燃料电池及其操作方法 【发明背景】
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地支管，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公开号平6-267564，日本公开的专利公开号平8-203546，日本公开的专利公开号2000-231929，日本公开的专利公开号2001-52723，日本公开的专利公开号2001-76746)。
【发明内容】
本发明涉及一种包括氢离子导电性电解质的燃料电池，它可用于便携式电源、电动车辆电源、热电联产系统等，具体涉及利用了氢离子导电性聚合物电解质薄膜的燃料电池。
具体而言，本发明的提出正是考虑到上述内容，本发明涉及一种包括许多单元电池的燃料电池，每个单元电池都包括：阳极和阴极，两电极之间插有氢离子导电性电解质；阳极侧的与阳极相接触的电子导电性隔板；以及阴极侧的与阴极相接触的电子导电性隔板，其中阳极侧的电子导电性隔板包括燃料气体通道凹槽，它面向阳极，用以向阳极供应燃料气体，阴极侧的电子导电性隔板包括氧化剂气体通道凹槽，它面向阴极，用以向阴极供应氧化剂气体，在燃料气体通道凹槽和氧化剂气体通道凹槽中的至少一个的当量直径为：每个凹槽不小于0.79mm、不大于1.3mm。
优选的是，燃料气体通道凹槽与氧化剂气体通道凹槽中的至少一个的深度不小于0.7mm，不大于1.1mm。
优选的是，燃料气体通道凹槽与氧化剂气体通道凹槽中的至少一个沿着从上游朝下游延伸的蛇行线行进，并且它包括多个彼此平行且基本上具有相等长度“a”的水平件，其中长度“a”对多个水平件中位于最上游侧的水平件和多个水平件中位于最下侧的水平件的最短直线尺寸“b”的比值满足关系：a/b≤1.2。
优选的是，燃料气体通道凹槽与氧化剂气体通道凹槽中的至少一个要沿着从上游朝下游延伸的蛇行线行进，并且它包括多个彼此平行且基本上具有等长度“a”的水平件，其中彼此相邻的水平件之间的肋宽“c”与长度“a”的比值满足关系：1/200≤c/a≤1/20。
优选的是，阳极和阴极每个都包括气体扩散层以及与气体扩散层相接触的催化反应层，在阳极和阴极的气体扩散层中的至少一个的厚度在100到400μm左右。
优选的是，在阳极和阴极的扩散层中的至少一个具有一定的沿着平行于其主表面方向的气体渗透率，以干燥气体为基础，该渗透率约为2×10-6到2×10-8m2/(帕·秒)(Pa·sec)。
本发明还涉及一种前述燃料电池的操作方法。
优选让燃料电池在以下条件下操作：在沿着燃料气体通道凹槽流动的燃料气体和沿着氧化剂气体通道凹槽流动的氧化剂气体中，至少有一种气体的压降不小于1.5kPa左右(1kPa＝100mmAq(水柱))，不大于25kPa左右。
优选让燃料电池在以下条件下操作：流入阳极的潜流气体的流速“f”对沿着燃料气体通道凹槽流动的燃料气体的流速“e”的比值满足关系：0.05≤f/e≤0.43。
优选让燃料电池在以下条件下操作：流入阴极的潜流气体的流速“h”与沿着氧化剂气体通道凹槽流动的氧化剂气体的流速“g”之比满足关系：0.05≤h/g≤0.43。
当燃料电池还包括冷却介质通道凹槽时，优选让燃料电池在以下条件下操作：冷却介质通道凹槽的入口温度约在45到75℃左右，在要供应给燃料电池的燃料气体和氧化剂气体中，至少有一种气体的露点较入口温度约不低于-5℃，约不高于+5℃，氧化剂气体的利用率约不低于30％左右，不高于70％左右，燃料电池的发电电流密度不低于0.05A/cm2，不高于0.3A/cm2。
此处的潜流气体是指气体扩散层中沿平行于电极主表面的方向从气体流动通道的上游朝下游流动的气体。
依照本发明，在不用供应大压降气体的条件下，就可以解决或抑制在将增湿到相对湿度接近100％或不低于100％的燃料气体或氧化剂气体供应给燃料电池时发生的上述问题。
虽然在所附权利要求中具体阐明了本发明的新特征，但通过下面结合附图所作的详细描述，将从组织结构和内容方面让本发明得到更好的了解和理解。
【附图说明】
在结合附图阅读发明时，能让发明的前述概述部分、以及下面对发明优选实施例的详细描述得到更好理解。为了阐明发明，在附图中示出了目前优选的实施例。但应当理解，本发明并不限于所示的精确结构和工具。
附图中：
图1是表示依照本发明例子的MEA结构的截面图。
图2是表示在例1和本发明的每个试验例中使用的隔板内的氧化剂气体通道凹槽的结构的正视图。
图3是表示图2隔板中的燃料气体通道凹槽结构的后视图。
图4是表示图2的另一隔板中冷却水通道凹槽的结构的后视图。
图5是表示用于本发明例8的燃料电池的隔板中的氧化剂气体通道凹槽结构的正视图。
图6是表示图5隔板中的燃料气体通道凹槽结构的后视图。
【具体实施方式】
在冷凝水和气体沿气体通道凹槽流动的情况下，人们认为气体通道凹槽的壁表面与水之间的接触角、表面张力、气体通道凹槽的当量直径对水的溢流施加很大影响。尤其是在碳用作构成气体通道凹槽壁表面的材料时，碳与水之间的接触角是有限的，于是气体通道凹槽的当量直径对水溢流施加很大影响。要注意的是，当量直径是指与凹槽空间的横截面积等面积的当量圆周的直径。
利用凹槽深度和凹槽宽度，通过以下公式可以计算气体通道凹槽的当量直径：
当量直径＝2×(凹槽深度×凹槽宽度/π)1/2。
另外，当在气体通道凹槽内形成一定锥度和/或在边缘部分出现某种程度的斜切曲线时，当量直径可利用包括肋顶面和凹槽壁表面的平面所包围的空间的横截面积来确定。
此外，当在气体通道凹槽内形成了一定锥度和/或在边缘部分存在着一定程度的斜切曲线时，应当在代表包括肋顶面的平面与凹槽底面之间最短直线尺寸的直线的中点处确定凹槽宽度。
凹槽的当量直径不小于0.79mm，不大于1.3mm，理想的是不小于1mm，不大于1.2mm。当凹槽的当量直径小于0.79mm时，排放冷凝水需要极大的压降；当它超过1.3mm时，电极与隔板之间的间隙较宽，这会增大接触阻力。
为了在维持电池性能的同时有效防止气体通道凹槽中的水溢流，理想的是让凹槽深度不小于0.7mm，不大于1.1mm。当凹槽深度小于0.7mm时，排放冷凝水需要极大的压降；当它超过1.1mm时，隔板需要更厚一些，从而让电池组的容积效率不实用。另一方面，气体通道凹槽的宽度优选短于1.5mm。因为凹槽的宽度不短于1.5mm时，电池性能有变差倾向。
