CN1319203C - 具有堆叠结构的燃料电池 - Google Patents

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Abstract

在具有堆叠结构的燃料电池中，即使在单元电池的温度或润湿状态不是最佳的情况下，也可抑制燃料电池中发电性能的降低。在燃料电池堆(10)的每个单元电池中，所形成的氢电极和氧电极中的至少一个上设置有催化层。每一个端电池的催化层厚度被制造为大于中心电池的催化层的厚度，其中所述的端电池是设置在燃料电池堆(10)两端部分的单元电池，所述的中心电池是设置在燃料电池堆(10)中心部分的单元电池。端部电池的催化层所负载的催化剂与中心电池的催化层所负载的催化剂的类型或比表面积可以不同。

Description

具有堆叠结构的燃料电池
发明背景
1.发明领域
本发明涉及具有堆叠结构的燃料电池。
2.相关技术的描述
研制出了一种燃料电池，它包括设置在电解质膜两侧的氢电极和氧电极，氢离子可以透过该电解质膜，并且在氢电极和氧电极上可发生由以下方程所代表的反应。由此产生了电动势。
氢电极(阳极)：H2→2H-+2e-(阳极反应)
氧电极(阴极)：(1/2)O2+2H-+2e-→H2O(阴极反应)
根据电解质膜的类型而设计出了各种类型的燃料电池。例如，设计出了固体氧化物燃料电池、熔融的碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池以及聚合物电解质燃料电池。近来，人们很关注聚合物电解质燃料电池，原因是电能密度高，由此可以将尺寸做小，并且操作温度相对较低等。也研究了聚合物电解质燃料电池的各种改进形式。
存在一种具有堆叠结构的燃料电池，它是通过利用隔离体将多个单元电池堆叠而形成的。每个单元电池的电解质膜的两侧上都设置有气体可扩散的阳极和气体可扩散的阴极。在具有堆叠结构的燃料电池中(下文中称之为“燃料电池堆”)，由于热辐射的原因，使得在单元电池堆叠的方向上、位于两端部分的单元电池比位于中心部分的单元电池的温度低。因此，在燃料电池堆的两端部分的单元电池中，蒸汽压被降低，并且可能会积累上述反应产生的水。
在聚合物燃料电池中，控制每个单元电池中的水很重要，以确保电解质膜中氢离子的导电率，并且确保由催化层和气体扩散层堆叠形成的气体扩散电极的气体扩散率。例如，如果电解质膜中的水含量降低，则氢离子的导电率降低，并且由此使得燃料电池的发电性能降低。而且，如果产生的水在气体扩散电极上累积，则发生了所谓的溢流，并且气体扩散率降低。从而燃料电池的发电性能降低。因此，提出了各种关于控制聚合物电解质燃料电池的单元电池中的水的技术。
例如，日本专利特许公开出版物No.9-92322公开了一种相关的技术，其中，在燃料电池堆的两端部分都增加氧化剂气体的流量，并且在燃料电池堆的中心部分都降低氧化剂气体的流量，由此使得多个电解质膜中所含的水量相同。
而且，日本专利特许公开出版物No.2001-357869公开了一种技术，其中，与位于其它部分的单元电池相比，位于燃料电池堆两端部分的单元电池的阴极气体扩散层的防水性低；或者是与位于其它部分的单元电池相比，位于燃料电池堆两端部分的单元电池的阴极气体扩散层的气体可透过性高，由此抑制了阴极催化层中的过量水的累积。
在所有这些技术中，由于控制了单元电池的润湿状态而抑制了燃料电池的发电性能的降低。
但是，在上述日本专利特许公开出版物No.9-92322所公开的技术中存在这样的问题，即控制氧化剂气体的流量很困难。而且，在上述日本专利特许公开出版物No.2001-357869所公开的技术中，其中，考虑到防水性以及气体可透过性而使得制造气体扩散层的工艺很复杂。
发明概述
为了解决上述问题而得出了本发明。本发明的目的是，即使在单元电池的温度或润湿状态不是最佳的情况下，也可抑制具有堆叠结构的燃料电池中发电性能的降低。
根据本发明，为了解决上述问题中的至少一部分而利用了以下的构型。
