CN1503999A - 燃料电池堆及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池堆(10)，包括在氧化气体的流动方向上设置的第一子叠层(12)、第二子叠层(14)和第三子叠层(16)。在第一和第二子叠层(12，14)之间插入中间板(18a)，在第二和第三子叠层(14，16)之间插入中间板(18b)。在此燃料电池堆(10)中，将氧化气体的流动设置为氧化气体在从第一子叠层(12)到第三子叠层(16)的方向上连续流动。在子叠层之间设置附加的氧化气体供应线(70，74)，通过该供应线提供湿度低于进入第一子叠层的氧化气体湿度的氧化气体。这种设置有效控制氧化气体的加湿水含量，在避免了电池堆中水蒸汽的过多冷凝的同时使固体聚合物膜充分润湿。

Description

燃料电池堆及其工作方法
技术领域
本发明涉及包括多个彼此层叠的单电池的燃料电池堆，其中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，以及使燃料电池堆工作的方法。
背景技术
通常，固体聚合物电解质燃料电池(PEFC)包括通过将单体(膜电极组件)保持在隔板(双极板)之间所形成的单电池(单发电元件)。通过将阳极和阴极设置在由聚合物离子交换膜(阳离子交换膜)构成的电解质膜的两侧上，从而形成单体。通过将以贵金属为基础的催化剂电极层连接在主要由碳制成的基底构件上，从而形成各阴极和阳极。通常以由特定数量的单电池的叠层构成的燃料电池堆的形式使用固体聚合物电解质燃料电池。
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，由这一电池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，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，使得氢离子、电子和氧彼此反应，从而在阴极上产生水。
顺便指出，在上述燃料电池堆中，如果电解质膜变干，就不能持续进行高输出密度的工作，因此，电解质膜必须适当地加湿。为此，已经采用了各种加湿方法，例如，通过在燃料电池堆外部设置的加湿器如起泡器来加湿反应气体(燃料气体/氧化气体)的外部加湿方法，从而将水供应到各单体中，由此加湿单体的电解质膜；通过在单电池中设置加湿器(加湿结构)来加湿电解质膜的内部加湿方法；以及作为一种内部加湿方法的自加湿方法，该方法利用由在电解质膜中的电化学反应产生的水来加湿电解质膜。
然而，上述外部加湿方法存在以下问题：由于附加加湿器设置在燃料电池堆的外部，因此整个燃料电池堆的尺寸变大，由此增加了燃料电池堆所占空间；并且随着燃料电池堆负载量的迅速增加，不能充分地保持加湿器的连续特性。
上述内部加湿方法通常以下述步骤进行：在电解质膜中埋入水吸收线；水从阳极侧经过水渗透板扩散；或者使水吸收线与电解质膜的阳极侧上的部分接触。但这种方法存在以下问题：如果由于某些原因加湿变得不充分了，不能适当地弥补此不利状态。
上述自加湿方法通常通过以下步骤进行：将铂的细颗粒分散在电解质膜中；以及通过在从阳极和阴极透过的氢气和氧气之间的反应在电解质膜中产生水；或者将电解质膜的厚度制得非常薄，以扩散在阴极侧上产生的水，由此将水供应到阳极侧。然而，根据这种方法，由于必须制备特定的电解质膜，因此增加了制造成本，另外，很难获得能够充分展现所需特性的电解质膜。
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燃料电池堆和使该燃料电池堆工作的方法，该燃料电池堆能够在不采用任何特殊的加湿装置的条件下可靠地获得所需要的加湿状态，并且有效地产生电能。
发明概述
根据权利要求1描述的燃料电池堆和权利要求10描述的使燃料电池堆工作的方法，设置由第一和第二子叠层构成的至少两个子叠层，各子叠层具有多个彼此层叠的单电池。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。各单电池还具有用于供应和排放作为反应气体的燃料气体和氧化气体的至少一种的供应通道和排放通道。此外，在反应气体的供应方向上的上游侧设置的第一子叠层中的排放通道以串联方式连接到在反应气体的供应方向上的下游侧设置的第二子叠层中的供应通道。
燃料电池堆及其工作方法的特征在于：在第一子叠层中经过供应通道提供利用对于使第一子叠层工作所需量的水加湿的反应气体，在第二子叠层中独立于第二子叠层的该供应通道提供湿度低于供应到第一子叠层的加湿反应气体的湿度的反应气体。
利用这种结构，能够利用在第一子叠层中产生的水加湿低湿度反应气体，能够在第二子叠层中提供由此加湿的反应气体。结果，可以有效地减少供应到整个燃料电池堆的加湿水的量，由此使加湿结构最小化。也就是说，由于加湿水的量减少了，可以使外部加湿器最小化，可以消除或最小化内部加湿机构。
可在第一子叠层中的排放通道连接到第二子叠层中的供应通道的位置设置中间板，其中中间板可具有用于将附加的反应气体供应通道连接到在第二子叠层中的供应通道的连接部分(权利要求2)。利用这种结构，可以简化在第一和第二子叠层之间的管路，由此使整个燃料电池堆最小化，缩短管路的长度，由此防止在管路中出现结露冷凝。
通过中间板的上述连接部分能够在第二子叠层中的供应通道中提供湿度低于供应到第一子叠层的加湿反应气体的湿度的反应气体(权利要求11)。利用这种结构，即使在第二子叠层中提供低湿度反应，也可以将第二子叠层中的湿度充分保持在高值。结果，可以均匀地保持电流密度分布，由此改善了发电性能和耐久性。
构成第二子叠层的各单电池具有其中附加的反应气体供应通道连接到在第二子叠层中的供应通道的混合部分，其中混合部分适合于将已经用于反应的反应气体残留物与低湿度反应气体混合并将混合物提供到构成第二子叠层的各单电池的单体(权利要求3和12)。利用这种结构，可以使一个单电池的湿度等于另一单电池的湿度，因此均匀地保持在第二子叠层中的湿度分布。
反应气体可以是氧化气体，构成第二子叠层的单元的数量大于构成第一子叠层的单电池的数量(权利要求4和13)。利用这种结构，可以进一步减少供应到整个燃料电池堆的反应气体中所含的加湿水的量，从而提高反应气体的利用率。
