的由铂氧化物形成的枝状结构已执行适当的疏水处理之后，在其上涂敷质子导电电解质。
质子导电电解质为用异丙醇(试剂，由Wako Pure ChemicalIndustries，Ltd.制造)稀释的5wt％Nafion(注册商标)(由WakoPure Chemical Industries，Ltd.制造)溶液的5倍稀释物。在以10μl/cm2的速率涂敷质子导电电解质之后，溶剂挥发以形成催化剂层。
所获得的催化剂层被切出，并且，在催化剂层被设置在聚合物电解质膜的两个表面上的情况下执行热压(在4MPa和150℃下进行30分钟)，以获得膜电极组件。
要注意，聚合物电解质膜的有效面积适于为2cm2。
使用碳布(由E-TEK Inc.制造，阳极为LT2500-W，阴极为LT1200-W)作为阳极气体扩散层和阴极气体扩散层，并且，使用泡沫金属(由Sumitomo Electric Industries，Ltd.制造的CELMET #5)作为氧化剂供给层。
使用加工过的SUS板作为阳极集电器和阴极集电器。使用其表面上施加用于减小接触电阻的其上的金镀层的加工过的SUS板。
图8是示出根据本例子的阳极集电器的配置的透视图。
在阳极集电器6中挖掘深度与阳极气体扩散层3的厚度对应的凹部18。阳极流路11适于填充有阳极气体扩散层3。
在该配置中，阳极气体扩散层用作阳极流路。当以0.1MPa的压力(计量器压力，以下同样适用)供给氢时，填充有阳极气体扩散层3的阳极流路11中的氢的流率为0.5ml/sec。作为流率控制部件13，使用多孔PTFE片(由Donaldson Company，Inc.制造的MD5843，孔尺寸为0.35μm)。
如图1所示，邻近阳极气体扩散层3的下游侧的侧表面设置作为多孔PTFE片的流率控制部件13，并且，当以0.1MPa的压力供给氢时，氢的流率被调整为0.1ml/sec。
在这种情况下，在上述的调整之后，在40℃当两表面被加湿(90％R.H.)时通过有效面积为2cm2的聚合物电解质膜(NRE-212CS)的N2的流率为2.3×10-5ml/sec·atm。
从以上能够看出，足以排出进入阳极流路11的杂质气体的流率得到确保。
并且，与压力损失的关系也被考察。当以350mA/cm2的恒定电流发电时，由于燃料的消耗所导致的压力损失为11kPa。
另一方面，由于作为多孔PTFE片的流率控制部件13所导致的压力损失为21kPa。确认了由流率控制部件13产生的燃料气体的压力差比由发电导致的压力损失大。
使用上述的部件来制造图1所示的燃料电池，并且评价燃料电池特性。
在25℃的温度、50％的相对湿度下，在给阴极供给固定量的空气流的同时以0.1MPa的压力给阳极供给不对其加湿的纯氢时，以350mA/cm2的恒定电流进行评价。
在图10中示出本例子的燃料电池特性的评价结果。将所述结果与比较例1的结果比较如下。
(比较例1)
在比较例1中，为了与流率控制部件13如例子1中那样被设置为与阳极气体扩散层3接触的燃料电池单元比较，制造了流率控制部件13与阳极气体扩散层3分隔开的燃料电池单元。
更具体而言，在本比较例中，如图9所示，流率控制部件13被设置为不与阳极气体扩散层3的侧表面接触，使得在其间存在空间19。
在这种情况下，除了流率控制部件13的位置以外，配置与例子1的相同。
在与例子1相同的条件下评价燃料电池特性。
在图11中示出本比较例的燃料电池特性的评价结果。
关于比较例1的燃料电池，如图11所示，观察到当阴极流率低时电池的性能不稳定。
当阴极流率高时，通过燃料电池反应产生的水被阴极流动所去除，由此通过膜电极组件扩散回到阳极室的水的量少。
另一方面，当阴极流率低时，保留在阴极侧的所产生的水的量大，由此扩散回到阳极室的水的量大。
当扩散回到阳极室的水的量大时，在阳极气体扩散层3和流率控制部件13之间的空间19中出现冷凝，由此燃料流路被阻塞。
结果，杂质气体逐渐积累以降低阳极室中的氢分压，这可能影响电池的性能。
另一方面，在邻近阳极气体扩散层3设置流率控制部件13的例子1中，如图10中所示，观察到电池的性能是稳定的。
这可能是因为，在例子1中，即使当扩散回到阳极室的水的量大时，由于冷凝导致的流路阻塞也在阳极气体扩散层和流率控制部件之间被抑制。
结果，在例子1中，能够抑制阳极流路中的杂质气体的积累，由此能更加稳定地驱动燃料电池。
(例子2)
在例子2中，为了与如例子1中那样使用PTFE过滤器作为流率控制部件13的燃料电池单元相比较，描述使用由颗粒和粘合剂形成的多孔体作为流率控制部件13的燃料电池单元的示例性配置。
更具体而言，在本例子中，在图2中标示为流率控制部件13的位置被填充有如下面描述的那样制造的多孔体。在这种情况下，除了流率控制部件13以外，配置与例子1的相同。