要注意的是，当气体通道凹槽的当量直径不小于0.79mm时，由于压降不小于1.5kPa，因此几乎能防止气体通道凹槽内所有的水溢流。但是，即使压降不小于1.5kPa，当每个凹槽的当量直径都小于0.79mm时，也容易发生水溢流。另外，即使当量直径不小于0.79mm，当凹槽宽度很长，且凹槽深度小到低于0.7mm时，个别情况下也会发生水溢流。
在处于本发明优选模式的燃料电池中，在阳极侧电子导电性隔板内形成的燃料气体通道凹槽和阴极侧电子导电性隔板内形成的氧化剂气体通道凹槽中至少有一个沿着从上游朝下游延伸的蛇行线行进。该凹槽包括多个水平件，水平线彼此平行，且基本上具有相等长度“a”。
在此，电极的水润湿性随时间的变化导致冷凝水溢流状态随时间变化。为了抑制这种现象发生，可取的是缩短气体通道凹槽的多个水平件，延长最上游侧水平件与最下游侧水平件之间的最短直线尺寸“b”，并加宽彼此相邻的水平件之间的肋。但是，在气体通道凹槽沿蛇行线前进的情况下，当水平件太短时，弯头数量增加以便让流动通道保持一定长度，由此引起气体压降的增加。另外，当彼此相邻的水平件之间的肋太宽时，这些肋向部分气体扩散层施压，从而防止气体供应到受压件中。因此必需以这种方式设计凹槽：水平件的长度和弯头的数量都要在适当范围内。
要注意的是，在冷凝水发生溢流的情形下，流动通道的当量直径越大，就越能平稳地将水排出。随着气体扩散层中气体潜流的流速增大，水的排放性也变差。当把肋加宽了时，由于抑制了潜流气体而改善了水的排放性。
基于这些观点，在本发明的第一优选模式中，要这样设计凹槽：长度“a”对最上游侧水平件与最下游侧水平件之间的最短直线尺寸“b”的比值满足关系：a/b≤1.2。另外，在本发明的第二优选模式中，要将凹槽设计成：让彼此相邻的水平件之间的肋宽“c”对长度“a”的比值满足关系：1/200≤c/a≤1/20。在此，当比值“a/b”超过1.2时，水平件变得太长，以致引起弯头间水平件的压降增加，由此潜流气体量相对增加。此外，当水平件变得太短时，弯头数量增加太多，因此优选的是该比值最好满足关系：0.3≤a/b≤1.2。当比值“c/a”下降到1/200以下时，弯曲数量增加，引起气体压降增加；当比值“c/a”超过1/20时，供应到气体扩散层的气体变得不足。
电极内部的水溢流和电极的润湿性随时间的变化大部分受气体扩散层内的水溢流控制。气体扩散层优选具有较大的气体渗透率，厚度要尽可能薄。但是，由于气体扩散层同时具有电极的集流效果，因此可削弱在平行于其主表面方向上的电子导电性的薄的气体扩散层(小于100μm左右)让电池性能变差。此外，当气体扩散层的厚度超过400μm左右时，它的水排放性能变差，同时扩散层内的潜流气体量急剧增加。因此优选的是让气体扩散层的厚度约为100到400μm。另外优选的是让受隔板的肋压制的气体扩散层的厚度为100到250μm。此外，以干燥气体为基础，优选的是在平行于气体扩散层主表面的方向上的气体渗透率约为2×10-8到2×10-6米2(Pa·sec)。当气体渗透率在2×10-8米2(Pa·sec)左右以下时，向电极的催化层供应气体有受抑制的趋势；当它超过2×10-6米2(Pa·sec)左右时，气体扩散层内部的潜流气体量增加过多。
至于在气体扩散层内流动的潜流气体的流速(f)与沿气体通道凹槽流动的气体的流速(e)之间的关系，优选让沿气体通道凹槽流动的气体的流速占优势。为了维持这两个流速之间合适的关系，其比值优选满足关系：0.05≤f/e≤0.43。当f/e低于0.05时，向电极的催化剂供应气体有受抑制趋势；当它超过0.43时，气体扩散层内部的潜流气体量增加过多。
试验例1
电子导电性隔板可通过在没有透气性的致密电子导电性碳板表面上切割形成气体通道凹槽来制造。将由凹槽宽度、凹槽深度和凹槽横截面积算得的凹槽当量直径用作为制造各种试验隔板而变化的参数。要注意的是，除了凹槽宽度等发生变化外，气体流体通道的形状与例1的图2所示的几乎相同。
考虑到切割工艺，由于将凹槽宽度制作得短于0.5mm存在困难，因此凹槽宽度不要短于0.5mm。此外，由于已证实燃料电池性能在凹槽宽度长于1.5mm时变差，因此凹槽宽度要在0.5到1.5mm的范围内变化。
凹槽深度不大于1.2mm，这是因为已证实当凹槽深度长于1.2mm时，隔板要变得较厚，这不太实用，而且还会引起燃料电池性能变差。
接着，在每个试验隔板外围设置密封垫，在隔板表面上设置透明的聚丙烯腈系纤维板，由此能观察气体沿气体通道凹槽流动的状态。向隔板内的气体通道凹槽中均匀地加入水滴。然后向气体通道凹槽中注入氮气或空气，其压降为1kPa(100mmAq)、1.5kPa(150mmAq)、2kPa(200mmAq)、5kPa(500mmAq)或10kPa(1000mmAq)。然后，通过目视观察确定水滴是否可能从气体通道凹槽内迅速排出。将结果示于表1到7中。
表1 当量直径 (mm) 0.56 0.67 0.80 0.87 0.98 宽度/深度 (mm)宽度0.5深度0.5宽度0.7深度0.5宽度1.0深度0.5宽度1.2深度0.5宽度1.5深度0.5 100mmAq × × × × × 150mmAq × × × × × 200mmAq × × × × × 500mmAq × × × △ ○ 1000mmAq × × △ ○ ○
×：水滴溢流
△：水滴要花时间才能排出。
○：水滴迅速排出。
表2 当量直径 (mm) 0.62 0.73 0.87 0.96 1.07 宽度/深度 (mm)宽度0.5深度0.6宽度0.7深度0.6宽度1.0深度0.6宽度1.2深度0.6宽度1.5深度0.6 100mmAq × × × × × 150mmAq × × × × △ 200mmAq × × × △ △ 500mmAq × × △ ○ ○ 1000mmAq △ △ ○ ○ ○
×：水滴溢流
△：水滴要花时间才能排出。
○：水滴迅速排出。
表3 当量直径 (mm) 0.67 0.79 0.94 1.03 1.16 宽度/深度 (mm)宽度0.5深度0.7宽度0.7深度0.7宽度1.0深度0.7宽度1.2深度0.7宽度1.5深度0.7 100mmAq × × × × × 150mmAq × ○ ○ ○ ○ 200mmAq △ ○ ○ ○ ○ 500mmAq △ ○ ○ ○ ○ 1000mmAq ○ ○ ○ ○ ○
×：水滴溢流
△：水滴要花时间才能排出。
○：水滴迅速排出。
表4 当量直径 (mm) 0.71 0.84 1.01 1.11 1.24 宽度/深度 (mm)宽度0.5深度0.8宽度0.7深度0.8宽度1.0深度0.8宽度1.2深度0.8宽度1.5深度0.8 100mmAq × × × × × 150mmAq × ○ ○ ○ ○ 200mmAq △ ○ ○ ○ ○ 500mmAq △ ○ ○ ○ ○ 1000mmAq ○ ○ ○ ○ ○