根据权利要求14描述的使燃料电池堆工作的方法，在第一子叠层中提供利用对于使第一子叠层工作所需量的水加湿的氧化气体，所述第一子叠层所包括的单电池数量小于在第二子叠层中的单电池数量，并且所述氧化气体从在第一子叠层中的排放通道释放到第二子叠层中的供应通道。同时，由于通过在第一子叠层中的反应来提供水，因此能够充分地加湿在第二子叠层中提供的低湿度氧化气体。结果，可以有效地减少供应到整个燃料电池堆的加湿水的量。
根据权利要求15描述的使燃料电池堆工作的方法，经由供应通道在第一子叠层中提供利用对于使第一子叠层工作所需量的水加湿的燃料气体，并将该燃料气体从第一子叠层中的排放通道释放到第二子叠层的供应通道，所述第二子叠层包含的单电池数量等于或小于第一子叠层的单电池的数量。此时，由于在没有减少加湿水量的条件下在第二子叠层中提供含在第一子叠层提供的燃料气体中的水，因此可以减少在提供到整个燃料电池堆的燃料气体中所含的加湿水量，并可以减少燃料气体的总量。
根据权利要求16描述的使燃料电池堆工作的方法，氧化气体从第一子叠层供应到第二子叠层，燃料气体从第二子叠层供应到第一子叠层，使得用于加湿氧化气体和燃料气体的水量最小化。利用这种结构，可以进一步减少供应到整个燃料电池堆的加湿水量，从而提高氧化气体和燃料气体的利用率。
根据权利要求5中描述的燃料电池堆和权利要求17中描述的使燃料电池堆工作的方法，设置多个彼此层叠的单电池。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。在单体的各反应表面上设置用于提供作为反应气体的燃料气体和氧化气体的至少一个的供应通道。
在燃料电池堆及其工作方法中，将单体的至少一个反应表面分成在反应气体的供应方向的上游侧上设置的并连接到供应通道的第一反应表面和在反应气体的供应方向的下游侧上设置的至少一个第二反应表面，其中将利用在第一反应表面上的反应所需量的水加湿的反应气体供应到第一反应表面，湿度低于供应到第一反应表面的加湿反应气体的反应气体独立于该供应通道提供到第二反应表面。利用这种结构，能够采用在第一反应表面上产生的水加湿第二反应表面。结果，可以有效地减少加湿水量，因此使包括外部加湿装置和内部加湿机构的加湿机构最小化。
以从第一反应表面向第二反应表面延伸的方式设置迂回曲折的反应通道，在迂回曲折反应气体通道的返回部分设置用于将该反应气体通道连接到附加反应气体供应通道的连接部分(权利要求6)。此时，可以将第二反应表面的面积设置成大于第一反应表面的面积(权利要求7和18)。利用这些结构，可以进一步减少供应到整个燃料电池堆的加湿水量，从而提高反应气体的利用率。
根据权利要求8描述的燃料电池堆，经由供应通道在第一子叠层中提供利用使第一子叠层工作所需量的水加湿的反应气体，独立于该供应通道在第二子叠层中提供湿度小于在第一子叠层中提供的反应气体的湿度的反应气体。另一方面，将单体的至少一个反应表面分成在反应气体的供应方向的上游侧上设置的并连接到供应通道的第一反应表面和在反应气体的供应方向的下游侧上设置的至少一个第二反应表面，其中在第一反应表面中提供利用在第一反应表面上的反应所需量的水加湿的反应气体，在第二反应表面中独立于该供应通道提供湿度低于在第一反应表面中提供的反应气体湿度的反应气体。利用这种结构，可以有效地减少加湿水量，因此缩小加湿结构。
部分废反应气体可以返回到燃料电池堆的反应气体入口侧(权利要求9和19)。利用这种结构，可以通过使在废反应气体中所含的水循环来加湿整个燃料电池堆，因此没有加湿、容易地进行工作。
当结合以示意性实施例的方式表示本发明的优选实施方式的附图时，通过下面的描述，本发明的上述和其它目的、特点和优点将更为明显。
附图的简要说明
图1是根据本发明第一实施例的燃料电池堆的主要部分的示意性分解透视图。
图2是图1所示的燃料电池堆的电池组件的分解透视图。
图3是描述图2所示的燃料电池堆中的氧化气体、燃料气体和冷却剂的流动的示图。
图4是图2所示的电池组件的第一隔板的前视图。
图5是图1所示的燃料电池堆的另一电池组件的分解透视图。
图6是描述图1所示的燃料电池堆中氧化气体的流动的示图。
图7是图1中所示的一个中间板的前视图。
图8是图1所示的另一中间板的前视图。
图9是其中组装了图2中所示的燃料电池堆的燃料电池系统的结构示意图。
图10是根据本发明第二实施例的燃料电池结构的示意图。
图11是一个单电池的分解透视图。
图12是另一个单电池的分解透视图。
图13是根据本发明第三实施例的燃料电池堆的结构示意图。
图14是根据本发明第四实施例的燃料电池堆的第一子叠层的主要部分的分解透视图。
图15是图14所示的燃料电池堆的第二子叠层的主要部分的分解透视图。
图16是根据本发明第五实施例的燃料电池堆的单电池的主要部分的分解透视图。
图17是图16所示的单电池的第二隔板的示意性前视图。
图18是根据本发明第六实施例的燃料电池堆的单电池的主要部分的前视图。
图19是根据本发明第七实施例的燃料电池堆的示意性示图。
本发明的最佳实施方式
图1是根据本发明第一实施例的燃料电池堆10的主要部分的示意性分解透视图。
燃料电池堆10包括第一子叠层12、第二子叠层14、和第三子叠层16，它们在反应气体如氧化气体的流动方向(由箭头X表示)上设置。在第一和第二子叠层12和14之间插入中间板18a，在第二和第三子叠层14和16之间插入中间板18b。以X方向相互层叠特定数量的电池组件20a，从而形成第一子叠层12；以X方向相互层叠特定数量的电池组件20b，从而形成第二子叠层14；以及以X方向相互层叠特定数量的电池组件20c，从而形成第三子叠层16。应注意，在第一实施例中将燃料气体的流动方向设置成相反于氧化气体的流动方向；但也可以设定为与氧化气体的流动方向一致。
如图2所示，通过相互层叠第一单电池24和第二单电池26，形成了各电池组件20a和20c。第一单电池24包括第一单体28，第二单电池26包括第二单体30。
第一单体28具有固体聚合物电解质膜32a、阴极34a和阳极36a，电解质膜32a设置在阴极34a和阳极36a之间。第二单体30具有固体聚合物电解质膜32b、阴极34b和阳极36b，电解质膜32b设置在阴极34b和阳极36b之间。通过在主要由碳制成的基底构件上形成以贵金属为基础的催化剂电极层和在催化剂电极层的表面上形成由多孔碳纸表示的多孔气体扩散层，由此获得各阴极34a和34b和阳极36a和36b。
如图2和3所示，在第一单体28的阴极34a侧上设置第一隔板38，在第二单体30的阳极36b侧上设置第二隔板40。在第一和第二单体28和30之间设置中间隔板42。在各第一和第二隔板38和40的外侧上设置薄壁板44。
