CN1503998A - 固体聚合物电解质燃料电池组件、燃料电池堆以及在燃料电池中提供反应气体的方法 - Google Patents

固体聚合物电解质燃料电池组件、燃料电池堆以及在燃料电池中提供反应气体的方法 Download PDF

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Abstract

一种电池组件(10)，包括相互层叠的第一单电池(14)和第二单电池(16)。第一单电池(14)具有第一单体(18)，第二单电池(16)具有第二单体(20)。在电池组件(10)中设置多个氧化气体通道(46，58)和多个燃料气体通道(56，52)在第一单电池(14)中的氧化气体通道(46)和在第二单电池(16)中的氧化气体通道(58)相互串联连接。在第一单电池(14)中的燃料气体通道(56)和在第二单电池(16)中的燃料气体通道(52)相互串联连接。

Description

固体聚合物电解质燃料电池组件、燃料电池 堆以及在燃料电池中提供反应气体的方法
技术领域
本发明涉及包括多个彼此整体层叠的单电池的固体聚合物电解质燃料电池组件，其中各单电池具有包括阳极、阴极和在阳极和阴极之间的固体聚合物电解质膜的单体。此外，本发明涉及包括一堆固体聚合物电解质燃料电池组件的燃料电池堆，以及向燃料电池提供反应气体的方法。
背景技术
一般来说，固体聚合物电解质燃料电池(PEFC)包括由下述方式构成的单电池(单发电元件)：在聚合物离子交换膜(阳离子交换膜)的电解质膜的两侧上相对地设置主要由碳制成的阳极和阴极，由此形成单体(膜电极组件)；将单体保持在隔板(双极板)之间。固体聚合物电解质燃料电池通常用作具有特定数量的单电池的燃料电池堆。
在这种类型的燃料电池中，当燃料气体例如主要含有氢的气体(以下称作“含氢气体”)供应到阳极时，含氢气体中的氢在催化剂电极上离子化并经过电解质迁移到阴极侧；由这一电化学反应产生的电子移向外电路，用作以直流形式的电能。在这种情况下，由于氧化气体例如主要含氧的气体或空气(以下称作“含氧气体”)供应到阴极，因此氢离子、电子和氧相互反应，从而在阴极上生成水。
当燃料电池堆用作车上能源时，对于燃料电池堆需要比较大的输出。为了达到这种要求，已经采用了使单电池的反应板(发电平面)的尺寸更大的电池结构和将大量单电池相互层叠的电池结构。
但前一种电池结构的问题在于，各单电池增大的尺寸导致了燃料电池堆的总尺寸增大，这种大尺寸燃料电池堆不适合作为车上能源。因此，为了获得比较大的输出，通常采用将大量比较小的单电池相互层叠的后一种结构。然而，由于层叠的单电池数量变大，因此恶化了趋于在层叠方向上产生的温度分布和由电化学反应产生的水的排出特性，由此不能确保所需要的发电性能。
为了解决上述问题，研制了本发明，本发明的目的是提供一种固体聚合物电解质燃料电池组件和由该电池组件的叠层构成的燃料电池堆，该电池组件能够有效地改善各单电池的发电性能、采用简单结构减小电池组件的尺寸。
本发明的另一目的是提供一种在燃料电池中供应反应气体的方法，该方法使各单电池有效地发电，同时改善了生成水的排出特性。
发明概述
根据本发明，提供一种由多个单电池相互整体层叠而构成的固体聚合物电解质燃料电池组件，各单电池具有通过将固体聚合物电解质膜保持在阳极和阴极之间所形成的单体，其特征在于：以下述方式在电池组件中设置使由燃料气体和氧化气体构成的反应气体的至少一种在多个单电池中流动的反应气体通道：至少部分反应气体通道在单电池上相互串联(in series)连接。此处，词语“至少部分”表示多个反应气体通道的至少两个或更多，还表示至少部分反应气体通道。
利用这种结构，在电池组件中，在上游侧的单电池和下游侧的单电池中的电池反应所需要量的反应气体供应到上游侧的单电池，这样增加了在电池组件中提供的反应气体的流速，因此可以平衡单电池中的湿度，还可以平衡在多个单电池中的电流密度分布，因此减小了浓度过电位。此外，仅通过增加提供到电池组件的反应气体的流速就可以有效地放出在单电池中产生的水，由此可以改善整个电池组件的排水特性。
由于反应气体通道伸得更长以相互连接多个单电池，增加了压降，因此可以有效地改善在各单电池之间的反应气体的分布特性和生成水的排出特性。此外，由于电池组件是由多个单电池构成的一体，因此可以通过将电池组件相互层叠而装配成燃料电池堆。结果，和由相互层叠单电池的燃料电池堆的组件相比，可以有效地简化燃料电池堆组件的加工性。
在电池组件中，至少两个单电池可具有彼此不同的结构。利用这种结构，各单电池可以采用最适合于电池反应的结构。在这种情况下，在至少两个单电池中提供的使燃料气体和氧化气体至少一种流过的那些反应气体通道具有彼此不同的横截面。利用这种结构，即使由于电化学反应减少了反应气体的量，也能够平衡在单电池中反应平面上的反应。
具体而言，通过使反应气体通道在通道深度、通道宽度和通道数量的至少一个方面彼此不同，可以使在至少两个单电池中提供的反应气体通道的横截面彼此不同。利用这种结构，如果通道深度浅，各单电池可以变薄，这样可以使整个电池组件更小。如果使通道宽度更窄或减少通道的数量，那么就可以增加在各单电池之间的接触面积，由此可以降低接触电阻。
至少两个单电池在反应气体流动方向的下游侧上提供的反应气体通道的横截面可小于至少两个单电池在反应气体流动方向的上游侧上提供的反应气体通道的横截面。虽然在反应气体流动方向的下游侧上生成水量增加，由于通过减少通道的横截面而增加了下游侧上反应气体的流速，因此可以有效地改善在下游侧上生成水的排出特性。
至少两个单电池在反应气体流动方向的下游侧上提供的反应气体通道的长度可大于至少两个单电池在反应气体流动方向的上游侧上提供的反应气体通道的长度。利用这种结构，在反应气体流动方向的下游侧上出现了反应气体的压降，因此可以改善生成水的排出特性。
此外，在至少两个单电池中提供的反应气体通道可具有彼此不同的形状。例如，通过将在流动方向的上游侧上的反应气体通道形成为直线形状、将在流动方向的下游侧上的反应气体通道形成为曲折形状，可以利用简单结构改变反应气体通道的长度。
此外，在至少两个单电池中提供的单体可以彼此不同。例如，至少两个单电池在反应气体流动方向的下游侧上提供的单体的耐热性可高于至少两个单电池在反应气体流动方向的上游侧上提供的单体的耐热性。这是因为在流动方向下游侧上单体的温度高于在流动方向上游侧上单体的温度。作为优选，至少两个单电池在反应气体流动方向的上游侧上提供的单体设置有氟基薄膜；至少两个单电池在反应气体流动方向的下游侧上提供的单体设置有碳氢基薄膜。由于由具有高耐热性的碳氢基薄膜制成在温度方面高于在流动方向上游侧上的单体的在流动方向下游侧上的单体，因此可以延长在下游侧上单体的使用寿命。
作为优选，在相邻的两个单体之间插入各隔板；隔板的表面上具有用于将反应气体供应到在各单电池中设置的反应气体通道中的反应气体供应连接孔和用于从在各单电池中设置的反应气体通道放出反应气体的反应气体排放连接孔。利用这种结构，可以改善生成水的排出特性，不再需要专门的密封机构，而这些专门的密封机构是在电池组件的外部设置分离管道的情况下所需要的。
作为优选，在相邻的两个单体之间插入各隔板；将隔板构成为具有对应于反应气体通道形状的凸凹形状的金属板。利用这种结构，可由波形金属板形成隔板，由此隔板可以更薄。
作为优选，隔板在朝向一个单体的侧面上具有用作反应气体通道的燃料气体通道，并且在朝向另一个单体的侧面上还具有作为反应气体通道的氧化气体通道。利用这种结构，和其中燃料气体通道和氧化气体通道分别设置在两个隔板上的隔板结构相比，更容易让隔板结构变薄。结果，可以使整个电池组件变小。
作为优选，这样设置反应气体通道：反应气体经过相邻两个单电池的一个的反应平面，在单电池的层叠方向上流动，在相邻一个单电池的另一个的反应平面上流动。具体而言，反应气体通道可设置为朝着在单电池的层叠方向上开口的连接孔迂回曲折地延伸。利用这些结构，可以减少用于相互连接单电池的通道长度，还容易地沿着反应气体的流动方向形成最适于增加发电性能的温度梯度。
