專利名稱：燃料電池的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種燃料電池，其具備層疊有在電解質的兩側配置了一對電極的電解質電極構造體與金屬隔板的單電池單元，并且在相鄰的所述單電池單元間形成有使冷卻介質向隔板面方向流通的冷卻介質流路。
背景技術：
例如，固體高分子型燃料電池采用由高分子離子交換膜形成的固體高分子電解質膜。在該燃料電池中，通過利用隔板(雙極性板)，夾持在固體高分子電解質膜的兩側配置了分別由電極催化劑層和多孔質碳構成的陽極側電極及陰極側電極的電解質膜電極構造體(電解質電極構造體)(MEA)，由此構成單電池。通常，層疊了規定數量的該單電池的燃料電池堆例如用作車載用燃料電池堆。一般而言，燃料電池構成設有在隔板的層疊方向上貫通的入口連通孔及出口連通 孔的所謂內部歧管。而且，燃料氣體、氧化劑氣體及冷卻介質在從各自的入口連通孔被供應給沿電極面方向形成的燃料氣體流路、氧化劑氣體流路及冷卻介質流路后，被排出向各自的出口連通孔。例如，在專利文獻日本特開2011-018525公開的燃料電池具有交替層疊了密封一體型膜電極接合體和隔板的堆構造。隔板具備陽極板、陰極板及中間板，例如所述陽極板如圖27所示，具有橫長的長方形形狀。在陽極板的面內形成有具有多個流路槽Ia的燃料氣體流路I。在陽極板的長邊方向一端部從上到下排列形成有氧化劑氣體出口連通孔2b、冷卻介質入口連通孔3a及燃料氣體入口連通孔4a。在陽極板的長邊方向的另一端部從上到下排列形成有燃料氣體出口連通孔4b、冷卻介質出口連通孔3b及氧化劑氣體入口連通孔2a。燃料氣體入口連通孔4a及燃料氣體出口連通孔4b與燃料氣體流路I分別經貫通孔5a、5b連通。雖未圖示，但陰極板及中間板與上述的陽極板同樣構成。在上述的各隔板中，位于燃料氣體流路I等反應氣體流路(或冷卻介質流路)的兩側，形成有氧化劑氣體出口連通孔2b、冷卻介質入口連通孔3a、燃料氣體入口連通孔4a以及燃料氣體出口連通孔4b、冷卻介質出口連通孔3b及氧化劑氣體入口連通孔2a。因此，隔板的面積相當大，尤其在使用金屬隔板時，高價的不銹鋼等原料的使用量增大，零件單價提高。進而，在隔板上，在長邊方向兩端部沿箭頭H方向(寬度方向)各形成有三個連通孔。由此，隔板在箭頭H方向上的尺寸變得相當長，而不容易實現寬度方向的短尺寸化。
發明內容
本發明為解決這種問題，目的在于提供一種可使比較高價的金屬隔板良好地小型化，并且可使寬度尺寸有效短尺寸化的燃料電池。本發明涉及一種燃料電池，其具備層疊有電解質電極構造體與金屬隔板的單電池單元，其中所述電解質電極構造體在電解質的兩側配置了一對電極，在相鄰的所述單電池單元間形成使冷卻介質向隔板面方向流通的冷卻介質流路。在該燃料電池中，在電解質電極構造體的外周一體設有樹脂框構件，在所述樹脂框構件的相互相對的一方的兩邊，設有在層疊方向上貫通且使反應氣體流通的反應氣體入口連通孔及反應氣體出口連通孔，另一方面，在所述樹脂框構件的相互相對的另一方的兩邊，設有在所述層疊方向上貫通且與所述反應氣體入口連通孔或所述反應氣體出口連通孔接近而使冷卻介質流通的一對冷卻介質入口連通孔、及與所述反應氣體出口連通孔或所述反應氣體入口連通孔接近而使所述冷卻介質流通的冷卻介質出口連通孔。并且，燃料電池具備將冷卻介質入口連通孔及冷卻介質出口連通孔與冷卻介質流路連通起來的連結流路，所述連結流路具有在金屬隔板上設置的貫通孔及在框構件上設置的貫通孔。在本發明中，由于在設于電解質電極構造體的外周的樹脂框構件上，在層疊方向貫通形成有流體連通孔，因此沒必要在金屬隔板上設置所述流體連通孔。
因此，金屬隔板可設定為與發電區域對應的外形尺寸，容易實現小型輕量化，可以削減所述金屬隔板的制造成本。由此，能夠高效地制造金屬隔板，可以經濟性地得到燃料電池整體。進而，電解質電極構造體在樹脂框構件的相對的一方的兩邊，僅設有反應氣體入口連通孔及反應氣體出口連通孔，冷卻介質入口連通孔及冷卻介質出口連通孔被設置于相對的另一方的兩邊。因此，單電池單元的一方的兩邊的尺寸，即寬度方向的尺寸能夠盡可能短尺寸化，燃料電池的設置性很好地提高。而且，冷卻介質入口連通孔及冷卻介質出口連通孔分別分到另一方的兩邊。因此，能夠對冷卻介質流路可靠且均勻地供應冷卻介質，可在整個發電區域使濕度環境均勻化，從而進行高效的發電。根據參照附圖進行的下面的優選實施方式的說明，上述目的及其他目的、特征及優點會更明確。
圖I是本發明的第一實施方式的燃料電池的分解立體說明圖。圖2是所述燃料電池的圖I中的II-II線剖面圖。圖3是構成所述燃料電池的第一電解質膜電極構造體的陰極面的說明圖。圖4是所述第一電解質膜電極構造體的陽極面的說明圖。圖5是構成所述燃料電池的第二電解質膜電極構造體的陰極面的說明圖。圖6是所述第二電解質膜電極構造體的陽極面的說明圖。圖7是構成所述燃料電池的第一金屬隔板的陰極面的說明圖。圖8是所述第一金屬隔板的陽極面的說明圖。圖9是構成所述燃料電池的第二金屬隔板的陰極面的說明圖。圖10是所述第二金屬隔板的陽極面的說明圖。圖11是所述燃料電池的圖I中的XI-XI線剖面圖。圖12是所述燃料電池的圖I中的XII-XII線剖面圖。
