专利名称：燃料电池堆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池堆的结构，其中燃料电池单元叠在一起串联连接。
背景技术：
燃料电池装置每单位体积和单位重量可以产生的能量远大于传统二次电池能够产生的能量，并且燃料电池装置可以通过用燃料再次填充该燃料电池装置而重复使用。因此，期望将燃料电池装置用于数码相机、移动电话、膝上型个人电脑等等，作为便携式电子设备的可以长时间连续使用的电源装置。
美国专利5,514,486公开了一种空气呼吸式(air breathing)的燃料电池堆，其中氢气与大气中的氧发生反应。在此，采用聚合物电解质膜片作为燃料电池单元的电解质膜片，并且采用多孔燃料流场板和多孔氧气流场板(供氧层)分别作为该燃料电池单元的燃料供应层和氧化剂扩散层。在聚合物电解质膜片的两个表面上都设置有催化剂层。用于在一个催化剂层的整个表面上扩散氢气的燃料流场板设置为叠在该一个催化剂层上，而用于在另一个催化剂层的整个表面上扩散大气中的氧气的氧气流场板设置为叠在该另一催化剂层上。
通过燃料流场板提供给催化剂层的氢气通过催化剂反应产生质子，并进入聚合物电解质膜片。另一方面，通过氧气流场板提供给反面的催化剂层的氧气通过催化剂反应与穿过固态聚合物电解质膜片的质子相结合，以产生水分子。该燃料电池单元的电动势通常为1V或更低。因此，在需要等于或高于1V的输出电压的情况下，燃料电池单元叠在一起串联连接，从而组装成燃料电池堆。
在形成空气呼吸式燃料电池堆的情况下，在燃料电池单元的侧表面侧上设置开口，以便将大气中的氧气引入该燃料电池堆。氧气通过供氧层的侧开口引入，并通过该供氧层的一个主表面扩散到氧化剂电极侧的电解质膜片表面上形成的催化剂层。然后，在催化剂层中产生的水分子主要作为水蒸汽穿过与氧气相反的路径，并从供氧层的侧开口排放到大气中。
在按照美国专利5,514,486中公开的那样堆叠了厚度彼此相等的燃料电池单元的燃料电池堆中，与两端的燃料电池单元相比，在设置于该电池堆中部的燃料电池单元中，产生效率趋向于减小。与设置于电池堆两端并具有令人满意的辐射性的燃料电池单元相比，在设置于电池堆中部并具有很差的辐射性的燃料电池单元中，供氧层的温度上升。
总的来说，与供氧层的温度较低的情况相比，当供氧层的温度上升时，水蒸汽分压增加，因此氧气分压减小。在氧气分压由于温度的上升而减小的、中部的燃料电池单元中，在向电解质膜片供氧时出现故障，从而与位于电池堆两端的、氧气分压保持得较高的燃料电池单元相比，电动势降低了。因此，在试图保持整个燃料电池堆的输出电压时，燃料电池堆需要以低得足以给位于电池堆两端的燃料电池单元留下余量的输出电流运行，以便不会在温度趋于上升的中部燃料电池单元中供氧时出现故障。具体地说，其中产生效率已由于温度差异而减小的中部燃料电池单元可能限制整个燃料电池堆的输出电流。
此外，在多个燃料电池单元叠在一起的燃料电池堆中，电池堆中部的每个燃料电池单元受到从其两个侧面上相邻的燃料电池单元排放的水蒸汽的影响，水蒸汽在中部燃料电池单元的开口附近的浓度很可能变得高于位于燃料电池堆两端的燃料电池单元的水蒸汽浓度。因此，水蒸汽通过开口的排放效率降低，结果是可能在电池堆中部的燃料电池单元中供氧时出现故障。
作为用于将电池堆中部的燃料电池单元的温度保持得很低的方法，有一种设置空气冷却风扇等来强制性地冷却电池堆中部的燃料电池单元的方法。但是，当设置涉及强制冷却的机构时，组件的数量会增加，从而扩大燃料电池装置的外部尺寸，因此减小了燃料箱的配置空间。