×：水滴溢流
△：水滴要花时间才能排出。
○：水滴迅速排出。
表5 当量直径 (mm) 0.80 0.94 1.13 1.24 1.38 宽度/深度 (mm)宽度0.5深度1.0宽度0.7深度1.0宽度1.0深度1.0宽度1.2深度1.0宽度1.5深度1.0 100mmAq × × × × △ 150mmAq ○ ○ ○ ○ ○ 200mmAq ○ ○ ○ ○ ○ 500mmAq ○ ○ ○ ○ ○ 1000mmAq ○ ○ ○ ○ ○
×：水滴溢流
△：水滴要花时间才能排出。
○：水滴迅速排出。
表6 当量直径 (mm) 0.83 0.99 1.18 1.30 1.45 宽度/深度 (mm)宽度0.5深度1.1宽度0.7深度1.1宽度1.0深度1.1宽度1.2深度1.1宽度1.5深度1.1 100mmAq × × × × △ 150mmAq ○ ○ ○ ○ ○ 200mmAq ○ ○ ○ ○ ○ 500mmAq △ ○ ○ ○ ○ 1000mmAq ○ ○ ○ ○ ○
×：水滴溢流
△：水滴要花时间才能排出。
○：水滴迅速排出。
表7 当量直径 (mm) 0.87 1.03 1.24 1.35 1.51 宽度/深度 (mm)宽度0.5深度1.2宽度0.7深度 1.2宽度1.0深度1.2宽度1.2深度1.2宽度1.5深度1.2 100mmAq × × × △ △ 150mmAq ○ ○ ○ ○ ○ 200mmAq ○ ○ ○ ○ ○ 500mmAq △ ○ ○ ○ ○ 1000mmAq ○ ○ ○ ○ ○
×：水滴溢流
△：水滴要花时间才能排出。
○：水滴迅速排出。
试验例2
制备隔板，它与在试验例1中展现良好结果的试验隔板中具有最小当量直径0.79mm(见表3，凹槽宽度：0.7mm，凹槽深度：0.7mm)的隔板相同。
还要制备一种隔板，它与在试验例1中展现良好结果的试验隔板中具有最大当量直径1.3mm(见表6，凹槽宽度：1.2mm，凹槽深度：1.1mm)的隔板相同。应当注意的是，此处所选的隔板具有凹槽宽度为1.2mm的最大当量直径，这是因为人们认为凹槽宽度超过1.2mm不能获得足够的电池性能。
此外还制备这样一种隔板，它与试验例1中展现良好结果、且具有介于前述最小和最大当量直径中间的中等当量直径1.13mm(见表5，凹槽宽度：1mm，凹槽深度：1mm)的隔板相同。
与此同时，制备构成气体扩散层的电子导电性碳纸(由TorayIndustries，Inc.制造)和碳织物。在制造燃料电池的过程中即使可以采用电子导电性碳纸或者碳织物，但当气体扩散层的厚度不超过90μm时，处理气体扩散层也变得比较困难。另外，气体扩散层在平行于其表面方向上的电子导电性也不足，这会引起电池性能变差，因此可以确定气体扩散层的厚度优选不小于100μm。
接着，在每个试验隔板外围设置密封垫，在隔板的气体通道凹槽一侧的表面上设置气体扩散层。此外，在气体扩散层上设置透明的丙烯腈系纤维板，以便能观察到加入了油雾的氮气或空气沿气体通道凹槽流动的状态。接着通过向气体扩散层与隔板之间的接触部分施加7kg/cm2压力的方式将丙烯腈系纤维板夹持到隔板上。气体扩散层的气体渗透率根据夹紧压力而变化，夹紧压力越大，气体渗透率变得越低。在该试验例中，当夹紧压力为7kg/cm2时，采用气体渗透率为1.2×10-7m2/(Pa·sec)的碳织物。
将氮气或空气注入所得的上面布置了气体扩散层的隔板的气体通道凹槽中。然后测量气体压降。与此同时，在没有气体扩散层的情况下，按照与试验例1相同的方式在外围已设置了密封垫的隔板的表面上布置透明的丙烯腈系纤维板，将气体注入气体通道凹槽中，测量气体压降。在此，按照与上面设有气体扩散层的隔板的情况下的速率相同的速率注入气体。通过采用气体扩散层和不采用气体扩散层这两种情况下的压降，可以确定气体扩散层中流动的潜流气体量对沿隔板的气体通道凹槽流动的气体量的比值。另外，还可观察气体的潜流状态。将结果示于表8到10中。
表8 GDL厚度 (μm) 100 200 300 400 450 气体流速比 (f/e) 0.10 0.18 0.31 0.50 0.76气体潜流状态 ○ ○ ○ × ×
GDL：气体扩散层
×：GDL中气体在从气体入口朝出口流动的过程中处于快捷潜流状态。
○：气体沿着流动通道时处于均匀的流动状态。
表9 GDL厚度 (μm) 100 200 300 400 450 气体流 速比( f/e) 0.07 0.15 0.29 0.46 0.70 气体潜 流状态 ○ ○ ○ × ×
GDL：气体扩散层
×：GDL中气体在从气体入口朝出口流动的过程中处于快捷潜流状态。
○：气体沿着流动通道时处于均匀的流动状态。
表10 GDL厚度 (μm) 100 200 300 400 450气体流速比(f/e) 0.05 0.11 0.25 0.43 0.66气体潜流状态 ○ ○ ○ ○ ×
GDL：气体扩散层
×：GDL中气体在从气体入口朝出口流动的过程中处于快捷潜流状态。
○：气体沿着流动通道时处于均匀的流动状态。
由利用燃料电池分别实施的试验的结果可以发现，当气体通道凹槽间的肋上有气体潜流(此后称为快捷潜流)时，气体流动状态随时间急剧变化，由此对初始的电池性能以及电池性能的耐久性带来负面影响。
试验例3
制备隔板，它与试验例1和2中采用的、包括当量直径为1.13mm(凹槽宽度：1mm，凹槽深度：1mm)的气体通道凹槽的隔板相同。此外，将厚度不少于200μm的各种碳织物用作气体扩散层。除了要使用这些碳织物外，按照与试验例2中相同的方式确定气体扩散层中流动的潜流气体量对沿隔板的气体通道凹槽流动的气体量的比值，将所得比值、气体的潜流状态和碳织物的气体渗透率之间的关系列在表11中。
表11 GDL的气体 渗透率 (m3/m2/sec/Pa·m) 3×10-6 2×10-6 2×10-7 2×10-8 1×10-8 气体流速比 (f/e) 0.52 0.43 0.2 0.05 0.03 气体潜流状态 × ○ ○ ○ △
GDL：气体扩散层
×：GDL中气体在从气体入口朝出口流动的过程中处于快捷潜流状态。
△：气体在GDL中略微处于潜流状态。
○：气体沿着流动通道时处于均匀的流动状态。