如图2所示，第一和第二单体28和30、第一和第二隔板38和40、和中间隔板42在其一个边缘部分的长侧方向上各具有氧化气体供应通道孔(反应气体供应通道孔)46a、氧化气体排放通道孔(反应气体排放通道孔)46b、低湿度氧化气体供应通道孔(附加反应气体供应通道孔)47、以及燃料气体中间连接孔48。各氧化气体供应通道孔46a和氧化气体排放通道孔46b允许氧化气体(反应气体)例如含氧气体或空气经过。低湿度氧化气体供应通道孔47允许湿度低于供应到氧化气体供应通道孔46a的加湿氧化气体的湿度的氧化气体经过。燃料气体中间连接孔48允许燃料气体(反应气体)例如含氢气体经过。在电池组件28、30、38、40和42中设置的氧化气体供应通道孔46a(氧化气体排放通道孔46b、低湿度氧化气体供应通道孔47、以及燃料气体中间连接孔48)以第一和第二单电池24和26的层叠方向(由箭头A表示)相互连接。
第一和第二单体28和30、第一和第二隔板38和40、和中间隔板42在其另一边缘部分的长侧方向上各具有氧化气体中间连接孔50、燃料气体供应通道孔(反应气体供应通道孔)52a、燃料气体排放通道孔(反应气体排放通道孔)52b、低湿度燃料气体供应通道孔(附加反应气体供应通道孔)53、冷却剂供应通道孔54a和冷却剂排放通道孔54b。氧化气体中间连接孔50允许氧化气体经过。各燃料气体供应通道孔52a和燃料气体排放通道孔52b允许燃料气体经过。低湿度燃料气体供应通道孔53允许湿度低于供应到燃料气体供应通道孔52a的加湿燃料气体的湿度的燃料气体经过。各冷却剂供应通道孔54a和冷却剂排放通道孔54b允许冷却剂经过。在电池组件28、30、38、40和42中设置的氧化气体中间连接孔50(燃料气体供应通道孔52a、燃料气体排放通道孔52b、低湿度燃料气体供应通道孔53、冷却剂供应通道孔54a和冷却剂排放通道孔54b)以A方向相互连接。
第一隔板38由金属薄板形成。第一隔板38朝向第一单体28反应面(发电面)的表面形成为凸凹的形状，例如波纹状。如图4所示，第一隔板38在朝向第一单体28的阴极34a的一侧上具有多个在长侧方向上直线延伸的氧化气体通道(反应通道)56(由箭头B所示)。氧化气体通道56的一端连接到氧化气体供应通道孔46a，它的另一端连接到氧化气体中间连接孔50。
如图2和3所示，第一隔板38在朝向壁板44的一个表面的侧面上具有多个在长侧方向B上直线延伸的冷却剂通道58。冷却剂通道58的一端连接到冷却剂供应通道孔54a，它的另一端借助在壁板44中形成的或在分隔构件中形成的作为中间返回部分的孔部分60、经由壁板44的另一表面侧连接到冷却剂排放通道孔54b。
以与第一隔板38大致相同的方式构成第二隔板40。第二隔板40在朝向第二单体30的阳极36b的一侧上具有多个在长侧方向B上直线延伸的燃料气体通道(反应气体通道)62。燃料气体通道62的一端连接到燃料气体中间连接孔48，它的另一端连接到燃料气体排放通道孔52b。
以与各第一和第二隔板38和40大致相同的方式构成中间隔板42。中间隔板42在朝向第一单体28的阳极36a的一侧上具有多个在长侧方向B上直线延伸的燃料气体通道(反应气体通道)66。燃料气体通道66的一端连接到燃料气体排放通道孔52b，它的另一端连接到燃料气体中间连接孔48。
如图3所示，中间隔板42在朝向第二单体30的阴极34b的一侧上具有多个在长侧方向B上直线延伸的氧化气体通道(反应气体通道)68。氧化气体通道68的一端连接到氧化气体中间连接孔50，它的另一端连接到氧化气体排放通道孔46b。
如图5所示，以与各电池组件20a和20c大致相同的方式构成电池组件20b。在电池组件20b中，用相同的参考标记表示对应于在各电池组件20a和20c中示出部件的那些部件，省略了对其的重复描述。
电池组件20b具有氧化气体供应通道孔(反应气体供应通道孔)46c和氧化气体排放通道孔(反应气体排放通道孔)46d。氧化气体供应通道孔46c串联连接到电池组件20a的氧化气体排放通道孔46b，氧化气体排放通道孔46d串联连接到电池组件20c的氧化气体供应通道孔46a。如图6所示，低湿度氧化气体提供到在电池组件20a、20b和20c中形成的低湿度氧化气体供应通道孔47，并且经过中间板18a的连接路径(连接部分)70提供到电池组件20b的氧化气体供应通道孔46c，并且还经过中间板18b的连接路径(连接部分)74提供到电池组件20c的氧化气体供应通道孔46a。
类似地，电池组件20b具有燃料气体供应通道孔(反应气体供应通道孔)52c和燃料气体排放通道孔(反应气体排放通道孔)52d。燃料气体供应通道孔52c串联连接到电池组件20c的燃料气体排放通道孔52b，燃料气体排放通道孔52d串联连接到电池组件20a的燃料气体供应通道孔52a。
如图7所示，中间板18a在长侧方向上的一个边缘部分具有氧化气体供应通道孔46e和46f和低湿度氧化气体供应通道孔47。连接到电池组件20a的氧化气体排放通道孔46b和电池组件20b的氧化气体供应通道孔46c的氧化气体供应通道孔46e经过连接路径70连接到低湿度氧化气体供应通道孔47。
中间板18a在长侧方向上的另一边缘部分具有冷却剂供应通道孔54a、冷却剂排放通道孔54b、低湿度燃料气体供应通道孔53和燃料气体通道孔52e和52f。连接到电池组件20a的燃料气体供应通道孔52a的燃料气体通道孔52e经过连接路径(连接部分)72连接到低湿度燃料气体供应通道孔53。
如图8所示，以与中间板18a大致相同的方式构成中间板18b。连接到电池组件20c的氧化气体供应通道孔46a的氧化气体供应通道孔46f经过连接路径(连接部分)74连接于低湿度氧化气体供应通道孔47；连接到电池组件20b的燃料气体供应通道孔52c的燃料气体通道孔52f经过连接路径(连接部分)76连接到低湿度燃料气体供应通道孔53。
图9是其中组装了上述构造的燃料电池堆10的燃料电池系统80的结构示意图。
燃料电池系统80包括用于压缩空气并将压缩空气提供到燃料电池堆10的压缩机82。主供应线84和附加供应线86连接到压缩机82的出口侧。主供应线84经过加湿器88连接到第一子叠层12的氧化气体供应通道孔46a，附加供应线86经过加湿器90连接到低湿度氧化气体供应通道孔47。可将加湿器90构造成具有比较小的加湿能力，此外，还可以根据需要设置。
