CN1667863A - 燃料电池组 - Google Patents

燃料电池组 Download PDF

Info

Publication number
CN1667863A
CN1667863A CNA2005100670220A CN200510067022A CN1667863A CN 1667863 A CN1667863 A CN 1667863A CN A2005100670220 A CNA2005100670220 A CN A2005100670220A CN 200510067022 A CN200510067022 A CN 200510067022A CN 1667863 A CN1667863 A CN 1667863A
Authority
CN
China
Prior art keywords
cathode
unit cells
anode
oxidant
fuel cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CNA2005100670220A
Other languages
English (en)
Other versions
CN100336261C (zh
Inventor
秋山崇
汤浅浩次
植田英之
福田真介
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Publication of CN1667863A publication Critical patent/CN1667863A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN100336261C publication Critical patent/CN100336261C/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/0265—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant the reactant or coolant channels having varying cross sections
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0241—Composites
    • H01M8/0245—Composites in the form of layered or coated products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/026—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant characterised by grooves, e.g. their pitch or depth
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/0263—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant having meandering or serpentine paths
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04291—Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1007—Fuel cells with solid electrolytes with both reactants being gaseous or vaporised
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1009—Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
    • H01M8/1011—Direct alcohol fuel cells [DAFC], e.g. direct methanol fuel cells [DMFC]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1067—Polymeric electrolyte materials characterised by their physical properties, e.g. porosity, ionic conductivity or thickness
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2484—Details of groupings of fuel cells characterised by external manifolds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8803—Supports for the deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8814—Temporary supports, e.g. decal
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

为了防止在温度较低或供气较小时单元电池的阴极中发生溢流现象，提供了一种燃料电池组，它由至少三个扁平单元电池堆叠而成，其间插有隔板，该单元电池包括阳极、阴极和夹在阳极和阴极之间的电解质薄膜，并具有在靠近阴极的隔板表面上形成的氧化剂通道，阳极和阴极包括一个与电解质薄膜相连的催化剂层和一个扩散层，其中氧化剂通道的进口端的截面积、阴极催化剂层的面积、电解质薄膜的厚度或在阴极和氧化剂通道的组合体中所含防水剂的量在至少一个位于电池组两端的单元电池中是最大的。