一方面，本发明涉及一种具有堆叠结构的燃料电池，其中该堆叠结构由多个单元电池堆叠而成，每个单元电池包括阳极和阴极，所述电极被设置在预定的电解质膜的两侧。燃料电池的特征在于：每个单元电池还包括催化层，该催化层被设置在阳极和阴极中的至少一个中，该催化层负载有用于促进阳极反应或阴极反应的催化剂；并且多个单元电池所包括的单元电池的催化层负载催化剂的催化层，该催化剂在类型、重量和比表面积中的至少一个方面与其它单元电池的催化层所负载的催化剂不相同。
所描述的“催化剂在类型方面不同”是指构成催化剂的单一元素的类型不同、用作催化剂的合金类型不同、用作催化剂的合金中所含的元素的组成比率不同、或者是支撑该催化剂的载体不同。而且，所描述的“催化层中负载的催化剂与其它单元电池的催化层所负载的催化剂的重量不同”是指：例如在该催化层和其它催化层中以相同的密度负载相同颗粒直径的催化剂时，该催化层的厚度与其它单元电池的催化层的厚度不同。比表面积是指每单位重量的面积。
一般地，在燃料电池堆中，由于对环境的热辐射以及冷却剂的结构，会导致在操作中产生预定的温度分布。而且，由于温度分布而产生了电解质膜润湿状态的不均匀分布。因此，由于温度分布以及电解质膜中所含的水量分布、而导致在燃料电池堆中也产生了燃料电池发电性能的不均匀分布。
而且，当单元电池的催化层中负载的催化剂、与其它单元电池的催化层所负载的催化剂的类型、重量或比表面积不相同时，该单元电池中的阳极反应速率和阴极反应速率不同于其它单元电池中的该速率。因此，由催化剂的类型、重量或比表面积所决定的催化剂性能被称为“催化能力”。
在本发明的构型中，可通过将多个单元电池堆叠来形成燃料电池，多个单元电池所包括的单元电池的催化层中负载的催化剂、与其它单元电池的催化层所负载的催化剂在类型、重量和比表面积中的至少一方面不相同，从而可以补偿由于燃料电池堆中温度分布以及电池堆电解质膜所含的水量分布而导致的发电性能降低。也就是说，可将其催化层所具有的催化能力高于其它电池单元的催化层的单元电池设置在温度有可能会降低的部分、可能会发生溢流的部分或可能会干燥的部分。
在具有堆叠结构的燃料电池中，利用该构型可能会得到充足的区域，在所述区域中，上述每一种反应都发生在发电性能可能会降低的部分。因此，即使在单元电池的温度或润湿状态不是最佳的情况下，也可抑制燃料电池发电性能的降低。
催化能力不一定必须完全须补偿发电性能的降低。但是，可通过改变催化能力、以使其可以充分地补偿发电性能的降低，由此使得每个单元电池得到相同的发电性能。
在上述燃料电池中，可根据燃料电池中的温度分布或润湿状态来确定多个单元电池的位置。
在上述燃料电池中，在堆叠结构的电池堆叠方向上，与位于两端部分之外的位置处的单元电池中的催化层负载的催化剂相比，在两端部分的至少一个位置处的单元电池包括的催化层负载的催化剂在重量和比表面积中的至少一个方面较大。
在燃料电池堆中，在电池堆叠的方向上，燃料电池端部的温度可能会降低，且在干电池的端部可能会发生溢流。因此，燃料电池端部的发电性能可能会降低。
对于在温度可能会降低并且可能会产生溢流的端部处设置的单元电池而言，利用该构型可抑制该单元电池发电性能的降低。上述位于端部的单元电池可包括一个电池单元或多个电池单元。当位于端部的单元电池包括多个电池单元时，可根据温度分布来逐步或连续地改变位于端部的多个电池单元的催化层所负载的催化剂的重量和比表面积中的至少一方面。
此时，在堆叠结构的电池堆叠方向上，与位于两端部分之外的位置处的单元电池中的催化层负载的催化剂相比，位于两端部分的每个单元电池包括的催化层所负载的催化剂在重量和比表面积中的至少一个方面较大。
利用该构型，可进一步抑制燃料电池发电性能的降低。
在上述燃料电池中，在堆叠结构的电池堆叠方向上，与位于两端部分之外的位置处的单元电池中的催化层负载的催化剂相比，位于两端部分的至少一个部分中的单元电池包括的催化层所负载的催化剂使反应速度更高。
对于位于温度可能会降低并且可能会产生溢流的端部处的单元电池而言，利用该构型可抑制该单元电池发电性能的降低。
此时，在堆叠结构的电池堆叠方向上，与位于两端部分之外的位置处的单元电池中的催化层负载的催化剂相比，位于两端部分的每个单元电池包括的催化层所负载的催化剂使反应速度更高。
利用该构型，可进一步抑制燃料电池发电性能的降低。