由利用燃料电池分别实施的试验的结果可以观察到，当气体扩散层中存在着从气体通道凹槽的入口朝出口的气体快捷潜流时，气流状态随时间急剧变化，由此它对初始电池性能以及电池性能的耐久性产生负面效果。还可发现，即使在气体扩散层中几乎没有气体潜流时，电池性能也会变差。
例1
(i)制造电极
让乙炔碳黑粉末(Denka-Black(产品名)，Denki Kagaku KogyoKabushihikaisha)制造)载带上平均粒径约为30的铂颗粒，从而制备出催化剂粉末。按重量计，每100重量份的乙炔碳黑粉末要用25重量份的铂。将所得催化剂粉末与异丙醇混合，制备出悬浮液A。此外，将全氟化碳磺酸(Flemion(产品名)，由Asahi Glass Company制造)与乙醇混合，制备出悬浮液B。然后将悬浮液A和B彼此混合起来，得到催化剂膏。
与此同时，制备碳织物构成气体扩散层。所用碳织物的外部尺寸为12×12cm，厚度为200μm，气体渗透率为1.2×10-7m2/(Pa·sec)。将碳黑粉末与聚四氟乙烯(PTFE)(D-1(产品名)，由DSIKININDUSTRIES LTD.制造)水分散体的混合物施加到该碳织物的、要形成催化反应层的那一侧表面上，然后在400℃条件下烘焙30分钟，从而在碳织物上设置防水层。通过丝网印刷将前述催化剂膏施加到该防水层上，以形成催化反应层。通过这种方式，就得到了包括碳织物、碳织物上形成的催化反应层以及在二者之间设置的防水层的电极。电极中每单位面积上的铂含量和全氟化碳磺酸含量分别为0.3mg/cm2和1.0mg/cm2。
(ii)制备MEA
参照图1进行描述。
通过热压将包括催化反应层12和气体扩散层13的每对电极14中的每个电极粘到外部尺寸为20cm×20cm的氢离子导电性聚合物电解质薄膜11的每个表面上，所述粘结方式是让催化反应层12与电解质薄膜11相接触。对于氢离子导电性聚合物电解质薄膜11来说，要使用已形成厚度为30μm的薄膜的全氟化碳磺酸。接着，在电解质薄膜11的外围形成歧管孔，所述歧管孔的大小和布置与后面描述的隔板中形成的孔的大小和布置相同。在电解质薄膜的外围设置Viton Co.制造的气体密封件15，这样电极和歧管孔被气体密封件围合起来，由此制得薄膜-电极组件(MEA)16。
(iii)制造电子导电性隔板
对没有透气性的致密电子导电性碳板的表面进行切割，形成气体通道凹槽，由此制造出电子导电性隔板。在此制造三种隔板：隔板(X)，在其一个表面上形成了图2所示的凹槽，在另一表面上形成了图3所示的凹槽；隔板(Y)，在其一个表面上形成了图2所示的凹槽，在另一表面上形成了图4所示的凹槽；隔板(Z)，在其一个表面上形成了图3所示的凹槽，在其另一表面上形成了图4所示的凹槽(歧管孔的布置不同)。图2、3和4所示的凹槽分别是氧化剂气体通道凹槽、燃料气体通道凹槽和冷却水通道凹槽。
每个隔板的尺寸是20cm×20cm，厚度为3mm。每个隔板中形成的横截面为长方形凹形面的每个凹槽21a和21b，宽为0.7mm，深为.07mm，每个凹槽的当量直径为0.79mm。气体通道凹槽沿着从上游朝下游延伸的蛇行线行进，它们包括多个水平件，水平件彼此平行，且基本上具有相等长度“a”，长度“a”对最上游侧的水平件与最下游侧的水平件之间的最短直线尺寸“b”的比值a/b为1.2。另外，彼此相邻的水平件之间的肋22a和22b的宽度“c”为1.2mm，肋宽“c”与长度“a”的比值c/a为1/30。
接着在每个隔板上设置规定的歧管孔，即氧化剂气体入口23a、氧化剂气体出口23b、燃料气体入口24a、燃料气体出口24b、以及冷却水入口25a和冷却水出口25b。应当注意的是，在每个隔板中，尺寸相同的各个歧管孔都要设置相同位置。另外，还要在每个隔板的四角设置夹持棒孔26。
(iv)制造燃料电池
将MEA夹在两个前述规定的隔板之间，将它们用作单元电池。让一个MEA的一个表面面向隔板(X)中的氧化剂气体通道凹槽，同时让另一表面面向隔板(Z)中的燃料气体通道凹槽。将另一MEA设置成面向该单元电池的隔板(X)的燃料气体通道凹槽，同时让其相反的一面面向隔板(Y)中的氧化剂气体通道凹槽。重复该双电池结构模式，直至组装出包含100个电池的堆栈。在电池组的每一端，顺序地安置了表面镀金的铜制集流板、PPS(聚苯硫醚)制成的绝缘板和不锈钢制成的端板，端板用夹持棒固定。相对电极的夹紧压力为10kg/cm2。
(v)燃料电池的评价
将这样制造的该例子的聚合物电解质燃料电池保持在70℃，将经过增湿并加热到具有70℃的露点的氢气和经过增湿并加热到具有70℃的露点的空气分别提供给阳极侧和阴极侧。当没有电流向外部输出时，这产生无负载情况下的98V的电池开路电压。
在燃料利用率为75％、氧气利用率为50％和电流密度为0.3A/cm2的条件下让该燃料电池连续发电，以测量输出功率性能随时间的变化。结果确定，该例子的燃料电池的输出功率在8000小时后还维持在3.11kW(72V-43.2A)。
例2
除了改变隔板中的凹槽结构外，制造与例1中一样的燃料电池。此处所用的隔板包括凹槽21a和21b，在这些凹槽的结构中，除了凹槽宽度为1mm、深度为1mm和每个凹槽的当量直径为1.13mm外，其它都与例1中的结构相同。
水平件长度“a”对最上游侧水平件和最下游侧水平件之间的最短直线尺寸“b”的比值a/b以及肋宽“c”与长度“a”的比值c/a分别与例1中的相同。
将这样制造的该例子的聚合物电解质燃料电池保持在70℃，将经过增湿并加热到具有70℃的露点的氢气和经过增湿并加热到具有70℃的露点的空气分别提供给阳极侧和阴极侧。当没有电流向外部输出时，这产生无负载情况下的97.5V的电池开路电压。
在燃料利用率为75％、氧气利用率为50％和电流密度为0.3A/cm2的条件下让该燃料电池连续发电，以测量输出功率性能随时间的变化。结果确定，该例子的燃料电池的输出在8000小时后还维持在3.132kW(72.5V-43.2A)。
例3
除了改变隔板中的凹槽结构外，制造与例1中一样的燃料电池。在此所用的隔板包括凹槽21a和21b，在这些凹槽的结构中除了凹槽宽度为1.2mm、深度为1.1mm和每个凹槽的当量直径为1.3mm之外，其它都与例1中的结构相同。
水平件长度“a”对最上游侧水平件和最下游侧水平件之间的最短直线尺寸“b”的比值a/b以及肋宽“c”与长度“a”的比值c/a分别与例1中的相同。
将这样制造的该例子的聚合物电解质燃料电池保持在70℃，将经过增湿并加热到具有70℃的露点的氢气和经过增湿并加热到具有70℃的露点的空气分别提供给阳极侧和阴极侧。当没有电流向外部输出时，这产生无负载情况下的98.5V的电池开路电压。