圖13是所述燃料電池的圖I中的XIII-XIII線剖面圖。圖14是所述燃料電池的圖I中的XIV-XIV線剖面圖。圖15是本發明的第二實施方式的燃料電池的分解立體說明圖。圖16是所述燃料電池的圖15中的XVI-XVI線剖面圖。圖17是構成所述燃料電池的第一電解質膜電極構造體的陰極面的說明圖。圖18是所述第一電解質膜電極構造體的陽極面的說明圖。圖19是構成所述燃料電池的第二電解質膜電極構造體的陰極面的說明圖。
圖20是所述第二電解質膜電極構造體的陽極面的說明圖。圖21是構成所述燃料電池的第一金屬隔板的陰極面的說明圖。圖22是構成所述燃料電池的第二金屬隔板的陰極面的說明圖。圖23是所述第二金屬隔板的陽極面的說明圖。圖24是所述燃料電池的圖15中的XXIV-XXIV線剖面圖。圖25是所述燃料電池的圖15中的XXV-XXV線剖面圖。圖26是所述燃料電池的圖15中的XXV -XXVI線剖面圖。圖27是構成日本特開2011-018525號公報的燃料電池的陽極隔板的說明圖。
具體實施例方式如圖I及圖2所示，本發明的第一實施方式的燃料電池10在箭頭A方向(水平方向)上層疊多個單電池單元12。單電池單元12具備第一電解質膜電極構造體(電解質電極構造體)(MEA) 14、第一金屬隔板16、第二電解質膜電極構造體(電解質電極構造體)(MEA) 18及第二金屬隔板20。通過層疊單電池單元12，第一電解質膜電極構造體14被第二及第一金屬隔板20、16夾持，另一方面，第二電解質膜電極構造體18被所述第一及第二金屬隔板16、20。第一電解質膜電極構造體14和第二電解質膜電極構造體18分別例如具備在全氟磺酸(〃一7 >才π 7 > * >酸)的薄膜中含浸有水的固體高分子電解質膜(電解質)22 ;夾持所述固體高分子電解質膜22的陰極側電極24及陽極側電極26(參照圖2)。固體高分子電解質膜22被設定為與陰極側電極24及陽極側電極26的表面積相同。需要說明的是，固體高分子電解質膜22的外周部可以比陰極側電極24及陽極側電極26更加突出，另外，所述陰極側電極24和所述陽極側電極26的表面積也可以互不相同。在第一電解質膜電極構造體14中，在固體高分子電解質膜22、陰極側電極24及陽極側電極26的外周端緣部，由具有絕緣性的高分子材料形成的邊框部(樹脂框構件)28a例如通過注射成形等而成形為一體。在第二電解質膜電極構造體18中，同樣在固體高分子電解質膜22、陰極側電極24及陽極側電極26的外周端緣部，由高分子材料形成的邊框部(樹脂框構件)28b例如通過注射成形等而成形為一體。作為高分子材料，除了通用塑料外，可以采用工程塑料或超級工程塑料等。邊框部28a、28b如圖I所示，具有在箭頭C方向上長的大致長方形形狀，并且在各長邊的中央部通過向內切口，而分別形成一對凹部29a、29b。陰極側電極24及陽極側電極26具有由碳紙等構成的氣體擴散層(未圖示)；以及將表面承載有白金合金的多孔質碳粒子均勻塗布在所述氣體擴散層的表面而形成的電極催化劑層(未圖示)。如圖I所示，在邊框部28a、28b的箭頭C方向(鉛直方向)的一端緣部(上端緣部)，沿箭頭B方向(水平方向)排列設有用于供給氧化劑氣體、例如含氧氣體的氧化劑氣體入口連通孔30a及用于供給燃料氣體、例如含氫氣體的燃料氣體入口連通孔32a。在邊框部28a、28b的箭頭C方向的另一端緣部(下端緣部)，沿箭頭B方向排列設有用于排出燃料氣體的燃料氣體出口連通孔32b及用于排出氧化劑氣體的氧化劑氣體出口連通孔30b。在邊框部28a、28b的箭頭B方向的兩端緣部上方，設有在箭頭A方向上相互連通的用于供給冷卻介質的一對冷卻介質入口連通孔34a，并且在所述邊框部28a、28b的箭頭B方向的兩端緣部下方，設有用于排出所述冷卻介質的一對冷卻介質出口連通孔34b。 各冷卻介質入口連通孔34a、34a與氧化劑氣體入口連通孔30a及燃料氣體入口連通孔32a接近，且，分別分開到箭頭B方向兩端的各邊(另一方的兩邊)。各冷卻介質出口連通孔34b、34b分別接近氧化劑氣體出口連通孔30b及燃料氣體出口連通孔32b，且，分別分開到箭頭B方向兩側的各邊。需要說明的是，冷卻介質入口連通孔34a和冷卻介質出口連通孔34b也可以上下顛倒設置，即，將所述冷卻介質入口連通孔34a接近氧化劑氣體出口連通孔30b及燃料氣體出口連通孔32b設置。在第一及第二電解質膜電極構造體14、18中，在位于相互相對的一方的兩邊上的上下兩短邊，設有氧化劑氣體入口連通孔30a及燃料氣體入口連通孔32a和氧化劑氣體出口連通孔30b、燃料氣體出口連通孔32b，另一方面，在相互相對的另一方的兩邊即左右兩長邊，設有一對冷卻介質入口連通孔34a及一對冷卻介質出口連通孔34b。