沿着单电池反应平面的作为反应气体通道的燃料气体通道的流动方向可相反于沿着单电池反应平面的作为反应气体通道的氧化气体通道的流动方向。利用这种结构，可以有效地利用阴极上产生的水加湿阳极。
作为优选，在多个单电池中以串联方式提供作为反应气体通道的燃料气体通道；在多个单电池中以并行(in paralle1)方式提供作为反应气体通道的氧化气体通道。利用这种结构，可以给具有低粘度的燃料气体通道足够的压降，因此有效地从阳极侧排出水。
以沿着单电池的反应平面直线延伸的方式设置作为反应气体通道的各燃料气体通道和氧化气体通道。利用这种结构，由于气体通道没有弯曲部分，可以确保所需要的排水特性，容易地由压力加工的金属板制成通道构件(隔板)。
作为反应气体通道的燃料气体通道和氧化气体通道的至少一个设置有在单电池的一侧上的以平面方向的反应气体入口和反应气体出口。利用这种结构，在电池组件中设置所谓的内部管道，这样可以缩小整个电池组件。
作为优选，以在单电池的层叠方向上延伸的方式为各单电池设置连接于反应气体通道的中间连接孔；反应气体通道形成大致U形的流动线路，从相邻两个单电池之一的一个反应气体入口通过中间连接孔延伸到相邻两个单电池另一个的反应气体出口。利用这种结构，可以缩短相互连接单电池的通道长度，还可以沿着反应气体的流动方向容易地形成最适于增加发电性能的温度梯度。
作为优选，冷却剂通道在以单电池层叠方向位于单电池两侧的同时，设置有放在其间的多个单电池。利用这种结构，可以简化冷却结构，因此容易地减小整个电池组件的尺寸和重量。尤其是，和在氧化气体流动方向的下游侧上的单电池中设置的氧化气体通道相比，冷却剂通道可以接近于在氧化气体流动方向的上游侧上的单电池中设置的氧化气体通道。利用这种结构，可以提高汇集了大量水的下游侧上的单电池温度，由此降低了从氧化气体入口到阴极侧出口的区域中的相对湿度。
作为优选，以单电池平面方向的单电池一侧上设置有连接到冷却剂通道的冷却剂入口和冷却剂出口。利用这种结构，由于在电池组件中形成了内部管道，因此可以使整个电池组件变小。此外，冷却剂通道可构成为大致U形流动线路：使冷却剂从冷却剂入口流向间隔壁构件的一侧，沿着间隔壁构件的一侧流动，经过中间返回部分流向间隔壁构件的另一侧，以相反的方向沿着间隔壁构件的另一侧流动。利用这种结构，可以缩短用于相互连接单电池的通道长度，而且容易地沿着反应气体的流动方向形成最适于提高发电性能的温度梯度。
可按照沿单电池的平面方向直线延伸的方式设置冷却剂通道。利用这种结构，由于气体通道没有弯曲部分，可以确保所需要的排水特性，容易地由压力加工的金属板制成通道构件。
根据本发明，提供一种由多个单电池相互整体层叠而构成的固体聚合物电解质燃料电池，各单电池具有通过将固体聚合物电解质膜保持在阴极和阳极之间而形成的单体，其特征在于：以串联方式相互连接的冷却剂通道在以单电池的层叠方向设置在单电池两侧的同时还设置有多个放入其间的单电池。利用这种结构，可以为相互层叠的单电池提供最佳的温度分布和最佳的湿度分布。
根据本发明，提供一种由多个电池组件的叠层构成的燃料电池堆，其特征在于，多个电池组件各由多个相互整体层叠的单电池构成，各单电池具有通过将固体聚合物电解质膜保持在阴极和阳极之间而形成的单体，以在单电池上以串联方式相互连接至少部分反应气体通道的方式在电池组件中设置用于使由燃料气体和氧化气体构成的反应气体的至少一种在多个单电池中流动的反应气体通道。
利用这种结构，在各电池组件中，在流动方向上游侧的单电池和在流动方向下游侧的单电池中的电池反应所需要量的反应气体供应到上游侧的单电池，这样增加了在电池组件中提供的反应气体的流速，因此可以平衡电池组件中的湿度，还可以平衡在整个燃料电池组件中的电流密度分布，因此减小了浓度过电位。
在各电池组件中，至少两个单电池具有彼此不同的结构。利用这种结构，可以采用最适于在各单电池中的反应的结构。此外，可以仅在相邻的两个电池组件之间设置冷却剂通道。利用这种结构，可以简化冷却剂通道，因此容易地缩小整个燃料电池堆。
作为优选，设置在燃料电池堆的层叠方向上开口的反应气体供应连接孔和反应气体排放连接孔；在反应气体供应连接孔和反应气体排放连接孔之间的流动线路中设置在燃料电池堆的层叠方向上开口的中间连接孔。利用这种结构，可以缩短用于相互连接单电池的通道长度，还容易地沿着反应气体的流动方向形成最适于提高发电性能的温度梯度。
可在相邻两个单电池之一的平面上设置的反应气体入口和在相邻的两个单电池另一个的平面上设置的反应气体出口之间的流动线路中设置各中间连接孔。可设置中间连接孔以便相互连接在相邻两个电池组件中设置的两个相邻的单电池。可设置中间连接孔以便相互连接仅在一个电池组件中的两个相邻的单电池。利用这些结构，由于中间连接孔相互整体地连接，因此可以平衡在单电池的层叠方向上反应气体的浓度。
根据本发明，提供一种由多个电池组件的叠层构成的燃料电池堆，其特征在于，多个电池组件各由多个相互整体层叠的单电池构成，各单电池具有通过将固体聚合物电解质膜保持在阴极和阳极之间而形成的单体，以串联方式相互连接的冷却剂通道在以单电池的层叠方向设置在单电池的两侧上的同时还设置有多个放入其间的单电池。利用这种结构，可以为相互层叠的各单电池提供最佳的温度分布和最佳的湿度分布。
根据本发明，提供一种将反应气体供应到由多个相互整体层叠的单电池构成的固体聚合物电解质燃料电池组件的方法，各单电池具有通过将固体聚合物电解质膜保持在阴极和阳极之间而形成的单体，以在单电池上以串联方式相互连接至少部分反应气体通道的方式在电池组件中设置用于使由燃料气体和氧化气体构成的反应气体的至少一种在多个单电池中流动的反应气体通道，该方法的特征在于，将反应气体从反应气体供应连接孔并行提供到在单电池中的多个反应气体通道，使在反应气体通道中流动的反应气体进行电池反应，将废反应气体排出到反应气体排出连接孔。利用这种结构，可以增加反应气体的流量、流速和压降，因此有效地改善各单电池的反应性能。
作为优选，在将用于电池反应的反应气体流动方向的上游侧上的单电池中引入反应气体，然后在将用于电池反应的反应气体流动方向的下游侧上的单电池中经过中间连接孔引入反应气体。此时，可在反应气体流动方向的最上游侧上的单电池中引入整个电池组件的反应所需要量的反应气体。
作为优选，反应气体是氧化气体；在冷却剂通道中提供冷却剂，和在氧化气体流动方向的下游侧上的单电池中设置的氧化气体通道相比，该冷却剂通道更接近于在氧化气体流动方向的上游侧上的单电池中设置的氧化气体通道。利用这种结构，可以通过增加其中汇集了大量水的流动方向下游侧上的单电池的温度，减少在从氧化气体入口到阴极侧出口的区域中的相对湿度。
当借助示意性实施例并结合其中示出了本发明优选实施方式的附图时，本发明的上述和其它目的、特点和优点根据下面的说明变得更为显而易见。
附图的简要说明
图1是根据本发明第一实施例的固体聚合物电解质燃料电池组件的主要部分的分解透视图。
图2是燃料电池堆的示意性透视图。
图3是带有局部切开部分的电池组件的示意图。
图4是电池组件的第一隔板的前视图。
图5是表示在电池组件中反应气体和冷却剂的流动的示图。
图6是表示通过使通道的深度彼此不同而使通道的横截面彼此不同的方式的示图。
图7是表示通过使通道的宽度彼此不同而使通道的横截面彼此不同的方式的示图。
图8是表示通过使通道的数量彼此不同而使通道的横截面彼此不同的方式的示图。
图9是其中改变了通道长度的电池组件的分解透视图。
图10是其中中间连接孔仅在各电池中相互连接的电池组件的结构的分解透视图。
图11是其中中间连接孔设置在中央平面上的电池组件的结构的分解透视图。
图12是表示在第一和第二单电池中阴极温度的曲线图。
图13是表示在第一和第二单电池中阴极的相对湿度的曲线图。
图14是根据本发明第二实施例的固体聚合物电解质燃料电池组件的主要部分的分解透视图。