联系本发明的工作方法描述具有上述结构的燃料电池堆10的工作情况。
如图9所示，通过燃料电池系统80的压缩机82的工作，在主供应线84中压-送氧化气体例如空气或含氧气体。在加湿器88中将由此压-送的氧化气体的湿度调节为特定值。然后，在燃料电池堆10中提供氧化气体。另一方面，在将湿度调节为特定值之后，通过供应机构(未示出)、沿着与氧化气体的流动方向相反的方向在燃料电池堆10中提供燃料气体例如含氢气体。
在燃料电池堆10中，在构成第一子叠层12的电池组件20a的氧化气体供应通道孔46a中提供氧化气体，同时燃料气体供应到构成第三子叠层16的电池组件20c的燃料气体供应通道孔52a(参见图1)。此外，在冷却剂供应通道孔54a中提供冷却剂，如纯水、乙二醇或油。
结果，通过在催化层中发生的催化反应消耗了提供到阴极34a的氧化气体和提供到阳极36a的燃料气体，由此产生电能，在第二单体30中，通过在催化层中发生的催化反应消耗了提供到阴极34b的氧化气体和提供到阳极36b的燃料气体，由此产生电能(参见图3)。
在此情况下，根据第一实施例，在第一子叠层12中提供带有第一子叠层工作所需量的水分的氧化气体(具体而言，以特定量预先加湿氧化气体)。结果，在构成第一子叠层12的电池组件中提供了反应所需量的加湿氧化气体，可以有效地在第一子叠层12中进行所需要的反应(产生电能)。
在电池组件20a中生成水。所生成的水通过电池组件20a的氧化气体排放通道孔46b以X方向移动并引入构成第二子叠层14的电池组件20b的氧化气体供应通道孔46c。在此情况下，如上所述，在第一和第二子叠层12和14之间插入中间板18a。在中间板18a中，连接到电池组件20a的氧化气体排放通道孔46b的氧化气体供应通道孔46e经过连接路径70连接到低湿度氧化气体供应通道孔47。
因此，经由附加供应线路86在氧化气体供应通道孔46e中提供低湿度氧化气体。利用穿过电池组件20a的氧化气体排放通道孔46b移动的生成水加湿低湿度氧化气体，并在电池组件20b的氧化气体供应通道孔46c中提供上述氧化气体。结果，在第二子叠层中14中，加湿后的氧化气体积极地提供到各电池组件20b，从而进行所需要的反应。
通过在电池组件20b中的反应生成水，并且将所生成的水排放到氧化气体排放通道孔46d。在这种情况下，如上所述，在中间板18b中，第三子叠层16的氧化气体供应通道孔46a经过连接路径74连接到低湿度氧化气体供应通道孔47。结果，低湿度氧化气体由所生成的水充分地加湿并在第三子叠层16的氧化气体供应通道孔46a中供应。
同时，像上述氧化气体一样，在第三子叠层16中提供利用使第三子叠层16工作所需量水加湿的燃料气体(具体而言，以特定量预先加湿燃料气体)。在燃料气体中预先含有的加湿用的水当其位于各第一和第二单体28和30时在燃料气体排放通道孔52b中排放，并在第二子叠层14中移动，从而加湿由低湿度燃料气体供应通道孔53提供的低湿度燃料气体。然后在第二子叠层14中提供由此加湿的低湿度燃料气体。
根据第一实施例，仅提供用于加湿在第一子叠层12中的反应所需的氧化气体所用量的水和用于加湿在第三子叠层16中的反应所需的燃料气体所用量的水就足够了。实际上，和在相关技术的燃料电池工作中需要的水量相比，根据第一实施例，用于加湿燃料气体所用的水量可以减少62％。结果，可以明显地减少在整个燃料电池堆10中提供的用于加湿的水量，因此显著地缩小了加湿结构。
图10是根据本发明第二实施例的燃料电池堆100的结构的示意图。在燃料电池堆100中，与在根据第一实施例的燃料电池堆10中所示的那些部件相对应的部件由相同的参考标记表示，并省略了对其的重复描述。
燃料电池堆100包括第一子叠层102和第二子叠层104。第一子叠层102具有特定量的例如78片以流动方向(由箭头X表示)相互层叠的单电池106，第二子叠层104具有特定量的例如122片以流动方向X相互层叠的单电池108。为了在第二子叠层104(或第一子叠层102)中提供低湿度氧化气体和低湿度燃料气体，在第一和第二子叠层102和104中提供低湿度反应气体供应通道孔(未示出)。此外，在第一和第二子叠层102和104之间，氧化气体通道孔彼此串联连接，燃料气体通道孔彼此串联连接。
如图11所示，单电池106包括单体110a和其间设置有单体110a的第一隔板112a和第二隔板114a。单电池106在长侧方向(由箭头B表示)的一个边缘侧上具有氧化气体供应通道孔46a、冷却剂供应通道孔54a和燃料气体排放通道孔52b，在长侧方向上的另一边缘侧上还具有燃料气体供应通道孔52a、冷却剂排放通道孔54b和氧化气体排放通道孔46b。
第一隔板112a在朝向阴极34a的表面中具有多个氧化气体通道116a。氧化气体供应通道116a在其一端连接到氧化气体供应通道孔46a，以在长侧方向上往复运动的方式迂回曲折，并在其另一端连接到氧化气体排放通道孔46b。像第一隔板112a那样，第二隔板114a在朝向阳极36a侧的表面上具有迂回曲折的燃料气体通道(未示出)，该通道一端连接到燃料气体供应通道孔52a，另一端连接燃料气体排放通道孔52b。
如图12所示，单电池108包括单体110b以及第一隔板112b和第二隔板114b。单电池108具有氧化气体供应通道孔46a、氧化气体排放通道孔46b、燃料气体供应通道孔52a和燃料气体排放通道孔52b，它们分别在相对于单电池106的氧化气体供应通道孔46a、氧化气体排放通道孔46b、燃料气体供应通道孔52a和燃料气体排放通道孔52b所在位置的位置处设置。在第一隔板112b中设置的氧化气体通道116b从氧化气体供应通道孔46a迂回到氧化气体排放通道孔46b。
下面描述具有上述结构的燃料电池堆100的工作状况。应注意，仅针对氧化气体侧进行描述。
以预先加湿的状态在第一子叠层102中提供使第一子叠层102(78片电池)工作所需量的氧化气体。在第一子叠层102中，将氧化气体的入口侧湿度设为65％；氧化气体的利用率设为0.5；氧的分压设为36kPa。
在第一子叠层102中，在第一隔板112a的氧化气体通道116a中提供氧化气体，该氧化气体在迂回流向氧化气体排放通道孔46b的同时被阴极34a消耗，由此产生电能。此时，通过反应生成水，在氧化气体排放通道孔46b中放出所生成的水。在第二子叠层104的连接于第一子叠层102的氧化气体排放通道孔46b的氧化气体供应通道孔46a中引入所产生的水，同时经过低湿度氧化气体供应通道孔(未示出)在氧化气体供应通道孔46a中提供低湿度氧化气体。