还考虑了一种在保持燃料电池堆的输出电流极低的同时运行燃料电池堆的方法。但是，当抑制输出电流时，不能充分利用燃料电池单元原本可以输出的电流范围，从而导致燃料电池单元的面积增大以确保电流。因此，扩大了燃料电池装置的外部尺寸，导致减小了燃料箱的配置空间。更不必说，在上述任意一种方法中，燃料电池的每份输出的成本显著增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种即使没有涉及强制冷却的机构也可以充分利用燃料电池单元原本可以输出的电流范围的燃料电池堆。本发明的另一目的是提供一种燃料电池堆，其中可以在不需要提供大于需要的开口的情况下增加燃料电池堆的输出电流，从而确保了大的燃料箱空间，并且可以在较长的时间段内获得高的输出。
具体地说，根据本发明的第一方面，燃料电池堆包括多个叠在一起的燃料电池单元，每个燃料电池单元都在电解质膜片的一个表面的一侧上具有供氧层，其中每个供氧层都在其侧表面的至少一部分上具有对大气开放的开口，并将大气中的氧气从该开口扩散到电解质膜片的所述一个表面一侧，将水蒸汽从电解质膜片的所述一个表面一侧扩散到该开口，并且其中一个在发电期间具有比另一个燃料电池单元的温度高的温度的燃料电池单元的开口的面积大于所述另一个燃料电池单元的开口的面积。
此外，根据本发明的第二方面，燃料电池堆包括至少三个叠在一起的燃料电池单元，每个燃料电池单元都在电解质膜片的一个表面的一侧上具有供氧层，其中每个供氧层都在其侧表面的至少一部分上具有对大气开放的开口，并将大气中的氧气从该开口扩散到电解质膜片的所述一个表面一侧，将水蒸汽从电解质膜片的所述一个表面一侧扩散到该开口，并且其中设置于该电池堆中部的燃料电池单元的供氧层比设置于该电池堆两端的每个燃料电池单元的供氧层都厚。
此外，根据本发明的第三方面，燃料电池堆包括多个叠在一起的燃料电池单元，每个燃料电池单元都在电解质膜片的一个表面的一侧上具有供氧层，其中每个供氧层都在其侧表面的至少一部分上具有对大气开放的开口，并将大气中的氧气从该开口扩散到电解质膜片的所述一个表面一侧，将水蒸汽从电解质膜片的所述一个表面一侧扩散到该开口，并且其中一个在运行期间具有比另一个燃料电池单元的水蒸汽分压高的水蒸汽分压的燃料电池单元的供氧层中使气体从大气进入及向大气排放气体的通气性能高于所述另一个燃料电池单元的供氧层中使气体从大气进入及向大气排放气体的通气性能。
在本发明的燃料电池堆中，通过减轻作为燃料电池单元的发电效率随其温度上升而下降的原因的氧气供应短缺，抑制了温度上升的燃料电池单元的最大电流值的降低，并且整个燃料电池堆的最大电流值保持较高。因此，可以得到充分利用了由低温部分和高温部分中的各个燃料电池单元可以输出的电流范围的大电流。
通过下面结合附图的描述，本发明的其它特征和优点将变得明显。
图1是示出根据本发明的燃料电池堆示例的示意外观视图。
图2是示出本发明燃料电池堆示例的示意横截面视图；图3是示出燃料电池堆中每个燃料电池单元的温度分布的图。
图4是示出燃料电池堆中每个燃料电池单元的输出电流的图。
图5是示出针对空气呼吸式燃料电池的燃料电池单元中各种氧气流场板厚度下的电流-电压特性的图。
图6是示出空气呼吸式燃料电池的燃料电池单元中的氧气流场板的厚度与其最大电流值之间关系的图。
图7是示出现有技术比较例的燃料电池堆结构的横截面视图。
图8是示出当使得包括具有相同厚度的氧气流场板的燃料电池单元分别在不同温度下能够产生电力时的电流-电压特性的图。
图9是示出氧气流场板中的氧气分压与最大电流值之间关系的图。
具体实施例方式
下面参照附图详细描述本发明的燃料电池堆。本发明的燃料电池堆不限于下述燃料电池堆的有限结构。只要燃料电池单元叠在一起并且从燃料电池单元的侧表面引入大气中的氧气，本发明就可以以燃料电池堆结构的一部分或全部被替代结构代替的其它实施例实现。
当燃料电池堆作为整体一部分并入便携式小型电气设备如数码相机、数字视频摄像机、小型投影仪、小型打印机或膝上型个人电脑中并且可拆卸地提供燃料箱时，也可以使用本发明的燃料电池堆。
作为燃料，通常使用氢气。但是也可以使用甲醇或乙醇的水溶液。下面描述使用氢气的情况。
