一种包括一组单元电池的燃料电池，每个单元电池包括： 氢离子导电性电解质薄膜；阳极和阴极，它们之间夹有所述的氢离子导电性电解质薄膜；位于阳极侧并与所述阳极接触的电子导电性隔板；以及位于阴极侧并与所述阴极接触的电子导电性隔板，其中： 所述阳极侧的电子导电性隔板包括燃料气体通道凹槽，所述通道凹槽面向所述阳极，用于向所述阳极供应燃料气体； 所述阴极侧的电子导电性隔板包括氧化剂气体通道凹槽，所述通道凹槽面向所述阴极，用于向所述阴极供应氧化剂气体；以及 所述燃料气体通道凹槽和／或所述氧化剂气体通道凹槽的当量直径为：每一个凹槽不小于０．７９ｍｍ、且不大于１．３ｍｍ。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
技术介绍
燃料电池通过含氢的燃料气体与含氧的氧化剂气体(例如空气)发生电化学反应同时产生电力和热量。燃料电池一般通过以下方式构造首先在聚合物电解质薄膜的每个表面上形成催化剂反应层，该反应层主要由承载着铂之类的贵金属催化剂的电子导电性碳粉构成，所述聚合物电解质薄膜能选择性地迁移氢离子；然后在催化剂反应层的外表面上形成气体扩散层，该扩散层的材料既具有透气性又具有电子导电性，例如电子导电性碳纸和碳织物。电极包括催化剂反应层和气体扩散层的组合体。接着，为了防止供应气体泄漏和避免这两种气体混合，要在电极外围布置密封件或密封垫，并将聚合物电解质薄膜的外围挡在密封件或密封垫内形成的间隙中。密封件或密封垫要与电极和聚合物电解质薄膜提前组装成一个部件，形成所谓的“薄膜-电极组件”(MEA)。在MEA外部布置了电子导电性隔板，用以通过机械方式固定MEA，并以串连方式将相邻的MEA电连接起来。隔板与MEA接触的一侧设有气体流动通道，用以向电极供应燃料气体和氧化剂气体，并移走所产生的气体和过量气体。尽管可将气体流动通道与隔板分开设置，但经常是在每个隔板的表面上形成凹槽用作气体流动通道。为了向这些凹槽供应气体，必需根据燃料电池所包含的隔板数量设置供应气体用的支管，并使用管夹直接将支管末端与隔板中的凹槽连接起来。该夹具被称为外部歧管。另一种歧管的结构比外部歧管更简单，它被称为内部歧管。内部歧管被构造成在具有气体流动通道的隔板内形成通孔，每个孔与气体流动通道的入口和出口相连，气体直接从这些通孔供应给气体流动通道。由于燃料电池在工作过程中产生热量，因此必需对包括成叠的单元电池的燃料电池进行冷却，以便将其维持在适当温度。一般而言，要在每一到三个单元电池的隔板间设置能供应冷却水的冷却部件；但经常是这种情况，在某些隔板的后表面上设置用作冷却部件的冷却水流动通道。MEA和隔板交替地设有夹在它们中间的冷却部件，从而组装出10到200个MEA的堆栈。通常，借助集流板和绝缘板将该堆栈夹在一对端板中间，并利用两侧的夹紧螺栓将其固定，由此构成了通常的电池组。电池组用端板固定，由此能降低电解质薄膜、电极与隔板之间的接触电阻，还能保证密封件或密封垫的气体密封性；一般要施加高于10kg/cm2的压力。由此，通常习惯是制造在机械强度方面性能优良的金属材料端板，然后利用结合了弹簧的夹紧螺栓将该端板固定住。由于增湿后的气体和冷却水会与部分端板接触，因此要将耐腐蚀性比其它金属材料好的不锈钢用于端板。另一方面，对于集流板而言，要使用电子导电性比碳材料的高的金属材料。出于接触电阻的立场考虑，有一些使用经过表面处理的金属材料的情况。由于这对端板通过夹紧螺栓电连接，因此要在集流板和端板之间插入绝缘板。这种燃料电池所用的隔板需要具有很高的电子导电性、气密性、耐腐蚀性(耐氧化性)。基于该原因，隔板由没有透气性的致密电子导电性碳板制成，其表面设有通过切割形成的气体通道凹槽，或者设有通过对粘接剂和电子导电性碳粉的混合物进行模塑、然后烘焙而得的模塑材料。近年来，人们试图用不锈钢之类的金属板替代碳材料作为隔板。金属板制成的隔板在暴露到高温下的氧化气氛中或者长时间使用时会发生腐蚀。金属板腐蚀致使电阻增大，输出效率降低。此外，溶解后的金属离子扩散到聚合物电解质中，然后陷入电解质的交换位中，从而导致聚合物电解质本身的离子电导率降低。为了避免这些品质退化，就要为金属板表面厚厚地镀上足量的金。