这里，将低湿度氧化气体的流速设为85片电池反应所需的值，低湿度氧化气体的利用率设为1/1.4。在第二子叠层104中提供由生成的水所加湿的低湿度氧化气体。在第二子叠层104中，将氧化气体的入口侧湿度设为65％；氧化气体的利用率设为0.5；氧的分压设为26kPa。
根据第二实施例，仅通过提供对于加湿78片电池所需的水量，就可以按需要加湿整个燃料电池堆100(200片电池)，因此很容易地缩小加湿结构。此外，可以利用1/1.63的总利用率使200片电池工作，因此有效地提高了利用率。
图13是根据本发明第三实施例的燃料电池堆120的结构示意图。在燃料电池堆120中，由相同的参考标记表示与根据第二实施例的燃料电池堆100中所示的那些部件相对应的部件，并省略了重复描述。
燃料电池堆120包括第一子叠层102、第二子叠层104和第三子叠层122。第一子叠层102具有特定数量例如41片以X方向相互层叠的单电池106；第二子叠层104具有特定数量例如65片以X方向相互层叠的单电池108；第三子叠层122具有特定数量例如94片以X方向相互层叠的单电池106。在第一和第二子叠层102和104之间以及在第二和第三子叠层104和122之间插入用于将低湿度氧化气体和燃料气体提供到供应通道孔的中间板(未示出)，此外，在相邻的两个第一、第二和第三子叠层102、104和122之间，氧化气体通道孔以串联方式彼此连接，燃料气体通道孔也以串联方式彼此连接。
在燃料电池堆120中，以预先加湿的状态在第一子叠层102中提供使第一子叠层102(41片电池)工作所需量的氧化气体。在第一子叠层102中，将氧化气体的入口侧湿度设为65％；氧化气体的利用率设为0.5；氧的分压设为36kPa。
随后，在第二子叠层104中提供46片电池反应所需量的低湿度氧化气体(利用率：1/1.4)。通过由第一子叠层102放出的生成水加湿低湿度氧化气体，并引入第二子叠层104。此外，在第三子叠层122中提供61片电池反应所需量的低湿度氧化气体(利用率：1/1.3)。
在第二子叠层104中，氧化气体的入口侧湿度设为65％；氧化气体的利用率设为0.5；氧的分压设为26kPa。在第三子叠层122中，氧化气体的入口侧湿度设为65％；氧化气体的利用率设为0.5；氧的分压设为21kPa。
根据第三实施例，仅提供用于加湿41片电池所需量的水，就可以按需要加湿整个燃料电池堆120(200片电池)，可以使200片电池以1/1.47的总利用率进行工作。结果，可以获得类似于第二实施例的效果。
图14是根据本发明第四实施例在燃料电池堆的上游侧上设置的第一子叠层140的主要部分的分解透视图；图15是图14中所示的燃料电池堆的下游侧上设置的第二子叠层142的分解透视图。在第一和第二子叠层140和142中，由相同的参考标记表示与在根据第二实施例的燃料电池堆100的子叠层中示出的那些部件相对应的部件，省略了对其的重复描述。
如图14所示，第一子叠层140包括单电池144。单电池144在长侧方向(由箭头B表示)的一个边缘侧上具有氧化气体供应通道孔46a、冷却剂供应通道孔54a、低湿度燃料气体供应通道孔53和燃料气体排放通道孔52b，并且在长侧方向B的另一边缘侧上还具有燃料气体供应通道孔52a、冷却剂排放通道孔54b、低湿度氧化气体供应通道孔47和氧化气体排放通道孔46b。
如图15所示，第二子叠层142包括单电池146。在此单电池146中，氧化气体供应通道孔46a经过连接路径(混合部分)148连接到低湿度氧化气体通道孔47。
根据按如上所述构成的第四实施例，在构成第二子叠层142的各电池146中，低湿度氧化气体从低湿度氧化气体供应通道孔47经过连接路径148提供到氧化气体供应通道孔46a。在氧化气体通道116b中提供由从第一子叠层140放出的生成水加湿过的低湿度氧化气体。
因此，在第二子叠层142中，由于在各单电池146中提供低湿度氧化气体或未加湿的氧化气体，可以明显地减少用于加湿整个燃料电池堆所用的水量，因此获得了与第一、第二和第三实施例类似的效果。
在第一至第四实施例中，在各子叠层或各电池中提供低湿度氧化气体；然而，这种结构可以由下述结构代替：将各反应平面分成两部分，在反应平面的一个分开部分中提供低湿度氧化气体。本发明的下述第五实施例中描述了这种情况。图16是根据本发明第五实施例的燃料电池堆的单电池150的主要部分的分解透视图。在单电池150中，由相同的参考标记表示与在根据图10所示的第二实施例的燃料电池堆100的单电池106中示出的那些部件相对应的部件，省略了对其的重复描述。
单电池150包括单体152和将单体152设置其间的第一隔板154和第二隔板156。单电池150在长侧方向(由箭头B表示)的一个边缘侧上具有氧化气体供应通道孔46a、低湿度燃料气体供应通道孔(附加反应气体供应通道孔)158、冷却剂供应通道孔54a和燃料气体排放通道孔52b，并且在长侧方向的另一侧上具有燃料气体供应通道孔52a、低湿度氧化气体供应通道孔(附加反应气体供应通道孔)160、冷却剂排放通道孔54b和氧化气体排放通道孔46b。
第一隔板154在朝向阴极34a的氧化气体供应表面中具有多个氧化气体通道116a。氧化气体通道116a经过连接部分162连接到低湿度氧化气体供应通道孔160。第一隔板154的氧化气体供应表面分为在上游侧上的第一氧化气体供应表面164和在下游侧上的第二氧化气体供应表面166。从氧化气体供应通道孔46a伸出的第一氧化气体供应表面164连续到低湿度氧化气体供应通道孔160，从低湿度氧化气体供应通道孔160伸出的第二氧化气体供应表面166连续到氧化气体排放通道孔46b。第二氧化气体供应表面166的面积大于第一氧化气体供应表面164的面积。
如图17所示，第二隔板156在朝向阳极36a的燃料气体供应表面中具有迂回曲折的燃料气体通道116c，该通道的一端连接于燃料气体供应通道孔52a，另一端连接于燃料气体排放通道孔52b。燃料气体通道116c经过连接部分168连接到低湿度燃料气体供应通道孔158。第二隔板156的燃料气体供应表面分为在上游侧上的第一燃料气体供应表面170和在下游侧上的第二燃料气体供应表面172。从燃料气体供应通道孔52a伸出的第一燃料气体供应表面170连续到低湿度燃料气体供应通道孔158，从低湿度燃料气体供应通道孔158伸出的第二燃料气体供应表面172连续到燃料气体排放通道孔52b。第二燃料气体供应表面172的面积大于第一燃料气体供应表面170的面积。