如圖3所示，在邊框部28a上，在第一電解質膜電極構造體14的陰極面(設有陰極側電極24的面)14a側的上部，位于氧化劑氣體入口連通孔30a的下側附近而設有多個入口槽部36a。在邊框部28a的陰極面14a側的寬度方向(箭頭B方向)兩端部上方，在各冷卻介質入口連通孔34a的下側附近設有多個入口槽部38a，并且在所述冷卻介質入口連通孔34a的上側附近貫通形成有多個入口孔部40a。在邊框部28a的陰極面14a側的下部，位于氧化劑氣體出口連通孔30b的上側附近而設有多個出口槽部36b。在邊框部28a的陰極面14a側的寬度方向兩端部下方，在各冷卻介質出口連通孔34b的上側附近設有多個出口槽部38b，并且在所述冷卻介質出口連通孔34b的下側附近貫通形成有多個出口孔部40b。如圖4所示，在邊框部28a上，在第一電解質膜電極構造體14的陽極面(設有陽極側電極26的面)14b側的寬度方向兩端部上方，在各冷卻介質入口連通孔34a的上側附近設有多個入口槽部42a。在邊框部28a的陽極面14b側的寬度方向兩端部下方，在各冷卻介質出口連通孔34b的下側附近設有多個出口槽部42b。在邊框部28a上，位于燃料氣體入口連通孔32a的下方而設有多個入口槽部46a，并且位于燃料氣體出口連通孔32b的上方而設有多個出口槽部46b。在邊框部28a的陽極面14b側，一體或分體成形有外側密封構件(外側密封線)48及內側密封構件(內側密封線)50。外側密封構件48及內側密封構件50例如采用EPDM、NBR、氟橡膠、硅酮橡膠、氟硅橡膠、丁基橡膠、天然橡膠、苯乙烯橡膠、氯丁二烯或丙烯酸橡膠等密封材料，緩沖材料或者填料材料。需要說明的是，以下說明的各密封構件與上述的外側密封構件48及內側密封構件50同樣構成，省略其詳細說明。外側密封構件48從邊框部28a的外周緣部繞作為全部流體連通孔的氧化劑氣體入口連通孔30a、冷卻介質入口連通孔34a、燃料氣體入口連通孔32a、氧化劑氣體出口連通孔30b、冷卻介質出口連通孔34b及燃料氣體出口連通孔32b的外周以及反應面(發電面)外周一圈。該外側密封構件48圍繞冷卻介質入口連通孔34a、燃料氣體入口連通孔32a、冷卻介質出口連通孔34b及燃料氣體出口連通孔32b。通過外側密封構件48，入口槽部42a及入口孔部40a與冷卻介質入口連通孔34a被一體圍繞，出口槽部42b及出口孔部40b與冷卻介質出口連通孔34b被一體圍繞。內側密封構件50位于外側密封構件48的內側，并且將陽極側電極26和入口槽部46a及出口槽部46b —體圍繞。內側密封構件50沿著與第一金屬隔板16的外形形狀對應的輪廓線設置，并與所述第一金屬隔板16的外周端緣面全周(隔板面內)相接。外側密封構件48配置在第一金屬隔板16的外周端外側(隔板面外)。通過外側密封構件48及內側密封構件50將全部流體連通孔一圈密封。 如圖3所示，在邊框部28a的陰極面14a側設有圍繞入口孔部40a的環狀入口密封構件52a、圍繞出口孔部40b的環狀出口密封構件52b。如圖5所示，在邊框部28b上，在第二電解質膜電極構造體18的陰極面(設有陰極側電極24的面)18a側的上部，位于氧化劑氣體入口連通孔30a的下側附近而設有多個入口槽部56a。在邊框部28b的陰極面18a側的寬度方向兩端部上方,在各冷卻介質入口連通孔34a的上側附近設有多個入口槽部58a，并且在所述冷卻介質入口連通孔34a的下側附近形成有多個入口孔部60a。第二電解質膜電極構造體18的入口孔部60a被偏置配置在與第一電解質膜電極構造體14的入口孔部40a在層疊方向上互不重合的位置上。在邊框部28b的陰極面18a側的上部，位于燃料氣體入口連通孔32a的下側附近而設有多個入口槽部62a，并且在所述入口槽部62a的下端部貫通形成多個入口孔部64a。在各入口孔部64a的下方，分開規定的間隔而貫通形成多個入口孔部66a。在邊框部28b的陰極面18a側的寬度方向兩端部下方,在各冷卻介質出口連通孔34b的下側附近設有多個出口槽部58b，并且在所述冷卻介質出口連通孔34b的上側附近形成有多個出口孔部60b。第二電解質膜電極構造體18的出口孔部60b被偏置配置在與第一電解質膜電極構造體14的出口孔部40b在層疊方向上互不重合的位置上。在邊框部28b的陰極面18a側的下部，位于燃料氣體出口連通孔32b的上側附近而設有多個出口槽部62b，并且在所述出口槽部62b的上端部貫通形成有多個出口孔部64b。在各出口孔部64b的上方，分開規定的間隔而貫通形成多個出口孔部66b。如圖6所示，在邊框部28b上，在第二電解質膜電極構造體18的陽極面(設有陽極側電極26的面)18b側的寬度方向兩端部上方，在各冷卻介質入口連通孔34a的下側附近設有多個入口槽部68a。在邊框部28b上，位于燃料氣體入口連通孔32a的下方而設有連通入口孔部64a、66a的多個入口槽部72a。在邊框部28b的陽極面18b側的寬度方向兩端部下方，在各冷卻介質出口連通孔34b的上側附近設有多個出口槽部68b，并且位于燃料氣體出口連通孔32b的上方而設有連通出口孔部64b、66b的多個出口槽部72b。