在燃料利用率为75％、氧气利用率为50％和电流密度为0.3A/cm2的条件下让该燃料电池连续发电，以测量输出功率性能随时间的变化。结果确定，该例子的燃料电池的输出在8000小时后还维持在3.123kW(72.3V-43.2A)。
例4
除了改变隔板中的凹槽结构外，制造与例1中一样的燃料电池。在此所用的隔板包括凹槽21a和21b，在这些凹槽的结构中除了凹槽宽度为1mm、深度为1mm、每个凹槽的当量直径为1.13mm、以及彼此相邻的水平件间的每个肋22a和22b的宽度“c”为1mm、肋宽“c”与水平件长度“a”的比值c/a为1/60之外，其它都与例1中的结构相同。
水平件长度“a”对最上游侧水平件和最下游侧水平件之间的最短直线尺寸“b”的比值a/b与例1中的相同。
将这样制造的该例子的聚合物电解质燃料电池保持在70℃，将经过增湿并加热到具有70℃的露点的氢气和经过增湿并加热到具有70℃的露点的空气分别供应给阳极侧和阴极侧。当没有电流向外部输出时，这产生无负载情况下的98.5V的电池开路电压。
在燃料利用率为75％、氧气利用率为50％和电流密度为0.3A/cm2的条件下让该燃料电池连续发电，以测量输出功率性能随时间的变化。结果确定，该例子的燃料电池的输出在8000小时后还维持在3.132kW(72.5V-43.2A)。
例5
除了改变隔板中的凹槽结构外，制造与例1中一样的燃料电池。在此所用的隔板包括凹槽21a和21b，在这些凹槽的结构中，除了凹槽宽度为1mm、深度为1mm、每个凹槽的当量直径为1.13mm、彼此相邻的水平件间的每个肋22a和22b的宽度“c”为0.8mm、以及肋宽“c”与水平件长度“a”的比值c/a为1/200之外，其余都与例1中的结构相同。
水平件长度“a”对最上游侧水平件和最下游侧水平件之间的最短直线尺寸“b”的比值a/b与例1中的相同。
将这样制造的该例子的聚合物电解质燃料电池保持在70℃，将经过增湿并加热到具有70℃的露点的氢气和经过增湿并加热到具有70℃的露点的空气分别供应给阳极侧和阴极侧。当没有电流向外部输出时，这产生无负载情况下的98.5V的电池开路电压。
在燃料利用率为75％、氧气利用率为50％和电流密度为0.3A/cm2的条件下让该燃料电池连续发电，以测量输出功率性能随时间的变化。结果确定，该例子的燃料电池的输出在8000小时后还维持在3.123kW(72.3V-43.2A)。
例6
除了改变隔板中的凹槽结构外，制造与例1中一样的燃料电池。在此所用的隔板包括凹槽21a和21b，在这些凹槽的结构中，除了凹槽宽度为1mm、深度为1mm、每个凹槽的当量直径为1.13mm、水平件长度“a”对最上游侧水平件和最下游侧水平件之间的最短直线尺寸“b”的比值a/b为0.8、彼此相邻的水平件间的每个肋22a和22b的宽度“c”为1mm、肋宽“c”与长度“a”的比值c/a为1/50之外，其它都与例1中的结构相同。
将这样制造的该例子的聚合物电解质燃料电池保持在70℃，将经过增湿并加热到具有70℃的露点的氢气和经过增湿并加热到具有70℃的露点的空气分别供应给阳极侧和阴极侧。当没有电流向外部输出时，这产生无负载情况下的99V的电池开路电压。
在燃料利用率为75％、氧气利用率为50％和电流密度为0.3A/cm2的条件下让该燃料电池连续发电，以测量输出功率性能随时间的变化。结果确定，该例子的燃料电池的输出在8000小时后还维持在3.154kW(73V-43.2A)。
例7
除了改变隔板中的凹槽结构外，制造与例1中一样的燃料电池。在此所用的隔板包括凹槽21a和21b，在这些凹槽的结构中，除了凹槽宽度为1mm、深度为1mm、每个凹槽的当量直径为1.13mm、水平件长度“a”对最上游侧水平件和最下游侧水平件之间的最短直线尺寸“b”的比值a/b为0.6、彼此相邻的水平件间的每个肋22a和22b的宽度“c”为1mm、肋宽“c”与长度“a”的比值c/a为1/40之外，其它都与例1中的结构相同。
将这样制造的该例子的聚合物电解质燃料电池保持在70℃，将经过增湿并加热到具有70℃的露点的氢气和经过增湿并加热到具有70℃的露点的空气分别供应给阳极侧和阴极侧。当没有电流向外部输出时，这产生无负载情况下的98.5V的电池开路电压。
在燃料利用率为75％、氧气利用率为50％和电流密度为0.3A/cm2的条件下让该燃料电池连续发电，以测量输出功率性能随时间的变化。结果确定，该例子的燃料电池的输出在8000小时后还维持在3.11kW(72V-43.2A)。
比较例1
除了改变隔板中的凹槽结构外，制造与例1中一样的燃料电池。在此所用的隔板包括凹槽21a和21b，在这些凹槽的结构中，除了凹槽宽度为0.6mm、深度为0.6mm、每个凹槽的当量直径为0.68mm、水平件长度“a”对最上游侧水平件和最下游侧水平件之间的最短直线尺寸“b”的比值a/b为1.3、彼此相邻的水平件间的每个肋22a和22b的宽度“c”为0.5mm、肋宽“c”与长度“a”的比值c/a为1/220之外，其它都与例1中的结构相同。
将这样制造的该例子的聚合物电解质燃料电池保持在70℃，将经过增湿并加热到具有70℃的露点的氢气和经过增湿并加热到具有70℃的露点的空气分别供应给阳极侧和阴极侧。当没有电流向外部输出时，这产生无负载情况下的96V的电池开路电压。
在燃料利用率为75％、氧气利用率为50％和电流密度为0.3A/cm2的条件下让该燃料电池连续发电，以测量输出功率性能随时间的变化。从该例子燃料电池的超过2000小时工作的结果确定，其输出从开始阶段的3.07kW(71V-43.2A)降低到2000小时后的2.85kW(66V-43.2A)。
比较例2
除改变隔板中的凹槽结构外，制造与例1中一样的燃料电池。在此所用的隔板包括凹槽21a和21b，在这些凹槽的结构中，除了凹槽宽度为1.2mm、深度为1.2mm、每个凹槽的当量直径为1.35mm、水平件长度“a”对最上游侧水平件和最下游侧水平件之间的最短直线尺寸“b”的比值a/b为1.3、彼此相邻的水平件间的每个肋22a和22b的宽度“c”为1.5mm、肋宽“c”与长度“a”的比值c/a为1/19之外，其它都与例1中的结构相同。
将这样制造的该例子的聚合物电解质燃料电池保持在70℃，将经过增湿并加热到具有70℃的露点的氢气和经过增湿并加热到具有70℃的露点的空气分别供应给阳极侧和阴极侧。当没有电流向外部输出时，这产生无负载情况下的96V的电池开路电压。