通常通过引入存储在高压氢气罐或储氢合金(alloy)中的氢气来提供氢气。可替换地，可以利用重整装置从诸如甲醇的液态燃料、气体燃料或固态燃料中产生氢气。下面描述使用利用储氢合金的燃料箱的情况。
图1是根据本发明实施例的燃料电池堆的示意外观视图。图2是示出燃料电池堆结构的示意横截面视图。图3是示出燃料电池单元的温度分布的图。图4是示出燃料电池堆中燃料电池单元的最大电流的图。
在图1中，燃料电池堆20设计为根据要向其中并入燃料电池堆20的小型电子设备一侧上的容纳空间而具有长方体的外观。燃料电池堆20a由6个叠在一起的燃料电池单元10a至10f组成。利用储氢合金将氢气在高压下积聚在与燃料电池堆20a的底部连接的燃料箱20b中。燃料箱20b包括压力调整机构(未示出)，并通过燃料流场18(图2)向燃料电池单元10a至10f提供压力减小到略微超过大气压的氢气，该燃料流场18设置为沿着燃料电池堆20a的中心轴穿过燃料电池堆20a。
在图1所示状态中，用于将大气中的氧气引入燃料电池单元10a至10f的开口19a至19f分别设置在燃料电池堆20的正面一侧和背面一侧上。图2示出了燃料电池堆20a沿着图1的虚线的横截面视图。
在图2中，构成燃料电池堆20a的各燃料电池单元10a至10f由相同的构件组成，只是各氧气流场板14a至14f的厚度不同。这里，尽管以燃料电池单元10c为代表进行描述以避免多余，但是同样的结构还可用于其它燃料电池单元10a、10b和10d至10f。
设置在燃料电池单元10c在厚度方向上的中部的膜片电极组件11具有形成在聚合物电解质膜片的两个表面上的多孔催化剂电极。膜片电极组件11从供氢一侧的催化剂电极处的氢气产生质子，并使质子移动通过聚合物电解质膜片，从而在供氧一侧上的催化剂电极处将氧与质子相结合而产生水分子。
在膜片电极组件11供氢一侧的表面上，堆叠了燃料电极12a，而在膜片电极组件11供氧一侧的表面上，堆叠了氧化剂电极12b。燃料电极12a和氧化剂电极12b分别由具有导电性的多孔片材如碳布构成，并分别将氢和氧均匀地扩散和提供到膜片电极组件11的整个表面上。
为了将氢均匀地提供到膜片电极组件11供氢一侧的整个表面上，燃料电极12a可以由具有比燃料流场板13的孔隙率小的孔隙率的材料构成。为了将氧均匀地提供到膜片电极组件11供氧一侧的整个表面上，氧化剂电极12b可以由具有比氧气流场板14的孔隙率小的孔隙率的材料构成，而且可以防止大气中的漂浮微粒到达膜片电极组件11。
燃料流场板13堆叠为与燃料电极12a上与膜片电极组件11那一侧相反一侧的整个表面接触。燃料流场板13具有将沿着燃料电池堆20a的中心轴通过燃料流场18提供的氢气扩散到燃料电极12a的整个表面上的功能。在燃料流场板13的外周上设置密封件15，从而防止氢气排放到大气中。
氧气流场板14c堆叠为与氧化剂电极12b上与膜片电极组件11那一侧相反一侧的整个表面接触。氧气流场板14c具有将通过开口19c吸入的大气中的氧气扩散到氧化剂电极12b的功能。此外，在膜片电极组件11中产生的水蒸汽通过氧化剂电极12b流入氧气流场板14c，并扩散到侧表面上形成了开口19c的一侧，并通过开口19c排放到大气中。
燃料流场板13和氧气流场板14c分别由具有导电性的多孔材料构成。该具有导电性的多孔材料可以具有在内部形成了多个与外部连通的缝隙的结构，用于分隔这些缝隙的壁由构成材料整体形成，或者构成用于分隔缝隙的壁的材料牢固地相互结合。