本发明的第二方面涉及这样一种具有堆叠结构的燃料电池，其中该堆叠结构由多个单元电池堆叠而成，每个单元电池包括阳极和阴极，所述电极被设置在预定的电解质膜的两侧。燃料电池的特征在于：每个单元电池还包括催化层，该催化层被设置在阳极和阴极中的至少一个中，该催化层负载有用于促进阳极反应或阴极反应的催化剂；并且多个单元电池所包括的至少一个单元电池中，催化层中的催化剂类型、每单位面积的重量和比表面积中的至少一种在平面内的分布是不相同的。
上述温度分布和电解质膜中所含的水量分布也存在于至少一个单元电池的平面中。因此，根据温度分布和电解质膜中所含的水量分布，也产生了发电性能的面内分布。
根据本发明，使得至少一个单元电池的催化层中的催化剂类型、重量或比表面积不同，从而用于补偿由于至少一个电池单元的平面中温度分布和电解质膜中所含的水量分布、而导致的发电性能的面内分布。也就是说，在温度有可能会降低的区域、可能会发生溢流的区域或可能会干燥的区域中，催化层的催化能力被设置的比其它区域的催化层的催化能力高。例如，一般地，与单元电池的中心部分相比，单元电池周缘部分的温度可能会降低。因此，与单元电池的中心部分相比，单元电池周缘部分的催化能力的设定值高。
在具有堆叠结构的燃料电池中，利用该构型可能会得到充足的区域，在所述区域中，上述每一种反应都发生在发电性能可能会降低的每个电池的区域。因此，即使在单元电池的温度或润湿状态不是最佳的情况下，也可抑制燃料电池发电性能的降低。
在上述燃料电池中，至少一个单元电池中的面内分布取决于单元电池的温度面内分布或润湿状态面内分布。
而且，在上述燃料电池的至少一个单元电池的催化层中，催化剂的每单位面积的重量以及比表面积中的至少一种的面内分布是不相同的，以使得在平面方向上、在周缘部分的每单位面积的重量以及比表面积中的至少一种比周缘部分以外的部分更大。
在上述燃料电池中，在至少一个单元电池的催化层中的催化剂类型的面内分布可以是不相同的，以使得在平面方向上、在周缘部分的反应速率比周缘部分以外的部分更大。
在根据本发明第一方面以及本发明第二方面的燃料电池中，电解质膜可以是固体聚合物电解质膜。
由于聚合电解质燃料电池是在低温下操作，因此，与其它类型的燃料电池相比，温度分布极大地影响了单元电池的发电性能，并且进一步影响了燃料电池的发电性能。而且，如上所述，在聚合物电解质燃料电池中，控制电解质膜中的含水量很重要。因此，当将本发明的燃料电池用于聚合物电解质燃料电池时，可以抑制由于温度的降低、溢流或干燥而导致的发电性能的降低。因此，特别是当本发明的燃料电池用于聚合物电解质燃料电池时，可得到更好的效果。
可以将本发明第一方面的燃料电池以及本发明第二方面的燃料电池结合使用。
附图说明
通过结合附图来阅读以下对本发明典型实施方式的详细描述，可以更好地理解本发明的上述实施方式以及其它实施方式、目的、特征、优点、技术以及工业重要性。其中：
图1表示燃料电池堆10的外观透视图；
图2表示单元电池100的结构透视图；
图3A-图3C的示意图表示根据本发明第一实施方式的电极构型；
图4A-图4C表示在电池堆叠方向上、燃料电池堆10的分布示意图。
图5A-图5C的示意图表示根据第二实施方式的电极构型；
图6A-图6B的示意图表示根据改进的实施例1的单元电池100的电极构型实例。
优选实施方式详述
在以下的描述中，将根据具体实施方式来更详细地描述本发明。
以下将描述燃料电池堆的构型。
图1表示本发明实施方式的燃料电池堆10的外观透视图。如图1所示，通过将预定量的单元电池100堆叠而形成了燃料电池堆10。可根据所需要的燃料电池10的输出，将堆叠的单元电池的数量设置为任意值。一个单元电池100产生约1V的电动势。每个单元电池100被成型为聚合物电解质燃料电池。在单元电池100的结构中，氧电极、电解质膜以及氢电极被依序夹置在隔离体之间。在燃料电池堆10中，邻近的单元电池100共用一个隔离体。将在下文中详细描述单元电池100的结构。
通过将端板12、绝缘板16、集流板18、多个单元电池100、集流板20、绝缘板22以及端板14按照该次序从一端堆叠、来形成燃料电池堆10。为了确保钢性，利用金属比如钢来形成端板12和14。利用气体可透过并且导电的电池比如致密的碳或铜板来形成集流板18和20。利用绝缘电池比如橡胶或树脂来形成绝缘板16和22。集流板18设置有输出端19，并且集流板20设置有输出端21，由此可将燃料电池堆10产生的电能输出。
