CN102405547B - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

在框架13和14的接合部分容放电极结构15。在电极结构15的第一表面上铺设第一气体扩散层19和第一气道形成构件21，在电极结构15的第二表面上铺设第二气体扩散层20和第二气道形成构件22。隔离件23接合在框架13和气道形成构件21的表面上，隔离件24接合在框架14和气道形成构件22的表面上。具有连续孔的多孔层26位于气道形成构件22和隔离件24之间。提供由具有连续孔的多孔材料形成的排水促进构件30，以与第二气道形成构件22的第二气道T2的下游端相连通，并和多孔层26的连续孔的下游端相连通。通过毛细作用已经从第二气道T2吸入到多孔层26内的所生成的水，由于水的表面张力而向下游流动，然后被吸入到排水促进构件30内。由排水促进构件30所吸入的水，由于从第二气道T2流入到排水促进构件30的连续孔内的氧化废气的流体压力，被排放到排放通道中。相应地，提供一种燃料电池，其防止了所产生的水残留在阴极侧第二气道形成构件22的第二气道T2内，有可能避免因为给电极结构15的氧化气体供应不足而降低了发电性能。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及一种例如安装在电动汽车上的燃料电池。 
背景技术
通常，燃料电池具有由堆叠在一起的多个发电电池所形成的电池堆。参考图7至10来描述一种现有技术的发电电池。如图7所示，一对框架13、14彼此连接在一起，电极结构15安装在框架13、14的接合部分。电极结构15是由固体电解质膜16、在阳极侧的电极催化剂层17和在阴极侧的电极催化剂层18形成。固体电解质膜16的外围夹在框架13、14之间。在电解质膜16的上表面上铺设阳极侧电极催化剂层17，在电解质膜16的下表面上铺设阴极侧电极催化剂层18。在电极催化剂层17的上表面上铺设阳极侧气体扩散层19，在电极催化剂层18的下表面上铺设阴极侧气体扩散层20。进而，在气体扩散层19的上表面上铺设阳极侧气道形成构件21，在气体扩散层20的下表面上铺设阴极侧气道形成构件22。在气道形成构件21的上表面上接合扁平的片状隔离件23，在气道形成构件22的下表面上接合扁平的片状隔离件24。 
固体电解质膜16是由含氟聚合物膜形成。如图8所示，电极催化剂层17、18每个都有支撑铂催化剂的颗粒状的碳粒子51，和粘附在每个碳粒子51表面上的大量的铂(Pt)催化剂粒子52。电极催化剂层17、18是通过糊剂(paste)粘结在固体电解质膜16上，形成电极催化剂层。当电是由该燃料电池产生的时候，作为催化剂的催化剂粒子52增加了发电效率。气体扩散层19、20是由碳纸形成的。如图9所示，气道形成构件21(22)是由金属板条形成，该金属板条具有交替设置的、大量的六边形环状部分21a(22a)。每个环状部分21a(22a)具有通孔21b(22b)。燃料气体(氧化气体)流经由环状部分21a(22a)和通孔21b(22b)所形成的气道。图9是显示气道形成构件21、22的一部分的放大视图。 
如图7所示，框架13、14形成燃料气体的供气通道M1和排放通道M2。燃料气体供气通道M1用于给阳极侧的气道形成构件21的气道供应作为燃料气体的氢气。燃料气体排放通道M2用于将已经经过气道形成构件21的气道的燃料气体或者燃料废气排放到外部。另外，框架13、14还形成氧化气体的供气通道和排放通道。氧化气体的供气通道位于和图7的纸面背侧相对应的位置，用于将作为氧化气体的空气供应给阴极侧气道形成构件22的气道。氧化气体 排放通道位于和图7的纸面前侧相对应的位置，用于将已经流经气道形成构件22的气道的氧化气体或者氧化废气排放到外部。 
来自于氢气供应源(图中未示)的氢气沿着图7中的箭头所指的气流方向P通过燃料气体供气通道M1供应给气道形成构件21，来自于空气供应源(图中未示)的空气供应给气道形成构件22。相应地，通过发电电池内的电化学反应来发电。具体而言，供应给阳极侧气道形成构件21的氢气(H2)穿过气体扩散层19流入电极催化剂层17。在电极催化剂层17中，如化学式(1)所示，氢气(H2)被分解成氢离子(H+)和电子(e-)，电极催化剂层17的电势变成零伏，或者变成标准电极电势，这是本领域技术中已知的。 
H2→2H++2e-…(1) 
通过上述反应获得的氢离子(H+)从阳极侧电极催化剂层17穿过固体电解质膜16到达阴极侧电极催化剂层18。由气道形成构件22供应给电极催化剂层18的空气中的氧气(O2)与氢离子(H+)和电子(e-)发生化学反应生成水，如化学式(2)所示。通过该化学反应，电极催化剂层18的电势变成为大约为1.0伏，或者变成标准电极电势，这是本领域已知的。 
1/2·O2+2H++2e-→H2O…(2) 