在邊框部28b上，在陽極面18b側一體或分體成形有外側密封構件(外側密封線)74及內側密封構件(內側密封線)76。外側密封構件74從邊框部28b的外周緣部繞作為全部流體連通孔的氧化劑氣體入口連通孔30a、冷卻介質入口連通孔34a、燃料氣體入口連通孔32a、氧化劑氣體出口連通孔30b、冷卻介質出口連通孔34b及燃料氣體出口連通孔32b的外周一圈。外側密封構件74圍繞冷卻介質入口連通孔34a、燃料氣體入口連通孔32a、冷卻介質出口連通孔34b及燃料氣體出口連通孔32b。通過外側密封構件74，入口槽部68a及入口孔部60a與冷卻介質入口連通孔34a被一體圍繞，出口槽部68b及出口孔部60b與冷卻介質出口連通孔34b被一體圍繞。內側密封構件76位于外側密封構件74的內側，并且將陽極側電極26與入口孔部64a、66a、入口槽部72a、出口孔部64b、66b及出口槽部72b —體圍繞。內側密封構件76沿 著與第二金屬隔板20的外形形狀對應的輪廓線設置，且與所述第二金屬隔板20的外周端緣面全周相接。外側密封構件74配置于第二金屬隔板20的外周端外側。通過外側密封構件74及內側密封構件76將全部流體連通孔一圈密封。如圖5所示，在邊框部28b的陰極面18a側，設有圍繞入口孔部60a、66a的環狀入口密封構件78a、80a以及圍繞出口孔部60b、66b的環狀出口密封構件78b、80b。第一及第二金屬隔板16、20的尺寸被設定為可被配置在氧化劑氣體入口連通孔30a、冷卻介質入口連通孔34a、燃料氣體入口連通孔32a、氧化劑氣體出口連通孔30b、冷卻介質出口連通孔34b及燃料氣體出口連通孔32b (全部流體連通孔)的內側。如圖2所示，第一金屬隔板16具備外形具有相同形狀且相互層疊的兩塊金屬板(例如不銹鋼板)82a、82b，所述金屬板82a、82b例如通過焊接或粘結使外周緣部一體化，且內部被密閉。在金屬板82a上，與陰極側電極24對置而形成氧化劑氣體流路84，并且在金屬板82b上，與陽極側電極26對置而形成燃料氣體流路86。在金屬板82a、82b間形成冷卻介質流路88。如圖7所示，第一金屬隔板16在金屬板82a的面內設有氧化劑氣體流路84，氧化劑氣體流路84具有沿箭頭C方向(鉛直方向)延伸的多個波狀流路槽。在氧化劑氣體流路84的上游及下游設有入口緩沖器部85a及出口緩沖器部85b。在入口緩沖器部85a的上方，位于氧化劑氣體入口連通孔30a的下方而形成多個入口槽部87a。在出口緩沖器部85b的下方，位于氧化劑氣體出口連通孔30b的上方而形成多個出口槽部87b。第一金屬隔板16具有在箭頭C方向上長的長方形形狀，并且在短邊方向(箭頭B方向)兩端側設有向冷卻介質入口連通孔34a的下方側突出的一對突起部89a以及向冷卻介質出口連通孔34b的上方側突出的一對突起部89b。在金屬板82a上，在突起部89a形成有與第二電解質膜電極構造體18的多個入口孔部60a連通的多個孔部90a。在金屬板82a上，在突起部89b形成有與第二電解質膜電極構造體18的多個出口孔部60b連通的多個孔部 90b ο在金屬板82a的上部，形成有與第二電解質膜電極構造體18的入口孔部66a連通的多個孔部92a，并且在所述金屬板82a的下部，形成有與所述第二電解質膜電極構造體18的出口孔部66b連通的多個孔部92b。孔部92a、92b還形成于金屬板82b，并貫通第一金屬隔板16。
如圖8所不,第一金屬隔板16在金屬板82b的面內設有燃料氣體流路86,燃料氣體流路86具有沿箭頭C方向(鉛直方向)延伸的多個波狀流路槽。在燃料氣體流路86的上游及下游設有入口緩沖器部96a及出口緩沖器部96b。在入口緩沖器部96a的上方，位于氧化劑氣體入口連通孔30a的下方而形成有多個入口槽部98a，并且在出口緩沖器部96b的下方，位于氧化劑氣體出口連通孔30b的上方而形成有多個出口槽部98b。在金屬板82b上，在突起部89a形成有位于冷卻介質入口連通孔34a的下方的多個入口槽部100a。在金屬板82b上，在各突起部89b形成有位于冷卻介質出口連通孔34b的上方的多個出口槽部100b。如圖2所示，第二金屬隔板20具備外形具有相同形狀且相互層疊的兩塊金屬板(例如，不銹鋼板)102a、102b，所述金屬板102a、102b例如通過焊接或粘結而使外周緣部一體化，且將內部密閉。在金屬板102a上，與陰極側電極24對置而形成氧化劑氣體流路84，并且在金屬板102b上，與陽極側電極26對置而形成燃料氣體流路86。