图15是根据本发明第三实施例的固体聚合物电解质燃料电池组件的主要部分的分解透视图。
图16是表示根据本发明第三实施例的电池组件中的反应气体和冷却剂的流动的示图。
图17是根据本发明第四实施例的固体聚合物电解质燃料电池组件的主要部分的分解透视图。
图18是表示根据本发明第四实施例的电池组件中的反应气体和冷却剂的流动的示图。
图19是根据本发明第五实施例的固体聚合物电解质燃料电池组件的主要部分的分解透视图。
图20是表示根据本发明第五实施例的电池组件中的反应气体和冷却剂的流动的示图。
图21是表示根据第一实施例的电池组件的表征性通道结构的示图。
图22是表示根据第三实施例的电池组件的表征性通道结构的示图。
图23是表示根据第四实施例的电池组件的表征性通道结构的示图。
图24是表示根据第五实施例的电池组件的表征性通道结构的示图。
图25是表示典型表征性通道结构的示图。
图26是表示另一个表征性通道结构的示图。
图27是表示再一个表征性通道结构的示图。
图28仍是表示另外一个表征性通道结构的示图。
图29是表示三电池构造的典型通道结构的示图。
图30是表示三电池构造的另一通道结构的示图。
图31是表示四电池构造的典型通道结构的示图。
图32是表示其中燃料气体侧具有合并结构的三电池构造的通道结构的示图。
图33是表示其中燃料气体侧具有合并结构的四电池构造的通道结构的示图。
图34是根据本发明第六实施例的固体聚合物电解质燃料电池组件的主要部分的分解透视图。
图35是表示根据本发明第六实施例的电池组件中的反应气体和冷却剂的流动的示图。
图36是根据本发明第七实施例的固体聚合物电解质燃料电池组件的主要部分的分解透视图。
图37是表示根据本发明第七实施例的电池组件中的反应气体和冷却剂的流动的示图。
最佳实施方式
图1是根据本发明第一实施例的固体聚合物电解质燃料电池组件10的主要部分的分解透视图，图2是将多组电池组件10相互层叠而获得的燃料电池堆12的示意性透视图。
如图1所示，电池组件10包括相互层叠的第一单电池14和第二单电池16。第一单电池14具有第一单体(所谓的“膜电极组件”)18，第二单电池16具有第二单体20。
第一单体18具有固体聚合物电解质膜22a和将该电解质膜22a放在它们之间的阴极24a和阳极26a，第二单体20具有固体聚合物电解质膜22b和将该电解质膜22b放在它们之间的阴极24b和阳极26b。各阴极24a和24b和阳极26a和26b是通过将贵金属基催化剂电极层连接在主要由碳制成的基底构件上所形成的，并且在它们的表面上设置有由多孔层例如多孔碳纸形成的气体扩散层。
如图1和3所示，第一隔板28设置在第一单体18的阴极24a侧上；第二隔板30设置在第二单体20的阳极26b侧上；中间隔板32设置在第一和第二单体18和20之间。薄壁板(间隔壁构件)34设置在第一和第二隔板28和30的两个外表面侧的每一个。
如图1所示，第一和第二单体18和20、第一和第二隔板28和30以及中间隔板32每一个在其长侧方向的一个边缘部分具有氧化气体入口36a、氧化气体出口36b和燃料气体中间连接孔38。氧化气体入口36a(还称作反应气体供应连接孔)和氧化气体出口36b(还称作反应气体排放连接孔)适于让氧化气体(反应气体)例如含氧气体或空气穿过；燃料气体中间连接孔38适于让燃料气体(反应气体)例如含氢气体穿过。在各电池组件18、20、28、30和32中形成的这些氧化气体入口36a(氧化气体出口36b、燃料气体中间连接孔38)以第一和第二单电池14和16层叠方向(由箭头A所示)相互连接。
另一方面，第一和第二单体18和20、第一和第二隔板28和30以及中间隔板32每一个在其长侧方向的另一边缘部分具有氧化气体中间连接孔40、燃料气体入口42a、燃料气体出口42b、冷却剂入口44a和冷却剂出口44b。氧化气体中间连接孔40适于让氧化气体穿过；燃料气体入口42a(也称作反应气体供应连接孔)和燃料气体出口42b(也称作反应气体排放连接孔)适于让燃料气体穿过；冷却剂入口44a和冷却剂出口44b适于让冷却剂穿过。在各电池组件18、20、28、30和32中形成的这些氧化气体中间连接孔40(燃料气体入口42a、燃料气体出口42b、冷却剂入口44a和冷却剂出口44b)以由箭头A所示的方向相互连接。
第一隔板28由金属板构成。金属板朝向第一单体18的反应平面(发电平面)的部分形成为凹和凸的形状，例如形成为波纹状。具体而言，如图3和4所示，第一隔板28在朝向第一单体18的阴极24a的一侧上具有多个氧化气体通道(反应气体通道)46，这些通道46是通过如上所述将第一隔板28朝向阴极24a的一侧形成为波纹状所提供的。氧化气体通道46在长侧方向上(由箭头B所示)直线延伸。氧化气体通道46的一端连接到氧化气体入口36a，它的另一端连接到氧化气体中间连接孔40。
如图1和3所示，第一隔板28在朝向壁板34的一个表面的一侧上还具有多个冷却剂通道48。冷却剂通道48在长侧方向上(由箭头B所示)直线延伸。冷却剂通道48的一端连接到冷却剂入口44a，它的另一端通过在壁板34或隔板构件中形成的作为中间返回部分的孔部分50经由壁板34的另一表面侧连接到冷却剂出口44b。
第二隔板30的结构基本上类似于第一隔板28的结构。第二隔板30在朝向第二单体20的阳极26b的一侧上具有多个燃料气体通道(反应气体通道)52。燃料气体通道52在长侧方向上(由箭头B所示)直线延伸。燃料气体通道52的一端连接到燃料气体中间连接孔38，它的另一端连接到燃料气体出口42b。第二隔板30在朝向下一个电池组件10的壁板34的一侧上还具有多个冷却剂通道54。冷却剂通道54在长侧方向上(由箭头B表示)直线延伸，它们的端子连接到冷却剂出口44b。
中间隔板32的结构基本上类似于各第一和第二隔板28和30的结构。中间隔板32在朝向第一单体18的阳极26a的一侧上具有多个燃料气体通道(反应气体通道)56。燃料气体通道56在长侧方向上(由箭头B表示)直线延伸。燃料气体通道56的一端连接到燃料气体入口42a，它的另一端连接到燃料气体中间连接孔38。
如图3所示，中间隔板32在朝向第二单体20的阴极24b的一侧上还具有多个氧化气体通道(反应气体通道)58。氧化气体通道58在长侧方向上(箭头B所示)直线延伸。氧化气体通道58的一端连接到氧化气体中间连接孔40，它的另一端连接到氧化气体出口36b。
在第一单电池14中设置的氧化气体通道46和在第二单电池16中设置的氧化气体通道58以串联方式相互连接，它们的通道横截面彼此不同；在第一单电池14中设置的燃料气体通道56和在第二单电池16中设置的燃料气体通道52以串联方式相互连接，它们的通道横截面彼此不同。如图3所示，在出口侧氧化气体通道58的通道横截面小于入口侧氧化气体通道46的通道横截面；在出口侧燃料气体通道52的通道横截面小于入口侧燃料气体通道56的通道横截面。
如图2所示，借助固定装置(未示出)以由箭头A表示的方向将按上述方式构成的特定数量的多套电池组件10相互层叠。在由箭头A所示的方向上的多套电池组件10的两端经过端子电极60a和60b设置有端板62a和62b，接着借助紧固杆(未示出)或类似物加紧端板62a和62b，由此获得燃料电池堆12。
端板62a在长侧方向的一个边缘部分具有连接于氧化气体入口36a的氧化气体供应口64a和连接到氧化气体出口36b的氧化气体排放口64b。端板62a在长侧方向的另一边缘部分还具有连接于燃料气体入口42a的燃料气体供应口66a、连接到燃料气体出口42b的燃料气体排放口66b、连接到冷却剂入口44a的冷却剂供应口68a和连接到冷却剂出口44b的冷却剂排放口68b。
下面描述按照上述方式构成的燃料电池堆12和电池组件10的工作状态。
在燃料电池堆12中，从燃料气体供应口66a提供燃料气体例如含氢气体；从氧化气体供应口64a提供氧化气体例如空气或含氧气体；从冷却剂供应口68a提供冷却剂例如纯水、乙二醇或油；这样燃料气体、氧化气体和冷却剂就依次供应到以箭头A所示方向相互层叠的多个电池组件10。