在燃料电池正常的发电条件下，阳极侧电极催化剂层17(气体扩散层19)的电势比阴极侧电极催化剂层18(气体扩散层20)的电势低，如图10所示。这样，与阴极侧气道形成构件22相比，阳极侧气道形成构件21因为电势高，比较不容易受到金属氧化物的影响。因此，如图10所示，使用低耐腐蚀性的、诸如铁素体系SUS之类的价格便宜的不锈钢作为气道形成构件21的材料。相反，电势会变高的阴极侧气道形成构件22是由高耐腐蚀性的、诸如金之类的金属形成，如图10所示。专利文献1揭示了一种与图7的结构类似结构的燃料电池。 
专利文献1：日本特开平公开专利No.2007-87768。 
专利文献2：日本特开平公开专利No.2007-311089。 
发明内容
本发明所要解决的技术问题 
在上文描述的燃料电池中，在发电过程中有一些氢气没用完，成为燃料废 气经过气道形成构件21的气道和排放通道M2排放到外部。在发电过程中没有被还原的一些氧气成为氧化废气，与经过化学式(2)的反应所生成的水以及空气中的氮气一起，通过在框架13、14内形成的排放通道(图中未示)被排放到外部。所生成的水有一些流入气道形成构件21的气道内，同时成为渗透水渗透阴极侧电极催化剂层18、固体电解质膜16、阳极侧电极催化剂层17和气体扩散层19。渗透水与燃料废气一起经过气道形成构件21的气道和排放通道M2排放到外部。 
如图9所示，气道形成构件21(22)具有交替设置的、大量的六边形环状部分21a(22a)，燃料气体流经由环状部分21a(22a)和通孔21b(22b)所形成的气道。在这种构造下，由于有表面张力，渗透水(所生成的水)有可能沾在所述以复杂的方式蜿蜒而成的气道的壁部表面上。因此，来自于气道形成构件21(22)的气道的一些渗透水(所生成的水)没有被排出，而是残留在气道内成为水滴。残留在气道内的渗透水(所生成的水)造成下述问题。 
也就是说，如果水滴W聚集在气体扩散层19、20的表面上，如图8所示，燃料气体(氧化气体)会受到水滴W的阻碍。也就是说，燃料气体没有被提供给气体扩散层19、20和电极催化剂层17、18与水滴W所对应的部分。结果是在电极催化剂层17、18没有被供给燃料气体(氧化气体)的部分不会发生正常的电池反应，这样会降低发电效率。同样，气体扩散层19、20表面上的水滴W会减小气道的横截面面积。结果使燃料气体(氧化气体)流受到阻挡，燃料气体(氧化气体)的压力损失增加。这样降低了发电效率。因为残留在每个发电电池内的气道形成构件21(22)内的气道里的水滴W的量有差异，每个发电电池内的燃料气体(氧化气体)的流量可能会变化，因此，每个发电电池所产生的电压可能会变化。结果是降低了整个燃料电池堆的发电输出，这是发电效率降低的另一个成因。 
如果渗透水进入阳极侧气道形成构件21，残留在那里成水滴W，妨碍了氢气进入到电极催化剂层17。这样造成电极催化剂层17内局部缺乏氢气。如所周知的，阳极侧气体扩散层19内的一些氢气，在渗透电极催化剂层17、固体电解质膜16和电极催化剂层18之后，进入阴极侧气体扩散层20。气体扩散层20内的一些氧气，在渗透电极催化剂层18、固体电解质膜16和电极催化剂层17之后，进入气体扩散层19。也就是说，虽然量少，但是在气体扩散层19和气体扩散层20之间出现氧气和氢气的交叉泄漏。在电极催化剂层17缺少氢气的部分不存在用于还原氧气(O2)的氢气。因此，如果出现氧气和氢气这样的交叉泄漏，将会观察到下面的现象。 
那就是，进入到阳极侧电极催化剂层17的氧气(O2)被存在于固体电解质膜16的含氟聚合物膜内的水合质子(氢离子和水分子H+·xH2O)还原。也就 是说，所述水合质子与氧气和带负电荷的电子发生反应，生成水，如下面的化学式(3)所示。水合质子是形成固体电解质膜16的聚合物膜的电荷载体，并在璜酸基(-SO3 --)中运动。然后水合质子从固体电解质膜16运动到电极催化剂层17。 
1/2×O2+2H++2e-→H2O…(3) 
结果是，如上文所描述的，虽然阳极侧电极催化剂层17和气体扩散层19的电势是0伏，因发生化学式(3)的反应而缺少氢气的层17、19的标准电极电势增加到大约1.0伏。层17、19的标准电极电势的增加，腐蚀和氧化了由耐腐蚀性低的、铁素体系SUS所形成的气道形成构件21，因此降低了耐用性。当气道形成构件21受到腐蚀和氧化时，其电阻增大，妨碍了所产生电能的流动。这样反过来降低了发电输出。 
在阴极侧电极催化剂层18中，形成固体电解质膜16的水合质子(氢离子H+·xH2O)减少。要补偿水合质子中的减少，形成电极催化剂层18的碳(C)和水发生化学式(4)所示那样的反应，以生成二氧化碳和氢离子(H+)。 
C+2H2O→CO2+4H++4e-…(4) 
经过这个反应，阴极侧电极催化剂层18内的碳粒子51(C)被腐蚀和还原，粘在碳粒子51上的催化剂粒子52经由电极催化剂层18和气体扩散层20被排放到气道形成构件22的气道。这样使电极催化剂层18在初期阶段变薄，从而降低了发电电池的耐用性。进而，当电极催化剂层18的碳粒子51被腐蚀、催化剂颗粒52被排掉时，催化剂(铂)的量减少，电极催化剂层18的催化性能降低。这样降低了发电效率，导致发电输出降低。 