在金屬板102a、102b間形成有冷卻介質流路88。 如圖9所示，第二金屬隔板20在箭頭C方向兩端形成有分別向箭頭B方向外側突出的一對突起部103a、103b。在金屬板102a的面內設有氧化劑氣體流路84，氧化劑氣體流路84具有沿箭頭C方向(鉛直方向)延伸的多個流路槽。在氧化劑氣體流路84的上游及下游設有入口緩沖器部104a及出口緩沖器部104b。在金屬板102a上，在各突起部103a形成有位于冷卻介質入口連通孔34a的上方并與第一電解質膜電極構造體14的多個入口孔部40a連通的多個孔部106a。在金屬板102a上，在各突起部103b形成有位于冷卻介質出口連通孔34b的下方并與第一電解質膜電極構造體14的多個出口孔部40b連通的多個孔部106b。如圖10所示，第二金屬隔板20在金屬板102b的面內設有燃料氣體流路86，燃料氣體流路86具有沿箭頭C方向(鉛直方向)延伸的多個流路槽。在燃料氣體流路86的上游及下游設有入口緩沖器部IlOa及出口緩沖器部110b。在金屬板102b的各突起部103a上，位于冷卻介質入口連通孔34a的上側附近而形成有多個入口槽部112a，另一方面，在所述金屬板102b的各突起部103b上，位于冷卻介質出口連通孔34b的下側附近而形成有多個出口槽部112b。入口槽部112a及出口槽部112b分別具有用于在第二金屬隔板20的內部形成冷卻介質通路的凹凸構造。如圖11所示，在層疊方向上相鄰的邊框部28a、28b間形成有將氧化劑氣體入口連通孔30a和第二電解質膜電極構造體18的氧化劑氣體流路84連通起來的氧化劑氣體連結流路113a ;以及將所述氧化劑氣體入口連通孔30a和第一電解質膜電極構造體14的氧化劑氣體流路84連通起來的氧化劑氣體連結流路113b。需要說明的是，雖未圖示，但在邊框部28a、28b間，形成有將氧化劑氣體出口連通孔30b和氧化劑氣體流路84連通起來的氧化劑氣體連結流路。如圖12所示，在層疊方向上相鄰的邊框部28a、28b間，形成有將燃料氣體入口連通孔32a和燃料氣體流路86連通起來的燃料氣體連結流路114。需要說明的是，雖未圖示，但在邊框部28a、28b間，形成有將燃料氣體出口連通孔32b和燃料氣體流路86連通起來的燃料氣體連結流路。如圖13及圖14所示，在層疊方向上相鄰的邊框部28a、28b間形成有將冷卻介質入口連通孔34a和第二金屬隔板20的冷卻介質流路88連通起來的冷卻介質連結流路116a ;以及將所述冷卻介質入口連通孔34a和第一金屬隔板16的冷卻介質流路88連通起來的冷卻介質連結流路116b。需要說明的是，雖未圖示，但在邊框部28a、28b間，形成有將冷卻介質出口連通孔34b和冷卻介質流路88連通起來的冷卻介質連結流路。通過將邊框部28a的外側密封構件48及內側密封構件50與邊框部28b的外側密封構件74及內側密封構件76配置在層疊方向上不同的位置，而形成冷卻介質連結流路116a、116b。如圖13所示，冷卻介質連結流路116a具有沿著隔板面方向設置的入口槽部42a、58a ;在邊框部28a上沿層疊方向形成的入口孔部(第一孔部)40a ;在構成第二金屬隔板20的金屬板102a上沿所述層疊方向形成的孔部(第二孔部)106a。入口槽部42a和入口槽部58a的端部彼此連通。如圖14所示，冷卻介質連結流路116b具有沿隔板面方向設置的入口槽部68a、38a ;在邊框部28b上沿層疊方向形成的入口孔部(第一孔部)60a ;在構成第一金屬隔板16 的金屬板82a上沿所述層疊方向形成的孔部(第二孔部)90a。入口槽部68a和入口槽部38a的端部彼此連通。邊框部28a的入口孔部40a及孔部106a與邊框部28b的入口孔部60及孔部90a被設定在相對于層疊方向互不重合的位置上。以下說明該燃料電池10的動作。如圖I所示，向氧化劑氣體入口連通孔30a供應含氧氣體等氧化劑氣體，并且向燃料氣體入口連通孔32a供應含氫氣體等燃料氣體。進而，向一對冷卻介質入口連通孔34a供應純水或甘醇等冷卻介質。在各單電池單元12，向氧化劑氣體入口連通孔30a供應的氧化劑氣體如圖I及圖11所示，被從第一電解質膜電極構造體14的入口槽部36a和第二電解質膜電極構造體18之間導入入口槽部56a。導入入口槽部36a的氧化劑氣體被供應給第二金屬隔板20的氧化劑氣體流路84。被供應給氧化劑氣體流路84的氧化劑氣體在被供應給第一電解質膜電極構造體14的陰極側電極24后，殘余的氧化劑氣體被從出口槽部36b間排出到氧化劑氣體出口連通孔30b。另一方面,導入入口槽部56a間的氧化劑氣體通過第二電解質膜電極構造體18和第一金屬隔板16之間的入口槽部87a并被供應給所述第一金屬隔板16的氧化劑氣體流路84。被供應給氧化劑氣體流路84的氧化劑氣體在被供應給第二電解質膜電極構造體18的陰極側電極24之后，殘余的氧化劑氣體通過出口槽部87b、56b被排出到氧化劑氣體出口連通孔30b ο另外，被供應給燃料氣體入口連通孔32a的燃料氣體如圖I及圖12所示，被導入第二電解質膜電極構造體18的陰極側的入口槽部62a。燃料氣體從入口槽部62a通過入口孔部64a向陽極側移動，一部分從入口槽部72a被供應給第二金屬隔板20的燃料氣體流路86。燃料氣體的殘余的部分通過入口孔部66a及第一金屬隔板16的孔部92a被導入所述第一金屬隔板16和第一電解質膜電極構造體14之間,被供應給所述第一金屬隔板16的燃料氣體流路86。