Description

燃料电池组
                                     技术领域
燃料电池可根据所用电解质的类型分类：磷酸燃料电池，碱性燃料电池，熔融碳酸盐燃料电池，固体氧化物燃料电池，固体聚合物电解质燃料电池等等。其中能够在低温下操作和具有高输出密度的固体聚合物电解质燃料电池已被，用于汽车动力源和家用热电联合系统而商品化。
同时，随着近年来包括笔记本电脑，移动电话和个人数字助理(PDAs)在内的移动设备的日益完善，其电力消耗也在显著增长。由于锂离子二次电池和镍金属氢化物二次电池的能量密度不能满足日益增长的电力消耗的需要，因此对电源容量很快难以满足需要的担心在增长。
在这种情况下，使用固体聚合物电解质燃料电池(以下简称PEFC)作为电源以解决问题受到关注。尤其是直接氧化燃料电池被认为最有前途，因为直接氧化燃料电池可在室温下通过在电极上直接对燃料进行氧化，而不需要将燃料重整为氢来产生电能，因而它不需要重整器，因而它可以被制得较小。
                                     背景技术
研究了低分子量醇或醚作为直接氧化燃料电池用的燃料。其中，甲醇被认为是最有前途的，因为使用甲醇的燃料电池能够提供高能效和高输出。使用甲醇作为燃料的燃料电池称作“直接甲醇燃料电池”(以下简称DMFC)。
在DMFC的阳极和阴极上的反应可以用下列化学反应式(1)和(2)表示。供应给阴极的作为氧化剂的氧通常取自空气。
                    (1)
                       (2)
与使用氢作为燃料的PEFC类似，目前DMFC使用以Nafion(注册商品名)为代表的全氟化碳磺酸薄膜作为电解质薄膜。
理想地，作为燃料的甲醇在阳极上根据式(1)反应，但甲醇有可能穿过电解质薄膜到达阴极，这种现象被称作“穿越现象”。
穿越现象降低了燃料电池的发电性能。到达阴极的甲醇在阴极上按照下面的反应式(3)被氧化。结果是，阴极的电势下降从而降低了燃料电池的发电电压。
                           (3)
穿越现象被认为是由组合使用水溶性燃料和显示质于导电性的电解质薄膜在水进入薄膜时引起的，它是研制中的直接氧化燃料电池常见的问题。
至于理论电动势，以氢作为燃料的PEFC具有1.23V的理论电动势，DMFC具有1.21V的理论电动势。然而在实践中，因为式(2)的反应过电压是如此明显，致使PEFC产生0.6到0.8V的电压。DMFC只能产生0.3到0.5V的电压，因为除穿越现象之外，式(1)的反应过电压也很显著。
由于这个原因，当燃料电池用于运行电子设备时，必须串联数个单元电池以形成一组，或引入电荷泵电路，以产生所需电压。通常，上述两种方法是组合使用的。
对于连接数个单元电池的情况，虽然这取决于使用燃料电池作为电源的装置的形状，以及是否具备例如燃料输送泵和空气输送泵的辅助设备，但单元电池的排列主要还是从节省空间的角度决定。通常，所使用的电池组包含数个扁平的单元电池。更具体的，单个单元电池包括阳极、阴极和夹在阳极和阴极之间电解质薄膜。数个单元电池被堆叠起来，其间插有双极板或隔板，这样使得燃料通道紧靠阳极，氧化剂通道紧靠阴极。燃料通道和氧化剂通道形成于双极板或隔板的表面上。
理想地，燃料和空气被均匀的供入上述燃料电池组中所有的单元电池中。然而在实践中，燃料和空气的供应存在差异，导致每个单元电池呈现不同的发电性能，并最终降低了整个电池组的发电性能。鉴于此，曾提出改善供应燃料气体的集气管结构，以使燃料气体均匀地供给单元电池(见日本公开专利公报No.Hei 05-190186)。
从各个方面研究了除上述以外的防止燃料气体供应差异的各种技术。然而，对于阴极上的溢流现象的改进，只是对单元电池的内部结构进行了改进，而没有针对整个电池组加以改进。
由于PEFC是在不高于100℃(即水的沸点)的温度下操作的，因此在PEFC中很容易发生所滑的溢流现象。溢流现象是一种因为由式(2)中的反应而产生的水达到过饱和，发生积聚从而削弱气体在电极中的扩散性的现象。为了克服此问题，日本公开专利公报No.Hei 08-138696提出改变单元电池内部的氧化剂气体通道的结构来防止水的积聚。
阴极溢流现象的发生率随单元电池而变。例如，当电池组中的单元电池之间出现温差时，水更可能积聚在温度低的单元电池内，增加了那里溢流现象的发生率。就一组包括数个扁平单元电池的电池组而言，位于顶端的单元电池和位于底端的单元电池很容易将热量耗散于电池组之外。因此，那些单元的温度相对较低。
在DMFC中，由于穿越现象的发生率随着位于阳极和电解质薄膜之间交界面上的甲醇浓度的增加而增加，因此经常使用1～2mol/L的低浓度甲醇水溶液。然而在穿越现象中，水也随着甲醇穿过电解质薄膜。这样，大量的水从阳极传送到阴极。在一些情况下，所传送的水的量约为在阴极由发电所产生的水的量的100倍。因此，溢流现象在DMFC中是一个极为严重的问题。
                                     发明内容
在燃料电池组中，因发电而在单元电池内部产生的热量或者借助诸如燃料和空气等原料排到单元电池的外部，使得热量穿过隔板传导并从电池组表面耗散掉；或者借助在电池组内部循环的冷却介质排出。由于这个原因，那些位于电池组两端，能够与外界的空气、导线、外壳等进行自由热交换的单元电池会耗散更多的热量，因此它们可能具有相对低的温度。尤其当冷却介质不是在电池组内部循环时，这种趋向会增加。
当借助于氧化剂供应装置将氧化剂经由管道供应给整个电池组时，导管的壁表面位于靠近电池组两端的单元电池处。这样，在位于两端的单元电池中，氧化剂的流量可能较小。
如上所述，在位于电池组两端的单元电池中，气流量可能不充足，而且温度可能较低。另外，在很多情况下，在至少一个位于电池组两端的单元电池中，气流量或温度可能是最低的。
鉴于上述原因，本发明提出下列(i)～(iv)的燃料电池组。
(i)燃料电池组，由至少三个扁平单元电池堆叠而成，其间插有隔板，每个单元电池包括阳极、阴极、夹在阳极阴极之间的电解质薄膜，形成于靠近阴极的隔板表面上的氧化剂通道，阳极和阴极各包括一个与电解质薄膜相连的催化剂层和一个扩散层，其中氧化剂通道的进口端的截面积在至少一个位于电池组两端的单元电池中是最大的。
在本实施方式中，在那些耗散较大量热量并具有较低温度的单元电池中，氧化剂通道的进口端的截面积有所增大。这增加了氧化剂从集气管注入到氧化剂通道，从而增加了氧化剂的供应。此外，增加氧化剂通道进口端的截面积可以防止在即便较低温度的单元电池中水的积聚，减少单元电池间溢流现象发生率的差异。因此，有可能防止一些单元电池中电压的降低和由溢流现象导致的极性反转，并从而防止整个电池组输出的降低。
本实施方式的特点是确定氧化剂通道进口端的截面积。这样，在进口端和出口端之间可以并合或不并合数条通道。每条通道的截面积可以是变化的或不变化的。一条通道可以分支流或不分支。氧化剂通道可以具有这样的结构：氧化剂从一条通道进入，穿过单元电池中的扩散层，并从其他通道(即交错通道)排出。
术语“氧化剂通道的进口端”在这里是指用于将氧化剂引入单个单元电池的氧化剂通道中的入口。该入口可以被分成数条通道。当该入口被分成数条通道时，氧化剂通道进口端的截面积是指这数条通道截面积的总和。注意，对于靠近阴极的隔板具有用于引入氧化剂的集气管孔口的情况，应对氧化剂通道的进口端和集气管孔口加以区别。
氧化剂通道通常是形成于靠近阴极的隔板表面上的一个或数个凹槽。当这些构成通道的凹槽不是并合也不是分支的，或当氧化剂通道从进口端到出口端的每个凹槽的截面积是不变的，氧化剂通道进口端的截面积(S0)就相当于凹槽(S1)的截面积与凹槽的数目(N1)的乘积，即S0＝S1×N1。当构成通道的凹槽是并合或是分支的，或当从进口端到出口端的任意凹槽的截面积是变化的，氧化剂通道进口端的截面积(S0)就相当于单个位于氧化剂入口处凹槽的截面积(S2)与位于氧化剂入口处凹槽(通道)的数目(N2)的乘积，即S0＝S2×N2。换句话说，氧化剂通道进口端的截面积可以通过改变凹槽的深度或凹槽的数目来调整。
位于电池组两端的单元电池，应至少有一个上的氧化剂通道进口端的截面积比在其他单元电池上的大，或者平均起来应从端部单元电池的向中心部单元电池的逐渐减少。优选的是，氧化剂通道进口端的截面积在位于两端的单元电池上达到最大，而在位于中心的单元电池或位于中心附近的单元电池上达到最小。
本发明对那些当氧化剂穿过通道时压力损失低、氧化剂供应装置的排出压力小以及通道的进口端与出口端之间的压力差小的燃料电池而言尤为有效。这是因为，在一个氧化剂供应装置的排出压力大，并且通道进口端与出口端之间的压力差大的燃料电池组中，氧化剂的流量在通道进口端的截面积较大的单元电池中明显增大，因而可能产生单元电池间的氧化剂流量差异。因此，虽然这取决于燃料电池组的尺寸，但本发明的燃料电池组中的氧化剂通道的压力损失优选不大于10kPa。此外，本发明的燃料电池组优选使用但不限于使用风扇作为空气供应装置。