一侧的端板14上设置有燃料气体供应35、燃料气体排出口36、氧化气体供应口33、氧化气体排出口34、冷却剂供应口31和冷却剂排出口32。由燃料气体供应口35提供至燃料电池堆10的燃料气体被分布在每个单元电池100中的同时流向端板12。如图所示，在单元电池100中的通道中，被分布至每个单元电池100的燃料气体从上侧流向下侧，并且接着流向端板14侧，由此将其从燃料气体排出口36排出。相似的是，由氧化气体供应口33提供氧化气体，并且接着被分布在每个单元电池100中的同时流向端板12。被分布至每个单元电池100的氧化气体在每个单元电池100的通道中流动，并且接着从氧化气体排出口34排出。在燃料电池堆10中，形成了每个单元电池100的通道，以使得燃料气和氧化气体按照以上方式流动。
在构成燃料电池10的每个单元电池100的电解质膜中，在与隔离体接触的周缘部分上设置密封件。该密封件阻止燃料气和氧化气体从单元电池100的内侧漏出并且相互混合。在电池堆叠的方向上，通过螺栓和螺母(未示出)并且施加预定的压力来固定燃料电池堆10，并且将其保持在该状态下。为了通过施加压力而将燃料电池堆10保持在上述的堆叠状态下，不一定必须使用螺栓和螺母。例如，也可使用存储外壳。
图2表示单元电池100的结构透视图。单元电池100被构造为聚合物电解质燃料电池。在单元电池100的结构中，在氢电极134和氧电极136之间夹置有电解质膜132，并且氢电极134和氧电极136被两侧的隔离体110和120夹置。在图2中，没有示出氧电极136，因为氧电极136处于被电极电解质膜132所遮挡的位置处。每个氢电极134和氧电极136是下述的通过堆叠催化层和气体扩散层而形成的气体扩散电极。在与氢电极134和氧电极136相对的隔离体110和120的表面上，形成了许多凸凹的肋条。由于氢电极134和氧电极136被两侧的隔离体110和120夹置，因此，在隔离体110和氢电极134之间形成了燃料气通道112，并且在隔离体120和氧电极136之间形成了氧化气体通道122。
在每个隔离体110和120的两个表面上形成了肋条。在每个隔离体110的一个表面和氢电极134之间形成了燃料气通道112。在每个隔离体120的另一个表面和氧电极136之间形成了氧化气体通道122。因此，在每个隔离体110和120以及气体扩散电极134和136之间形成了气体通道。另外，隔离体110和120将邻近单元电池之间的燃料气体流和氧化气体流隔开。
电解质膜132是具有质子导电性的离子交换膜，它是利用固体聚合物材料比如氟碳树脂形成的。电解质膜132在润湿状态下显示出好的导电性。例如，可利用Nafion膜(Dupont制造)来形成电解质膜132。
通过将作为催化剂的铂施加至电解质膜132的表面、由此在电解质膜132的表面上形成催化层。在实施方式中，利用以下方法施加催化剂：i)将负载催化剂铂的碳粉分散于有机溶剂中，ii)将适量的电解质溶液(例如，Aldrich Chemical制造的Nafion Solution)加入有机溶剂中，以得到糊，和iii)利用丝网印刷技术将催化剂施加至电解质膜132。也可利用其它各种形成催化层的方法。例如，利用含有支撑上述催化剂的碳粉的糊来制造片状物，并且将该片状物压在电解质膜132上。而且，也可利用由铂和其它金属组成的合金作为催化剂。
利用碳纤维制成的碳纺布来形成每个氢电极134和氧电极136的气体扩散层。可利用复写纸或碳纤维制成的碳毡来形成气体扩散层。而且，由于需要将上述催化剂设置在气体扩散层和电解质膜132之间，因此，将催化剂施加至气体扩散层与电解质膜132接触的一侧，而不是将催化剂施加至电解质膜132。
利用气体可透过并且导电的成分来形成每个隔离体110和120，比如该成分是通过压制碳、以使得碳变为气体可透过而得到的致密碳。在每个隔离体110和120的两个表面上形成平行的多个肋条。在一个表面上形成的肋条不一定必须与另一个表面上的平行。可以各种角度形成肋条。例如，一个表面上的肋条可与另一个表面上的肋条正交。而且，肋条不一定必须是平行的凹槽，只要可形成燃料气体通道和氧化气体通道即可。