如图5所示，在设置在第一隔板28中的多个氧化气体通道46中引入提供到以箭头A所示方向相互连接的氧化气体入口36a的氧化气体，并使该氧化气体沿着第一单体18的阴极24a移动；在设置在中间隔板32中的多个燃料气体通道56中引入提供到以箭头A所示方向相互连接的燃料气体入口42a的燃料气体，并使该燃料气体沿着第一单体18的阳极26a移动。因此，在第一单体18中，在电极的催化剂层上通过电化学反应消耗供应到阴极24a的氧化气体和供应到阳极26a的燃料气体，由此产生电能。
将已经在第一单体18中消耗了一部分的氧化气体从氧化气体通道46引入第一单体18的氧化气体中间连接孔40，通过中间隔板32的氧化气体中间连接孔40在由箭头A所示的方向上移动，并引入设置在中间隔板32中的氧化气体通道58。然后使在氧化气体通道58中所引入的氧化气体沿着第二单体20的阴极24b移动。
类似地，将已经在第一单体18的阳极26a中消耗了一部分的燃料气体引入中间隔板32的燃料气体中间连接孔38，通过第二单体20的燃料气体中间连接孔38在由箭头A所示的方向上移动，并引入设置在第二隔板30中的燃料气体通道52。然后使在燃料气体通道52中所引入的燃料气体沿着第二单体20的阳极26b移动。因此，在第二单体20中，通过在电极的催化剂层上的电化学反应消耗氧化气体和燃料气体，由此产生电能。氧已经消耗掉的氧化气体排放到第二隔板30的氧化气体出口36b，氢已经消耗掉的燃料气体排放到第二隔板30的燃料气体出口42b。
另一方面，流过以箭头A所示方向相互连接的冷却剂入口44a的冷却剂到达第一隔板28。然后冷却剂沿着设在第一隔板28中的冷却剂通道48移动，从在壁板34中形成的孔部分50返回并沿着设在下一个电池组件10的第二隔板30中的冷却剂通道54移动，并排放到第二隔板30的冷却剂出口44b。
根据第一实施例，电池组件10构成为第一和第二单电池14和16的一体，此外，设在第一单电池14中的至少部分氧化气体通道46经过氧化气体中间连接孔40串联连接到设在第二单电池16中的至少部分氧化气体通道58；而设在第一单电池14中的至少部分燃料气体通道56经过燃料气体中间连接孔38串联连接到设在第二单电池16中的至少部分燃料气体通道52。因此，将在第一和第二单电池14和16中的全部反应所需流量的氧化气体提供到在入口侧的氧化气体通道46；将在第一和第二单电池14和16中的全部反应所需流量的燃料气体提供到在入口侧的燃料气体通道56。换句话说，向在入口侧的氧化气体通道46提供单电池中的反应通常所需氧化气体流量的两倍的流量，向在入口侧的燃料气体通道56提供单电池中的反应通常所需燃料气体流量的两倍的流量。
结果，特别地改善了其中生成水的氧化气体通道46和58的排水特性，由此平衡了在第一和第二单电池14和16中的氧化气体通道46和58中的湿度。这有效平衡了在第一和第二单电池14和16中的电流密度分布，因此减少了浓度过电位的发生。
由于在第一单电池14中的氧化气体通道46串联连接到第二单电池16中的氧化气体通道58、在第一单电池14中的燃料气体通道56串联连接到第二单电池16中的燃料气体通道52，因此和常规单电池结构相比，供应到氧化气体入口36a的氧化气体的流速和提供到燃料气体入口42a的燃料气体的流速变高。结果，可以有效地排出在第一和第二单电池中生成的水，因此显著改善电池组件10的整体排水特性。
由于在第一单电池14中的氧化气体通道46串联连接到在第二单电池16中的氧化气体通道58以形成从第一单电池14延伸到第二单电池16的长氧化气体(反应气体)路径、在第一单电池14中的燃料气体通道56串联连接到在第二单电池16中的燃料气体通道52以形成从第一单电池14延伸到第二单电池16的长燃料气体(反应气体)路径，因此获得了增加在第一和第二单电池14和16中的压降的优点，从而有效地改善了由在第一和第二单电池14和16中的氧化气体和燃料气体生成的水的排出特性，并且还获得了平衡在燃料电池堆12中各电池组件10的氧化气体和燃料气体的分布的优点。
根据第一实施例，各氧化气体通道46的通道横截面与各氧化气体通道58的通道横截面不同，各燃料气体通道56的通道横截面与各燃料气体通道52的通道横截面不同。具体而言，如图3所示，在出口侧的氧化气体通道58的通道横截面小于在入口侧的氧化气体通道46的通道横截面，在出口侧的燃料气体通道52的通道横截面小于在入口侧的氧化气体通道56的通道横截面。随着各氧化气体和燃料气体朝着出口侧的移动，通过电池反应的消耗，降低了气体的含量。从此观点出发，通过使在出口侧的每个氧化气体通道58和燃料气体通道52的通道横截面变小，可以平衡在第二单体20的反应平面上的反应。
可通过改变通道深度、通道宽度或通道的数量使各氧化气体通道46的通道横截面与各氧化气体通道58的通道横截面不同；类似地，可通过如下改变通道深度、通道宽度或通道的数量使各燃料气体通道56的通道横截面与各燃料气体通道52的通道横截面不同。
在图6所示的实施例中，将在板状中间隔板32a中设置的各氧化气体通道58a的通道深度设定为小于在板状第一隔板28a中设置的各氧化气体通道46a的通道深度，将在板状第二隔板30a中设置的各燃料气体通道52a的通道深度设定为小于在板状中间隔板32a中设置的各燃料气体通道56a的通道深度。利用这种结构，作为附加效果，各第一和第二单电池14和16可以变薄，由此容易地缩小整个电池组件10。
在图7所示的实施例中，在板状中间隔板32b中形成的各出口侧氧化气体通道58b的通道宽度小于在板状第一隔板28b中形成的各入口侧氧化气体通道46b的通道宽度，类似地，在板状第二隔板30b中形成的出口侧燃料气体通道52b的通道宽度小于在中间隔板32b中形成的入口侧燃料气体通道56b的通道宽度。利用这种结构，作为附加效果，增加了在第一和第二单电池14和16之间的接触面积，由此减小了接触电阻。
在图8所示的实施例中，在板状中间隔板32c中设置的出口侧氧化气体通道58c的数量小于在板状第一隔板28c中设置的入口侧氧化气体通道46c的数量，类似地，在板状第二隔板30c中设置的出口侧燃料气体通道52c的数量小于在中间隔板32c中设置的入口侧燃料气体通道56c的数量。利用这种结构，作为附加效果，有效增加了在第一和第二单电池14和16之间的接触面积。
此外，为了改善在第一和第二单电池14和16中的排水特性，可将在出口侧的第二单电池16的气体通道长度设定为大于在入口侧的第一单电池14中的气体通道长度。由于在出口侧生成水量变大，因此可以通过使在出口侧的气体通道长度更长、由此在出口侧产生压降的方式来改善生成水的排出特性。
具体而言，如图9所示，以直线延伸的方式在中间隔板32中设置燃料气体通道56，以曲折延伸的方式在第二隔板30d中设置燃料气体通道52d。因此，在出口侧燃料气体通道52d的气体通道长度明显大于在入口侧的燃料气体通道56的气体通道长度。此外，可采用弯曲或曲线形的燃料气体通道来代替曲折燃料气体通道52d。
在第一实施例中，由于电池组件10是由多个单电池例如两个单电池14和16的整体形成的，因此和通过相互层叠单电池的常规燃料电池堆的组件相比，可以有效地简化在通过相互层叠电池组件10而组装燃料电池堆12时的加工性。
此外，各电池组件10的小型化容易引起整个燃料电池堆12的小型化。考虑到电池组件10的小型化，由于第一和第二隔板28和30和中间隔板32均由形成为波纹形状(凹凸形状)的金属板形成，因此隔板可以变薄，结果可以使整个电池组件10也变薄。
在第一实施例中，中间板32在朝向第一单体18的一侧上具有燃料气体通道56，在朝向第二单体20的一侧上还具有氧化气体通道58(参见图3)。因此，和燃料气体通道56和氧化气体通道58分别设在两个隔板中的结构相比，中间隔板32的结构变得更薄。这可以缩小整个电池组件10。