(ii)燃料电池组，其由至少三个扁平单元电池堆叠而成，其间插有隔板，每个单元电池包括阳极、阴极、夹在阳极和阴极之间的电解质薄膜，形成于靠近阴极的隔板表面上的氧化剂通道，阳极和阴极各包括一个与电解质薄膜相连的催化剂层和一个扩散层，其中催化剂层在阴极中的面积在至少一个位于电池组两端的单元电池中是最大的。
在本实施方式中，在那些容易因较小的氧化剂流量或较低的温度而发生溢流现象的单元电池中，阴极催化剂层的面积有所增加；而在那些溢流现象不容易发生的单元电池中，阴极催化剂层的面积有所减少。从而，在数个串联的单元电池中，电流密度在那些催化剂层面积增加了的单元电池中会较低，而在那些催化剂层面积减少的单元电池中会较高。结果是，溢流现象的变化得到了抑制，从而防止了各单元电池中电流的变化。
从化学式(2)可以看出，在阴极产生的水的量与产生的电流成正比。因此，在阴极的面积增加了的单元电池中，在阴极产生的单位面积的水量是小的。由于这个原因，即使当氧化剂的供应相对较小，或温度相对较低，水不太容易积聚，因而也不容易导致溢流现象。所以，有可能防止一些单元电池中电压的降低或由溢流现象导致的单元电池的极性反转，从而防止整个电池组的输出下降。
位于电池组两端的单元电池，应至少有一个上的阴极催化剂层的面积比在其他单元电池上的大，或者平均起来应从端部单元电池的向中心部单元电池的逐渐降低。优选的是，阴极催化剂层的面积在位于两端的单元电池上达到最大，而在位于中心的单元电池或位于中心附近的单元电池上达到最小。
(iii)燃料电池组，其由至少三个扁平单元电池堆叠而成，其间插有隔板，每个单元电池包括阳极、阴极、夹在阳极和阴极之间的电解质薄膜，形成于靠近阴极的隔板表面上的氧化剂通道，阳极和阴极各包括一个与电解质薄膜相连的催化剂层和一个扩散层，其中电解质薄膜的厚度在至少一个位于电池组两端的单元电池中是最大的。
本实施方式中，当直接氧化燃料电池如DMFC的电池组是由至少三个扁平单元电池堆叠而成时，电解质薄膜的厚度在那些穿越的燃料量趋向于较大的单元电池中有所增加，而在那些穿越的燃料量趋向于较小的单元电池中有所减少。在电解质薄膜的厚度增加了的单元电池中，由穿越而输送到阴极的水量会减少。由于这个原因，即使当氧化剂的供应相对较小或温度相对较低，溢流现象也不太容易发生。因此，有可能防止一些单元电池中电压的降低或由溢流现象导致的单元电池的极性反转，并从而防止整个电池组的输出下降。
位于电池组两端的单元电池，应至少有一个上的电解质薄膜的厚度比在其他单元电池上的大，或者平均起来应从端部的单元电池的向中心部单元电池的逐渐减小。优选的是，电解质薄膜的厚度在位于两端的单元电池上达到最大，而在位于中心的单元电池或位于中心附近的单元电池上达到最小。
(iv)燃料电池组，其由至少三个扁平单元电池堆叠而成，其间插有隔板，每个单元电池包括阳极、阴极、夹在阳极和阴极之间的电解质薄膜，形成于靠近阴极的隔板表面上的氧化剂通道，阳极和阴极各包括一个与电解质薄膜相连的催化剂层和一个扩散层，其中阴极和氧化剂通道的组合体含有防水剂，防水剂的量在至少一个位于电池组两端的单元电池中是最大的。
在本实施方式中，在那些容易因氧化剂流量较小或温度较低而发生溢流现象的单元电池中，阴极和氧化剂通道的组合体中含有的防水剂的量有所增加；而在那些溢流现象不容易发生的单元电池中，阴极和氧化剂通道的组合体中含有的防水剂的量有所减少。
阴极和氧化剂通道的组合体中含有的防水剂的实例包括：可选的包含在催化剂层(例如包括催化剂和电解质的混合物层)中的防水剂；可选的包含在扩散层(例如炭纸或炭布)中的防水剂；可选的包含在通过施涂或喷涂形成于扩散层或催化剂层上的涂层中的防水剂；以及可选的附着于构成氧化剂通道的隔板上的凹槽的防水剂。
当阴极中所含有的防水剂的量增加时，对防止水停留在催化剂层或扩散层的表面或微孔上的效果将得到加强。当氧化剂通道所含有的防水剂的量增加时，对防止水在氧化剂通道中积聚的效果将得到加强。因此，能够防止因水的滞留或积聚而造成的对气体扩散的抑制，加速水汽的排放，并能够防止溢流现象的发生。换句话说，即使氧化剂的供应相对较小，或温度相对较低，溢流现象也不太容易发生。因此，有可能防止一些单元电池中电压的降低或由溢流现象导致的单元电池的极性反转，从而防止整个电池组输出的下降。
位于电池组两端的单元电池，应至少有一个，其中所包含在阴极和氧化剂通道的组合体内的防水剂的量比其他单元电池中的有所增大，或者平均起来应从端部单元电池的向中心部单元电池的逐渐减少。优选的是，包含在阴极和氧化剂通道的组合体中的防水剂的量在位于两端的单元电池上达到最大，而在位于中心的单元电池或位于中心附近的单元电池上达到最小。
如上所述，根据本发明，即使在单元电池之间存在温度或氧化剂供应的差异，在氧化剂供应相对较小或温度较低的情况下也能够防止单元电池中发生阴极溢流现象或氧化剂通道的阻塞。从而，能够防止单元电池之间发电性能的变化，从而可提供一个能够以稳定的方式发电同时具有高输出的燃料电池组。
尽管本发明的新颖性在所阳的权利要求书中作了特别陈述，但本发明，在编排和内容两方面，以及由此产生的其他目的和特点，能够从下列详细说明并结合附图得到更好的理解和评价。
                           附图说明
图1是根据本发明第一个实施方式的燃料电池组的垂直截面示意图。
图2是用于说明燃料电池组、空气供应装置和空气引入导管的排列方式的截面示意图。
图3是薄膜电极组件(MEA)的截面示意图。
图4是根据本发明第二个实施方式的燃料电池组的垂直截面示意图。
图5是表明将本发明的燃料电池组用于发电时输出变化的示意图。
                               具体实施方式
实施方式1
图1是沿垂直于气流方向截取的根据本实施方式的燃料电池组10的截面示意图。图2是用于说明燃料电池组10、空气供应装置21和空气引入导管22的排列方式的截面示意图。图2中的燃料电池组10的横截面平行于气流方向。在该图中，单个空气供应装置21和单个燃料电池组10的进口由空气引入导管22相连接。在图2中，尽管空气引入导管22的横截面积朝燃料电池组10的方向增加，但是导管的形状并不局限于此。
燃料电池组10是包括了薄膜电极组件(MEAs)11和位于每个MEA 11的两个表面上的隔板的组。绝缘垫圈13设置在MEAs 11的外围。垫圈13用来防止相邻的单元电池发生短路和防止燃料和空气发生漏泄。该燃料电池组10由九个单元电池堆叠而成。每个单独的单元电池具有MEA 11，一个燃料通道14，以及设置在MEA两面的氧化剂通道15。
如图3所示，MEA 11包括阳极34、阴极35和夹在阳极34和阴极35之间的电解质薄膜33。阳极34包括一个催化剂层31a和一个扩散层32a。同样地，阴极35包括一个催化剂层31b和一个扩散层32b。电解质薄膜33优选使用固体聚合物电解质，例如全氟化碳磺酸薄膜如Nafion(注册商品名)。也可使用有机-无机杂化电解质。有机-无机杂化电解质的例子包括但不限于，有机材料和硅石或氧化钨在内的组合物。阳极34的扩散层32a包括基底层36a和形成于基底层36a的催化剂层一边表面上的涂布层37a。同样地，阴极35的扩散层32b包括基底层36b和形成于基底层36b的催化剂层一边表面上的涂布层37b。构成催化剂层31a和31b的组合物可以相同也可不同。此外，扩散层32a和32b的结构可以相同也可不同。
燃料电池组10的一端是隔板12a，只有氧化剂通道15形成于隔板12a的表面上。氧化剂通道15与MEA 11的阴极35相邻。同样地，燃料电池组10的另一端是隔板12b，只有燃料通道14形成于隔板12b的表面上。燃料通道15与MEA 11的阳极34相邻。除了隔板12a和12b以外的隔板12(即每个位于两个MEAs 11之间的隔板)具有形成于其一个表面上的燃料通道14和形成于另一表面上的氧化剂通道15。燃料通道14与MEA 11的阳极34相邻，而氧化剂通道15与MEA 11的阴极35相邻。
在图2中，空气供应装置21的尺寸比燃料电池组10小。空气引入导管22的横截面积朝着燃料电池组10增大。这样，当空气供应装置21位于燃料电池组10高度的中心时，单元电池离空气引入导管22的管壁越近，到单元电池的空气部分与管壁的摩擦力越大，尽管它还可能因空气的气流速度和流动状态而发生变化。由于这个原因，来自空气供应装置21的气流量通常在燃料电池组10的两端达到最小，而在燃料电池组10的中心(即从两端起的第五个单元)达到最大。
从节能、降低噪声和小型化的观点出发，优选使用非正排式活塞泵比如离心通风机或轴流式通风机作为空气供应装置21。非正排式活塞泵能够传送大流量气流，但它具有小的排出压力，这加大了单元电池间的气流量的波动。如果空气供应装置21是正排式活塞泵，其具有较高的排出压力，氧化剂通道进口端和出口端之间的压差将很可能一样，也就是说，用于输送空气到氧化剂通道的驱动力将很可能一样。从而，使用正排式活塞泵能够防止单元电池间气流量的波动。但是，从节能、降低噪声和小型化的观点出发，使用正排式活塞泵是困难的。