作为构成燃料流场板13和氧气流场板14c的材料，可以使用任何材料，只要其具有导电性，硬度达到即使燃料电池堆绷紧并被施加了压力也不会显著变形以确保导电性的程度，并且具有在使用电极的条件下足够的电化学稳定性。该材料的例子包括包含从Au、Pt、Ag、Co、Pd、Rh、Ir、Ru、Os、Re、Ni、Cr、Fe、Mo、Ti、Al、Cu、V、Nb、Zr、Sn、In、Ga、Mg、Pb、Si和W构成的组中选择的至少一种元素的材料。它们可以是合金。可替换地，可以给由其它材料构成的构件的表面镀上这些材料。具有缝隙的金属的例子包括泡沫金属、电镀金属、电解金属、烧结金属、纤维金属或多种这些材料的组合。
此外还可以使用聚合物、金属氧化物和碳材料，只要它们具有类似于上述材料的特性，即使它们是上述之外的金属材料。
可用于本发明的膜片电极组件11的聚合物电解质膜片需要具有高质子传导性、化学和电化学稳定性、气体阻隔特性和机械强度。聚合物电解质膜片的具体例子包括离子交换膜片如全氟碳化物、非全氟的(non-perfluoro)和基于混合物的膜片。具体地说，可以使用基于全氟磺酸的电解质膜片、基于全氟羧酸的膜片、基于苯乙烯的膜片和基于季铵的阴离子交换膜片。
作为可以应用于本发明的膜片电极组件11的催化剂，可以使用铂族金属如铂、铑、钯、钌和铱和包含至少一种上述金属的合金。作为在聚合物电解质膜片的两个电极表面上都提供催化剂的方法，可以使用以下方法。可以通过化学镀等来沉淀催化剂以固定催化剂。而且，可以涂敷或挤压粉末状的催化剂以将其固定在膜片表面上。此外，催化剂可以作为细颗粒散布到碳颗粒的表面，可以涂敷携带催化剂的碳颗粒以固定催化剂。
密封件16设置为围绕着燃料流场18，从而防止燃料流场18的氢气泄露到氧气流场板14。此外，在相邻燃料电池单元10d的氧气流场板14和燃料流场板13之间设置板状的隔离物17，从而防止气体在它们之间运动。
由隔离物17和膜片电极组件11在堆叠方向上分隔的氧气流场板14的侧表面(以及氧化剂电极12b的侧表面)对应于用于将氧气引入燃料电池单元10c并排放水蒸汽的开口19c。
通过燃料流场18流入燃料电池单元10c的燃料流场板13的氢气通过燃料流场板13扩散到燃料电极12a的整个表面，并通过燃料电极12a提供给膜片电极组件11。在膜片电极组件11的催化剂层中，氢气产生质子并流入聚合物电解质膜片中。
另一方面，在膜片电极组件11的相反一侧表面上，通过开口19c引入的氧气通过氧气流场板14c扩散到氧化剂电极12b的整个表面，并通过氧化剂电极12b到达膜片电极组件11。在膜片电极组件11的催化剂层中，氧气与质子结合而产生水分子。
在从燃料电池堆20a到外部电路的连接断开从而电流不能从燃料电池单元10c流出的情况下，在膜片电极组件11的两个表面上产生开路电压，从而停止产生水分子。但是，当燃料电池堆20a与外部电路连接从而使电流从燃料电池单元10c流出时，继续产生数量对应于电流值的水分子，并发生各种极化以减小电动势。通过极化电压和电流的乘积获得的能量变成加热燃料电池单元10c的热量。受热的燃料电池单元10c的温度上升，而且氧气流场板14c中水蒸汽的蒸汽压也增加。氧气流场板14c中的压力保持为大气压。因此，由于水汽压的增加，氧气流场板14c的氧气分压降低。
此时，其它燃料电池单元设置在位于燃料电池堆在堆叠方向上的中部附近的燃料电池单元10c和10d的两侧，使得热量很难从燃料电池单元10c和10d释放出。因此，燃料电池单元10c和10d的温度由于较差的辐射性而变得分别高于位于电池堆两端的燃料电池单元10a和10f的温度。高温的燃料电池单元10c和10d的氧气流场板14c和14d的氧气分压变得低于低温的燃料电池单元10a和10f的氧气流场板14a和14f的氧气分压。
图3示出了在使得燃料电池堆20a能产生电力时燃料电池单元10a到10f的温度分布。位于燃料电池堆20a中部附近的燃料电池单元10c和10d的温度变得分别高于位于燃料电池堆20a两端的燃料电池单元10a和10f的温度。在燃料电池单元10c和10d中温度可以达到大约70℃，而在燃料电池单元10a和10f中可以达到大约30℃。