由于第一和第二隔板28和30和中间隔板32都具有分别以第一和第二单电池14和16的层叠方向相互连接的氧化气体入口36a、氧化气体出口36b、燃料气体入口42a和燃料气体出口42b，因此可以不再需要在电池组件10外部的单独管道(外部管道)，由此也不再需要在单电池层叠方向上的外部管路端部的密封结构，因此缩小了电池组件10，简化了它的结构。
在第一实施例中，如图5所示，反应气体例如氧化气体经由氧化气体通道46沿着第一单体18的阴极24a流动，经过氧化气体中间连接孔40沿箭头A所示的方向(层叠方向)移动，经由氧化气体通道58沿着第二单体20的阴极24b流动。
因此，由于氧化气体沿着氧化气体通道朝用于使氧化气体在第一和第二单电池14和16层叠方向上流动的氧化气体中间连接孔曲折地流动，因此可以获得以下优点：缩短了第一和第二单电池14和16相互连接的通道长度，并且沿着氧化气体(燃料气体)的流动方向易于形成温度梯度。此外，由于燃料气体和氧化气体沿着第一和第二单体18和20的反应平面以彼此相反的方向流动，因此可以由阴极24a和24b生成的水按需要加湿阳极26a和26b。
此外，在第一实施例中，由于在第一和第二单电池14和16之间没有设置任何冷却剂通道，因此在出口侧的第二单电池16的温度高于在入口侧的第一单电池14的温度，这样可以改善生成水的排出特性。
通过如图12所示使在第二单电池16侧的气体通道的温度高于在第一单电池14侧的气体通道温度，就改变了在第一和第二单电池14和16之间的气体通道的相对湿度，如图13所示。在第一单电池14中，因为把在第一和第二单电池14和16中的反应所需量的氧化气体供应到第一单电池14中，所以减少了湿度变化；在第二单电池16中，因为提高了第二单电池16的温度，所以也减少了湿度变化。
利用这种结构，由于在第一和第二单电池14和16中的相对湿度相等，因此可以提高各电解质膜22a和22b的离子导电性，从而降低了浓度过电位。
顺便指出，根据第一实施例，在氧化气体入口36a和氧化气体出口36b之间设置氧化气体中间连接孔40；在燃料气体入口42a和燃料气体出口42b之间设置燃料气体中间连接孔38。
以在箭头A所示的方向上穿过第一和第二单电池14和16的方式分别设置氧化气体中间连接孔40和燃料气体中间连接孔38。然而，和第一实施例的这种结构不同，还可以采用图10中所示的结构，在图10中的结构中，各第一和第二隔板28和30没有氧化气体中间连接孔40和燃料气体中间连接孔38。在这种情况下，仅在电池组件10的各电池中，氧化气体以箭头A所示的方向流过氧化气体中间连接孔40，燃料气体以箭头A所示的方向流过燃料气体中间连接孔38。
此外，如图11所示，可在第一和第二隔板28和30以及中间隔板32每一个的中央平面中设置氧化气体中间连接孔40a和燃料气体中间连接孔38a。
接下来，下面描述在电池组件10中和在由根据本发明的电池组件10的叠层构成的燃料电池堆12中提供反应气体的方法。应注意，主要根据电池组件10和燃料电池堆12的上述操作进行气体供应，因此仅简单地描述气体供应方法的特点。
如图5所示，氧化气体和燃料气体从在第一和第二单电池14和16的由箭头A所示的层叠方向上设置的作为反应气体供应通道的氧化气体入口36a和燃料气体入口42a并行地提供到多个氧化气体通道46和多个燃料气体通道56。因此，从以箭头A所示方向设置的作为反应气体排放通道的氧化气体出口36b和燃料气体出口42b排放出已经用于在第一和第二单体18和20处的反应的废氧化气体和燃料气体。
在这种情况下，在电池组件10中，氧化气体和燃料气体被引入将用于反应的上游侧的第一单电池14中，然后经过氧化气体中间连接孔40和燃料气体中间连接孔38引入下游侧的第二单电池16中。结果，可以增加氧化气体和燃料气体的流量、流速和压降，这样能够有效地改善第一和第二单电池14和16的反应性能。
此处，在反应气体流动方向的上游侧的第一单电池14中引入将在整个电池组件10中采用的所需量的(即对于在第一和第二单电池14和16中的反应所需量的)氧化气体和燃料气体。
图14是根据本发明第二实施例的电池组件80的主要部分的分解透视图。在根据本实施例的电池组件80中，相应于根据第一实施例的电池组件10的那些部件由相同的参考标记表示，省略了对其的重复描述。对于第三和后面的实施例也是这样。
电池组件80包括第一单体82和第二单体84。第一单体82具有氟基电解质膜86，第二单体84具有碳氢基电解质膜88。
根据如上构成的第二实施例，由于在反应气体流动方向的下游侧的第二单体84的温度高于在反应气体流动方向的上游侧的第一单体82的温度，因此在第二单体84中设置具有高耐热性的碳氢基电解质膜88。利用这种结构，可以提高第二单体84的使用寿命。结果，由于第二单体84可以长期使用，因此可以增加电池组件80的经济价值。
图15是根据本发明第三实施例的固体聚合物电解质燃料电池组件140的主要部分的分解透视图。
电池组件140包括相互层叠的第一单电池142和第二单电池144。第一单电池142具有第一单体146，第二单电池144具有第二单体148。第一单体146保持在第一隔板150和第一中间隔板154之间，第二单体148保持在第二中间隔板156和第二隔板152之间。挡板158插入第一和第二中间隔板154和156之间。
电池组件140在长侧方向的一个边缘部分上具有燃料气体入口42a、氧化气体中间连接孔40和燃料气体出口42b。以箭头A所示方向相互连接燃料气体入口42a(氧化气体中间连接孔40、燃料气体出口42b)。电池组件140在长侧方向的另一边缘部分还具有氧化气体入口36a、冷却剂入口44a、燃料气体中间连接孔38、冷却剂出口44b和氧化气体出口36b。以箭头A所示方向相互连接氧化气体入口36a(冷却剂入口44a、燃料气体中间连接孔38、冷却剂出口44b和氧化气体出口36b)。
以直线延伸的方式在各第一和第二中间隔板154和156朝向挡板158的一面上设置冷却剂通道54。在第一中间隔板154中设置的冷却剂通道54的一端连接到第一中间隔板154的冷却剂入口44a，在第一中间隔板154中设置的冷却剂通道54的另一端从挡板158返回并连接到设在第二中间板156中的冷却剂通道54。设在第二中间隔板156中的冷却剂通道54连接到设在第二中间隔板156中的冷却剂出口44b。
在如上构成的电池组件140中，沿着图16中所示的流动方向，向第一和第二单电池142和144连续地提供氧化气体、燃料气体和冷却剂。此时，经过挡板158在第一和第二单电池142和144之间形成冷却剂通道54。结果，尤其是可以防止在电池组件140中温度的过高增加。
图17是根据本发明第四实施例的固体聚合物电解质燃料电池组件160的主要部分的分解透视图。在根据第四实施例的电池组件160中，相应于根据图15中所示的第三实施例的电池组件140中的部件由相同的参考标记表示，并省略了对其的重复描述。
包括以箭头A的方向相互层叠的第一单电池162和第二单电池164的电池组件160的特征在于，没有提供设在图15中所示的电池组件140中的氧化气体中间连接孔40。因此，在电池组件160中，如图18所示，燃料气体沿着以相互串联连接的方式分别设在第一和第二单电池162和164中的燃料气体通道56和52流动，氧化气体沿着以单独地即相互并行的方式设在第一和第二单电池162和164中的氧化气体通道46和58流动。也就是说，燃料气体以串联方式提供到第一和第二单电池162和164，氧化气体以并行方式提供到第一和第二单电池162和164。
在此实施例中，由于具有低粘度的燃料气体沿着相互串联连接的燃料气体通道56和52流动，然后气体通道的总长度变得更长，由此给出足够的压降，因此可使所生成的水从朝向燃料气体通道56和52的阳极26a和26b有效地排出。
图19是根据本发明第五实施例的固体聚合物电解质燃料电池组件180的主要部分的分解透视图，图20是表示在电池组件180中的氧化气体、燃料气体和冷却剂流动的示图。在根据第五实施例的电池组件180中，相应于图15中所示的根据第三实施例的电池组件140中的那些部件由相同的参考标记表示，省略了对其的重复描述。