根据上述构成的第五实施例，仅向第一氧化气体供应表面164提供利用对于在第一氧化气体供应表面164上的反应所需量的水加湿的氧化气体就足够了。也就是说，因为利用由反应产生的水加湿氧化气体，所以能够免除对于加湿在第二氧化气体供应表面上流动的氧化气体的水的供应。因此，可以有效地减少用于加湿氧化气体的水量，因此容易地缩小加湿结构。对于燃料气体，和氧化气体一样，仅向第一燃料气体供应表面170提供利用对于在第一燃料气体供应表面170上的反应所需量的水加湿的燃料气体就足够了。结果，可以减少加湿燃料气体的水量。
图18是根据本发明第六实施例的燃料电池堆的单电池180的主要部分的前视图。
单电池180例如包括用于向阴极供应氧化气体的隔板182。隔板182具有：在连续到氧化气体供应通道孔46a的反应气体供应方向的上游侧上设置的第一氧化气体供应表面184；经过在单电池180的层叠方向延伸的第一低湿度氧化气体供应路径186连续到第一氧化气体供应表面184的第二氧化气体供应表面188；经过第一低湿度氧化气体供应路径186和第二低湿度氧化气体供应路径190连续到第二氧化气体供应表面188的第三氧化气体供应表面192；以及经过第二低湿度氧化气体供应路径190和低湿度氧化气体供应路径194连续到第三氧化气体供应表面192的第四氧化气体供应表面196。第四氧化气体供应表面196连续到氧化气体排放通道孔46b。
将第一氧化气体供应表面184的面积设为最小面积。第二氧化气体供应表面188的面积是第一氧化气体供应表面184面积的两倍；第三氧化气体供应表面192的面积是第二氧化气体供应表面188面积的两倍；第四氧化气体供应表面196的面积是第三氧化气体供应表面192面积的两倍。
根据如上构成的第六实施例，仅向第一氧化气体供应表面184提供利用用于在第一氧化气体供应表面184上的反应所需要量的水加湿的氧化气体就足够了。也就是说，可以免除用于加湿在第二、第三和第四氧化气体供应表面188、192和196上流动的氧化气体的水供应，这是由于利用反应生成的水加湿氧化气体。结果，可以显著地减少用于加湿氧化气体所需要的水量，因此容易缩小加湿结构。
图19是根据本发明第七实施例的燃料电池堆200的示意图。燃料电池堆200具有多个(例如200片)单电池202。
燃料电池堆200在入口侧具有氧化气体供应路径204、在出口侧具有氧化气体排放路径206。燃料电池堆200还具有用于将所生成的水从氧化气体排放路径206返回到氧化气体供应路径204的返回路径208。
利用这种结构，由于含在废氧化气体中的生成水经过返回路径208返回到氧化气体供应路径204，可以按需要加湿整个燃料电池堆200，因此在没有添加加湿水的条件下容易地使燃料电池堆200进行工作。此外，以上描述是针对氧化气体侧进行的；但对于燃料气体侧同样是可行的。
在图19所示的结构中，可邻近氧化气体排放路径206提供加湿传感器210。在这种情况下，当燃料电池堆200的出口湿度为特定值或更高，可以停止从氧化气体供应路径204向燃料电池200中提供的氧化气体的加湿。
应注意，第一至第七实施例不仅可以单独地进行，而且还可以根据需要进行组合。
虽然详细表示和描述了本发明的特定优选实施例，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的修改。
工业实用性
根据本发明的燃料电池堆及其工作方法，在第一子叠层中的排放通道孔串联连接到在反应气体供应方向的下游侧上设置的第二子叠层中的供应通道孔，由此可以利用在第一子叠层中产生的水加湿第二子叠层。结果，可以有效地减少加湿整个燃料电池堆所需的水量，由此缩小加湿结构。
根据本发明，各单体的至少一个反应表面分为在上游侧的第一反应表面和在下游侧的第二反应表面，其中将利用在第一反应表面上的反应所需量的水预先加湿的反应气体提供到第一反应表面，未加湿反应气体提供到第二反应表面。采用这种结构，利用在第一反应表面上产生的水加湿第二反应表面。结果，可以有效地减少加湿反应气体的水，由此使加湿结构小型化。

Claims (19)

1.一种燃料电池堆，包括多个彼此层叠的单电池(24，26)，所述单电池(24，26)各具有单体(28，30)，单体(28，30)包括阳极(36a，36b)、阴极(34a，34b)和在所述阳极(36a，36b)和所述阴极(34a，34b)之间设置的固体聚合物电解质膜(32a，32b)，其中在各所述单电池(24，26)中形成用于供应和排放作为反应气体的燃料气体和氧化气体的至少一种的供应通道(52a，46a)和排放通道(52b，46b)，
所述燃料电池堆包括：
具有特定数量的相互层叠的所述单电池(24，26)的第一子叠层(12)，所述第一子叠层(12)设置在所述反应气体流动的上游侧上；和
具有特定数量的相互层叠的所述单电池(24，26)的第二子叠层(14)，所述第二子叠层(14)设置在所述反应气体流动的下游侧上，
其中在所述第一子叠层(12)中的所述排放通道(52b，46b)串联连接到在所述第二子叠层(14)中的所述供应通道(52a，46a)，在所述第二子叠层(14)中独立于所述供应通道(52a，46a)设置用于提供具有小于供应到所述第一子叠层(12)的所述反应气体的湿度的反应气体的附加反应气体供应通道(53，47)。
2.根据权利要求1的燃料电池堆，还包括：
在所述第一子叠层(12)中的所述排放通道(52b，46b)连接到在所述第二子叠层(14)中的所述供应通道(52a，46a)的部分设置中间板(18a)，
其中所述中间板(18a)具有用于将所述附加反应气体供应通道(53，47)连接到在所述第二子叠层(14)中的所述供应通道(52a，46a)的连接部分(72，70)。
3.根据权利要求1的燃料电池堆，其中构成所述第二子叠层(142)的各所述单电池(146)具有混合部分(148)，在该混合部分中，所述附加反应气体供应通道(47)连接到在所述第二子叠层(142)中的所述供应通道(46a)，所述混合部分(148)适合于将已经用于反应的所述反应气体的残留物与所述低湿度反应气体混合、并将该混合物提供到构成所述第二子叠层(142)的所述各单电池(146)的所述单体。