在第二金屬隔板20的燃料氣體流路86流通的使用完的燃料氣體被排出到出口槽部72b，進而從出口孔部64b通過出口槽部62b被排出到燃料氣體出口連通孔32b。另一方面，在第一金屬隔板16的燃料氣體流路86流通的使用完的燃料氣體從孔部92b通過出口孔部66b被排出到出口槽部72b，同樣被排出到燃料氣體出口連通孔32b。由此，在第一電解質膜電極構造體14及第二電解質膜電極構造體18中，分別被供應給陰極側電極24的氧化劑氣體和被供應給陽極側電極26的燃料氣體在電極催化劑層內通過電化學反應而被消耗，從而進行發電。進而另外，被供應給一對冷卻介質入口連通孔34a的冷卻介質的一部分如圖I及圖13所示，被導入第一電解質膜電極構造體14的入口槽部42a，并從入口槽部58a被供應給入口孔部40a。冷卻介質從入口孔部40a通過第二金屬隔板20的孔部106a被導入所述第二金屬隔板20的內部。冷卻介質在第二金屬隔板20內沿著各入口槽部112a向箭頭B方向且相互向內側 方向流通，從而被供應到冷卻介質流路88。相互向內側方向流通的冷卻介質在冷卻介質流路88的箭頭B方向中央部側相撞，在向重力方向(箭頭C方向下方)移動后，在所述冷卻介質流路88的下部側分到箭頭B方向兩側。然后，從各出口槽部112b通過孔部106b被從第二金屬隔板20排出。進而，該冷卻介質從出口孔部40b通過出口槽部58b、42b被排出向冷卻介質出口連通孔34b。另一方面，被供應給冷卻介質入口連通孔34a的冷卻介質的另一部分如圖I及圖14所示，被導入第二電解質膜電極構造體18的入口槽部68a，并從入口槽部38a被供應給入口孔部60a。冷卻介質從入口孔部60a通過第一金屬隔板16的孔部90a被導入所述第一金屬隔板16內部。冷卻介質在第一金屬隔板16內沿著入口槽部IOOa向箭頭B方向且相互向內側方向流通，被供應給冷卻介質流路88。冷卻介質沿著冷卻介質流路88向重力方向(箭頭C方向下方)移動后，分到箭頭B方向兩側。冷卻介質從各出口槽部IOOb通過孔部90b被從第一金屬隔板16排出。進而，該冷卻介質從出口孔部60b通過出口槽部38b、68b被排出到冷卻介質出口連通孔34b。因此，第一電解質膜電極構造體14及第二電解質膜電極構造體18被在第一金屬隔板16內的冷卻介質流路88及第二金屬隔板20內的冷卻介質流路88流通的冷卻介質冷卻。此時，在第一實施方式中，在構成第一電解質膜電極構造體14的邊框部28a及構成第二電解質膜電極構造體18的邊框部28b上，在層疊方向貫通形成有作為全部流體連通孔的氧化劑氣體入口連通孔30a、冷卻介質入口連通孔34a、燃料氣體入口連通孔32a、氧化劑氣體出口連通孔30b、冷卻介質出口連通孔34b及燃料氣體出口連通孔32b。因此，沒必要在第一金屬隔板16及第二金屬隔板20上設置流體連通孔，所述第一金屬隔板16及所述第二金屬隔板20可設定為與發電區域對應的外形尺寸。因此，第一金屬隔板16及第二金屬隔板20可容易實現小型輕量化，可削減所述第一金屬隔板16及所述第二金屬隔板20的制造成本。由此，可有效制造第一金屬隔板16及第二金屬隔板20，可得到具有經濟性的燃料電池10整體。
進而，在第一實施方式中，在邊框部28a、28b的一方的兩邊(各短邊)上，設有氧化劑氣體入口連通孔30a及燃料氣體入口連通孔32a與氧化劑氣體出口連通孔30b及燃料氣體出口連通孔32b，并且在所述邊框部28a、28b的另一方的兩邊(各長邊)上，分別只設有冷卻介質入口連通孔34a及冷卻介質出口連通孔34b。因此，單電池單元12的一方的兩邊的尺寸，即短邊側的寬度方向的尺寸(箭頭B方向的尺寸)盡可能地被短尺寸化，從而燃料電池10的設置性很好地提高。而且，冷卻介質入口連通孔34a及冷卻介質出口連通孔34b分別分到各長邊。因此，能夠對冷卻介質流路88均勻且可靠地供應冷卻介質，在整個發電區域上可使濕度環境均勻化，從而進行高效的發電。另外，如圖13及圖14所示，在層疊方向上相鄰的邊框部28a、28b間形成有將冷卻介質入口連通孔34a和第二金屬隔板20的冷卻介質流路88連通起來的冷卻介質連結流路116a ;以及將所述冷卻介質入口連通孔34a和第一金屬隔板16的冷卻介質流路88連通起來的冷卻介質連結流路116b。 