电池组件180包括以箭头A所示方向相互层叠的第一单电池182和第二单电池184。电池组件180在长侧方向的一个边缘部分具有燃料气体入口42a、氧化气体中间连接孔40、燃料气体出口42b和冷却剂中间连接孔186。
在如上构成的电池组件中，如图20所示，冷却剂以箭头A所示方向流过冷却剂入口44a，引入第一和第二中间隔板154和156之间，并以箭头B所示的平面方向沿着设在第二中间隔板156中的冷却剂通道54移动。然后将冷却剂引入到设在第二中间隔板156的长侧方向上的一个边缘部分的冷却剂中间连接孔186，并在由箭头A所示的方向上移动；冷却剂从设在第二中间隔板156中的冷却剂中间连接孔186引到第二隔板152的与设置氧化气体通道58的那一侧相反的表面，并且在第二隔板152的冷却剂出口44b中返回，即排出。
顺便指出，图21象征性地表示出根据第一实施例的电池组件10的通道结构。此图中，构成电池组件10的第一和第二单电池14和16分别由CA和CB表示，氧化气体、燃料气体和冷却剂的通道分别由R1、R2和R3表示。
类似地，图22象征性地表示出根据第三实施例的电池组件140的通道结构；图23象征性地表示出根据第四实施例的电池组件160的通道结构；图24象征性地表示出根据第五实施例的电池组件180的通道结构。因此，通过选择性地相互结合图21-24所示的通道结构，可获得各种不同的通道结构。
下面，参考附图描述通道结构的典型组合。应注意，通过逆转通道的流动方向或者将在右或左侧的通道位置调换为在左或右侧的位置，可以不同地改变通道R1、R2和R3，因此，就省略了这种变化的描述；还应注意，由于在氧化气体通道R1和冷却剂通道R3的组合中可以结合不同的燃料气体通道R2的结构，因此在下述通道组合中，仅示出氧化气体通道R1和冷却剂通道R3的组合，省略了对燃料气体通道R2结构的描述。
图25示出了其中氧化气体通道R1从电池CA向电池CB连续延伸、冷却剂通道R3从在电池CA和CB之间的部分沿着U形线路向电池CB的外部延伸的通道结构。利用这种结构，在电池CA和CB中，朝着平面方向的氧化气体出口温度升高，这样，平衡了在电池CA和CB中的湿度，并且在电池CA和CB的层叠方向上出口侧的电池CB的温度变得更高，结果可以平衡整个电池组件的湿度。
由于氧化气体从电池CA侧连续流向电池CB侧，增加了在电池CA中氧化气体的每单电池流量，因此平衡了沿着电池CA的平面方向的湿度，另外，由于氧化气体流速的增加改善了排水特性，由于压降的增加平衡了氧化气体和燃料气体在电池CA和CB中的分布。此外，由于冷却剂连续流动并以U形返回，冷却剂每单电池的流量变大，因此可以减少电池CA和CB沿平面方向的温升，并且还可以平衡电池CA和CB中的湿度。
图26示出了其中氧化气体通道R1从电池CA沿着U形线路向电池CB延伸、冷却剂通道R3在电池CA和CB之间沿U形线路延伸的通道结构。利用这种结构，可以取得与图25中所示的通道结构相同的效果。
图27示出了其中氧化气体通道R1从电池CA侧向电池CB侧连续延伸和冷却剂通道R3在电池CA侧至电池CB侧之间沿着U形连续延伸的通道结构。利用这种结构，可以取得与图25中所示的通道结构相同的效果。
图28示出了其中氧化气体通道R1从电池CB侧向电池CA侧沿着U形连续延伸、冷却剂通道R3沿着与氧化气体通道R1的U形相反的U形在电池CA和CB之间和电池CB之外延伸的通道结构。利用这种结构，可以取得与图25中所示的通道结构相同的效果。
即使在三电池结构中，氧化气体、燃料气体和冷却剂的流动方向也可以像上述两电池结构那样进行各种变化。
图29示出了具有电池CA、CB和CC的三电池结构的通道结构。在此通道结构中，氧化气体通道R1从电池CA经过电池CB连续延伸到电池CC，燃料气体通道R2从电池CA经过电池CB以与氧化气体通道R1的流动方向相反的方向连续延伸到电池CC。此外，冷却剂通道R3设置在电池CA和CB之间。
在这种通道结构中，由于增加了氧化气体和燃料气体每单电池的流量(flow rate)，因此提高了它的流速和压降，平衡了在电池CA、CB和CC中蒸汽的局部压力。此外，由于在电池CA、CB和CC中氧化气体和燃料气体沿着平面方向相反地流动，因此在氧化气体通道R1出口侧生成的水经过电解质膜反过来在燃料气体通道R2中扩散，从而有效地加湿燃料气体，由此改善了自加湿特性。
图30示出了三电池结构的通道结构，其中，氧化气体通道R1从电池CC经过电池CB向电池CA连续延伸，燃料气体通道R2从电池CA经过电池CB向电池CC连续延伸，冷却剂通道R3从电池CC经过电池CB向电池CA连续曲折延伸。
图31示出了具有电池CA、CB、CC和CD的四电池结构的通道结构。在此通道结构中，氧化气体通道R1按电池CA、CB、CC和CD的顺序连续延伸，燃料气体通道R2按电池CA、CB、CC和CD的顺序以与氧化气体通道R1的流动方向相反的方向连续延伸，冷却剂通道R3在电池CA和CB之间、CB和CC之间和CC和CD之间以与氧化气体通道R1的流动方向相反的方向连续延伸。
利用这种结构，由于增加了氧化气体和燃料气体每单电池的流量，因此提高了它的流速和压降，平衡了在电池CA、CB、CC和CD中蒸汽的局部压力。
图32示出了其中燃料气体侧具有合并结构的三电池结构的通道结构。在这种通道结构中，氧化气体通道R1以电池CC、CB和CA的顺序连续延伸，冷却剂通道R3以与氧化剂通道R1相同的方向曲折地延伸；以在与氧化气体通道R1相反的方向上延伸的方式在电池CA中设置燃料气体通道R2A，以并行于燃料气体通道R2A延伸的方式在电池CB中设置燃料气体通道R2B，以在与氧化气体通道R1的流动方向相同的方向上流动的方式在电池CC中设置燃料气体通道R2A和R2B并入其中的燃料气体通道R2。
以此方式，燃料气体通道R2A和R2B相互并行设置，并且并入燃料气体通道R2。结果，可以有效地提高氢的利用率。应注意，通过使氧化气体侧具有合并结构，可取得相同的效果。
图33示出了其中燃料气体侧具有合并结构的四电池结构的通道结构。在此通道结构中，氧化气体通道R1以电池CD、CC、CB和CA的顺序连续延伸，冷却剂通道R3在与氧化气体通道R1相同的方向上连续延伸；燃料气体通道R2A设置在电池CA中，燃料气体通道R2B设置在电池CB中，燃料气体通道R2C设置在电池CC中，在其中并入了燃料气体通道R2A、R2B和R2C的燃料气体通道R2以与氧化气体通道R1相同方向延伸的方式设置在电池CD中。
利用这种结构，能够取得与由图32所示的三电池结构相同的效果。尤其是，由消耗引起的燃料气体的流量降低大，燃料气体侧所采用的合并结构方便有效地提高了燃料气体的流速，同时方便地增加了氢的利用率。
图34是根据本发明第六实施例的固体聚合物电解质燃料电池组件200的分解透视图，图35是表示在电池组件200中氧化气体、燃料气体和冷却剂的流动的示图。在根据此实施例的电池组件200中，相应于根据第一实施例的电池组件10的部件由相同的参考标记表示，省略了对其的重复描述。
电池组件200包括以箭头A所示方向相互层叠的第一单电池202和第二单电池204。第一单电池202具有第一单体206，第二单电池204具有第二单体208。第一单体206保持在第一隔板210和第一中间隔板212之间，第二单体208保持在第二中间隔板214和第二隔板216之间。第三隔板218层叠到第二隔板216。
电池组件200在长侧方向的一个边缘部分具有分别沿箭头A所示方向穿过电池组件200的氧化气体入口36a、冷却剂中间连接孔220和氧化气体出口36b，在长侧方向的另一边缘部分还具有分别沿箭头A所示方向穿过电池组件200的冷却剂入口44a、氧化气体中间连接孔40、冷却剂出口44b。电池组件200在短侧方向的一个边缘部分上具有分别穿过电池组件200的燃料气体入口42a和燃料气体出口42b，在短侧方向的另一边缘部分还具有沿着由箭头A所示方向穿过电池组件200的燃料气体中间连接孔38。