为解决上文描述的问题，在现有技术中提出一种如图11所示的燃料电池。这个燃料电池包括具有连续的孔的多孔构件61、62。多孔构件61、62分别位于阳极侧气道形成构件21和隔离件23之间，以及阴极侧气道形成构件22和隔离件24之间。多孔构件61、62每一个构件具有三层结构：第一多孔层、第二多孔层和密实层。其中连续的孔的尺寸依此顺序减小。阳极侧多孔构件61通过毛细作用从气道形成构件21中吸入渗透水，阴极侧多孔构件62从气道形成构件22中吸入所生成的水。多孔构件61、62内的水被流经气道形成构件21、22的气体向下游推动排放到排放通道。(专利文献2揭示了一种具有类似构造的燃料电池)但是，在上文描述的现有的燃料电池中，通过毛细作用吸入到多孔构件61、62内的水有可能残留在其中连续的孔中，而不能容易地经过多孔构件61、62的下游端被排放到排放通道。因此，当多孔构件61、62所有的连续的孔都充满了水之后，不能被吸入到所述连续的孔内的水会溢出气道形成构件21、22内的气道之外。所溢出的水有一些被流经所述气道的燃料气体(氧化气体)排放到所述排放通道。但是，没有被排干的水滴残留在气道形成构件21、22的气道内。残留的水滴造成上述问题。
本发明的第一个目的在于提供一种解决与上文描述的现有技术相关的问题的燃料电池，提高发电效率。本发明的第二个目的在于提供一种提高发电效率、并改善阳极侧气道形成构件和阴极侧电极催化剂层的耐用性的燃料电池。 
解决问题的手段 
要实现所述第一个目标，根据本发明的第一个方面，所提供的一种燃料电池包括：铺设在电解质膜的阳极侧表面上的第一电极催化剂层；铺设在所述电解质膜的阴极侧表面上的第二电极催化剂层；铺设在所述第一电极催化剂层的前表面上的第一气道形成构件，该第一气道形成构件具有用于供应燃料气体的第一气道；铺设在所述第二电极催化剂层的前表面上的第二气道形成构件，该第二气道形成构件具有用于供应氧化气体的第二气道；设置在所述第一气道形成构件中的第一隔离件；铺设在所述第二气道形成构件的前表面上的第二隔离件；燃料气体的引入通道和排放通道；氧化气体的引入通道和排放通道。多孔层位于所述第二气道形成构件的前表面和与所述第二气道形成构件相对应的所述第二隔离件的后表面之间，所述多孔层具有用于通过毛细作用从所述第二气道中吸入水的连续孔。 
提供一种由具有连续孔的多孔材料形成的排水促进构件，以与所述第二气道形成构件的第二气道的下游端连通，并与所述多孔层的所述连续孔的下游端连通。 
通过毛细作用从所述第二气道吸到所述多孔层的水，由于流经所述第二气道的氧化气体的流体压力而朝下游流动，然后由所述排水促进构件的所述连续孔吸入，所述排水促进构件内的水由于从所述第二气道流入到所述排水促进构件的连续孔中的氧化气体的流体压力而被排放到所述排放通道内。 
在根据本发明的燃料电池中，优选的，所述排水促进构件是由和所述多孔层的材料相同的材料一体形成。 
在根据本发明的燃料电池中，优选的是选择下列结构中的一种：所述排水促进构件的连续孔的湿润度被设置为比所述多孔层的连续孔的湿润度高的结构；和所述排水促进构件的连续孔的水合属性被设置为比所述多孔层的连续孔的水合属性高的结构。 
要实现所述第二个目标，根据本发明的第二个方面，提供一种燃料电池，包括：铺设在电解质膜的阳极侧表面上的第一电极催化剂层；铺设在所述电解质膜的阴极侧表面上的第二电极催化剂层；铺设在所述第一电极催化剂层的前表面上的第一气道形成构件，该第一气道形成构件具有用于供应燃料气体的第一气道；铺设在所述第二电极催化剂层的前表面上的第二气道形成构件，该第二气道形成构件具有用于供应氧化气体的第二气道；铺设在所述第一气道形成构件的前表面上的第一隔离件；设置在所述第二气道形成构件中的第二隔离件；所述燃料气体的引入通道和排放通道；以及所述氧化气体的引入通道和排放通道。 
第一多孔层位于所述第一气道形成构件的前表面和与所述第一气道形成构件相对应的所述第一隔离件的后表面之间，所述第一多孔层具有通过毛细作用从所述第一气道中吸入水的连续孔。 
提供一种由具有连续孔的多孔材料所形成的第一排水促进构件，以与所述第一气道形成构件的第一气道的下游端连通，并和所述多孔层的连续孔的下游端连通。 
通过毛细作用从所述第一气道吸到所述第一多孔层的水，由于流经所述第一气道的燃料气体的流体压力而朝下游流动，然后被所述第一排水促进构件的连续孔吸入，所述第一排水促进构件内的水由于从所述第一气道流到所述第一排水促进构件的连续孔内的燃料气体的流体压力而被排放到所述排放通道内。 
优选地配置本发明的燃料电池，使得： 
第二多孔层位于所述第二气道形成构件的前表面和与所述第二气道形成构件相对应的所述第二隔离件的后表面之间，所述第二多孔层具有用于通过毛细作用从所述第二气道吸入水的连续孔； 
提供由具有连续孔的多孔材料所形成的第二排水促进构件，以与所述第二气道形成构件的第二气道的下游端相连通，并与所述第二多孔层的连续孔的下游端连通；以及 
通过毛细作用从所述第二气道吸到所述第二多孔层的水，由于流经所述第二气道的氧化气体的流体压力，向下游流动，然后被所述第二排水促进构件的连续孔吸入，并且由于有从所述第二气道流入所述排水促进构件的连续孔内的氧化气体的流体压力，所述排水促进构件内的水被排放到所述排放通道内。 