在本发明实施方式的燃料电池堆10中，位于单元电池100的电池堆叠方向上(在端板12和14的附近)的位于端部的隔离体110和120的肋条具有以下特征。也就是说，在隔离体110和120的端部形成肋条，以使得燃料气体通道112和氧化气体通道122中每一个的截面积都大于其它部分处的隔离体110和120所形成的燃料气体通道112和氧化气体通道122的截面积，原因如下。在燃料电池堆10的温度分布中，在燃料电池堆10的电池堆叠方向上处于中心部分的温度高，并且在端部的温度低。这是因为在端部的单元电池100可能会由于热辐射至环境而温度降低。在单元电池100的端部，由于温度的降低导致了蒸汽压的降低，并且因此产生的水可能会累积。因此，制造的每个气体通道的截面积大，以使得压力损失降低，并且每种气体在每个气体通道中容易流动。因此，除去了产生的过量水。
在每个隔离体110和120的周缘部分的两个部分处形成了具有圆形截面的冷却剂孔151和152。当将单元电池100堆叠时，冷却剂孔151和152形成了在燃料电池堆10的电池堆叠方向上延伸的冷却剂通道。
在隔离体110和120的每一侧附近，沿着每一侧形成了具有窄长形状的每个燃料气体孔153和154和氧化气体孔155和156。当通过堆叠元电池100而形成燃料电池堆10时，燃料气体孔153和154和氧化气体孔155和156分别形成了在燃料电池堆10的电池堆叠方向上延伸的燃料气体通道112和氧化气体通道122。在本发明的实施方式中，沿着图2中的较上侧形成了燃料气体供应通道，并且沿着较下侧形成了燃料气体排出通道。而且，沿着较左侧形成了氧化气体供应通道，并且沿着较右侧形成了氧化气体排出通道。
燃料电池堆10的燃料气体供应口35被连接至燃料气体供应通道。燃料气体排出口36被连接至燃料气体排出通道。由燃料气体供应口35提供的燃料气体通过燃料气体供应通道流入每个单元电池100的燃料气体通道112。接着，在燃料气体被用于预定的反应之后，燃料气体通过燃料气体排出通道流到燃料气体排出口36。氧化气体的流动路径与之相似。
燃料电池堆10的氧化气体供应口33被连接至氧化气体供应通道。而且，氧化气体排出口34被连接至氧化通道。由氧化气体供应口33提供的氧化气体通过氧化气体供应通道流入每个单元电池100的氧化气体通道122中。接着，在氧化气体被用于预定的反应之后，氧化气体通过氧化气体排出通道流到氧化气体排出口34。
在本发明实施方式的燃料电池堆10中，按照一个冷却隔离体140对五个单元电池100的比例、设置冷却隔离体140。冷却隔离体140被用于形成冷却剂通道来冷却单元电池100。在冷却隔离体140中，形成了与冷却剂孔相连接的盘形冷却剂凹槽142。与冷却剂隔离体140相对的每个隔离体110和120的表面是没有肋条的平面。因此，设置在冷却隔离体140中的凹槽形成了冷却隔离体140和每个隔离体110和120之间的冷却通道。可利用包括致密碳在内的各种具有导电性的材料来形成隔离体110和120和冷却隔离体140。例如，主要是由于刚性和热传输性能而使用金属比如铜合金或铝合金。而且，可基于所要求的燃料电池堆10的输出、温度以及冷却剂的流量等而得到的单元电池100的热量，将冷却隔离体的比例设定在合适的范围内。
以下将描述本发明的第一实施方式。
首先，将描述电极的构型。
图3A是本发明第一实施方式的燃料电池堆10的构型示意图。图3B表示位于燃料电池堆10的中心部分的单元电池(下文中将称之为“中心电池”)的电极构型截面图。图3C表示位于燃料电池堆10的两端部分的单元电池(下文中将称之为“端部电池”)的电极构型截面图。
如图3B所示，在中心电池中，在电解质膜132的一个表面上，催化层134a和气体扩散层134b被按照该次序堆叠，由此形成氢电极134。而且，在电解质膜132的另一表面上，催化层136a和气体扩散层136b被按照该次序堆叠，由此形成氧电极136。
同时，如图3C所示，在端部电池中，在电解质膜132的一个表面上，催化层134c和气体扩散层134d被按照该次序堆叠，由此形成氢电极134。而且，在电解质膜132的另一表面上，催化层136c和气体扩散层136d被按照该次序堆叠，由此形成氧电极136。