在燃料电池组10中，单元电池因发电而产生的热量很可能传导穿过位于两端的隔板12a和12b而耗散掉。因此，单元电池的位置离电池组10的端部越近，单元电池将耗散越多的热量，并导致相对低的温度。
由此看来，在燃料电池组10中，在位于两端且很可能具有较小空气量和较低温度的单元电池内，氧化剂通道进口端的截面积有所增大，而在位于中心且很可能具有较大空气量和较高温度的单元电池中，该截面积有所减小。氧化剂通道进口端的截面积越大，空气在通道内的流动越容易，使得水汽容易扩散。结果是，在所产生的水中，以水蒸气形式存在的水的百分比增大，减少了以液体形式存在的水在单元电池内的积聚。这有可能防止一些单元电池中电压的降低和由溢流现象导致的单元电池的极性反转，并最终防止整个电池组输出的下降。此外，氧化剂通道进口端的截面积越大，因空气与通道壁之间的摩擦而导致的压力损失越低。因此，用于供应空气到通道的泵可以被制得较小，使它便于节省功率。
用于改变每个单元中的氧化剂通道进口端的横截面的方法并无明确限制。例如，无论凹槽的高度、宽度或间隔(即数目)都可在适当的范围内变化。在燃料电池组10中，氧化剂通道15具有数个形成于隔板表面上的平行直凹槽。凹槽从隔板的一个端面延伸到另一端面。至于凹槽的数目，位于两端的单元电池具有最多数量的凹槽(13个凹槽)，而位于中心的单元电池具有最少数量的凹槽(9个凹槽)。每个凹槽的截面积相等，且始终不变(即从进口到出口)。
在图1中，位于两端的单元电池的氧化剂通道15进口端的截面积最大，且其他单元电池离中心越近，氧化剂通道15进口端的截面积就越小。但是，该截面积不必一个单元接着一个单元地逐渐变化。其他可能的方法是把电池组分成块，每个块包括数个单元电池，并使横截面积朝中心一块一块地变小。或者，也可以只是位于两端的单元电池的氧化剂通道进口端的截面积比其他单元电池的大。
只要空气能够均匀地供应到阴极表面，对氧化剂通道的形状或型式并无明确限定。一个优选的实施例是一种含有连续弯曲凹槽的螺旋形通道。包含有数个平行直凹槽的并行通道也是优选的，因为其容易制造，且与螺旋形通道相比具有压力损失显著减少的优点。就使用螺旋形通道而言，必须增加泵的排出压力以减少压力损失，这意味着需要一个可能产生更大噪音的更大的泵。因此，就小的燃料电池组来说，优选使用并行通道。
对供应燃料到阳极的方法并无明确限定。在图1和2中，燃料通道形成于隔板的表面上，但方法不限于此。比如在阳极与隔板之间设置无纺布。借助于毛细管作用，燃料能够穿过无纺布提供给阳极。另一个例子是使用喷涂法，燃料被均匀地喷涂到阳极上。
隔板通常由具有抗腐蚀和高电子电导率的碳板制成，但隔板并不局限于此。氧化剂通道可以采用，例如，在由碳板制成的隔板的表面上刻槽或类似开槽的方式形成。但是，形成通道的方法并不局限于此，任何方法都可用来形成通道。例如，其上形成有通道的隔板可以采用各种模塑或铸造的方法制造，通道也可以通过在平板的表面上固定肋条的方式形成。
催化剂层31a和31b优选由含有贵金属催化剂如铂与聚合物电解质如Nafion(注册商品名)的混合物制成。将贵金属催化剂磨碎或附着于碳粒子或氧化物颗粒上，以增加其表面面积。催化剂层可以采用，例如，在电解质薄膜的表面上固定一种含有用于承载贵金属催化剂的碳粒子和聚合物电解质的糊状混合物形成。用于阴极的催化剂优选使用铂。至于用于阳极的催化剂，为了减少燃料中所含的一氧化碳或在甲醇氧化过程期间产生的一氧化碳对活性部位的抑制，优选使用铂钌合金。为了防止溢流现象，用于阴极的催化剂层进一步优选含有防水剂。防水剂优选的是碳氟树脂如聚四氟乙烯(PTFE)。
用于构成阳极和阴极的扩散层的基底层36a和36b优选的是炭纸或碳布。优选的理由是，这些基底层是多孔的，且它们经过防水处理，使其基质中含有防水剂。防水处理是通过将基底层渍浸在含有例如表面活性剂和防水剂如PTFE或四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)的液体分散体中，然后进行干燥和烘焙。涂布层37a和37b的形成可采用，例如，使用喷涂法或刮刀涂布法在经防水处理的基底层的催化剂层侧的表面上涂布一种含有碳粒子和防水剂如PTFE的混合物。
实施方式2
根据本实施方式的燃料电池组具有与实施方式1相同的结构，除了在位于电池组两端的单元电池中，是阴极催化剂层的面积最大，而不是氧化剂通道进口端的截面积最大。
图4是沿垂直于气流方向截取的根据该实施方式的燃料电池组40的截面示意图。燃料电池组40是包括了薄膜电极组件(MEAs)41和位于每个MEA 41的两个表面上的隔板。绝缘垫圈43设置在MEAs 41的外围。该燃料电池组40由九个单元电池堆叠而成。每个单独的单元电池具有MEA41，一个燃料通道44，以及设置在MEA两面的氧化剂通道45。MEA 41的结构与实施方式1的相同。
燃料电池组40的一端是隔板42a，只有氧化剂通道45形成于隔板42a的表面上。氧化剂通道45与MEA 41的阴极相邻。同样地，燃料电池组40的另一端是隔板42b，只有氧化剂通道44形成于隔板42b的表面上。燃料通道44与MEA 41的阳极相邻。除了隔板42a和42b以外的隔板42(即每个位于两个MEAs 41之间的隔板)具有形成于其一个表面上的燃料通道44和形成于其另一表面上的氧化剂通道45。燃料通道44与MEA 41的阳极相邻，而氧化剂通道45与MEA 41的阴极相邻。
位于电池组40两端的单元电池具有最大尺寸的MEA 41。位于电池组40中心的单元电池(即从两端起的第五个单元)具有最小尺寸的MEA 41。MEA 41的尺寸与阴极催化剂层的面积成正比。因此，即使在位于两端很可能具有较小空气供应和较低温度的单元电池中，电流密度比那些位于中心部的单元电池的低，从而防止溢流现象。结果是，单元电池间的电流波动得以减少。
在只是每个单元的阴极催化剂层的面积发生变化而电解质薄膜的面积保持不变的情况下，当阳极催化剂层的面积小于阴极催化剂层的面积时，阴极催化剂层上没有面向阳极催化剂层的部分的反应性将比其他部分的低。当阳极催化剂层的面积比阴极催化剂层的大时，也观察到类似的趋势。因此，阳极催化剂层的面积优选随着阴极催化剂层的面积而变化。但是，本发明并不局限于此。
当阴极催化剂层的面积发生变化时，催化剂层的宽度可以在与氧化剂主要流向平行的方向上、在与其垂直的方向上或同时以与其平行和垂直的方向上变化。但是，为了促进供应空气到那些尤其具有小面积催化剂层的单元电池的阴极上去，并除去产生的水，优选尽可能增加氧化剂通道中的气流与阴极之间的接触面积。因此，催化剂层的宽度优选在与氧化剂的主要流向平行的方向上尽可能的增大。
在图4中，位于两端的单元电池的MEA 41的面积最大，且其他单元电池离中心越近，MEA 41的面积就越小。但是，MEA 41的面积不必一个单元接着一个单元地逐渐变化。其他可能的方法是把电池组分成块，每个块包括数个单元电池，并使阴极催化剂层的面积朝中心一块一块地变小。或者，也可以只是位于两端的单元电池的阴极催化剂层的面积比其他单元电池的大。
实施方式3
根据本实施方式的燃料电池组具有与实施方式1相同的结构，除了在位于电池组两端的单元电池中，是电解质薄膜的厚度最大，而不是氧化剂通道进口端的截面积最大。
当使用由至少三个其间插有隔板的单元电池堆叠而成的燃料电池组来构造DMFC时，在设计过程中考虑因穿越现象导致的甲醇和水的迁移是十分重要的。
首先对由于穿越现象导致的甲醇的迁移加以解释。
甲醇的迁移被认为主要是由两个因素导致的：(1)甲醇分子的扩散和(2)质子的电化学迁移。前者是基于甲醇在电解质薄膜和阳极之间的界面上和在电解质薄膜和阴极之间的界面上的浓度差的扩散现象。后者是发电期间由于质子在电解质薄膜中的迁移而发生的电泳或电渗。
分子扩散现象很大程度上取决于供应给阳极的甲醇水溶液的浓度。当电流密度增加时，通常甲醇在阳极和电解质薄膜之间的界面上的浓度降低。也就是说，分子扩散现象与电流密度呈负相关。它还取决于甲醇在电极等中的扩散速度。另一方面，电化学迁移现象与电流密度呈正相关，因为当电流密度增加时，迁移的质子的数量增加。但是，当电流密度过度增加时，甲醇在阳极和电解质薄膜之间的界面上的浓度将如上所述的降低。如此，超过某一程度的电流密度可以将正相关变为负相关。普遍认为分子扩散对穿越现象具有更多的影响。
由于因穿越导致的甲醇迁移量在很大程度上取决于如上所述的浓度梯度，该数量与电解质薄膜的厚度成反比是显而易见的。这是因为当薄膜的厚度增加时，阳极和阴极间的距离随之增加，从而降低了浓度梯度的陡度。
然后，对由于穿越现象导致的水的迁移加以解释。