在根据本发明的燃料电池中，优选的，所述排水促进构件是由和所述多孔层的材料相同的材料一体形成。 
在根据本发明的燃料电池中，优选的是选择下列结构中的一种结构：其中所述排水促进构件的连续孔的湿润度被设置为比所述多孔层的连续孔的湿润 度高的结构；和其中所述排水促进构件的连续孔的水合属性设置为比所述多孔层的连续孔的水合属性高的结构。 
(操作) 
当在所述阴极侧设置所述多孔层和所述排水促进构件时，在所述阴极侧气道形成构件的气道内所生成的水由于毛细作用被吸入到所述多孔层内之后，所生成的水由于流经所述气道的氧化气体的流体压力而流向所述排水促进构件。被吸入到所述排水促进构件内的所生成的水由于有流经所述排水促进构件的连续孔的氧化废气的流体压力而被排放到所述排放通道中，使得将氧化气体适当地供应给所述电极催化剂层。因此，避免了缺乏氧化气体，提高了发电效率。防止了所生成的水残留在所述气道内，减小了由于所生成的水而造成流经所述气道的氧化气体的压力损失。这样提高了发电效率。 
当在所述阳极侧设置所述多孔层和所述排水促进构件的情况下，当所述阳极侧气道形成构件的气道内的渗透水由于毛细作用而被吸入到所述多孔层内之后，由于流经所述气道的燃料气体的流体压力，所述渗透水流向所述排水促进构件。通过流经所述排水促进构件的燃料废气的流体压力，被吸入到所述排水促进构件内的渗透水被排放到所述排放通道内，使得燃料气体适当地供应给所述电极催化剂层。因此，避免了燃料的缺乏，提高了发电效率。由于渗透水不会残留在所述气道形成构件的气道内，减小了由于渗透水所造成的流经所述气道的燃料气体的压力损失。这样提高了所述发电效率。由于防止了水进入到所述阳极侧的电极催化剂层，避免了所述电极催化剂层内缺少燃料。因此，避免了由于缺少燃料而造成所述电极催化剂层的电势升高。相应地，防止了由于所述电极催化剂层的电势升高而造成所述气道形成构件的腐蚀。另外，如在现有技术部分所描述的，由于避免了阳极侧电极催化剂层缺少燃料，有可能防止所述电解质膜内的水合质子的减少。结果，有可能防止因水合质子的减少而会造成的阴极侧电极催化剂层内碳的腐蚀。这样提高了所述电极催化剂层的耐用性。 
本发明的效果 
根据本发明，当在阳极侧设有多孔层和排水促进部分的情况下，提高了发电效率，改善了阳极侧气道形成构件和阴极侧电极催化剂层的耐用性。另外，在阴极侧有多孔层和排水促进部分的情况下，提高了发电效率。 
附图说明
图1(a)至图1(c)是图示根据本发明第一实施例的燃料电池的长度方向上的局部剖视图； 
图2是显示发电电池的垂直剖视图； 
图3是沿着图2的线3-3截取时的剖视图； 
图4是图示第一和第二框架、电极结构、第一和第二气道形成构件、多孔层和排水促进构件的分解透视图； 
图5是图示根据本发明的第二实施例的燃料电池的垂直剖视图； 
图6是图示根据本发明第三实施例的燃料电池的垂直剖视图； 
图7是图示现有技术的燃料电池的垂直剖视图； 
图8是图示图7中所示的燃料电池的局部放大剖视图； 
图9是图示图7中所示的燃料电池中所用的气道形成构件的局部透视图； 
图10是图示燃料电池的阳极侧和阴极侧的腐蚀电流和电势之间关系的图；以及 
图11是图示现有技术的燃料电池的垂直剖视图。 
具体实施方式
(第一实施例) 
现在参考图1至图4来描述根据本发明第一实施例的燃料电池。 
如图2所示，所述第一实施例的燃料电池堆11是固体聚合物类型，由多个堆叠的发电电池12形成。 
如图4所示，发电电池12的形状像矩形框架，包括由合成橡胶(或者合成树脂)制成的第一和第二框架13、14以及作为电极结构的膜状电极组件(MEA)15。第一框架13其中限定有燃料气体的通道空间S1，第二框架14其中限定有氧化气体的通道空间S2。MEA15被设置在框架13、14之间。如图2和图3所示，发电电池12具有第一气道形成构件21和第二气道形成构件22，第一气道形成构件21是由铁素体系SUS(不锈钢)形成，容放在燃料气体通道空间S1内，第二气道形成构件22是由钛或者金制成，容放在氧化气体通道空间S2内。进而，发电电池12具有都由钛制成的第一隔离件23和第二隔离 件24。从图中来看，第一隔离件23的形状像扁平的板，粘结在第一框架13和第一气道形成构件21的上表面。从图中来看，第二隔离件24粘接在框架14和第二气道形成构件22的下表面。在图4中，将气道形成构件21、22以简化的方式图示为扁平的板。 
如图2和图3所示，MEA15是由电解质膜16、第一电极催化剂层17、第二电极催化剂层18和导电的第一和第二气体扩散层19、20形成。第一电极催化剂层17是由铺设在电解质膜16的阳极侧表面上的催化剂形成，即，从图中看时在电解质膜16的上表面。第二电极催化剂层18是由铺设在电解质膜16的阴极侧表面上的催化剂形成，从图中看时在电解质膜16的下表面。气体扩散层19、20分别粘结在电极催化剂层17、18的表面上。当使用当前实施例的燃料电池时，图2中所示的燃料电池堆11中的每个发电电池12的电极结构15都平行于垂直方向。 