在燃料利用率为75％、氧气利用率为50％和电流密度为0.3A/cm2的条件下让该燃料电池连续发电，以测量输出功率性能随时间的变化。从该例子燃料电池的超过2000小时的工作确定，其输出从开始阶段的3.02kW(70V-43.2A)降低到2000小时后的2.76kW(64V-43.2A)。
例8
除了改变隔板中的凹槽结构外，制造与例1中一样的燃料电池。就象例1中那样，对没有透气性的致密电子导电性碳板进行切割，形成气体通道凹槽，由此制造出电子导电性隔板。在此制造三种类型的隔板：隔板(O)，在其一个表面上形成了图5所示的凹槽，在另一表面上形成了图6所示的凹槽；隔板(P)，在其一个表面上形成了图5所示的凹槽，在另一表面上形成了图4所示的凹槽；隔板(Q)，在其一个表面上形成了图6所示的凹槽，在其另一表面上形成了图4所示的凹槽(歧管孔的布置不同)。图5和6所示的凹槽分别是氧化剂气体通道凹槽、燃料气体通道凹槽，象例1中那样，图4所示的凹槽是冷却水通道凹槽。
与例1中一样，每个隔板的尺寸是20cm×20cm，厚度为3mm。在每个隔板中形成的横截面为长方形凹形面的每个凹槽31a和31b宽为0.7mm，深为0.7mm，每个凹槽的当量直径为0.79mm。气体通道凹槽沿着从上游朝下游延伸的蛇行线行进，它们包括多个水平件，这些水平件彼此平行，且基本上具有相同的长度“a”，长度“a”对最上游侧水平件与最下游侧水平件之间的最短直线尺寸“b”的比值a/b为0.2。另外，彼此相邻的水平件间的肋32a和32b的宽度“c”为0.7mm，肋宽“c”与长度“a”的比值c/a为1/30。还要注意的是，在最上游的水平件与歧管孔之间和最下游的水平件与歧管孔之间设置了矩阵形状的流动通道37。
接着在每个隔板上设置规定的歧管孔，即氧化剂气体入口33a、氧化剂气体出口33b、燃料气体入口34a、燃料气体出口34b、以及冷却水入口35a和冷却水出口35b。应当注意的是，在每个隔板中，相同尺寸的各歧管孔要设置相同位置。另外，还要在每个隔板的四角设置夹持棒孔36。
将这样制造的该例子的聚合物电解质燃料电池保持在70℃，将经过增湿并加热到具有70℃的露点的氢气和经过增湿并加热到具有70℃的露点的空气分别供应给阳极侧和阴极侧。当没有电流向外部输出时，这产生无负载情况下的98.5V的电池开路电压。
在燃料利用率为75％、氧气利用率为50％和电流密度为0.3A/cm2的条件下让该燃料电池连续发电，以测量输出功率性能随时间的变化。结果确定，该例子的燃料电池的输出在8000小时后还维持在3.11kW(72V-43.2A)。
例9
除了改变隔板中的凹槽结构外，制造与例8中一样的燃料电池。在此所用的隔板包括凹槽31a和31b，在这些凹槽的结构中，除了凹槽宽度为1mm、深度为1mm、每个凹槽的当量直径为1.13mm、每个肋32a和32b的宽度“c”为1mm、肋宽“c”与长度“a”的比值c/a为1/20之外，其余都与例8中的结构相同。
水平件长度“a”对最上游侧水平件和最下游侧水平件之间的最短直线尺寸“b”的比值a/b与例8中的相同。
将这样制造的该例子的聚合物电解质燃料电池保持在70℃，将经过增湿并加热到具有70℃的露点的氢气和经过增湿并加热到具有70℃的露点的空气分别供应给阳极侧和阴极侧。当没有电流向外部输出时，这产生无负载情况下的98V的电池开路电压。
在燃料利用率为75％、氧气利用率为50％和电流密度为0.3A/cm2的条件下让该燃料电池连续发电，以测量输出功率性能随时间的变化。结果确定，该例子的燃料电池的输出在8000小时后还维持在3.119kW(72.2V-43.2A)。
例10
除了改变隔板中的凹槽结构外，制造与例8中一样的燃料电池。在此所用的隔板包括凹槽31a和31b，在这些凹槽的结构中，除了凹槽宽度为1.2mm、深度为1.1mm、每个凹槽的当量直径为1.3mm、每个肋32a和32b的宽度“c”为1mm、肋宽“c”与长度“a”的比值c/a为1/20之外，其余都与例8中的结构相同。
水平件长度“a”与最上游侧水平件和最下游侧水平件之间的最短直线尺寸“b”的比值a/b与例8中的相同。
将这样制造的该例子的聚合物电解质燃料电池保持在70℃，将经过增湿并加热到具有70℃的露点的氢气和经过增湿并加热到具有70℃的露点的空气分别供应给阳极侧和阴极侧。当没有电流向外部输出时，这产生无负载情况下的98.5V的电池开路电压。
在燃料利用率为75％、氧气利用率为50％和电流密度为0.3A/cm2的条件下让该燃料电池连续发电，以测量输出功率性能随时间的变化。结果确定，该例子的燃料电池的输出在8000小时后还维持在3.136kW(72.6V-43.2A)。
例11
除了改变隔板中的凹槽结构外，制造与例1中一样的燃料电池。在此所用的隔板包括凹槽21a和21b，在这些凹槽的结构中，除了凹槽宽度为1mm、深度为0.79mm、每个凹槽的当量直径为1mm之外，其它都与例1中的结构相同。
水平件长度“a”对最上游侧水平件和最下游侧水平件之间的最短直线尺寸“b”的比值a/b为1，肋宽“c”与长度“a”的比值c/a为1/50。
将这样制造的该例子的聚合物电解质燃料电池保持在70℃，将经过增湿并加热到具有70℃的露点的氢气和经过增湿并加热到具有70℃的露点的空气分别供应给阳极侧和阴极侧。当没有电流向外部输出时，这产生无负载情况下的98.5V的电池开路电压。
在燃料利用率为75％、氧气利用率为50％和电流密度为0.3A/cm2的条件下让该燃料电池连续发电，以测量输出功率性能随时间的变化。结果确定，该例子的燃料电池的输出在8000小时后还维持在3.162kW(73.2V-43.2A)。
例12
除了改变隔板中的凹槽结构外，制造与例1中一样的燃料电池。在此所用的隔板包括凹槽21a和21b，在这些凹槽的结构中，除了凹槽宽度为1mm、深度为0.88mm、每个凹槽的当量直径为1.06mm之外，其它都与例1中的结构相同。
水平件长度“a”对最上游侧水平件和最下游侧水平件之间的最短直线尺寸“b”的比值a/b为1，肋宽“c”与长度“a”的比值c/a为1/50。
将这样制造的该例子的聚合物电解质燃料电池保持在70℃，将经过增湿并加热到具有70℃的露点的氢气和经过增湿并加热到具有70℃的露点的空气分别供应给阳极侧和阴极侧。当没有电流向外部输出时，这产生无负载情况下的99.5V的电池开路电压。
在燃料利用率为75％、氧气利用率为50％和电流密度为0.3A/cm2的条件下让该燃料电池连续发电，以测量输出功率性能随时间的变化。结果确定，该例子的燃料电池的输出在8000小时后还维持在3.184kW(73.7V-43.2A)。