当甲醇水溶液具有高浓度时，在阳极中的水量将较小，而因发电而在阴极产生的水量或对穿过薄膜的甲醇的氧化将增加。同样显而易见的是，当在阴极产生的水量显著增加时，水的浓度平衡被反转，使得水从阴极向阳极倒过来扩散。但是，一般认为迁移的水量通常在很大程度上取决于电化学迁移，而不是水的分子扩散。
水的电化学迁移受到电场的影响。另外，电场的大小随着电解质薄膜的厚度(即电极间的距离)而变。换句话说，电解质薄膜厚度的变化改变了迁移的水量。电解质薄膜的厚度与迁移的水量成负相关。
上述说明，由穿越现象导致的甲醇和水的迁移在某程度上可以通过改变电解质薄膜的厚度来控制。但是，如果所有的单元电池中的电解质薄膜的厚度都增大，会产生一个缺点。具体地说，一个厚的电解质薄膜增大了质子电导的阻抗，其增大了发电期间的电阻过电压，导致发电特性的降低。为了避免这样的不利因素，在本发明中，电解质薄膜的厚度一个单元一个单元的变化的。更具体地说，位于电池组两端的单元电池的电解质薄膜的厚度比其他单元电池有所增加，在这些单元电池中容易发生溢流现象，且防止穿越是很重要的。从而，在那些位于电池组两端、氧化剂供应趋向于较小且温度趋向于较低的单元电池中，能够减少因穿越现象而导致迁移的甲醇和水的量，从而有效防止燃料电池组整体性能的下降。
优选的是，电解质薄膜的厚度在位于燃料电池组两端的单元电池中为最大，电解质薄膜的厚度朝向中心逐渐减少，且电解质薄膜的厚度在位于中心或接近中心的单元电池中为最小。但是，电解质薄膜的厚度不必一个单元一个单元地变化。其他可能的方法是把电池组分成块，每个块包括数个单元电池，并使电解质薄膜的厚度朝中心一块一块地变小。或者，也可以只是位于两端的单元电池的电解质薄膜的厚度增加可比其他单元电池的大。
实施方式4
根据本实施方式的燃料电池组具有与实施方式1相同的结构，除了，在位于电池组两端的单元电池中，是阴极和氧化剂通道的组合体中所含的防水剂量为最大，而不是位于电池组两端的单元电池的氧化剂通道进口端的截面积为最大。
溢流现象是由在阴极产生的水和因穿越而从阳极迁移到阴极的水所引起的，其中水滴积聚在阴极催化剂层和扩散层或靠近阴极的氧化剂通道中，抑制了空气的扩散或减少了有效的催化剂活性位。为了防止溢流现象，有效的是在阴极的催化剂层和扩散层中加入防水剂，以促进水从阴极中除去。
但是，当经常被用作防水剂的材料如PTFE或FEP被大量使用时，电极反应、质子或电子的迁移、以及气体的扩散都受到抑制。为了避免这样的不利因素，在本发明中，阴极和氧化剂通道组合体中所含防水剂的量是一个单元一个单元变化的。换句话说，包含在所有单元电池中的防水剂的量是不一致的，但每个单元电池所含防水剂的量是考虑到整个电池组的平衡而进行调整的。
更具体地说，相比其他单元电池，位于电池组两端的单元电池中的阴极和氧化剂通道的组合体中含有的防水剂量有所增加，在这些单元电池中容易发生溢流现象，且防止穿越是很重要的。从而，在那些位于电池组两端、氧化剂供应趋向于较小且温度趋向于较低的单元电池中，能够防止溢流现象的发生，并有效防止燃料电池组整体性能的下降。
优选的是，阴极和氧化剂通道的组合体中含有的防水剂的量在位于燃料电池组两端的单元电池中为最大，该量朝向中心逐渐减少，且在位于中心或接近中心的单元电池中为最小。阴极和氧化剂通道组合体中所含防水剂的量不必一个单元一个单元的改变。其他可能的方法是把电池组分成块，每个块包括数个单元电池，并使防水剂的量朝中心一块一块地减少。或者，也可以只是位于两端的单元电池的防水剂的量的增加可比其他单元电池的大。
防水剂可以仅加入到阴极中，仅加入到氧化剂通道中，或同时加入到阴极和氧化剂通道中。当把防水剂加入到阴极中时，其可以仅加入到催化剂层中，仅加入到扩散层中，或同时加入到催化剂层和扩散层中。此外，防水剂也可以包含在涂布层中，该涂布层是采用施涂或喷涂任选地形成于扩散层或催化剂层之上的。
当催化剂层含有防水剂时，通过例如用载有贵金属催化剂的碳粒子和聚合物电解质的混合物与PTFE粉末相混合而制备一种糊状物。使用所获得的糊状物，制造了用于单元电池的阳极或阴极。在其制造过程中，糊状物所含的PTFE粉末量在单元电池间是变化的。当扩散层含有防水剂时，将用作基底层的炭纸或碳布浸渍到PTFE或FEP的液状分散体中，然后进行干燥和烘焙。在该过程中，分散体中所含的PTFE或FEP的量在单元电池间是变化的。当涂布层含有防水剂时，一种通过例如混合防水剂分散体和碳粒子制得的糊状物被施涂到基底层上，然后进行干燥和烘焙。在该过程中，糊状物所含的防水剂的量在单元电池间是变化的。
下面将结合实施例对本发明加以更为详细的描述，但应当理解的是本发明的范围并不局限于此。
实施例1
作为根据本发明实施方式1的燃料电池组的一个实施例，制造了一个以甲醇为燃料、具有如图1所示相同结构的DMFC用燃料电池组。
(i)薄膜电极组合件(MEA)的制造
通过使100重量份平均一次粒度为30nm的导电碳粒子载有50重量份作为催化剂的铂，制得用于阴极的催化剂粒子。同样地，通过使100重量份如上相同的导电碳粒子载有50重量份原子比Pt∶Ru＝1∶1的铂钌合金，制得用于阳极的催化剂粒子。使用超声波分散器将得到的每种催化剂粒子在通过用水稀释含有聚合物电解质的乙醇溶液所制得的稀释剂中进行分散，然后进行消泡得到阳极用催化剂糊状物和阴极用催化剂糊状物。这里使用的聚合物电解质是购自Asahi Glass有限公司的Flemion(注册商品名)。Flamion在每个糊状物中的含量相对于固相含量为30wt％。
使用刮条涂布机在厚度为50μm的聚丙烯薄片上施涂每种催化剂糊状物，然后在室温下静置干燥1天。将所获得的载有阳极催化剂的聚丙烯薄片和载有阴极催化剂的聚丙烯薄片放置于聚合物电解质薄膜的两个表面上。使用热压机将每个催化剂热传递到聚合物电解质薄膜上，然后移去聚丙烯薄片。这里使用的聚合物电解质薄膜是Nafion 117(注册商品名)，购自杜邦株式会社。薄膜为边长为12厘米的正方形。形成于薄膜上的每个催化剂层的面积为25cm2。每个催化剂层为边长为5厘米的正方形。
炭纸(TGP-H-090)购自Toray工业公司，用作扩散层的基底层。将该基底层在适当浓度的FEP分散体稀释剂(ND-1，购自Daikin工业有限公司)中浸渍1分钟。其后，使基底层在100℃的热风干燥器中干燥，然后在270℃的电烘箱中烘焙2小时。该基底层中防水剂(FEP)的含量为总重的5wt％。
在购自Daikin工业有限公司的PTFE分散体(D-1)中引入乙炔黑粉末，然后使用超声波分散器进行分散。将所得到的分散体在混合器(购自Dalton公司)中混合，同时减压消泡，以制得用于涂布层的糊状物。糊状物中防水剂的含量为相对于固相含量的20wt％。使用刮条涂布机将获得的糊状物涂布到经过防水处理的炭纸基底层的一个表面上，然后在室温下干燥，接着在270℃的电烘箱中烘焙2小时。防水剂(FEP和PTFE)的含量为基底层和涂布层总重量的3wt％。其上形成有涂布层的基底层被切成与催化剂层具有相同的尺寸，以得到扩散层。一个表面上有阳极催化剂层、另一表面上有阴极催化剂层的聚合物电解质薄膜被两个扩散层夹在中间，这样使得扩散层的涂布层分别地面向阳极催化剂层和阴极催化剂层，以得到薄膜电极组合件(MEA)。
(ii)隔板的制造
在厚度为2mm的石墨板表面上以切割出用作氧化剂通道或燃料通道的凹槽，用此方法制造十个隔板。
氧化剂通道是含有数个平行直凹槽的纬线型。构成氧化剂通道的凹槽形成于每个石墨板的从一个端面到另一个端面。在石墨板中未形成集气管口。空气从靠近燃料电池组一边的空气引入导管直接供入每个氧化剂通道，并从电池组的另一边排出。构成氧化剂通道的凹槽的横截面为一个高0.7mm宽1mm的矩形。所有的隔板具有相同横截面的凹槽。但是要注意，氧化剂通道进口端的截面积会因每个单元中平行凹槽间的间隔变化而改变。
燃料通道呈螺旋型。在石墨板中形成有与燃料通道互通的进口和出口的集气管口。构成燃料通道的凹槽的横截面为一个高1mm宽1mm的正方形。所有的隔板具有相同的燃料通道。位于燃料电池组两端的隔板表面上只有氧化剂通道或燃料通道。其他八个隔板在其一个表面上有氧化剂通道，在其另一个表面上有燃料通道。
在位于燃料电池组一端仅形成有氧化剂通道的隔板和位于燃料电池组另一端的隔板中，氧化剂凹槽间的间隔为1.6mm。其他隔板中的氧化剂凹槽间的间隔随着隔板越接近中心，以0.2mm的步长逐渐增加。因此，在位于燃料电池组中心的隔板中，氧化剂凹槽间的间距为2.4毫米。
在隔板48mm宽度的区域(即除了宽度为1mm的边缘部分)内形成尽可能多的凹槽。结果是，位于两端的第一和第九单元电池有30个凹槽，第二和第八单元电池有26个凹槽，第三和第七单元电池有24个凹槽，第四和第六单元电池有21个凹槽，以及位于中心的第五单元电池有20个凹槽。至于氧化剂通道进口端的截面积，位于两端的单元电池的截面积为21mm2，第二和第八单元电池的截面积为18.2mm2，第三和第七单元电池的截面积为16.8mm2，第四和第六单元电池的截面积为14.7mm2，以及位于中心的单元电池的截面积为14mm2。