中心电池中气体扩散层的防水性不同于端部电池。端部电池的气体扩散层134d和136d的防水性低于中心电池的气体扩散层134b和136b的防水性。因此，产生的水可容易地透过气体扩散层134d和136d的表面，并且可容易地与气体一起排出。因此，可保持气体扩散层134d和136d好的气体可渗透性。
中心电池与端部电池的催化层中所负载的催化剂的类型和比表面积相同。也就是说，中心电池与端部电池中每单位体积的催化层的催化能力相同。
中心电池与端部电池的每一催化层的厚度不同。端部电池中每一催化层134c和136c的厚度大于中心电池中每一催化层134a和136a的厚度。也就是说，端部电池中每一催化层134c和136c的催化能力大于中心电池中每一催化层134a和136a的催化能力。在实施方式中，每一催化层134c和136c的厚度是中心电池中每一催化层134a和136a的厚度的两倍。在该实施方式中，中心电池的催化层134a和催化层136a的厚度相同。而且，端部电池的催化层134c和催化层136c的厚度相同。但是，可将这些催化层中的任何一层的厚度设定为任意值。
下文中将描述该实施方式的效果。
图4A-4C的示意图表示第一实施方式的效果。图4A的示意图表示燃料电池堆10的侧面(从与电池堆叠方向相垂直的方向看)。此时，在电池堆叠的方向上、位于每一端的四个单元电池100被认为是端部电池。图4B表示在电池堆叠方向上的催化层的厚度分布。图4C表示在电池堆叠方向上的电池电压分布。在图4B的4C中都利用实线来表示该实施方式的每种分布。而且，利用虚线来表示常规燃料电池堆中的每种分布。如图4B所示，通过将包括厚度相同的催化层的电池单元堆叠来形成常规的燃料电池堆。
如图4C所示，在常规燃料电池堆的温度分布中，在电池堆叠方向上、中心部分的温度高，并且在电池堆叠方向上、两端部分的温度低。因此，在端部电池中电池电压下降。同时，在该实施方式的燃料电池堆10中，在所有的单元电池100中得到了基本上相同的电池电压。
在该实施方式中，如图4B所示，四个端部电池中的催化层厚度相同。但是，在点划线所示的改进的实施例中，根据温度分布可逐步改变催化层的厚度。
在以上所描述的第一实施方式的燃料电池堆10中，端部电池的每个催化层的厚度大于中心电池。因此，在端部电池中发生反应的区域增加，并且因此可增加每一层的催化能力。由此可以抑制端部电池中的温度降低，并且抑制由于溢流而导致的燃料电池堆10的发电性能的降低。
以下将描述本发明的第二实施方式。
在第一实施方式中，中心电池的每一催化层的厚度与端部电池不同。在第二实施方式中，中心电池的每一催化层负载的催化剂的比表面积不同于端部电池。
图5A-5C的示意图表示本发明第二实施方式的单元电池100的电极构型。在第二实施方式中，中心电池的每一催化层134a和136a的厚度与端部电池的每一催化层134e和136e的厚度相同。除了端部电池的每一催化层134e和136e所负载的催化剂的比表面积大于中心电池中每一催化层134a和136a所负载的催化剂的比表面积之外，第二实施方式与第一实施方式相同。
在以上所描述的第二实施方式的燃料电池中，端部电池的每一催化层所负载的催化剂的比表面积大于中心电池中每一催化层所负载的催化剂的比表面积。因此，在端部电池中发生反应的区域增加。因此，可抑制端部电池中的温度降低，并且抑制由于溢流而导致的燃料电池堆10的发电性能的降低。
迄今为止已经描述了本发明的具体实施方式。但是，本发明不限于这些实施方式。不背离本发明的实质可以各种实施方式的形式来实现本发明。例如，可以以下的改进实施例的形式实现本发明。
以下将描述第一改进实施例。
在上述实施方式中，在燃料电池堆10堆叠的方向上，基于温度分布而使端部电池的每一催化层的厚度、或端部电池的每一催化层所负载的催化剂的比表面积大于中心电池的所述值。但是，本发明不限于这些实施方式。中心电池的每一催化层所负载的催化剂的类型不同于端部电池的所述类型。也就是说，在温度可能会降低的端部电池中，所使用的催化剂的催化能力高于中心电池的所述能力。
以下将描述第二改进实施例。