而且，通過將邊框部28a的外側密封構件48及內側密封構件50與邊框部28b的外側密封構件74及內側密封構件76配置于在層疊方向上不同的位置，從而形成冷卻介質連結流路116a、116b。具體地說，如圖13所示，冷卻介質連結流路116a具有沿隔板面方向設置的入口槽部42a、58a ;在邊框部28a上沿層疊方向形成的入口孔部40a ；以及在金屬板102a上沿所述層疊方向形成的孔部106a。所述入口槽部42a和所述入口槽部58a的端部彼此連通。另一方面，如圖14所示，冷卻介質連結流路116b具有沿隔板面方向設置的入口槽部68a、38a ;在邊框部28b上沿層疊方向形成的入口孔部60a ;以及在金屬板82a上沿所述層疊方向形成的孔部90a。所述入口槽部68a和所述入口槽部38a的端部彼此連通。此時，邊框部28a的入口孔部40a及孔部106a與邊框部28b的入口孔部60a及孔部90a被設定在相對于層疊方向相不重合的位置上。因此，實現燃料電池10的結構的簡化，并且可使所述燃料電池10整體的層疊方向的尺寸短尺寸化。圖15是本發明的第二實施方式的燃料電池120的分解立體說明圖。需要說明的是，對于與第一實施方式的燃料電池10相同的構成要素標注相同的參照符號，并省略其詳細說明。如圖15及圖16所示，燃料電池120是將多個單電池單元122層疊而構成的，并且所述單電池單元122具備第一電解質膜電極構造體(電解質電極構造體)(MEA) 124、第一金屬隔板126、第二電解質膜電極構造體(電解質電極構造體)(MEA) 128及第二金屬隔板130。第一電解質膜電極構造體124及第二電解質膜電極構造體128設有邊框部(樹脂框構件)132a及邊框部(樹脂框構件)132b。如圖17所示，在邊框部132a的陰極面124a側的寬度方向兩端部上方，未在各冷卻介質入口連通孔34a的下側附近設置入口槽部38a，而是遍及所述冷卻介質入口連通孔34a的寬度方向(箭頭C方向)形成多個入口孔部134a。入口孔部134a被環狀入口密封構件136a圍繞。在邊框部132a的陰極面124a側的寬度方向兩端部下方，未在各冷卻介質出口連通孔34b的上側附近設置出口槽部38b，而是遍及所述冷卻介質出口連通孔34b的寬度方向(箭頭C方向)形成多個出口孔部134b。出口孔部134b被環狀出口密封構件136b圍繞。如圖18所示，在邊框部132a的陽極面124b側的寬度方向兩端部上方，設有與多個入口孔部134a對應的多個入口槽部138a，另一方面，在所述陽極面124b側的寬度方向兩端部下方，設有與多個出口孔部134b對應的多個出口槽部138b。如圖19所示，在邊框部132b的陰極面128a側的寬度方向兩端部上方，未在各冷卻介質入口連通孔34a的下側附近設置入口孔部60a,而是遍及所述冷卻介質入口連通孔34a的寬度方向形成多個入口槽部140a。在邊框部132b的陰極面128a側的寬度方向兩端部下方，未在各冷卻介質出口連通孔34b的上側附近設置出口孔部60b，而是遍及所述冷卻介質出口連通孔34b的寬度方向形成多個出口槽部140b。如圖20所示，在邊框部132b的陽極面128b側，未設置入口槽部68a及出口槽部68b。 第一金屬隔板126由單一的金屬板構件構成。如圖21所不,在設置于第一金屬隔板126的一方的面上的氧化劑氣體流路84的上方，形成多個孔部92a和多個入口槽部87a，另一方面，在氧化劑氣體流路84的下方，形成多個孔部92b和多個出口槽部87b。在第一金屬隔板126的寬度方向兩端部,分別未設置一對突起部89a、89b,并分別未設置多個孔部90a、90b。如圖16所示，第二金屬隔板130具備外形具有同一形狀且被相互層疊的兩塊金屬板(例如，不銹鋼板)142a、142b，所述金屬板142a、142b例如通過焊接或粘結而使外周緣部一體化，且內部被密閉。在金屬板142a上，與陰極側電極24對置而形成氧化劑氣體流路84，并且在金屬板142b上，與陽極側電極26對置而形成燃料氣體流路86。在金屬板142a、142b間形成冷卻介質流路88。如圖22所示，在金屬板142a的寬度方向兩端部上方，設有在箭頭C方向上比較長的一對突起部143a。在突起部143a上,遍及各冷卻介質入口連通孔34a的寬度方向而形成多個孔部144a。在金屬板142a的寬度方向兩端部下方,設有在箭頭C方向上比較長的一對突起部143b。在突起部143b上，遍及各冷卻介質出口連通孔34b的寬度方向而形成多個孔部 144b。如圖23所示,在金屬板142b的一對突起部143a上,遍及各冷卻介質入口連通孔34a的寬度方向而形成多個入口槽部146a。在金屬板142b的一對突起部143b上，遍及各冷卻介質出口連通孔34b的寬度方向而形成多個出口槽部146b。