4.根据权利要求1至3任意一项的燃料电池，其中所述反应气体是氧化气体，构成所述第二子叠层(14)的所述单电池(24，26)的数量大于构成所述第一子叠层(12)的所述单电池(24，26)的数量。
5.一种燃料电池堆，包括多个彼此层叠的单电池(150)，所述单电池(150)各具有单体(152)，单体(152)包括阳极(36a，36b)、阴极(34a，34b)和在所述阳极(36a，36b)和所述阴极(34a，34b)之间设置的固体聚合物电解质膜(32a，32b)，其中在所述单体(152)的各反应表面中设置用于供应作为反应气体的燃料气体和氧化气体的至少一种的供应通道(52a，46a)，
所述单体(152)的至少一个所述反应表面包括：
在所述反应气体流动的上游侧上设置的并连接于所述供应通道(52a，46a)的第一反应表面(164)；和
在所述反应气体流动的下游侧上设置的第二反应表面(166)，
其中所述单电池(150)具有附加反应气体供应通道(158)，该通道(158)独立于所述供应通道(52a，46a)向所述第二反应表面(166)提供具有小于供应到所述第一反应表面(164)的所述反应气体湿度的湿度的反应气体。
6.根据权利要求5的燃料电池堆，还包括：
从所述第一反应表面(164)向所述第二反应表面(166)延伸的曲折反应气体通道(116c)；以及
连接部分(168)，用于将所述曲折反应气体通道(116c)连接到在所述曲折反应气体通道(116c)的返回部分处设置的所述附加反应气体供应通道(158)。
7.根据权利要求5或6的燃料电池堆，其中所述第二反应表面(166)的面积大于所述第一反应表面(164)的面积。
8.一种燃料电池堆，包括多个彼此层叠的单电池(150)，所述单电池(150)各具有单体，单体包括阳极(36a，36b)、阴极(34a，34b)和在所述阳极(36a，36b)和所述阴极(34a，34b)之间设置的固体聚合物电解质膜(32a，32b)，其中在各所述单电池(150)中形成用于供应和排放作为反应气体的燃料气体和氧化气体的至少一种的供应通道(52a，46a)和排放通道(52b，46b)，
所述燃料电池堆包括：
具有特定数量的相互层叠的所述单电池(150)的第一子叠层(140)，所述第一子叠层(140)设置在所述反应气体流动的上游侧上；和
具有特定数量的相互层叠的所述单电池(150)的第二子叠层(142)，所述第二子叠层(142)设置在所述反应气体流动的下游侧上，
其中在所述第一子叠层(140)中的所述排放通道(52b，46b)串联连接到在所述第二子叠层(142)中的所述供应通道(52a，46a)；
在所述第二子叠层(142)中独立于所述供应通道(52a，46a)设置用于提供具有小于供应到所述第一子叠层(140)的所述反应气体的湿度的反应气体的附加反应气体供应通道(160，158)；
所述单体(152)的至少一个所述反应表面具有在所述反应气体流动的上游侧上设置的并连接于所述供应通道(52a，46a)的第一反应表面(170，164)和在所述反应气体流动的下游侧上设置的第二反应表面(172，166)；以及
所述单电池(150)具有附加反应气体供应通道(158，160)，该通道(158，160)独立于所述供应通道(52a，46a)向所述第二反应表面(172，166)提供具有小于供应到所述第一反应表面(170，164)的所述反应气体湿度的湿度的反应气体。
9.根据权利要求1、5或8的燃料电池堆，还包括：
用于从反应气体出口侧向所述燃料电池堆的反应气体入口侧返回部分废反应气的返回通道(208)。
10.一种使燃料电池堆工作的方法，此燃料电池堆包括含第一和第二子叠层(12，14)的至少两个子叠层，各子叠层具有多个相互层叠的单电池(24，26)，所述单电池(24，26)各具有单体(28，30)，单体(28，30)包括阳极(36a，36b)、阴极(34a，34b)和在所述阳极(36a，36b)和所述阴极(34a，34b)之间设置的固体聚合物电解质膜(32a，32b)，其中在各所述单电池(150)中形成用于供应和排放作为反应气体的燃料气体和氧化气体的至少一种的供应通道(52a，46a)和排放通道(52b，46b)，在所述反应气体流动的上游侧上设置所述第一子叠层(12)中的所述排放通道(52b，46b)并将该排放通道(52b，46b)串联连接于在所述第二子叠层(14)中的所述供应通道(52a，46a)；在所述反应气体流动的下游侧上设置所述第二子叠层(14)，
所述方法包括步骤：
用水以用于使所述第一子叠层(12)工作所需的量加湿所述反应气体，经过所述供应通道(52a，46a)在所述第一子叠层(12)中提供所述反应气体，从所述排放通道(52b，46b)放出所述反应气体；和
在所述第二子叠层(14)中、独立于所述第二子叠层(14)的连接于在所述第一子叠层(12)中的所述排放通道(52b，46b)的所述供应通道(52a，46a)，提供具有小于供应到所述第一子叠层(12)的所述加湿反应气体的湿度的反应气体。
11.根据权利要求10使燃料电池堆工作的方法，其中由在所述第一子叠层(12)中的所述排放通道(52b，46b)连接于在所述第二子叠层(14)中的所述供应通道(52a，46a)的连接部分处往所述第二子叠层(14)的所述供应路径(52a，46a)中提供具有小于供应到所述第一子叠层(12)的所述加湿反应气体的湿度的所述反应气体。
12.根据权利要求10使燃料电池堆工作的方法，其中，将湿度低于供应到所述第一子叠层(12)的所述加湿反应气体湿度的所述反应气体提供到构成所述第二子叠层(14)的所述各单电池(24，26)，由此在构成所述第二子叠层(14)的所述各单电池(24，26)的所述单体(28，30)中提供与所述加湿反应气体的残留物混合的所述低湿度反应气体。
13.根据权利要求10至12任意一项使燃料电池堆工作的方法，其中所述反应气体是氧化气体，构成所述第二子叠层(14)的所述单电池(24，26)的数量大于构成所述第一子叠层(12)的所述单电池(24，26)的数量。