在上述实施方式中，在燃料电池堆10堆叠的方向上，基于温度分布而使端部电池的每一催化层的厚度、或端部电池的每一催化层所负载的催化剂的比表面积大于中心电池的所述值。但是，本发明不限于这些实施方式。在第二改进实施例中，可根据面内温度分布来改变每一个单元电池100中的催化层的厚度。
图6A-6B的示意图表示第二改进实施例中的单元电池100的电极构型。图6A表示从氧电极136侧看到的单元电池100。在图6A中，为了方便起见，略去了隔离体110和气体扩散层136b。图6B表示从图6A的线A-A获得的截面中的温度分布(面内温度分布)。
在图6A中，中心部分处的阴影线区域M相当于温度相对高的区域。在周缘部分用交叉排线画出阴影的区域N相当于温度相对低的区域。在该平面中催化层的厚度不均匀。在区域N中的催化层的厚度大于区域M中的催化层的厚度。氢电极134侧与氧电极136侧相同。
在上述构型中，也可能抑制温度的降低，并且可能抑制由于溢流而导致的燃料电池堆10的发电性能的降低。
在第二改进实施例中，区域N中的催化剂的厚度不同于区域M中的该厚度。但是，区域N中的催化层所负载的催化剂的比表面积或催化剂的类型可不同于区域M。而且，在第二改进实施例中，根据温度分布提供了两种类型的区域。但是，也可提供三种或多种类型的区域。
以下将描述第三改进实施例。
在上述实施方式中，尽管本发明适用于氢电极134和氧电极136这二者，但是本发明也适用于氢电极134和氧电极136之一。但是优选本发明至少适用于氧电极136。这是因为在氧电极上发生的阴极反应的反应速度低于氢电极上的阳极反应速度。
以下将描述第四改进实施例。
在第一实施方式中，本发明适用于燃料电池堆10的两端部分的单元电池100。但是，本发明适用于燃料电池堆10的两端部分的其中一端。
而且，多个单元电池100所包括的催化层的催化能力与其它单元电池的催化层不同的单元电池100。例如，在上述实施方式的燃料电池堆10中，由于设置了冷却隔离体140，因此，与冷却隔离体140邻近的单元电池的温度可能会降低。因此，在与冷却隔离体140邻近的单元电池100中，可增加催化层的厚度，增加催化层所负载的催化剂的比表面积，或者催化剂可具有高的催化能力。
而且，在高温下可能会干燥的单元电池中，可使用具有高催化能力的催化层。利用该构型，可抑制由于电解质膜的干燥而导致的燃料电池堆10的发电性能的降低。
以下将描述第五改进实施例。
在上述每一实施方式和第一改进实施例中，可独立地改变有关催化能力的参数，即催化层的厚度、催化层所负载的催化剂的比表面积或催化剂的类型。但是，也可改变至少两种参数的组合。
以下将描述第六改进实施例。
在上述实施方式中，本发明适用于聚合物电解质燃料电池。但是，本发明也适用于具有堆叠结构的其它类型的燃料电池。
以下将描述第七改进实施例。
在上述实施方式和改进实施例中，在温度可能会降低或者可能会发生溢流的单元电池中使用了催化能力高的催化层。但是，本发明不限于这些实施方式和改进的实施例。由于本发明是为了即使燃料电池堆中在单元电池的温度或润湿状态不是最佳的情况下、也可抑制燃料电池中发电性能的降低，因此，在可能会干燥的单元电池中使用催化能力高的催化层。
尽管已参考典型的实施方式描述了本发明，但是，应理解的是本发明不限于典型的实施方式或构型。相反地，本发明意欲覆盖各种改进形式和等同的设置。另外，尽管典型实施方式的电池被表示在各种典型的组合和构型中，但是，包括更多、更少或仅一个电池的其它组合和构型也属于本发明的实质和范围。

Claims (12)

1.一种具有堆叠结构的燃料电池，该堆叠结构由多个单元电池(100)堆叠而成，每个单元电池包括在预定的电解质膜(132)的两侧设置的阳极(134)和阴极(136)，其特征在于多个单元电池(100)的每一个还包括催化层，该催化层被设置在阳极(134)和阴极(136)中的至少一个中，该催化层负载有用于促进阳极反应或阴极反应的催化剂；并且多个单元电(100)根据燃料电池中的温度分布或湿润状态分布以如下方式设置：单元电池(100)的催化层(134a、134c、136a、136c)负载的催化剂具有比其它单元电池(100)大的催化能力。