例13
除了改变隔板中的凹槽结构外，制造与例1中一样的燃料电池。在此所用的隔板包括凹槽21a和21b，在这些凹槽的结构中，除了凹槽宽度为1.1mm、深度为1.03mm、每个凹槽的当量直径为1.2mm之外，其它都与例1中的结构相同。
水平件长度“a”对最上游侧水平件和最下游侧水平件之间的最短直线尺寸“b”的比值a/b为1，肋宽“c”与长度“a”的比值c/a为1/50。
将这样制造的该例子的聚合物电解质燃料电池保持在70℃，将经过增湿并加热到具有70℃的露点的氢气和经过增湿并加热到具有70℃的露点的空气分别供应给阳极侧和阴极侧。当没有电流向外部输出时，这产生无负载情况下的99V的电池开路电压。
在燃料利用率为75％、氧气利用率为50％和电流密度为0.3A/cm2的条件下让该燃料电池连续发电，以测量输出功率性能随时间的变化。结果确定，该例子的燃料电池的输出在8000小时后还维持在3.171kW(73.4V-43.2A)。
例14
除了改变隔板中的凹槽结构外，制造与例1中一样的燃料电池。在此所用的隔板包括凹槽21a和21b，在这些凹槽的结构中，除了凹槽宽度为1mm、深度为0.75mm和每个凹槽的当量直径为0.98mm之外，其它都与例1中的结构相同。
水平件长度“a”对最上游侧水平件和最下游侧水平件之间的最短直线尺寸“b”的比值a/b为1，肋宽“c”与长度“a”的比值c/a为1/50。
将这样制造的该例子的聚合物电解质燃料电池保持在70℃，将经过增湿并加热到具有70℃的露点的氢气和经过增湿并加热到具有70℃的露点的空气分别供应给阳极侧和阴极侧。当没有电流向外部输出时，这产生无负载情况下的98V的电池开路电压。
在燃料利用率为75％、氧气利用率为50％和电流密度为0.3A/cm2的条件下让该燃料电池连续发电，以测量输出功率性能随时间的变化。结果确定，该例子的燃料电池的输出在8000小时后还维持在3.119kW(72.2V-43.2A)。
例15
除了改变隔板中的凹槽结构外，制造与例1中一样的燃料电池。在此所用的隔板包括凹槽21a和21b，在这些凹槽的结构中，除了凹槽宽度为1.1mm、深度为1.06mm、每个凹槽的当量直径为1.22mm之外，其它都与例1中的结构相同。
水平件长度“a”对最上游侧水平件和最下游侧水平件之间的最短直线尺寸“b”的比值a/b为1，肋宽“c”与长度“a”的比值c/a为1/50。
将这样制造的该例子的聚合物电解质燃料电池保持在70℃，将经过增湿并加热到具有70℃的露点的氢气和经过增湿并加热到具有70℃的露点的空气分别供应给阳极侧和阴极侧。当没有电流向外部输出时，这产生无负载情况下的98.5V的电池开路电压。
在燃料利用率为75％、氧气利用率为50％和电流密度为0.3A/cm2的条件下让该燃料电池连续发电，以测量输出功率性能随时间的变化。结果确定，该例子的燃料电池的输出在8000小时后还维持在3.128kW(72.4V-43.2A)。
例16
除了改变隔板中的凹槽结构外，制造与例1中一样的燃料电池。在此所用的隔板包括凹槽21a和21b，在这些凹槽的结构中，除了凹槽宽度为0.7mm、深度为0.81mm、每个凹槽的当量直径为0.85mm之外，其它都与例1中的结构相同。
水平件长度“a”对最上游侧水平件和最下游侧水平件之间的最短直线尺寸“b”的比值a/b为1，肋宽“c”与长度“a”的比值c/a为1/50。
将这样制造的该例子的聚合物电解质燃料电池保持在70℃，将经过增湿并加热到具有70℃的露点的氢气和经过增湿并加热到具有70℃的露点的空气分别供应给阳极侧和阴极侧。当没有电流向外部输出时，这产生无负载情况下的98V的电池开路电压。
在燃料利用率为75％、氧气利用率为50％和电流密度为0.3A/cm2的条件下让该燃料电池连续发电，以测量输出功率性能随时间的变化。结果确定，该例子的燃料电池的输出在8000小时后还维持在3.123kW(72.3V-43.2A)。
试验例4
如图1所示，由试验例1中实施的、关于水滴是否可从隔板流动通道中迅速排出的目视观察结果看出，当凹槽深度为0.5mm、凹槽宽度为0.5mm、0.7mm和1mm以及气体压降范围为1kPa(100mmAq)到10kPa(1000mmAq)时，水滴不能迅速排出，。
在此，除了使用前述隔板和将压降超过10kPa的气体注入气体通道凹槽中外，进行与试验例1中相同的操作，通过目视观察确定水滴是否可从隔板通道凹槽中迅速排出。结果示于表12中。
表12 当量直径 (mm) 0.56 0.67 0.80 宽度/深度 (mm)宽度0.5深度0.5 宽度 0.7 深度 0.5宽度1.0 深度 0.5 1500mmAq × × ○ 2000mmAq × △ ○ 2500mmAq △ ○ ○ 2700mmAq ○ ○ ○ 3000mmAq ○ ○ ○
×：水滴溢流
△：水滴花时间才能排出。
○：水滴迅速排出。
由上述结果可以确定，在施加不小于25kPa的压降时，不管气体流动通道凹槽的当量直径、宽度和深度如何，水滴都能从隔板流动通道中迅速排出。因此这表明，当压降在不小于1.5kPa(150mmAq)、不大于25kPa(2500mmAq)的范围内时，能为本发明带来有效影响。
例17
制造与例1中那个燃料电池类似的燃料电池，它的冷却水入口温度维持在40到80℃。将经过增湿且被加热到具有与冷却水入口温度相等的露点温度的混合气体供应到阳极侧，其中所述混合气体含有23％的二氧化碳、76.5％的氢和0.5％的空气以及20ppm的一氧化碳。将经过增湿并被加热到具有与冷却水入口温度相等的露点温度的空气供应给阴极侧。
在燃料利用率为75％、氧气利用率为50％和电流密度为0.3A/cm2的条件下让该燃料电池连续发电，以测量输出功率性能随时间的变化。另外，在电流密度为0.3A/cm2的条件下，于连续的发电过程中控制冷却水流速，以便让冷却水出口的温度比冷却水入口的温度高6℃。
表13示出了：在不向外部输出电流时的无负载情况下的电池开路电压；100个单元电池在开始连续发电后100小时的电压变化标准偏差(σ)；以及在开始连续发电后10000小时的每小时的电压下降的平均速度(退化率)。
表13 冷却水入口 温度(℃)电池开路电压 (V)电压标准偏差 (σ) 电压下降的 平均速度 (μv/h) 40 94 3.8 8.1 45 96 2.3 3.3 50 97 2.1 2.8 55 98 1.9 2.0 60 98 1.8 1.7 65 98 1.7 1.8 70 98 1.7 2.1 75 98 1.6 3.5 80 98 1.6 8000小时后 不可能工作