如图2所示，在燃料电池堆20a中，根据燃料电池单元10a至10f在运行期间的温度预先设置氧气流场板14a至14f的厚度。具体地说，位于堆叠方向上的中部附近的燃料电池单元10c和10d的氧气流场板14c和14d分别比位于其两端的燃料电池单元10a和10f的氧气流场板14a和14f厚。分别设置在位于燃料电池单元10a和10c之间以及燃料电池单元10d和10f之间的中间位置上的燃料电池单元10b和10e的氧气流场板14b和14e具有介于它们之间的中间厚度。
此外，位于堆叠方向上的中部附近的燃料电池单元10c和10d的开口19c和19d的面积分别比位于两端的燃料电池单元10a和10f的开口19a和19f的面积大。位于燃料电池单元10a和10c之间以及燃料电池单元10d和10f之间的燃料电池单元10b和10e的开口19b和19e的面积具有介于它们之间的中间大小。其原因在于，忽略非常薄的氧化剂电极12b，氧气流场板14a至14f的厚度与开口19a至19f的面积成正比。
因此，与燃料电池单元10a和10f相比，燃料电池单元10c和10d具有较高的使气体从大气进入及向大气排放气体的通气性能。此外，在燃料电池单元10b和10e中，相对于大气的通气性能也处于中间水平。
根据上面的描述，即使在温度比燃料电池单元10a和10f高的燃料电池单元10c和10d中，也充分地保证了氧气流场板14c和14d中的氧供应量，可以执行保持高输出电流的运行。因此如图4的实线(a)所示，即使在高温的燃料电池单元10c和10d中，也保证最大电流值等于分别设置在两端的燃料电池单元10a和10f的最大电流值。因此，可以确保高电流值。
图5是示出空气呼吸式燃料电池的燃料电池单元的电流-电压特性例子的图。图6是示出空气呼吸式燃料电池的燃料电池单元中的氧气流场板的厚度与最大电流值之间关系的图。
在图5中，每个曲线示出在氧气流场板14的厚度变化时的特性。图5中的数字表示氧气流场板14的厚度。尽管如图6所示所有的特性在低电流范围中展示了相同的特性，但是当氧气流场板14的厚度增加时，最大电流值也增加。从这个结果可以理解，当氧气流场板14的厚度增加时，可以获得较高的输出。
然而，当使每个氧气流场板14一样厚时，所有燃料电池单元10的体积增大，而且通过堆叠多个燃料电池单元10而获得的电池堆的全长变得非常长。因此，在考虑每单位体积的输出值(输出密度)时，不能说输出值随着氧气流场板14的厚度增加而变大。因此，需要根据其应用和结构适当选择氧气流场板14的厚度。
在本发明的实施例中，作为氧气流场板14的材料，使用由多孔镍制成的金属板。与氢气仅在一个方向上流动的燃料流场板13相比，允许氧气和水蒸汽通过自然扩散在两个方向上运动的氧气流场板14设计得较厚。相对于燃料流场板13的厚度0.5mm，氧气流场板14的厚度是2mm或更大。出于同样的原因，燃料流场板13的孔隙率设置为大约70％，而氧气流场板14的孔隙率设置为大约90％。
此外，作为聚合物电解质膜片，使用厚度为50μm的Nafion膜片(E.I.du Pont de Nemours&Company的商标)，将铂膜作为催化剂溅射到聚合物电解质膜片的两个表面上。
在该实施例的燃料电池堆20中，预计在运行期间温度会上升的燃料电池单元中的氧气流场板做得较厚，以促进空气中氧气的引入。预计在运行期间温度相对较低的燃料电池单元中的氧气流场板做得较薄。因此，在未设置于燃料电池堆20a中部的燃料电池单元的温度由于燃料电池堆20a的辐射条件和热生成分布(也受到燃料供应和聚合物电解质的润湿性的影响)的差异而变高的情况下，可以基于对温度分布的预测来设置氧气流场板的厚度。
此外，用于促进氧气流场板中氧气的扩散和供应的方法不仅可以根据氧气流场板的厚度来实现，还可以根据开口面积、氧气流场板的扩散阻力、和对用于容纳燃料电池堆20a的容器以及设备的容纳空间的设计来实现。