2.一种具有堆叠结构的燃料电池，该堆叠结构由多个单元电池(100)堆叠而成，每个单元电池包括在预定的电解质膜(132)的两侧设置的阳极(134)和阴极(136)，其特征在于多个单元电池(100)的每一个还包括催化层，该催化层被设置在阳极(134)和阴极(136)中的至少一个中，该催化层负载有用于促进阳极反应或阴极反应的催化剂；并且多个单元电池(100)所包括的单元电池(100)的催化层(134a、134c、136a、136c)负载的催化剂，与其它单元电池(100)的催化层(134a、134c、136a、136c)所负载的催化剂，在类型、重量和比表面积的至少一方面不相同；其中根据燃料电池中的温度分布或润湿状态分布来设置多个单元电池(100)。
3.权利要求1或2的燃料电池，其中在堆叠结构的电池堆叠方向上，与位于两端部分之外的位置处的单元电池(100)中的催化层(134a、136a)所负载的催化剂相比，位于两端部分的至少一端的单元电池(100)包括的催化层(134c、136c)所负载的催化剂，在重量和比表面积的至少一个方面较大。
4.权利要求3的燃料电池，其中在堆叠结构的电池堆叠方向上，与位于两端部分之外的位置处的单元电池(100)中的催化层(134a、136a)所负载的催化剂相比，位于两端部分的每个单元电池(100)包括的催化层(134c、136c)所负载的催化剂，在重量和比表面积的至少一个方面较大。
5.权利要求1或2的燃料电池，其中在堆叠结构的电池堆叠方向上，与位于两端部分之外的位置处的单元电池(100)中的催化层(134a、136a)所负载的催化剂相比，位于两端部分的至少一端的单元电池(100)包括的催化层(134c、136c)所负载的催化剂的反应速度较高。
6.权利要求5的燃料电池，其中在堆叠结构的电池堆叠方向上，与位于两端部分之外的位置处的单元电池(100)中的催化层(134a、136a)所负载的催化剂相比，位于两端部分的每个单元电池(100)包括的催化层(134c、136c)所负载的催化剂的反应速度较高。
7.权利要求1或2的燃料电池，其中电解质膜是固体聚合物电解质膜。
8.一种具有堆叠结构的燃料电池，该堆叠结构由多个单元电池(100)堆叠而成，每个单元电池包括阳极(134)和阴极(136)，所述电极被设置在预定的电解质膜的两侧，其特征在于多个单元电池(100)的每一个还包括催化层(134a、134c、136a、136c)，该催化层被设置在阳极(134)和阴极(136)的至少一个中，该催化层负载有用于促进阳极反应或阴极反应的催化剂；并且多个单元电池所包括的至少一个单元电池(100)中所包含的催化层(134a、134c、136a、136c)中的催化能力在平面内的分布根据燃料电池中的温度分布或湿润状态分布是不均匀的。
9.一种具有堆叠结构的燃料电池，该堆叠结构由多个单元电池(100)堆叠而成，每个单元电池包括阳极(134)和阴极(136)，所述电极被设置在预定的电解质膜的两侧，其特征在于多个单元电池(100)的每一个还包括催化层(134a、134c、136a、136c)，该催化层被设置在阳极(134)和阴极(136)的至少一个中，该催化层负载有用于促进阳极反应或阴极反应的催化剂；并且多个单元电池所包括的至少一个单元电池(100)中所包含的催化层(134a、134c、136a、136c)中的催化剂类型、每单位面积的重量和比表面积的至少一种在平面内的分布不均匀；其中至少一个单元电池(100)中的平面内分布取决于单元电池(100)的平面内温度分布或润湿状态的平面内分布。
10.权利要求8或9的燃料电池，其中在至少一个单元电池(100)的催化层(134a、134c、136a、136c)中，催化剂的每单位面积的重量以及比表面积中的至少一种的平面内分布是不均匀的，以使得在平面方向上、在周缘部分的催化剂的每单位面积的重量以及比表面积中的至少一种比周缘部分以外的部分更大。
11.权利要求8或9的燃料电池，其中在至少一个单元电池(100)的催化层(134a、134c、136a、136c)中的催化剂类型的平面内分布是不均匀的，以使得在平面方向上、在周缘部分的反应速率比周缘部分以外的部分更大。
12.权利要求8或9的燃料电池，其中电解质膜是固体聚合物电解质膜。
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