作为颗粒，使用使得直径均匀地为75μm的LaNi5粉末，并且，作为粘合剂，使用PTFE分散体(由DAIKIN INDUSTRIES，Ltd.制造的D-1E)。
在对于PTFE分散体进行调整使得PTFE对LaNi5粉末的重量比为10wt％之后，LaNi5粉末被放入玛瑙研钵中，并且，在用杵混合的同时向其添加PTFE分散体。
在这种情况下，为了容易混合，添加大量的乙醇。执行捏和(kneading)以获得胶状(gum-like)物质。然后对该物质进行空气干燥以蒸发乙醇。将获得的糊剂(paste)挤到要在电极板的流路中设置流率控制部件13的位置中。
当以0.1MPa的压力供给氢时，氢的流率约为3.3×10-3ml/sec。
除了使用由颗粒和粘合剂形成的多孔体作为流率控制部件13以外，在与例子1相同的条件下制造燃料电池单元。
在25℃的温度、50％的相对湿度下，在以0.1MPa的压力给阳极供给不对其加湿的纯氢并且排出口15对大气开放时，进行评价。
采用通过自然吸气而给阴极供给空气的空气呼吸(air-breathing)系统，并且，以350mA/cm2的恒定电流进行测量。在图12中示出本例子的燃料电池特性的评价结果。
可以看出，由于与例子1的情况类似，流率控制部件13被设置为与阳极气体扩散层3接触，因此，即使当长时间发电时，电压值也是稳定的。当通过自然吸气而供给空气时，很可能产生的水保留于阴极侧，并且扩散回到阳极侧的水的量大，但是，可以看出，燃料被稳定地供给而没有阳极流路的阻塞。
并且，即使当排出口15对大气开放时，空气也不回流到阳极流路中从而不利地影响性能。
即使利用由颗粒和粘合剂形成的多孔体，流率也能被控制为希望的量，并且，与例子1的情况类似，能够实现长时间的驱动稳定性。
(例子3)
在例子3中，描述堆叠四个例子1的燃料电池的燃料电池组的示例性配置。
燃料电池单元中的每一个的配置与例子1中描述的相同。
当堆叠四个燃料电池时，通过其中阳极集电器和阴极集电器被一体化的双极板24的中介作用，进行燃料电池单元之间的电连接。
燃料流路被构建为使得并行地从供给流路10向各自燃料电池单元的阳极流路11提供燃料，并且与排出流路12连接。
流率控制部件13被调整，使得当以0.1MPa的压力供给氢时氢的流率在电池组中总体上为0.1ml/sec。
图13示出本例子的燃料电池组的配置。排出口15对大气开放，并且，与例子1的情况类似，评价燃料电池组特性。要注意，在所有的图中，附图标记20、21、22和23分别表示电池1、2、3和4。在随后的图中同样适用。
在图16中示出燃料电池组特性的评价结果。将所述结果与比较例2的结果比较如下。
(例子4)
在例子4中，描述如下燃料电池组的示例性配置：其中，在例子3的燃料电池组中在燃料流路的下游侧设置作为流率调整机构17的针阀，所述流率调整机构17作为第二流率控制部件。
图14是示出根据本例子的燃料电池组的示例性配置的示意性截面图。制造与例子3的电池组类似的电池组，并进一步在排出口15的下游设置针阀。进行调整，使得当以0.1MPa的压力供给氢时氢的流率在电池组中总体上为0.05ml/sec。
与例子1的情况类似，评价燃料电池组特性。
在图17中示出燃料电池组特性的评价结果。将所述结果与比较例2的结果比较如下。
(比较例2)
虽然在例子4的燃料电池组中设置了流率控制部件13，但是，在本比较例中，制造各自的燃料电池单元的阳极流路不具有设置在其中的流率控制部件13的燃料电池组。
图15示出本比较例的燃料电池组。
除了不设置流率控制部件13以外，燃料电池组的配置与例子4中所示的相同。
设置作为流率调整机构17的针阀，所述流率调整机构17作为第二流率控制部件，并且，进行调整，使得当以0.1MPa的压力供给氢时氢的流率在电池组中总体上为0.05ml/sec。与例子1的情况类似，评价燃料电池组特性。
在图16中示出本比较例的燃料电池组特性的评价结果。
下面，参照示出本比较例的评价结果的图16以及示出上述例子3和例子4的评价结果的图17和图18在其间进行比较。
在图中，各自燃料电池组中的燃料电池单元从顶到底被称为电池1至4。
图16、图17和图18示出燃料电池组的各自燃料电池单元的电压行为。
在比较例2的燃料电池组的评价结果(图18)中，观察到特定的燃料电池单元(电池4)的性能降低。
阻抗的测量结果确认，性能降低的原因不是阴极侧的溢流(flooding)或聚合物电解质膜的变干(dryout)。
在连续驱动时间达到120分钟之前，针阀被暂时释放以清除(purge)阳极流路中的气体。关于电池4和电池1观察到性能的恢复。