从表13中可以看出，虽然电池的开路电压不受冷却水入口温度(电池温度)的很大影响，但当冷却水入口温度不高于40℃时，电极催化剂会因燃料气体中的一氧化碳而中毒，从而增大了退化率以及初始特征值σ。另外还看出，当冷却水入口的温度不低于80℃时，约8000小时后电池电压降低到使电池不可能继续工作。因此可认为冷却水入口的温度适合的是45到75℃，更可取是50到70℃。
例18
制造与例1中的那个燃料电池类似的燃料电池，它的冷却水入口温度维持在65℃。将经过增湿且被加热到相对冷却水入口温度-10℃到+10℃的露点温度的混合气体供应到阳极侧，所述混合气体含有23％的二氧化碳、76.5％的氢和0.5％的空气以及20ppm的一氧化碳。将经过增湿并被加热到相对冷却水入口温度-10℃到+10℃的露点温度的空气供应给阴极侧。
在燃料利用率为75％、氧气利用率为50％和电流密度为0.3A/cm2的条件下让该燃料电池连续发电，以测量输出功率性能随时间的变化。另外，在电流密度为0.3A/cm2的条件下，于连续发电的过程中控制冷却水流速，以便让冷却水出口的温度比冷却水入口的温度高6℃。
表14示出了：在不向外部输出电流时的无负载情况下的电池开路电压；100个单元电池在开始连续发电后100小时的电压变化的标准偏差(σ)；以及在开始连续发电后10000小时的每小时的电压下降的平均速度(退化率)。
表14供应气体相对冷却水入口温 度的露点 (℃)电池开路电压 (V)电压标准偏差 (σ) 电压下降的平 均速度 (μv/h) -10 93 2.1 7000小时后 不可能工作 -5 96 1.8 4.3 0 98 1.7 1.8 +5 98 2.3 2.0 +10 98 4.5 6.5
从表14中可以看出，虽然电池的开路电压不受供应气体露点的很大影响，但当供应气体的露点比冷却水入口温度高10℃时，受气体流动通道内冷凝水阻塞的影响，初始特征值σ增大。另外还看出，当供应气体的露点比冷却水入口的温度低10℃时，7000小时后电池电压降低到让电池不可能继续工作。根据上面所述，于是可以认为供应气体适宜露点范围是相对冷却水入口的温度-5℃到+5℃。
例19
制造与例1中的那个燃料电池类似的燃料电池，它的冷却水入口温度维持在65℃。将经过增湿且被加热到与冷却水入口温度相等的露点温度的混合气体供应到阳极侧，所述混合气体含有23％的二氧化碳、76.5％的氢和0.5％的空气以及20ppm的一氧化碳。将经过增湿并被加热到与冷却水入口温度相等的露点温度的空气供应给阴极侧。
在燃料利用率为75％、氧气利用率为20到80％和电流密度为0.3A/cm2的条件下让该燃料电池连续发电，以测量输出功率性能随时间的变化。另外，在电流密度为0.3A/cm2的条件下，于连续发电的过程中控制冷却水流速，以便让冷却水出口的温度比冷却水入口的温度高7℃。
表15示出了：在不向外部输出电流时的无负载情况下的电池开路电压；100个单元电池在开始连续发电后100小时的电压变化的标准偏差(σ)；以及在开始连续发电后10000小时的每小时的电压下降的平均速度(退化率)。
表15 氧利用率 (％)电池开路电压 (V)电压标准偏差 (σ) 电压下降的 平均速度 (μv/h) 20 99 1.5 9000小时后不 可能再工作 30 98 1.5 4.3 40 98 1.6 1.8 50 98 1.7 1.8 60 98 1.8 1.6 70 97 2.1 1.5 80 96 5.3 7.8
从表15中可以看到，虽然电池的开路电压不受氧利用率的很大影响，但当氧利用率为80％时，在气体流动通道内冷凝水阻塞的影响下，初始特征值σ增大。另外还看出，当氧利用率为20％时，9000小时后电池电压降低到让电池不可能继续工作。于是可以认为适宜的氧利用率范围为30到70％。
例20
制造与例1中的那个燃料电池类似的燃料电池，它的冷却水入口温度维持在65℃。将经过增湿且被加热到与冷却水入口温度相等的露点温度的混合气体供应到阳极侧，所述混合气体含有23％的二氧化碳、76.5％的氢和0.5％的空气以及20ppm的一氧化碳。将经过增湿并被加热到与冷却水入口温度相等的露点温度的空气供应给阴极侧。
在燃料利用率为75％、氧气利用率为50％和电流密度为0.02到0.5A/cm2的条件下让该燃料电池连续发电，以测量输出功率性能随时间的变化。另外，在电流密度不低于0.1A/cm2的条件下，于连续的发电过程中控制冷却水流速，以便让冷却水出口的温度比冷却水入口的温度高6℃。在电流密度低于0.1A/cm2的条件下，运行电池，让冷却水流速与电流密度为0.1A/cm2情况下的流速相等。
表16示出了：在不向外部输出电流时的无负载情况下的电池开路电压；100个单元电池在开始连续发电后100小时的电压变化的标准偏差(σ)；以及在开始连续发电后10000小时的每小时的电压下降的平均速度(退化率)。
表16 电流密度 (A/cm2)电池开路电压 (V)电压标准偏差 (σ) 电压下降的 平均速度 (μv/h) 0.02 90 5.3 6.3 0.05 93 2.2 3.3 0.1 94 1.5 2.1 0.2 96 1.6 1.8 0.3 96 1.7 1.8 0.4 95 2.1 2.8 0.5 94 2.3 3.1
从表16中可以看出，虽然电池的开路电压不受电流密度的很大影响，但当电流密度为0.02A/cm2时，在沿气体流动通道流动的气体的流速降低的影响下，初始特征值σ增大。另外还看出，当电流密度为0.02A/cm2时，退化率增加。于是可以认为适宜的电流密度范围为0.05A/cm2或更高。
与此同时，燃料电池中每个单元电池的发电电压要求维持在不低于0.7V，以便让燃料电池组的发电效率维持高水平。这就要求电流密度不高于0.3A/cm2。
如上所述，依照本发明，能在避免因冷凝水引起的溢流现象的同时实现具有优良的性能和很高的耐久性的燃料电池。
尽管以目前优选的实施例的方式描述了本发明，但要理解的是，该公开物不是解释为限制性的。对本发明所属领域的普通技术人员来说，在阅读了上述公开物后，作出各种改换、修改无疑是显而易见的。因此，试图使所附的权利要求书涵盖落在本发明的精神和范围内的所有变换和修改。
本领域普通技术人员要理解的是，可在不脱离本发明的广义发明原理的情况下对上述实施例作一些变化。因此要理解，本发明并不限于所公开的具体实施例，而是试图涵盖落在如所附权利要求书所限定的本发明精神和范围内的修改。