传统上，全氟化碳磺酸构成的材料主要作为聚合物电解质使用。由于该聚合物电解质在本身含水时才能展现离子导电性，因此就要在将燃料气体和氧化剂气体提供给MEA之前为这些气体增湿。此外，由于阴极侧的反应产生水，当在高于电池工作温度的露点温度下为这些气体增湿时，在电池内部和电极内部的气体流动通道内就会发生水凝结。这就引发了水阻塞之类的现象，从而产生电池性能不稳定或变差的问题。该现象被称为溢流现象。另外，在将燃料电池用作我们住宅的自动发电系统时，燃料气体和氧化剂气体的增湿要求系统化，优选的是在尽可能低的露点条件下增湿，以便简化系统，提高系统效率。因此，从避免溢流现象、简化系统和提高系统效率等的观点出发，在将气体提供给燃料电池之前，在略低于燃料电池温度的露点温度下增湿气体是通常作法。另一方面，为了增强电池性能，要求改善聚合物电解质薄膜的离子导电性。于是，优选的是将气体增湿到相对湿度接近100％或者不低于100％。另外，出于聚合物电解质薄膜的耐久性观点考虑，优选的是，要以高度潮湿的状态供应气体。但是，根据下面的描述，在将气体增湿到相对湿度近乎100％时会出现各种问题。第一个问题涉及前述的溢流现象。为了避免溢流现象，可考虑两个措施(1)防止气体通道凹槽内的冷凝水阻塞；以及防止电极内部发生冷凝水阻塞。一般认为前一措施更有效。(2)提高气体压降，以便能吹出冷凝水。但是，气体压降增大会引起燃料电池系统内辅助动能、例如供气鼓风机和压缩机的辅助动能的急剧增加，这降低了系统效率。第二个问题在于，电极(气体扩散层和催化反应层的载体碳)的水湿润性(接触角)随时间的变化导致冷凝水的排放性随时间变差，这对电池的耐久性产生了影响。第三个问题是，电极的水湿润性随时间的变化引起气体扩散层内流动的气体的流速与沿着隔板内气体流动通道流动的气体的流速之比也随时间变化。具体而言，当气体扩散层内的润湿性随时间增大时，可阻塞气体扩散层的冷凝水量也随时间增加，在某些部分要提供给电极的气体就会停滞不前。在气体供应停滞不前的部分，电流密度降低。这让电极表面的电流密度不均匀，从而导致电池性能的输出功率变差。第四个问题在于，电极的水湿润性随时间的变化导致隔板内流动通道之间的潜流气体量也随时间变化。在没有气体扩散层的情况下，供应到气体流动通道中的气体当然沿着气体流动通道流动。但实际上，在与气体流动通道相邻的地方有气体扩散层，这样潜流气体会通过气体扩散层在彼此相邻的流动通道之间(例如在气体通道凹槽间的肋上)流动。例如，在气体流动通道沿着从上游朝下游延伸的蛇行线行进、且包括多个彼此平行的水平件的情况下，气体在某些成对的相邻水平件中沿反方向流动。于是可这样认为，气体沿气体流动通道流动的压降和潜流气体经气体扩散层从上游部件朝下游部件流动的压降平衡。当气体扩散层的湿润性随时间增加时，气体扩散层中的冷凝水量也随时间增大，但是通过气体扩散层的潜流气体却变得停滞不前。当然，气体通过气体扩散层从上游部件朝下游部件流动的压降越小，该现象就越容易发生。在气体流动通道沿蛇行线行进的情况下，流过气体扩散层的潜流气体量(特别是在气体流动通道的弯曲部分附近)也随时间减少，由此气体供应有停滞的趋势。在气体供应停滞的气体扩散层部分，电流密度降低，引起电池表面的电流密度不均匀，从而导致电池性能变差。根据上面所述，可考虑以下两项措施避免溢流现象(1)避免冷凝水在气体通道凹槽内阻塞；以及(2)避免冷凝水在电极内部阻塞。不让冷凝水在气体通道凹槽内溢流被认为是更有效的。为此，提高要提供给气流通道凹槽的气体的压降是基本上有效的；但是，要供应压降高到超过30kPa左右的气体并不现实。应当注意的是，为了提高燃料电池的输出功率、效率、稳定性等，人们已经在气体通道凹槽的结构优化方面作了大量研究(例如日本公开的专利本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：羽藤一仁，日下部弘树，小原英夫，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：
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