(iii)燃料电池组的组装
一个包含有九个单元电池的电池组是通过如下方式交替堆叠MEAs和隔板组装而成的，该方式是使得位于两端的单元电池(即第一和第九单元电池)具有最大截面积的氧化剂通道的进口端，而位于中心的单元电池(即从端部起第五个单元电池)具有最小截面积的氧化剂通道的进口端。事先将硅橡胶垫片设置在MEAs的周边以防止燃料和空气的漏泄，然后用隔板将其夹在中间。每个含有镀金铜板的集电器板设置在位于电池组两端的隔板的两个外表面。在集电器板的外表面上设置有绝缘板，并进一步设置有不锈钢制成的压板。换句话说，电池组被集电器板、绝缘板和压板夹在中间。然后用8组螺钉、螺母和簧片将整个电池组沿堆叠方向压入，从而得到一个燃料电池组。该燃料电池组称为“电池组A”。
对照例1
使用与实施例1相同的方法制造燃料电池组，除了所有隔板具有24个间隔为2.0mm的氧化剂通道。所有单元电池中氧化剂通道进口端的截面积为16.8mm2。这里制得的燃料电池组称为“电池组R”。
实施例2
作为根据本发明实施方式2的燃料电池组的一个实施例，制造了一个以甲醇为燃料、具有如图4所示相同结构的DMFC用燃料电池组。
使用与对照例1相同的方法制造燃料电池组B，除了转移到聚合物电解质薄膜上的催化剂层的尺寸有所改变。具体地说，垂直于氧化剂通道方向的催化剂层的宽度是变化的，而与氧化剂通道方向平行的催化剂层的宽度是固定为50mm。所有隔板的氧化剂通道与对照例1中的相同。
在从燃料电池组一端起第一个和第九个单元电池中，催化剂层垂直于氧化剂通道方向的宽度为5.6cm。在其他隔板中，随着隔板越接近中心，该宽度以3mm的步长逐渐减小。在位于中心的单元电池中，垂直于氧化剂通道方向的催化剂层的宽度为4.4cm。因此，对于催化剂层的面积，位于两端的单元电池为28cm2，第二和第八单元电池为26.5cm2，第三和第七单元电池为25cm2，第四和第六单元电池为23.5cm2，而位于中心的第五单元电池为22cm2。在位于两端的单元电池中的电流密度是位于中心的单元电池的79％。在所有的MEAs中，阳极催化剂层的形状和尺寸与阴极催化剂层的相同。
在所有的单元电池中，形成于隔板上的氧化剂通道进口端的截面积为16.8mm2，与对照例1类似。
实施例3
作为根据本发明实施方式3的燃料电池组的一个实施例，制造了一个以甲醇为燃料的DMFC用燃料电池组。
使用与对照例1相同的方法制造燃料电池组C，除了用于MEA的聚合物电解质薄膜的厚度有所改变。
但是，如果薄膜厚度在单元电池间的差异太大，将会促使发电性能发生差异。因此，为了降低单元电池间薄膜厚度的差异，单独或组合使用数个电解质薄膜。市场上可买到的Nafion薄膜具有三种类型：Nafion 112、Nafion 115和Nafion 117，它们的厚度分别为50μm、125μm和175μm。
在组合两个电解质薄膜的步骤中，施加了水，以免在电解质薄膜之间留有空隙。然后，通过热压将两个电解质薄膜压在一起。热压是用制造MEA相同的方法进行的。虽然有时在热压刚结束时其总厚度比初始薄膜的小，但已经证实在施加水后其总厚度成为相同于初始薄膜的厚度。
在从电池组一端起的第一和第九单元电池中，组合使用了Nafion 117薄膜和Nafion 112薄膜。在第二和第八单元电池中，组合使用了四个Nafion 112薄膜。在第三和第七单元电池中，使用了一个Nafion 117薄膜。在第三和第六单元电池中，组合使用了三个Nafion 112薄膜。在位于中心的第五单元电池中，使用了一个Nafion 115薄膜。因此，MEA电解质薄膜的厚度从单元电池两端往中心分别为225μm、200μm、175μm、150μm和125μm。
在所有的单元电池中，形成于隔板上的氧化剂通道进口端的截面积为16.8mm2，与对照例1类似。
实施例4
作为根据本发明实施方式4的燃料电池组的一个实施例，制造了一个以甲醇为燃料的DMFC用燃料电池组。
使用与对照例1相同的方法制造燃料电池组D，除了阳极和阴极的扩散层所含有的防水剂的量有所改变。
通过用不同量的水稀释FEP分散体(ND-1，购自Daikin工业有限公司)制备了五种不同浓度的分散体。然后，把用作扩散层基底层的炭纸(TGP-H-090，购自Toray工业公司)在稀释到预定浓度的FEP分散体中浸渍1分钟。其后，使基底层在100℃的热风干燥器中干燥，然后在270℃的电烘箱中烘焙2小时。将所获得的基底层分别标作α、β、γ、δ和ε。这些基底层分别含有相对于总重的11wt％，9wt％，7wt％，5wt％和3wt％的防水剂(FEP)。
随后，使用与实施例1中相同的方法制备五种用于涂布层的具有不同组合物的糊状物，除了PTFE分散体(D-1，购自Daikin工业有限公司)和乙炔黑粉末的混合比有所改变。
将得到的糊状物以如下方式分别施涂到基底层α、β、γ、δ和ε的一个表面上，该方式使得含有更多量FEP的基底层载有更多量的PTFE，以及使乙炔黑和PTFE的总量相同，然后在室温下干燥并且在270℃的电烘箱内烘焙2小时。结果是，获得防水剂(FEP和PTFE)含量相对于基底层和涂布层总重分别为7wt％，5wt％，3wt％，2wt％和1wt％的扩散层α、β、γ、δ和ε。
在从燃料电池组一端起的第一和第九单元电池中，使用扩散层α。在第二和第八单元电池中，使用扩散层β。在第三和第七单元电池中，使用扩散层γ。在第四和第六单元电池中，使用扩散层δ。在位于中心的第五单元电池中，使用扩散层ε。以上述方式，制造出了燃料电池组D。在所有的单元电池中，形成于隔板上的氧化剂通道进口端的截面积为16.8mm2，与对照例1类似。
[评价]
对实施例1到4和对照例1中制造出的燃料电池组进行发电测试以检验本发明的效果。
空气供应装置使用的是Minebea有限公司制造的多叶片式通风机。通风机的出口和燃料电池组的氧化剂通道的进口端用由聚丙烯制成的具有矩形截面的空气引入导管连接。发电是在受控大气下，在25℃的温度和60％的湿度条件下进行的。
以如下方式控制送到每个单元的空气流速，该方式使得每个单元中的体积流量为1L/min。使用甲醇作为燃料。用液泵以18ml/min的流速向燃料电池组的阳极供应浓度为1mol/L的甲醇水溶液。
发电测试中使用的是Scribner联合公司制造的电子负载系统890B。该系统在2.7V的受控恒压下运行1小时，其间对输出的变化进行测量。如果这九个单元电池产生相同的电压，那么每个单元电池产生的电压应为0.3V。使用数据记录器每隔1秒记录每个单元电池的电压和温度。图5显示燃料电池组在发电测试中输出的变化。
尽管燃料电池组没有包括用于使其升温的加热器，但即使在室温下开始发电，燃料电池组也会自动加热，且所有单元电池的平均温度达到了60℃。在实施例1的燃料电池组中，位于中心的单元电池的温度最高。温度随着单元电池移向两端而下降。其差异随时间而变，但该温差总是在5到10℃的范围内。
从图5中可明显看出，在对照例1的燃料电池组R中，输出在很短时间内开始下降。对每个单元电池的电压检测后发现，位于两端的单元电池的电压随着输出的降低而显著下降。当发电中断时，每个单元电池恢复到开路电压(OCV)。除了那些在两端的单元电池外，单元电池的电压恢复到0.7V，但位于两端的单元电池具有0.5V的低电压。
借助笔形电筒观察燃料电池组R的氧化剂通道的内部。在位于两端附近的单元电池中，通道壁上和扩散层表面上观察到了更多的水滴。此外，还观察到凹槽完全为水滴所阻塞。位于两端附近的单元电池具有更多被水堵住的凹槽。借助于气枪，将高压空气导入到所有的凹槽中以除去这些水滴。位于两端的单元电池的OCV变得与其他单元电池处于同一水平。随后，重新启动发电。发电重新启动后，即刻就获得了与测试开始时相类似的输出。但是，跟第一次测试一样，在经过相同的时间间隔后输出又开始下降，且其重现性得到证实。
上述清楚地说明，燃料电池组输出的降低是由阴极的溢流所引起的。尤其是，输出降低的主要原因是溢流在位于两端的单元电池中的高发率。推测起来发电中断后的低OCV也是由溢流引起的，因为溢流抑制了空气的扩散，导致空气在阴极中活动性的下降。
另一方面，在本发明的燃料电池组A，B，C和D中，几乎没有观察到输出降低或输出差异，并且它们都稳定的发电了1个小时。至于每个单元电池的电压，没有发现某些单元电池中出现电压显著降低的现象。在发电中断后，所有的单元电池具有0.7V的OCV。观察了氧化剂通道的内部，没有发现明显的水滴。
本发明的燃料电池组可用于小型便携式电子器件比如移动电话、个人数字助理(PDAs)、膝上型计算机和摄录一体机等的电源。它也可用作小型电摩托车的电源。
尽管本发明已经按照最佳实施方式进行了描述，但应当理解，这样的公开并不是一种限制。对那些与本发明相关的技术熟练人员来说，在了解了上述公开内容后，无疑可对本发明进行各种变更和修改。因此，所附加的权利要求意在作为覆盖所有落在本发明的实际宗旨和范围内变更和修改的解释。