14.一种使燃料电池堆工作的方法，此燃料电池堆包括含第一和第二子叠层(12，14)的至少两个子叠层，各子叠层具有多个相互层叠的单电池(24，26)，所述单电池(24，26)各具有单体(28，30)，单体(28，30)包括阳极(36a，36b)、阴极(34a，34b)和在所述阳极(36a，36b)和所述阴极(34a，34b)之间设置的固体聚合物电解质膜(32a，32b)，其中在各所述单电池(24，26)中形成用于供应和排放氧化气体的供应通道(52a，46a)和排放通道(52b，46b)，在所述氧化气体流动的上游侧上设置在所述第一子叠层(12)中的所述排放通道(52b，46b)并将该排放通道(52b，46b)串联连接于在所述第二子叠层(14)中的所述供应通道(52a，46a)，在所述氧化气体流动的下游侧上设置所述第二子叠层(14)，
其中构成所述第二子叠层(14)的所述单电池(24，26)的数量大于构成所述第一子叠层(12)的所述单电池(24，26)的数量，
所述方法包括步骤：
用水以用于使所述第一子叠层(12)工作所需的量加湿所述氧化气体，经过所述供应通道(52a，46a)在所述第一子叠层(12)中提供所述氧化气体，从所述排放通道(52b，46b)放出所述氧化气体；和
在所述第二子叠层(14)中、独立于所述第二子叠层(14)的连接于在所述第一子叠层(12)中所述排放通道(52b，46b)的所述供应通道(52a，46a)、提供具有小于供应到所述第一子叠层(12)的所述加湿氧化气体的湿度的氧化气体。
15.一种使燃料电池堆工作的方法，此燃料电池堆包括含第一和第二子叠层(12，14)的至少两个子叠层，各子叠层具有多个相互层叠的单电池(24，26)，所述单电池(24，26)各具有单体，单体包括阳极(36a，36b)、阴极(34a，34b)和在所述阳极(36a，36b)和所述阴极(34a，34b)之间设置的固体聚合物电解质膜(32a，32b)，其中在各单电池(24，26)中形成用于供应和排放燃料气体的供应通道(52a，46a)和排放通道(52b，46b)，在所述燃料气体流动的上游侧上设置在所述第一子叠层(12)中的所述排放通道(52b，46b)并将该排放通道(52b，46b)串联连接于在所述第二子叠层(14)中的所述供应通道(52a，46a)，在所述燃料气体流动的下游侧上设置所述第二子叠层(14)，
其中构成所述第一子叠层(12)的所述单电池(24，26)的数量等于或大于构成所述第二子叠层(14)的所述单电池(24，26)的数量，
所述方法包括步骤：
用水以用于使所述第一子叠层(12)工作所需的量加湿所述燃料气体，经过所述供应通道(52a，46a)在所述第一子叠层(12)中提供所述燃料气体，从所述排放通道(52b，46b)放出所述燃料气体；和
在所述第二子叠层(14)中、独立于所述第二子叠层(14)的连接于在所述第一子叠层(12)中所述排放通道(52b，46b)的所述供应通道(52a，46a)、提供具有小于供应到所述第一子叠层(12)的所述加湿燃料气体的湿度的燃料气体。
16.一种使燃料电池堆工作的方法，此燃料电池堆包括含第一和第二子叠层(12，14)的至少两个子叠层，各子叠层具有多个相互层叠的单电池(24，26)，所述单电池(24，26)各具有单体(28，30)，单体(28，30)包括阳极(36a，36b)、阴极(34a，34b)和在所述阳极(36a，36b)和所述阴极(34a，34b)之间设置的固体聚合物电解质膜(32a，32b)，其中在所述各单电池(24，26)中形成用于供应和排放氧化气体的氧化气体供应通道(46a)和氧化气体排放通道(46b)以及用于供应和排放燃料气体的燃料气体供应通道(52a)和燃料气体排放通道(52b)，
其中构成所述第二子叠层(14)的所述单电池(24，26)的数量大于构成所述第一子叠层(12)的所述单电池(24，26)的数量，
所述第一子叠层(12)设置在所述氧化气体流动的上游侧上、设置在所述燃料气体流动的下游侧上、并串联连接到在所述第二子叠层(14)中的所述燃料气体排放通道(52b)，
所述第二子叠层(14)设置在所述燃料气体流动的上游侧上、设置在所述氧化气体流动的下游侧上、并串联连接到在所述第一子叠层(12)中的所述氧化气体排放通道(46b)，
所述方法包括步骤：
用水以用于使所述第一子叠层(12)工作所需的量加湿所述氧化气体，经过所述氧化气体供应通道(46a)在所述第一子叠层(12)中提供所述氧化气体，在所述第二子叠层(14)中的所述氧化气体供应通道(46a)中放出所述氧化气体；
在所述第二子叠层(14)中、独立于所述第二子叠层(14)中的所述氧化气体供应通道(46a)提供具有小于供应到所述第一子叠层(12)的所述加湿氧化气体的湿度的氧化气体；
用水以用于使所述第二子叠层(14)工作所需的量加湿所述燃料气体，经过所述燃料气体供应通道(52a)在所述第二子叠层(14)中提供所述燃料气体，在所述第一子叠层(12)中的所述燃料气体供应通道(52a)中放出所述燃料气体；
在所述第一子叠层(12)中、独立于所述第一子叠层(12)中的所述燃料气体供应通道(52a)提供具有小于供应到所述第二子叠层(14)的所述加湿燃料气体的湿度的燃料气体。
17.一种使燃料电池堆工作的方法，此燃料电池堆包括多个相互层叠的单电池(150)，所述单电池(150)各具有单体(152)，单体(152)包括阳极(36a，36b)、阴极(34a，34b)和在所述阳极(36a，36b)和所述阴极(34a，34b)之间设置的固体聚合物电解质膜(32a，32b)，其中在所述单体(152)的各反应表面中设置用于供应作为反应气体的燃料气体和氧化气体的至少一种的供应通道(52a，46a)，
所述单体(152)的至少一个所述反应表面包括：
在所述反应气体流动的上游侧上设置的并连接于所述供应通道(52a，46a)的第一反应表面(170，164)；和
在所述反应气体流动的下游侧上设置的至少一个第二反应表面(172，166)，
所述方法包括步骤：
用水以使所述第一反应表面(170，164)反应所需的量加湿所述反应气体，向所述第一反应表面(170，164)提供所述反应气体；和
独立于所述供应通道(52a，46a)、向所述第二反应表面(172，166)提供具有小于供应到所述第一反应表面(170，164)的所述加湿反应气体的湿度的反应气体。
18.根据权利要求17使燃料电池堆工作的方法，其中所述第二反应表面(172，166)的面积大于所述第一反应表面(170，164)的面积。
19.根据权利要求10、14、15或16任意一项使燃料电池堆工作的方法，其中部分废反应气体返回到所述燃料电池堆(200)的反应气体入口侧。
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