第二中间隔板214具有多个直线形的冷却剂通道222，这些通道222连接到冷却剂入口44a和第二中间隔板214的冷却剂中间连接孔220。第三隔板218具有多个直线形的冷却剂通道224，这些通道连接到冷却剂中间连接孔220和第三隔板218的冷却剂出口44b。
在如上构成的电池组件200中，在各第一和第二单体206和208中，以相互垂直的方向连续供应氧化气体和燃料气体，结果取得了与第一实施例相同的效果，例如湿度的平衡以及排水特性的改善。
图36是根据本发明第七实施例的固体聚合物电解质燃料电池组件240的分解透视图，图37是表示在电池组件240中氧化气体、燃料气体和冷却剂流动的示图。在根据此实施例的电池组件240中，相应于根据图34所示的第六实施例的电池组件200的那些部件由相同的参考标记表示，省略了对其的重复描述。
电池组件240包括以箭头A所示方向层叠的第一单电池242和第二单电池244。电池组件240在长侧方向的一个边缘部分上具有分别沿箭头A所示方向穿过电池组件240的氧化气体入口36a、冷却剂出口44b、冷却剂入口44a和燃料气体中间连接孔38，在长侧方向的另一边缘部分还具有分别沿箭头A所示方向穿过电池组件240的燃料气体入口42a、冷却剂中间连接孔220和氧化气体中间连接孔40。电池组件240在短侧方向的一个边缘部分上具有分别沿着由箭头A所示方向穿过电池组件240的氧化气体出口36b和燃料气体出口42b。
第一中间隔板212具有沿着朝向第一单体206的阴极24a的表面曲折延伸的氧化气体通道246，第二隔板216具有沿着朝向第二单体208的阴极24b的表面曲折延伸的氧化气体通道248。氧化气体通道246连接到氧化气体入口36a和第一中间隔板212的氧化气体中间连接孔40。氧化气体通道248连接到氧化气体中间连接孔40和第二隔板216的氧化气体出口36b。
如图37所示，第一隔板210具有沿着朝向第一单体206的阳极26a的表面曲折延伸的燃料气体通道250，第二中间隔板214具有沿着朝向第二单体208的阳极26a的表面曲折延伸的燃料气体通道252。燃料气体通道250连接到燃料气体入口42a和第一隔板210的燃料气体中间连接孔38，燃料气体通道252连接到燃料气体中间连接孔38和第二中间隔板214的燃料气体出口42b。
在如上构成的电池组件240中，供应到电池组件240的氧化气体沿着相互串联连接的曲折氧化气体通道246和248流动，供应到电池组件240的燃料气体在相互串联连接的曲折气体通道250和252中流动。因此，可使氧化气体和燃料气体的各气体通道的长度相对更长一些，结果可取得与第一实施例相同的效果，例如湿度的平衡以及在排水特性方面的改善。
虽然已经详细地表示和描述了本发明的特定优选实施方式，但应理解，在不脱离附加权利要求的范围的条件下可以对其进行各种变化和修改。
工业实用性
在根据本发明的固体聚合物电解质燃料电池组件和燃料电池堆中，通过相互层叠多个单电池构成电池组件，设置反应气体通道使得它们的至少一部分在各单电池上相互串联连接，因此，可以容易地平衡湿度，容易地改善排水特性，另外，由于通过相互层叠电池组件组成燃料电池堆，因此可以有效地提高燃料电池堆组件的加工性。
在向根据本发明的燃料电池提供反应气体的方法中，向由各电池组件构成的多个单电池中连续供应反应气体，因此可以增加反应气体的流量、流速和压降，从而有效地改善各单电池的反应性能。

Claims (38)

1.一种固体聚合物电解质燃料电池组件(10)，包括多个相互层叠的单电池(14，16)，所述单电池(14，16)各具有包括阳极(26a，26b)、阴极(24a，24b)以及设置在所述阳极(26a，26b)和所述阴极(24a，24b)之间的固体聚合物电解质膜(22a，22b)的单体(18，20)，
其中，以使至少部分所述反应气体通道(52，56，46，58)在所述单电池(14，16)上相互串联连接的方式在所述电池组件(10)中设置用于使燃料气体和氧化气体的至少一种反应气体在所述单电池(14，16)中流动的反应气体通道(52，56，46，58)。
2.根据权利要求1的固体聚合物电解质燃料电池组件(10)，其中在所述电池组件(10)中至少两个所述单电池(14，16)具有彼此不同的结构。
3.根据权利要求2的固体聚合物电解质燃料电池组件(10)，其中在至少两个所述单电池(14，16)中设置的所述反应气体通道(52，56，46，58)具有彼此不同的横截面。
4.根据权利要求3的固体聚合物电解质燃料电池组件(10)，其中，通过使在所述至少两个单电池(14，16)之一中设置的反应气体通道的深度、宽度或数量与在所述至少两个单电池(14，16)另一个中设置的反应气体通道的深度、宽度或数量不同，从而使得在所述至少两个单电池(14，16)中设置的所述反应气体通道(52，56，46，58)的横截面彼此不同。
5.根据权利要求3或4的固体聚合物电解质燃料电池组件(10)，其中在反应气体流动方向下游侧上的所述反应气体通道(52，58)的所述横截面小于在反应气体流动方向的上游侧上的所述反应气体通道(56，46)的所述横截面。
6.根据权利要求2的固体聚合物电解质燃料电池组件(10)，其中在反应气体流动方向下游侧上的所述反应气体通道(52，58)的长度大于在反应气体流动方向的上游侧上的所述反应气体通道(56，46)的长度。
7.根据权利要求2或6的固体聚合物电解质燃料电池组件(10)，其中在所述至少两个单电池(14，16)中设置的所述反应气体通道(52，56，46，58)具有彼此不同的形状。
8.根据权利要求2的固体聚合物电解质燃料电池组件(10)，其中在所述至少两个单电池(14，16)中设置的所述单体(82，84)彼此不同。
9.根据权利要求8的固体聚合物电解质燃料电池组件(10)，其中在反应气体流动方向下游侧上的所述单体(84)的耐热性高于在反应气体流动方向的上游侧上的所述单体(82)的耐热性。
10.根据权利要求9的固体聚合物电解质燃料电池组件(10)，其中在反应气体流动方向上游侧上的所述单体(82)设置有氟基薄膜；并且
在反应气体流动方向下游侧上的所述单体(84)设置有碳氢基薄膜。
11.根据权利要求1的固体聚合物电解质燃料电池组件(10)，其中隔板(28)插入在相邻的两个所述单体(18，20)之间；所述隔板(28)具有反应气体供应连接孔(36a)和反应气体排放连接孔(36b)，所述反应气体供应连接孔(36a)用于将反应气体供应到在各所述单电池(14，16)中设置的所述反应气体通道(46)，所述反应气体排放连接孔(36b)用于从在各所述单电池(14，16)中设置的所述反应气体通道(46)排放出反应气体。
12.根据权利要求1的固体聚合物电解质燃料电池组件(10)，其中隔板(28)插入在相邻的两个所述单体(18，20)之间，所述隔板(28)由金属板构成，该金属板具有相应于所述反应气体通道形状的凸起和凹陷。
13.根据权利要求12的固体聚合物电解质燃料电池组件(10)，其中所述隔板(32)在朝向一个所述单体(18)的一侧上具有作为反应气体通道的燃料气体通道(56)，在朝向另一个所述单体(20)的一侧上也具有作为所述反应气体通道的氧化气体通道(58)。
14.根据权利要求1的固体聚合物电解质燃料电池组件(10)，其中设置所述反应气体通道(52，56，46，58)使得反应气体沿着相邻两个所述单电池之一(14)的反应平面、在所述单电池的层叠方向上流动、以及在相邻两个所述单电池中另一个(16)的反应平面上流动。
15.根据权利要求14的固体聚合物电解质燃料电池组件(10)，其中所述反应气体通道(52，56，46，58)在所述单电池(14，16)的层叠方向上曲折延伸。
16.根据权利要求1或14的固体聚合物电解质燃料电池组件(10)，其中在沿着所述单电池(14，16)反应平面的所述反应气体通道的燃料气体通道(52，56)中的所述燃料气体的流动方向与在沿着所述单电池(14，16)反应平面的所述反应气体通道的氧化气体通道(46，58)中的所述氧化气体的流动方向相反。