Claims (4)

1.一种燃料电池组，它由至少三个扁平单元电池堆叠而成，其间插有隔板，
所述单元电池各自包括阳极、阴极和夹在所述阳极和所述阴极之间的电解质薄膜，并具有在靠近所述阴极的所述隔板表面上形成的氧化剂通道，以及
所述阳极和所述阴极各自包括一个与所述电解质薄膜相连的催化剂层和一个扩散层，
其中所述氧化剂通道的进口端的截面积在至少一个位于所述电池组两端的单元电池中是最大的。
2.一种燃料电池组，它由至少三个扁平单元电池堆叠而成，其间插有隔板，
所述单元电池每个都包括阳极、阴极和夹在所述阳极和所述阴极之间的电解质薄膜，并具有在靠近所述阴极的所述隔板表面上形成的氧化剂通道，以及
所述阳极和阴极每个都包括一个与所述电解质薄膜相连的催化剂层和一个扩散层，
其中所述催化剂层在所述阴极中的面积在至少一个位于所述电池组两端的单元电池中是最大的。
3.一种燃料电池组，它由至少三个扁平单元电池堆叠而成，其间插有隔板，
所述单元电池每个都包括阳极、阴极和夹在所述阳极和所述阴极之间的电解质薄膜，并具有在靠近所述阴极的所述隔板表面上形成的氧化剂通道，以及
所述阳极和阴极每个都包括一个与所述电解质薄膜相连的催化剂层和一个扩散层，
其中所述电解质薄膜的厚度在至少一个位于所述电池组两端的单元电池中是最大的。
4.一种燃料电池组，它由至少三个扁平单元电池堆叠而成，其间插有隔板，
所述单元电池每个都包括阳极、阴极和夹在所述阳极和所述阴极之间的电解质薄膜，并具有在靠近所述阴极的所述隔板表面上形成的氧化剂通道，以及
所述阳极和阴极每个都包括一个与所述电解质薄膜相连的催化剂层和一个扩散层，
其中所述阴极和所述氧化剂通道的组合体含有防水剂，所述防水剂的量在至少一个位于所述电池组两端的单元电池中是最大的。
CNB2005100670220A 2004-04-27 2005-04-22 燃料电池组 Expired - Fee Related CN100336261C (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004131001 2004-04-27
JP2004131001 2004-04-27