固体电解质膜16是由含氟聚合物膜形成。如在背景技术中描述到的图8所示，电极催化剂层17、18都具有支撑铂催化剂的碳粒子51，并且在每个碳粒子51的表面上粘有大量的铂(Pt)催化剂粒子52。电极催化剂层17、18通过糊剂粘在固体电解质膜16上，形成电极催化剂层。当所述燃料电池发电时，作为催化剂的催化剂粒子52增加了发电效率。在当前实施例中，碳粒子51的直径是几微米，催化剂粒子52的直径是2nm。气体扩散层19、20是由碳纸形成。 
位于阳极侧的第一气道形成构件21和位于阴极侧的第二气道形成构件22具有类似的结构。在当前实施例中，气道形成构件21、22是由图9中所示的金属板条形成，这在背景技术部分中已经进行了描述。 
如图2所示，第一多孔层25位于第一气道形成构件21和第一隔离件23之间。第一多孔层25是由具有连续的孔的导电多孔材料形成。同样，第二多孔层26位于第二气道形成构件22和第二隔离件23之间。第二多孔层26是由具有连续的孔的、导电的多孔材料形成。 
如图4所示，当从上方看时，第一框架13的燃料气体通道空间S 1形状为矩形。伸长的燃料气体引入端口13a和燃料气体排气端口13b形成于第一框架13的两个平行的相对侧131、132。端口13a、13b与燃料气体通道空间S1相通。伸长的氧化气体引入端口13c和氧化气体排放端口13d形成于框架13与侧面131、132相邻的两侧133、134。 
第二框架14具有和第一框架13类似的结构。第二框架14具有燃料气体引入端口14a、燃料气体排放端口14b、氧化气体引入端口14c和氧化气体排放端口14d，它们分别与框架13的燃料气体引入端口13a、燃料气体排放端口13b、氧化气体引入端口13c和氧化气体排放端口13d相对应。 
在第一隔离件23的四个边上形成燃料气体引入端口23a、燃料气体排放端口23b、氧化气体引入端口23c和氧化气体排放端口23d，分别与形成于第一框架13内的燃料气体引入端口13a、燃料气体排放端口13b、氧化气体引入端口13c和氧化气体排放端口13d相对应。同样地，在第二隔离件24的四个边上形成燃料气体引入端口24a、燃料气体排放端口24b、氧化气体引入端口24c和氧化气体排放端口24d，分别与在第二框架14中形成的燃料气体引入端口14a、燃料气体排放端口14b、氧化气体引入端口14c和氧化气体排放端口14d相对应。 
在第一(第二)框架13的燃料气体通道空间S1(氧化气体通道空间S2)内，第一、第二气道形成构件21(22)与气体扩散层19(20)的前表面和第一(第二)多孔层25(26)的背面接触，如图1所示。 
如图3和图4所示，第一隔离件23的燃料气体引入端口23a、框架13的燃料气体引入端口13a、第二框架14的燃料气体引入端口14a和第二隔离件24的燃料气体引入端口24a形成给每个发电电池12供应燃料气体的供气通道M1。第一隔离件23的燃料气体排放端口23b、第一框架13的燃料气体排放端口13b、第二框架14的燃料气体排放端口14b、隔离件23的燃料气体排放端口23b和第二隔离件24的燃料气体排放端口24b形成穿过每个发电电池12的燃料废气排放通道M2。从燃料电池外部供应到燃料气体供气通道M1的燃料气体通过第一气道形成构件21的气道T1并用于发电。之后，燃料气体被抽到排放通道M2成为燃料废气。 
第一隔离件23的氧化气体引入端口23c、框架13的氧化气体引入端口13c、第二框架14的氧化气体引入端口14c和第二隔离件24的氧化气体引入端口24c形成给每个发电电池12供应氧化气体的供气通道R1。第一隔离件23的氧化气体排放端口23d、框架13的氧化气体排放端口13d、第二框架14的氧化气体排放端口14d和第二隔离件24的氧化气体排放端口24d形成用于从每个发电电池12排放氧化废气的排放通道R2。从燃料电池外部供应给氧化气体供气通道R1的氧化气体通过第二气道形成构件22的气道T2，并用于发电。之后，氧化气体被抽到排放通道R2中成为氧化废气。 
如图3所示，在第一气道形成构件21内形成的通道空间S1的上游部分与第一框架13的燃料气体引入端口13a相通，通道空间S1的下游部分与第一框架13的燃料气体排放端口13b相通。通道空间S1内的下游空间形成连通通道27，在该连通通道27内不存在第一气道形成构件21或者第一多孔层25。在连通通道27内具有排水促进构件28。排水促进构件28是由具有连续的孔的多孔材料形成，诸如聚氨酯海绵或者天然海绵。第一气道形成构件21的下游边和第一多孔层25的连续的孔的下游边与排水促进构件28的整个区域上接触。一气道形成构件21的气道T1的下游端与排水促进构件28的连续的孔相通，第一多孔层25的连续的孔的下游端也与排水促进构件28的连续的孔相通。 
如图2所示，在第二气道形成构件22内所形成的通道空间S2的上游部分与第二框架14的氧化气体引入端口14c相通，通道空间S2的下游部分与第二框架14的氧化气体排放端口14d相通。通道空间S2内的下游空间形成连通通道29，在连通通道29内不存在第二气道形成构件22或者第二多孔层26。在连通通道29内具有第二排水促进构件30。第二排水促进构件30是由具有连续的孔的多孔材料形成，诸如聚氨酯(urethane)海绵或者天然海绵。第二气道形成构件22的下游边和第二多孔层26的连续的孔的下游边与第二排水促进构件30在整个区域上接触。第二气道形成构件22的气道T2的下游端与排水促进构件30的连续的孔相通，第二多孔层26的连续的孔的下游端也与排水促进构件30的连续的孔相通。 