17.根据权利要求1或14的固体聚合物电解质燃料电池组件(10)，其中所述反应气体通道的燃料气体通道(52，56)以串联方式设置在所述多个单电池(162，164)中；和
所述反应气体通道的氧化气体通道(46，58)以并行方式设置在所述多个单电池(162，164)中。
18.根据权利要求1或14的固体聚合物电解质燃料电池组件(10)，其中以沿着所述单电池(14，16)的反应平面直线延伸的方式设置所述反应气体通道的燃料气体通道(52，56)和氧化气体通道(46，58)。
19.根据权利要求14或18的固体聚合物电解质燃料电池组件(10)，其中所述反应气体通道的所述燃料气体通道(52，56)或所述氧化气体通道(46，58)在所述单电池(14，16)的平面一侧上设置有反应气体入口(42a，36a)和反应气体出口(42b，36b)。
20.根据权利要求14或15的固体聚合物电解质燃料电池组件(10)，其中，以在所述单电池(14，16)的层叠方向上延伸的方式为每个所述单电池(14，16)设置连接于所述反应气体通道的中间连接孔(38，40)；以及
所述反应气体通道形成为从所述一个所述单电池(14)的一个反应气体入口(42a，36a)穿过所述中间连接孔(38，40)延伸到另一个所述单电池(16)的反应气体出口(42b，36b)的大致U形流动线路。
21.根据权利要求1的固体聚合物电解质燃料电池组件(10)，其中冷却剂通道(48)在以所述单电池(14，16)的层叠方向位于所述单电池(14，16)两侧上的同时还设置有放入其间的多个所述单电池(14，16)。
22.根据权利要求21的固体聚合物电解质燃料电池组件(10)，其中和在氧化气体流动方向下游侧的所述单电池(16)中设置的氧化气体通道(58)相比，所述冷却剂通道(48)更接近于在氧化气体流动方向上游侧的所述单电池(14)中设置的氧化气体通道(46)。
23.根据权利要求21或22的固体聚合物电解质燃料电池组件(10)，其中在所述单电池(14，16)的一侧上设置连接于所述冷却剂通道(48)的冷却剂入口(44a)和冷却剂出口(44b)。
24.根据权利要求21至23任意一项的固体聚合物电解质燃料电池组件(10)，其中所述冷却剂通道(48)形成大致U形的流动线路：使冷却剂从所述冷却剂入口(44a)流向间隔壁构件(34)的一侧，沿着所述间隔壁构件(34)的一侧流动，经过中间返回部分(50)流向所述间隔壁构件(34)的另一侧，沿着所述间隔壁构件(34)的另一侧以相反方向流动。
25.根据权利要求24的固体聚合物电解质燃料电池组件(10)，其中以沿着所述单电池(14，16)的平面直线延伸的方式设置所述冷却剂通道(48)。
26.一种固体聚合物电解质燃料电池组件(10)，包括多个相互层叠的单电池(14，16)，所述单电池(14，16)各具有包括阳极(26a，26b)、阴极(24a，24b)以及设置在所述阳极(26a，26b)和所述阴极(24a，24b)之间的固体聚合物电解质膜(22a，22b)的单体(18，20)，
其中以所述单电池(14，16)层叠的方向在所述单电池(14，16)的两侧上形成以串联方式相互连接的冷却剂通道(48，54)。
27.一种包括多个电池组件(10)的叠层的燃料电池堆，
其中所述电池组件(10)各包括多个相互层叠的单电池(14，16)，所述单电池(14，16)各具有包括阳极(26a，26b)、阴极(24a，24b)以及设置在所述阳极(26a，26b)和所述阴极(24a，24b)之间的固体聚合物电解质膜(22a，22b)的单体(18，20)；以及
以使至少部分所述反应气体通道(52，56，46，58)在所述单电池(14，16)上相互串联连接的方式在所述电池组件(10)中设置用于使燃料气体和氧化气体的至少一种反应气体在所述单电池(14，16)中流动的反应气体通道(52，56，46，58)。
28.根据权利要求27的燃料电池堆，其中在所述电池组件(10)中至少两个所述单电池(14，16)具有彼此不同的结构。
29.根据权利要求27或28的燃料电池堆，其中仅在相邻的两个所述电池组件(10)之间设置冷却剂通道(48，54)。
30.根据权利要求27或28的燃料电池堆，其中设置在所述燃料电池堆(12)的层叠方向上开口的反应气体供应通道孔(36a，42a)和反应气体排出通道孔(36b，42b)；以及
在所述反应气体供应通道孔(36a，42a)和所述反应气体排出通道孔(36b，42b)之间的流动线路中设置在所述燃料电池堆(12)的层叠方向上开口的中间连接孔(40，38)。
31.根据权利要求30的燃料电池堆，其中，在相邻的两个所述单电池之一(14)的平面上设置的反应气体入口(36a，42a)和在相邻的两个所述单电池另一个(16)的平面上设置的反应气体出口(36b，42b)之间的流动线路中设置各所述中间连接孔(40，38)。
32.根据权利要求30的燃料电池堆，其中设置所述中间连接孔(40，38)以便将在相邻的两个所述电池组件(10)中设置的相邻两个所述单电池(14，16)相互连接起来。
33.根据权利要求30的燃料电池堆，其中设置所述中间连接孔(40，38)以便将仅在一个所述电池组件(10)中设置的相邻两个所述单电池(14，16)相互连接起来。
34.一种包括多个电池组件(10)的叠层的燃料电池堆，
其中所述电池组件(10)各包括多个相互层叠的单电池(14，16)，所述单电池(14，16)各具有包括阳极(26a，26b)、阴极(24a，24b)以及设置在所述阳极(26a，26b)和所述阴极(24a，24b)之间的固体聚合物电解质膜(22a，22b)的单体(18，20)；以及
以所述单电池(14，16)的层叠方向在所述单电池(14，16)的两侧上形成以串联方式相互连接的冷却剂通道(48，54)。
35.一种向固体聚合物电解质燃料电池组件(10)供应反应气体的方法，该组件(10)包括多个相互层叠的单电池(14，16)，所述单电池(14，16)各具有包括阳极(26a，26b)、阴极(24a，24b)以及设置在所述阳极(26a，26b)和所述阴极(24a，24b)之间的固体聚合物电解质膜(22a，22b)的单体(18，20)，其中以使至少部分所述反应气体通道(52，56，46，58)在所述单电池(14，16)上相互串联连接的方式在所述电池组件(10)中设置用于使燃料气体和氧化气体的至少一种反应气体在所述单电池(14，16)中流动的反应气体通道(52，56，46，58)，
所述方法包括步骤：
将反应气体从反应气体供应连接孔(42a，36a)以并行方式提供到在单电池(14，16)中的多个反应气体通道(52，56，46，58)，使在反应气体通道(52，56，46，58)中流动的反应气体进行电池反应；以及
将废反应气体排出到反应气体排出连接孔(42b，36b)。
36.根据权利要求35供应反应气体的方法，其中在将用于电池反应的反应气体流动方向的上游侧上的所述单电池(14)中引入反应气体，然后在将用于电池反应的反应气体流动方向的下游侧上的所述单电池(16)中经过中间连接孔(40，38)引入反应气体。
37.根据权利要求35或36供应反应气体的方法，其中在反应气体流动方向的最上游侧的所述单电池(14)中引入用于在全部所述电池组件(10)中的反应所需要量的反应气体。
38.根据权利要求36供应反应气体的方法，其中反应气体是氧化气体；并且
在冷却剂通道(48)中提供冷却剂，和在氧化气体流动方向的下游侧上的所述单电池(16)中设置的氧化气体通道(58)相比，该冷却剂通道更接近于在氧化气体流动方向的上游侧上的所述单电池(14)中设置的氧化气体通道(46)。
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