Related Child Applications (3)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB2007101013047A Division CN100521350C (zh) 2004-04-27 2005-04-22 燃料电池组
CNB2007101013051A Division CN100539285C (zh) 2004-04-27 2005-04-22 燃料电池组
CNB2007101013032A Division CN100521349C (zh) 2004-04-27 2005-04-22 燃料电池组

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1667863A true CN1667863A (zh) 2005-09-14
CN100336261C CN100336261C (zh) 2007-09-05

Family

ID=35038821

Family Applications (4)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB2005100670220A Expired - Fee Related CN100336261C (zh) 2004-04-27 2005-04-22 燃料电池组
CNB2007101013047A Expired - Fee Related CN100521350C (zh) 2004-04-27 2005-04-22 燃料电池组
CNB2007101013051A Expired - Fee Related CN100539285C (zh) 2004-04-27 2005-04-22 燃料电池组
CNB2007101013032A Expired - Fee Related CN100521349C (zh) 2004-04-27 2005-04-22 燃料电池组

Family Applications After (3)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB2007101013047A Expired - Fee Related CN100521350C (zh) 2004-04-27 2005-04-22 燃料电池组
CNB2007101013051A Expired - Fee Related CN100539285C (zh) 2004-04-27 2005-04-22 燃料电池组
CNB2007101013032A Expired - Fee Related CN100521349C (zh) 2004-04-27 2005-04-22 燃料电池组

Country Status (2)

Country Link
US (1) US7745063B2 (zh)
CN (4) CN100336261C (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100511810C (zh) * 2006-02-13 2009-07-08 佳能株式会社 燃料电池堆
CN102364741A (zh) * 2011-11-25 2012-02-29 武汉银泰科技燃料电池有限公司 燃料电池电堆及防止燃料电池电堆中极板短路的方法
CN106450403A (zh) * 2015-04-24 2017-02-22 通用汽车环球科技运作有限责任公司 具有改进的诊断能力的燃料电池堆端电池
CN112909312A (zh) * 2021-01-21 2021-06-04 上海神力科技有限公司 一种质子交换膜燃料电堆

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007080645A (ja) * 2005-09-14 2007-03-29 Hitachi Ltd 燃料電池を用いた電源装置を搭載した電子機器
US20090220833A1 (en) * 2005-09-21 2009-09-03 Jones Eric T Fuel Cell Device
EP1946399A2 (en) * 2005-10-28 2008-07-23 Andrei Leonida Fuel cell system suitable for complex fuels and a method of operation of the same
US7368200B2 (en) * 2005-12-30 2008-05-06 Tekion, Inc. Composite polymer electrolyte membranes and electrode assemblies for reducing fuel crossover in direct liquid feed fuel cells
US7413826B2 (en) * 2006-02-16 2008-08-19 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Anode electrodes for direct oxidation fuel cells and systems operating with concentrated liquid fuel
WO2008019500A1 (en) * 2006-08-16 2008-02-21 Hyteon Inc. Optimizing performance of end cells in a fuel cell stack
EP1968149A1 (de) * 2007-03-02 2008-09-10 Siemens Aktiengesellschaft Brennstoffzelleneinheit
US20080299418A1 (en) * 2007-06-04 2008-12-04 Gm Global Technology Operations, Inc. Fuel Cell Stack with Improved End Cell Performance
US8409763B2 (en) * 2007-08-08 2013-04-02 Solid Cell, Inc. Modified planar cell (MPC) and stack based on MPC
JP5361204B2 (ja) * 2008-02-18 2013-12-04 キヤノン株式会社 燃料電池スタック
JP5253106B2 (ja) * 2008-03-11 2013-07-31 キヤノン株式会社 燃料電池スタック
JP2010113985A (ja) * 2008-11-07 2010-05-20 Sony Corp 燃料電池およびこれに用いる酸素電極ならびに電子機器
JP5334559B2 (ja) * 2008-12-19 2013-11-06 本田技研工業株式会社 燃料電池
US9142853B2 (en) * 2009-04-01 2015-09-22 Sharp Kabushiki Kaisha Fuel cell stack and electronic device provided with the same
US8206871B2 (en) * 2009-07-10 2012-06-26 GM Global Technology Operations LLC Insulating layer for a fuel cell assembly
WO2016157566A1 (ja) * 2015-03-30 2016-10-06 住友電気工業株式会社 プロトン伝導体、燃料電池用固体電解質層、セル構造体およびそれを備える燃料電池
US11133519B2 (en) * 2017-11-30 2021-09-28 Doosan Fuel Cell America, Inc. Fuel cell assembly including varied flow resistance
US10991957B2 (en) 2017-11-30 2021-04-27 Doosan Fuel Cell America, Inc. Fuel cell assembly including multiple flow capacities in a condensation zone

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4276355A (en) * 1980-04-28 1981-06-30 Westinghouse Electric Corp. Fuel cell system configurations
JPS63119166A (ja) 1986-11-06 1988-05-23 Toshiba Corp 燃料電池
JPH05190186A (ja) 1992-01-17 1993-07-30 Fuji Electric Co Ltd 積層燃料電池
JPH08138696A (ja) 1994-11-07 1996-05-31 Toyota Motor Corp 燃料電池
CN1093694C (zh) * 1998-05-22 2002-10-30 北京世纪富原燃料电池有限公司 含有气体导流板的燃料电池
JP4318771B2 (ja) * 1998-11-06 2009-08-26 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック
JP3596761B2 (ja) * 2000-12-27 2004-12-02 松下電器産業株式会社 高分子電解質型燃料電池
KR100523150B1 (ko) * 2001-04-03 2005-10-19 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤 고분자 전해질형 연료전지 및 그 운전방법
US6679280B1 (en) * 2001-10-19 2004-01-20 Metallic Power, Inc. Manifold for fuel cell system

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100511810C (zh) * 2006-02-13 2009-07-08 佳能株式会社 燃料电池堆
CN102364741A (zh) * 2011-11-25 2012-02-29 武汉银泰科技燃料电池有限公司 燃料电池电堆及防止燃料电池电堆中极板短路的方法
CN106450403A (zh) * 2015-04-24 2017-02-22 通用汽车环球科技运作有限责任公司 具有改进的诊断能力的燃料电池堆端电池
CN112909312A (zh) * 2021-01-21 2021-06-04 上海神力科技有限公司 一种质子交换膜燃料电堆

Also Published As

Publication number Publication date
US7745063B2 (en) 2010-06-29
CN100539285C (zh) 2009-09-09
CN100336261C (zh) 2007-09-05
US20050238943A1 (en) 2005-10-27
CN101043087A (zh) 2007-09-26
CN100521349C (zh) 2009-07-29
CN101043086A (zh) 2007-09-26
CN100521350C (zh) 2009-07-29
CN101043085A (zh) 2007-09-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1667863A (zh) 燃料电池组
CN1298070C (zh) 燃料电池
CN1697228A (zh) 燃料电池的活化方法
US8795918B2 (en) Single fuel cell and fuel cell stack
US20050142397A1 (en) Membrane electrode assembly and fuel cell
US20020146616A1 (en) Fuel cell
JP4938912B2 (ja) 高分子電解質形燃料電池及びそれを備える燃料電池スタック
JP2005340173A (ja) 燃料電池スタック
CN1906784A (zh) 气体扩散层和使用气体扩散层的燃料电池
EP2352194A1 (en) Membrane electrode assembly for fuel cell, and fuel cell utilizing same
US8105732B2 (en) Direct oxidation fuel cell
CN1787266A (zh) 直接甲醇型燃料电池
CN110797546B (zh) 一种微孔层结构、制备方法、膜电极组件以及燃料电池
CN1725538A (zh) 膜电极组件、燃料电池组、燃料电池系统以及膜电极组件的制造方法
US20060257715A1 (en) Direct oxidation fuel cell and manufacturing method therefor
CN1930712A (zh) 高分子电解质型燃料电池
CN1459133A (zh) 高分子电解质型燃料电池
JP2004327358A (ja) 固体高分子型燃料電池
CN1221053C (zh) 高分子电解质型燃料电池的运转方法
JP2003178780A (ja) 高分子電解質型燃料電池システム、および高分子電解質型燃料電池の運転方法
CN1614802A (zh) 燃料电池及燃料电池系统
CN1812174A (zh) 高分子电解质型燃料电池
CN1614804A (zh) 具有堆叠结构的燃料电池
JPH08167416A (ja) 固体高分子電解質型燃料電池用の燃料電池セル
JP2007134306A (ja) 直接酸化型燃料電池およびその膜電極接合体

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C17 Cessation of patent right
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20070905

Termination date: 20130422