第一和第二多孔层25、26的厚度例如被设置为0.5至1.0mm。第一和第二多孔层25、26的孔隙率(porosity)，即所述连续的孔占整个体积的比例，被设置为30％到60％。这样的孔隙率设置使气道T1、T2内的水容易通过毛细作用而被吸入到第一和第二多孔层25、26中。第一和第二排水促进构件28、30的孔隙率被设置在一个范围内，例如，在50％至80％的范围内。在当前的实施例中，多孔层25、26的连续孔的平均孔径被设置为例如5μm至30μm，第一和第二排水促进构件28、30的连续孔的平均孔径被设置为例如10μm至50μm。 
现在描述具有上述构造的燃料电池的操作。 
在图3中，当供应给燃料气体供气通道M1的燃料气体沿着箭头方向在第一气道形成构件21的气道T1内流动时，形成涡流。燃料气体因此在气道T1内扩散。燃料气体穿过第一气体扩散层19进一步适当地扩散，以便均匀地供应给第一电极催化剂层17。 
在图2中，当供应给氧化气体供气通道R1的氧化气体沿着箭头方向在第二气道形成构件22的气道T2内流动时，形成涡流。氧化气体因此在气道T2内扩散。氧化气体穿过第二气体扩散层20进一步适当地扩散，以便均匀地供应给电极催化剂层18。燃料气体和氧化气体的供给启动了MEA15处的电极反应，因此发电。由堆叠的多个发电电池12所形成的燃料电池堆11从而输出期望的电能。 
如在背景技术部分所描述的，在这样的发电状态下，在阴极侧第二气道形成构件22的气道T2内生成水。在发电时有一些氢气未用完，作为燃料废气通过第一气道形成构件21的气道T1、第一排水促进构件28的连续孔和燃料气体排放通道M2被排放到外部。在发电过程中没有被氧化的一些氧气与氮气和生成的水一起，经由第二排水促进构件30的连续孔，被引导到在框架13、14内所形成的氧化气体排放通道R2，并作为氧化废气被排放到外部。所生成的水有一些成为渗透水流入到第一气道形成构件21的气道T1中，而渗透阴极侧第二电极催化剂层18、固体电解质膜16、第一电极催化剂层17和第一气体扩散层19。 
当燃料气体如图3的箭头所指那样流经气道T1时，包含在燃料气体内的渗透水在气道T1的壁部集成水滴W。如图1(b)所示，水滴W(渗透水)由于第一多孔层25的连续孔的毛细作用被吸入到第一多孔层25的连续孔内。流经气道T1的燃料气体成为燃料废气，通过第一排水促进构件28的连续孔，然后被引导到燃料废气排放通道M2内。由于流经气道T1的燃料气体的流体压力，造成吸入到第一多孔层25内的水滴W(渗透水)在气体流动方向P向下游流动，然后由于毛细作用被吸入到第一排水促进构件28的连续孔中，如图1(c)所示。由第一排水促进构件28吸入的渗透水W，因为有流经排水促进构件28的连续孔的燃料废气的流体压力而被迫流出来。也就是说，由于压力差，流经促进构件28的连续孔的燃料废气流迫使已经被吸入到促进构件28的连续孔内的渗透水W流出。相应地，促进构件28的连续孔的压力变得比第一多孔层25的连续孔的压力低。这个压力差将第一多孔层25的连续孔内的渗透水吸入到促进构件28内的连续孔中，使得渗透水被排放到燃料废气排放通道M2内。 
与气道T1内的渗透水一样，在如图2所示的阴极侧第二气道形成构件22内的气道T2内所生成的水由于阴极侧第二多孔层26和第二排水促进构件30的毛细作用以及流经第二排水促进构件30的连续孔的流体压力气体被吸入到氧化气体排放通道R2内。 
根据第一实施例的燃料电池具有下列优点。 
(1)在所述第一实施例中，第一多孔层25位于阳极侧第一气道形成构件21和隔离件23之间，第一排水促进构件28位于在通道空间S1的下游部分内形成的连通通道27内。在第一气道形成构件21内所形成的气道T1内的渗透水因为第一多孔层2的毛细作用被吸入到第一多孔层25内。吸入到多孔层25内的渗透水因为水的表面张力，而流入到第一排水促进构件28。之后，如上文所描述的，流经促进构件28的燃料废气的流体压力让渗透水高效地从多孔层25吸到排水促进构件28，并被排放到燃料废气排放通道M2内。由于这个构造恰当地将燃料气体供应给第一电极催化剂层17，避免了氧化气体的缺乏，提高了发电效率。 
同样，在第一气道形成构件21的气道T1内的渗透水被吸入到第一多孔层25中，并经由第一排水促进构件28被排放到燃料废气排放通道M2内。这样防止了渗透水残留在气道T1内，从而减小了由于有渗透水而导致的流经气道 T1的燃料气体的压力损失。这样提高了发电效率。进而防止了由于缺少氢气，阳极侧的电极催化剂层17的电势增加，以及防止了由于电势增加，第一气道形成构件21受到腐蚀。这样改善了耐用性。第一气道形成构件21的材料的选择标准放宽，使得可以用便宜的材料作为第一气道形成构件21的材料。这样降低了材料成本。另外，由于避免了阳极侧第一电极催化剂层17的燃料缺乏，有可能防止在背景技术中所描述的电解质膜16的水合质子的减少。由于减少了的水合质子得到了补偿，避免了阴极侧电极催化剂层18内的碳粒子51受到腐蚀。这样改善了电极催化剂层18的耐用性。 