(比较例)图7是示出比较例的燃料电池堆结构的横截面视图。图8是示出当使得具有厚度相同的氧气流场板的燃料电池单元能够在不同温度下产生电力时的电流-电压特性的图。图9是示出氧气流场板中的氧气分压与最大电流值(电压为0.4V时的电流)之间关系的图。比较例的燃料电池堆20e具有这样的结构，其中6个燃料电池单元10中的每一个按照相同的方式形成，从而上述实施例中位于电池堆20a中部的燃料电池单元10c简单地彼此堆叠。因此，用相同的附图标记表示与图2中相同的组成部件，并因此省略其详细描述。此外，氧气流场板14c和开口19c对所有6个燃料电池单元都相同，因此分别称为氧气流场板14和开口19。
燃料电池堆20e具有这样的结构，其中相同规格的6个燃料电池单元10叠在一起，并且氧气流场板14的厚度和开口19的高度对所有6个燃料电池单元都相同。燃料电池堆20e的全长L与本发明实施例的燃料电池堆20a(图2)的全长相同。
在每个氧气流场板14的厚度都相同的比较例的燃料电池堆中产生如图3所示的温度分布的情况下，燃料电池单元10中的最大电流值变得不平均。具体地说，位于燃料电池堆20e中部的高温燃料电池单元10的最大电流值变得低于分别位于燃料电池堆20e两端的每个低温燃料电池单元10的最大电流值。
图8示出了当使得具有厚度相同的氧气流场板14的燃料电池单元10能够在不同温度下产生电力时的电流-电压特性。图8中的数字代表发电期间的温度。因此，当温度较高时，最大电流值会减小。其原因是因为氧气流场板14中的水分含量由于发电期间在氧化剂电极12b中产生的水而达到饱和水汽压，使得氧气流场板14中的氧气分压减小。
图9示出了从每个温度下的饱和水汽压推测出的氧气流场中的氧气分压与所测量的最大电流值(在0.4V电压下的电流)之间的关系。如图9所示，当氧气分压减小时，最大电流值降低。换句话说，当氧气流场板14中的氧气分压减小时，在获得相同电流值时的电动势降低。
图5示出了当使得具有厚度不同的氧气流场板14的燃料电池单元10可以在相同温度下产生电力时的电流-电压特性。图5中的数字表示氧气流场板14的厚度。因此，当氧气流场板14的厚度较小时，最大电流值减少。其原因是因为随着氧气流场板14的厚度减小，气体从大气到燃料电池单元的供氧层以及从燃料电池单元的供氧层到大气中的扩散性能降低，并且氧气流场板14中的氧气分压减小。
图6示出了当使得具有厚度不同的氧气流场板14的燃料电池单元10能够在相同温度下产生电力时最大电流值(在0.4V电压下的电流)的变化。如图6所示，当氧气流场板14的厚度变小时，最大电流值减小。换句话说，当燃料电池单元的供氧层中使气体从大气进入及向大气排放气体的通气性能降低时，在获得相同电流值时的电动势降低。
比较例的燃料电池堆是空气呼吸式类型的，并且通过将大气中的氧气通过自然扩散穿过氧气流场板14提供给氧化剂电极来产生电力。因此，不需要提供氧气的机构。由于不设置提供氧气的机构，因此可以使燃料电池堆小型化，并且可以使运行时所涉及的部件的数量和功耗很低。但是，氧气是通过自然扩散来提供的，因而最大电流值不仅受到氧气流场板14的厚度的限制，还受到氧气流场板14中的氧气分压的限制。因此，在位于电池堆在堆叠方向上的中部附近的、温度趋向于变高的燃料电池单元10中，氧气流场板14中的水汽压比位于燃料电池堆20e两端的燃料电池单元增加得更多，并且氧气分压降低。因此，燃料电池堆20e中间级中的燃料电池单元10的最大电流值变得低于燃料电池堆20e两端的每个燃料电池单元10的最大电流值。
当如上所述燃料电池堆20e中各燃料电池单元10的最大电流值不同时，燃料电池堆20e的输出电流受电池堆中部具有较小最大电流值的燃料电池单元10的限制，并且燃料电池堆的输出密度降低。