由所述结果，比较例2的燃料电池组的特定燃料电池单元的性能降低可能是由于阳极流路中的杂质气体的积累所导致的性能降低。
关于电池2和电池3没有观察到性能的劣化，由此，各自燃料电池单元的包含杂质气体的燃料气体的一部分可能已回流到特定燃料电池单元(电池4)中并已在其中积累，而未通过针阀被排出到外面。
图19是示出比较例2的燃料电池组中的燃料流动的示意图。
观察到作为暂时释放针阀的结果的性能恢复，假定产生如图19所示的不均匀的燃料流动。这种不均匀的燃料流动的一个原因是各自堆叠的燃料电池单元的阳极流路之间的流路阻力的变动。
另一方面，在作为在各自燃料电池单元的阳极流路中具有流率控制部件13的燃料电池组的例子3和例子4中，如图16和图17所示，没有观察到由于阳极流路中的杂质气体的积累所导致的性能降低。
这可能是因为，流率控制部件13被设置，燃料被均匀地供给到燃料电池组的各自燃料电池单元，并且，来自排出流路12的包含杂质气体的燃料气体和大气的回流被抑制。
图20是示出例子4的燃料电池组中的燃料流动的示意图。
例子3和例子4中的流率控制部件13适于能够产生非常大的压力差，并由此能够给流率控制部件的上游的各自燃料电池单元均匀地供给燃料。
同时，能够抑制来自排出流路12的回流，并且，能够防止燃料电池组中的特定燃料电池单元的性能被降低或不稳定。
并且，流率控制部件13被设置为与阳极气体扩散层3接触，并由此能够抑制冷凝水对于性能的不利影响。
虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释，以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。
本申请要求在2008年1月28日提交的日本专利申请No.2008-016455的权益，在此通过引用而并入其全部内容。

Claims (13)

1.一种燃料电池单元，包括：
引入燃料气体侧的阳极气体扩散层和阳极流路；
具有燃料气体的供给口的供给流路，所述供给流路被连接在所述阳极流路的向其引入燃料气体的上游；
具有燃料气体的排出口的排出流路，所述排出流路被连接在所述阳极流路的向其引入燃料气体的下游，所述供给流路、所述阳极流路和所述排出流路形成燃料流路；以及
在所述燃料流路中在所述排出流路侧被设置以与所述阳极气体扩散层接触的第一流率控制部件，
其中，通过所述第一流率控制部件，在自设置所述第一流率控制部件的部分起的所述燃料流路的上游侧和自设置所述第一流率控制部件的所述部分起的所述燃料流路的下游侧之间产生压力差。
2.根据权利要求1的燃料电池单元，其中，由所述第一流率控制部件控制的流率大于进入所述阳极流路的包含氮的杂质气体的进入流率。
3.根据权利要求1的燃料电池单元，其中，在不发电时，由所述第一流率控制部件产生的燃料气体的压力差大于所述阳极流路中的由发电导致的压力损失。
4.根据权利要求1的燃料电池单元，其中，所述第一流率控制部件由所述阳极气体扩散层的一部分形成。
5.根据权利要求1的燃料电池单元，其中，所述第一流率控制部件包含多孔体。
6.根据权利要求1的燃料电池单元，其中，所述阳极流路填充有所述阳极气体扩散层。
7.根据权利要求1的燃料电池单元，还包括被设置在所述排出口的下游、用于抑制从所述排出口排出的燃料气体的排出量的第二流率控制部件。
8.根据权利要求1的燃料电池单元，还包括被设置在所述排出口的下游、用于消耗从所述排出口排出的燃料气体的燃料气体消耗机构。
9.根据权利要求8的燃料电池单元，还包括被设置在所述排出口和所述燃料气体消耗机构之间、用于抑制从所述排出口排出的燃料气体的排出量的第二流率控制部件。
10.一种燃料电池组，包括：
相互堆叠的多个根据权利要求1的燃料电池单元；
具有燃料气体的供给口的供给流路，所述供给流路被连接在所述燃料电池单元中的每一个的阳极流路的向其引入燃料气体的上游；以及
具有燃料气体的排出口的排出流路，所述排出流路被连接在所述燃料电池单元中的每一个的所述阳极流路的向其引入燃料气体的下游，所述供给流路、所述阳极流路和所述排出流路形成燃料流路。
11.根据权利要求10的燃料电池组，还包括被设置在所述排出口的下游、用于抑制从所述排出口排出的燃料气体的排出量的第二流率控制部件。
12.根据权利要求10的燃料电池组，还包括被设置在所述排出口的下游、用于消耗从所述排出口排出的燃料气体的燃料气体消耗机构。
13.根据权利要求12的燃料电池组，还包括被设置在所述排出口和所述燃料气体消耗机构之间、用于抑制从所述排出口排出的燃料气体的排出量的第二流率控制部件。
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