(2)在所述第一个实施例中，第二多孔层26位于阴极侧第二气道形成构件22和隔离件24之间，在通道空间S2的下游部分内的连通通道29内具有第二排水促进构件30。因此，因为有第二多孔层和第二排水促进构件，在阴极侧第二气道形成构件22内的气道T2内产生的水被排放到氧化废气排放通道R2内。这样防止了所生成的水残留在第二气道形成构件22的气道T2内，减小了因所生成的水而造成的流经气道T2的氧化气体的压力损失。这样提高了发电效率。同样，由于这个构造适当地将燃料气体供应给电极催化剂层18，避免缺少氧化气体，提高了发电效率。 
(3)在所述第一实施例中，第一和第二多孔层25、26和第一和第二排水促进构件28、30分别被提供在所述阳极侧和阴极侧。气道T1、T2内的渗透水和所生成的水分别适当地被排放到燃料气体排放通道M2、R2中。因此，有可能消除发电电池12的发电输出的变化，从而稳定了燃料电池的发电性能。例如，当燃料电池在低负荷工作状态下，流经气道形成构件21、22的气道T1、T2的气体的流量低，造成残留在气道T1、T2内的渗透水和所生成的水的量变得不均衡。但是，在第一实施例中，由于适当地从发电电池12中排出水，消除了电池12的发电输出的变化。这样提高了电池性能。当燃料电池在高负荷工作的情况下，在阴极侧第二气道形成构件22的气道T2内所生成的水量增加。如上文所描述的，所生成的水被适当地排出，使得氧化气体可靠地扩散在气道T2中。这样稳定了发电输出。 
(第二实施例) 
现在参考图5来描述根据本发明的第二实施例。在下面的实施例中，给与第一实施例功能类似的部件以相同的参考标号，并忽略对它们的描述。主要描述和第一实施例的那些部件不同的部件的操作和优点。 
在所述第二实施例中，由和阴极侧第二多孔层26的材料相同的材料形成的第二排水促进构件30与第二多孔层26的下游端集成在一起。虽然未图示， 由和阳极侧第一多孔层25的材料相同的材料形成的第一排水促进构件28与第一多孔层25的下游端集成在一起。 
在所述第二实施例中，由于第一(第二)多孔层25(26)和第一(第二)排水促进构件28(30)是一体形成的，吸入到第一(第二)多孔层25(26)内的渗透水(所生成的水)流畅地流到第一(第二)排水促进构件28(30)内，所述水被进一步适当地排掉。 
(第三实施例) 
在第三实施例中，如图6所示，在阴极侧隔离件24中形成排放端口35。在相邻的发电电池的隔离件24和阳极侧隔离件23之间形成氧化废气和所生成的水的连通通道36。连通通道36和排放端口35连通。由和第二多孔层26的材料相同的材料形成的、与第二多孔层26一体形成的第二排水促进构件30被容放在排放端口35中。虽然未图示，阳极侧的构造和阴极侧的构造相同。 
由于在排放端口35内具有第二排水促进构件30，这个构造让氧化气体和所生成的水被引导到氧化废气排放通道R2中。 
(修改例) 
根据下面描述的实施例对本发明进行修改。 
虽然未图示，可以仅在每个图示实施例的阳极侧提供多孔层25和排水促进构件28。这种构造不仅提高了燃料电池的发电效率，而且还改善了阳极侧第二气道形成构件22和阴极侧电极催化剂层18的耐用性。同样可以仅在阴极侧提供多孔层26和排水促进构件30。这个构造提高了燃料电池的发电效率。 
在所述第一或者第二实施例中，排水促进构件30的连续孔的平均孔径被设置为小于或者等于多孔层25、26的连续孔的孔径，使得多孔层25、26的连续孔中的水由于毛细作用被吸到排水促进构件30的连续孔内。代替的，排水促进构件30的连续孔的湿润度可以被设置成大于多孔层25、26的连续孔的湿润度。换句话说，排水促进构件30的连续孔的水滴接触角度可以被设置为大于多孔层25、26的连续孔的水滴接触角度。排水促进构件30的连续孔的水合属性(hydration property)可以被设置为比多孔层25、26的连续孔的水合属性好。在这些情况下，即使是排水促进构件30的连续孔的平均孔径被设置为比多孔层25、26的连续孔的平均孔径大，多孔层25、26的连续孔内的水被适当地吸入到排水促进构件30的连续孔内。 
在每个图示实施例的燃料电池中，可以在发电电池12的隔离件23、24中 形成用于引导冷却水的槽。 
可以从上文图示的实施例的燃料电池中省略掉气体扩散层19、20。 
在多孔层26仅设在阴极侧的燃料电池中，阳极侧第一气道形成构件21和第一隔离件23可以一体形成。框架13和第一隔离件23可以由金属一体形成，例如，锻造而成。 
在多孔层25仅设在阳极侧的燃料电池中，阴极侧第二气道形成构件22和第二隔离件24可以一体形成。框架14和第二隔离件24可以一体地由金属形成，例如通过锻造。 

Claims (7)

1.一种燃料电池，包括：
铺设在电解质膜的阳极侧表面上的第一电极催化剂层；
铺设在电解质膜的阴极侧表面上的第二电极催化剂层；
铺设在所述第一电极催化剂层的前表面上的第一气道形成构件，该第一气道形成构件具有用于供应燃料气体的第一气道；