在燃料电池单元10的氧气流场板14厚度相同的比较例中，燃料电池堆20e中每个燃料电池单元10的最大电流值由图4的虚线(b)表示。与实线(a)表示的本发明实施例的燃料电池堆20a的燃料电池单元10c和10d相比，在发电期间温度上升的电池堆中部的燃料电池单元10中，最大电流值减小了30％或更多。
因此，与比较例的燃料电池堆相比，本发明实施例的燃料电池堆20可以减小燃料电池堆20a中燃料电池单元10a至10f的最大电流值的变化。因此，可以充分展现燃料电池单元10a至10f的电势产生能力，并且电流值可以增加50％。
温度趋向于增加的电池堆中部的燃料电池单元10c和10d的氧气流场板14c和14d做得较厚，从而减小了由于氧气分压的降低而导致最大电流降低的程度。另一方面，温度相对较低的电池堆两端的燃料电池单元10a和10f的氧气流场板14做得较薄，从而将位于电池堆两端的燃料电池单元10a和10f的最大电流值减小到与电池堆中部的燃料电池单元10c和10d的最大电流值平衡。
根据本发明实施例的燃料电池堆20，不管燃料电池堆20a的全长是否与比较例的相同，燃料电池堆20a的最大电流值(对应于图4中的A)大于比较例的燃料电池堆20e的最大电流值(对应于图4中的B)。因此，获得了每单位体积具有高输出密度的燃料电池堆20。
根据本发明实施例的燃料电池堆20，可以提供这样的空气呼吸式燃料电池堆，其中抑制了在燃料电池堆20a的燃料电池单位10a至10f之间最大电流值的变化，并且每单位体积具有高输出密度。因此，本发明可用作小型电气设备的电源。
尽管参照示例性实施例描述了本发明，应当理解本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释，以涵盖所有这样的修改与等价结构和功能。
权利要求
1.一种燃料电池堆，包括多个叠在一起的燃料电池单元，每个燃料电池单元都在电解质膜片的一个表面的一侧上具有供氧层，其中每个供氧层都在其侧表面的至少一部分上具有对大气开放的开口，并将大气中的氧气从该开口扩散到电解质膜片的所述一个表面一侧，将水蒸汽从电解质膜片的所述一个表面一侧扩散到该开口，并且其中一个在发电期间具有比另一个燃料电池单元的温度高的温度的燃料电池单元的开口的面积大于所述另一个燃料电池单元的开口的面积。
2.一种燃料电池堆，包括至少三个叠在一起的燃料电池单元，每个燃料电池单元都在电解质膜片的一个表面的一侧上具有供氧层，其中每个供氧层都在其侧表面的至少一部分上具有对大气开放的开口，并将大气中的氧气从该开口扩散到电解质膜片的所述一个表面一侧，将水蒸汽从电解质膜片的所述一个表面一侧扩散到该开口，并且其中设置于该电池堆中部的燃料电池单元的供氧层比设置于该电池堆两端的每个燃料电池单元的供氧层都厚。
3.一种燃料电池堆，包括多个叠在一起的燃料电池单元，每个燃料电池单元都在电解质膜片的一个表面的一侧上具有供氧层，其中每个供氧层都在其侧表面的至少一部分上具有对大气开放的开口，并将大气中的氧气从该开口扩散到电解质膜片的所述一个表面一侧，将蒸汽从电解质膜片的所述一个表面一侧扩散到该开口，并且其中一个在运行期间具有比另一个燃料电池单元的水蒸汽分压高的水蒸汽分压的燃料电池单元的供氧层中使气体从大气进入及向大气排放气体的通气性能高于所述另一个燃料电池单元的供氧层中使气体从大气进入及向大气排放气体的通气性能。
全文摘要
为了提供一种可以充分利用燃料电池单元原本可以输出的电流范围、并且即使具有小尺寸也可以从中获得高输出的燃料电池堆，针对在运行期间具有相对较高温度的燃料电池单元，将氧气流场板的厚度做得较大，而针对在运行期间具有相对较低温度的燃料电池单元，将氧气流场板的厚度做得较小。
文档编号H01M8/02GK101022173SQ200710005760
公开日2007年8月22日 申请日期2007年2月13日 优先权日2006年2月13日
发明者茂木聪史, 柴田雅章 申请人:佳能株式会社