铺设在所述第二电极催化剂层的前表面上的第二气道形成构件，该第二气道形成构件具有用于供应氧化气体的第二气道；
设置在所述第一气道形成构件中的第一隔离件；
铺设在所述第二气道形成构件的前表面上的第二隔离件；
燃料气体的引入通道和排放通道；以及
氧化气体的引入通道和排放通道，
所述燃料电池的特征在于：
所述第二气道的上游部分与氧化气体引入端口连通，并且所述第二气道的下游部分与氧化气体排放端口连通；
所述氧化气体流经由形成在所述第二气道形成构件上的多个通孔所形成的气道；
多孔层位于所述第二气道形成构件的前表面和与所述第二气道形成构件相对应的第二隔离件的后表面之间，所述多孔层具有用于通过毛细作用从所述第二气道吸入水的连续孔；
提供由具有连续孔的多孔材料所形成的排水促进构件，所述排水促进构件位于所述第二气道形成构件的下游以及所述多孔层的下游，并且与所述第二气道形成构件的第二气道的下游端相连通，以及和所述多孔层的连续孔的下游端连通，以及
通过毛细作用从所述第二气道吸到所述多孔层的水，由于流经所述第二气道的氧化气体的流体压力而流向下游，然后被所述排水促进构件的连续孔吸入，并且由于从所述第二气道流入到所述排水促进构件的连续孔内的氧化气体的流体压力，所述排水促进构件内的水被排放到所述排放通道内，以致所述排水促进构件的连续孔的压力变得比所述多孔层的连续孔的压力低，并且该压力差将所述多孔层的连续孔内的水吸入到所述排水促进构件的连续孔。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述排水促进构件是由和所述多孔层的材料相同的材料一体形成。
3.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，选择下列结构中的一种结构：
所述排水促进构件的连续孔的湿润度被设置为比所述多孔层的连续孔的湿润度高的结构；以及所述排水促进构件的连续孔的水合属性被设置为比所述多孔层的连续孔的水合属性高的结构。
4.一种燃料电池，包括：
铺设在电解质膜的阳极侧表面上的第一电极催化剂层；
铺设在所述电解质膜的阴极侧表面上的第二电极催化剂层；
铺设在所述第一电极催化剂层的前表面上的第一气道形成构件，该第一气道形成构件具有用于供应燃料气体的第一气道；
铺设在所述第二电极催化剂层的前表面上的第二气道形成构件，该第二气道形成构件具有用于供应氧化气体的第二气道；
铺设在所述第一气道形成构件的前表面上的第一隔离件；
设置在所述第二气道形成构件中的第二隔离件；
燃料气体的引入通道和排放通道；以及
氧化气体的引入通道和排放通道，
所述燃料电池的特征在于：
所述第一气道的上游部分与燃料气体引入端口连通，并且所述第一气道的下游部分与燃料气体排放端口连通；
所述燃料气体流经由形成在所述第一气道形成构件上的多个通孔所形成的气道；
第一多孔层位于所述第一气道形成构件的前表面和与所述第一气道形成构件相对应的所述第一隔离件的后表面之间，所述第一多孔层具有用于通过毛细作用从所述第一气道中吸入水的连续孔；
提供由具有连续孔的多孔材料形成的第一排水促进构件，所述第一排水促进构件位于所述第一气道形成构件的下游以及所述第一多孔层的下游，并且与所述第一气道形成构件的第一气道的下游端相连通，并与所述多孔层的连续孔的下游端相连通；以及
由于流经所述第一气道的燃料气体的流体压力，通过毛细作用从所述第一气道吸到所述第一多孔层的水向下游流动，然后被所述第一排水促进构件的连续孔吸入，并且由于从所述第一气道流入所述第一排水促进构件的连续孔中的燃料气体的流体压力，所述第一排水促进构件内的水被排放到所述排放通道内，以致所述第一排水促进构件的连续孔的压力变得比所述第一多孔层的连续孔的压力低，并且该压力差将所述第一多孔层的连续孔内的水吸入到所述第一排水促进构件的连续孔。
5.根据权利要求4所述的燃料电池，其特征在于：
第二多孔层位于所述第二气道形成构件的前表面和与所述第二气道形成构件相对应的所述第二隔离件的后表面之间，所述第二多孔层具有用于通过毛细作用从所述第二气道吸入水的连续孔；
提供由具有连续孔的多孔材料形成的第二排水促进构件，以与所述第二气道形成构件的第二气道的下游端相连通，并与所述第二多孔层的连续孔的下游端相连通，以及
通过毛细作用从所述第二气道吸到所述第二多孔层的水，由于流经所述第二气道的氧化气体的流体压力而向下游流动，然后被所述第二排水促进构件的连续孔吸入，并且由于从所述第二气道流入到所述排水促进构件的连续孔内的氧化气体的流体压力，所述排水促进构件内的水被排放到所述排放通道中。
6.根据权利要求4或5所述的燃料电池，其特征在于所述排水促进构件是由和所述多孔层的材料相同的材料一体形成。
7.根据权利要求4所述的燃料电池，其特征在于，从下列结构中选择一个结构：其中所述排水促进构件的连续孔的湿润度被设置为比所述多孔层的连续孔的湿润度高的结构；以及其中所述排水促进构件的连续孔的水合属性被设置为比所述多孔层的连续孔的水合属性高的结构。
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