如圖24所示，在層疊方向上相鄰的邊框部132a、132b間形成有將氧化劑氣體入口連通孔30a和第一電解質膜電極構造體124的氧化劑氣體流路84連通起來的氧化劑氣體連結流路150a ;以及將所述氧化劑氣體入口連通孔30a和第二電解質膜電極構造體128的氧化劑氣體流路84連通起來的氧化劑氣體連結流路150b。需要說明的是，雖未圖示，但在邊框部132a、132b間形成有將氧化劑氣體出口連通孔30b和氧化劑氣體流路84連通起來的氧化劑氣體連結流路。如圖25所示，在層疊方向上相鄰的邊框部132a、132b間，形成有將燃料氣體入口連通孔32a和燃料氣體流路86連通起來的燃料氣體連結流路152。需要說明的是，雖未圖示，但在邊框部132a、132b間形成有將燃料氣體出口連通孔32b和燃料氣體流路86連通起來的燃料氣體連結流路。如圖26所示，在層疊方向上相鄰的邊框部132a、132b間形成有將冷卻介質入口連通孔34a和第二金屬隔板130的冷卻介質流路88連通起來的冷卻介質連結流路154。需要說明的是，雖未圖示，但在邊框部132a、132b間形成有將冷卻介質出口連通孔34b和冷卻介質流路88連通起來的冷卻介質連結流路。通過將邊框部132a的外側密封構件48及內側密封構件50與邊框部132b的外側密封構件74及內側密封構件76配置在層疊方向上不同的位置上，從而形成冷卻介質連結流路154。冷卻介質連結流路154具有沿著隔板面方向設置的入口槽部138a、140a ;在邊框部132a上沿層疊方向形成的入口孔部(第一孔部)134a ;在金屬板142a上沿所述層疊方向形成的孔部(第二孔部)144a。入口槽部138a和入口槽部140a的端部彼此連通。
以下簡要說明該燃料電池120的動作。在各單電池單元122中，被供應給氧化劑氣體入口連通孔30a的氧化劑氣體如圖15及圖24所示，被導入第一電解質膜電極構造體124的入口槽部36a間和第二電解質膜電極構造體128的入口槽部56a間。被導入入口槽部36a的氧化劑氣體被供應給第二金屬隔板130的氧化劑氣體流路84。被供應給氧化劑氣體流路84的氧化劑氣體在被供應給第一電解質膜電極構造體124的陰極側電極24后，殘余的氧化劑氣體從出口槽部36b間而被排出向氧化劑氣體出口連通孔 30b ο另一方面，被導入入口槽部56a間的氧化劑氣體通過第二電解質膜電極構造體128和第一金屬隔板126之間的入口槽部87a而被供應給所述第一金屬隔板126的氧化劑氣體流路84。被供應給氧化劑氣體流路84的氧化劑氣體在被供應給第二電解質膜電極構造體128的陰極側電極24后，殘余的氧化劑氣體通過出口槽部87b、56b間而被排出向氧化劑氣體出口連通孔30b。另外，供應給燃料氣體入口連通孔32a的燃料氣體如圖15及圖25所示，被導入第二電解質膜電極構造體128的陰極側的入口槽部62a。燃料氣體從入口槽部62a通過入口孔部64a向陽極側移動，一部分從入口槽部72a被供應給第二金屬隔板130的燃料氣體流路86。燃料氣體的殘余的部分通過入口孔部66a及第一金屬隔板126的孔部92a而被導入所述第一金屬隔板126和第一電解質膜電極構造體124之間，并被供應給所述第一金屬隔板126的燃料氣體流路86。在第二金屬隔板130的燃料氣體流路86流通的使用完的燃料氣體被排出向出口槽部72b，進而從出口孔部64b通過出口槽部62b被排出向燃料氣體出口連通孔32b。另一方面，在第一金屬隔板126的燃料氣體流路86流通的使用完的燃料氣體從孔部92b通過出口孔部66b被排出向出口槽部72b，同樣被排出向燃料氣體出口連通孔32b。由此，在第一電解質膜電極構造體124及第二電解質膜電極構造體128中，分別被供應給陰極側電極24的氧化劑氣體以及被供應給陽極側電極26的燃料氣體在電極催化劑層內通過電化學反應而被消耗，從而進行發電。進而另外，被供應給一對冷卻介質入口連通孔34a的冷卻介質如圖15及圖26所示，被導入第一電解質膜電極構造體124的入口槽部138a，并從入口槽部140a被供應給入口孔部134a。冷卻介質從入口孔部134a通過第二金屬隔板130的孔部144a而被導入所述第二金屬隔板130的內部。冷卻介質在第二金屬隔板130內沿著各入口槽部146a向箭頭B方向且相互向內側方向流通，被供應給冷卻介質流路88。相互向內側方向流通的冷卻介質在冷卻介質流路88的箭頭B方向中央部側相撞，向重力方向移動，之后，在所述冷卻介質流路88的下部側分到箭頭B方向兩側。然后，從各出口槽部146b通過孔部144b被從所述第二金屬隔板130排出。進而，冷卻介質從出口孔部134b通過出口槽部140b、138b被排出向冷卻介質出口連通孔34b。因此，第一電解質膜電極構造體124及第二電解質膜電極構造體128被在第二金屬隔板130內的冷卻介質流路88流通的冷卻介質拉長間隔(間引務)冷卻。 此時，在第二實施方式中，可得到第一金屬隔板126及第二金屬隔板130容易實現小型輕量化，并且有效削減制造成本，可經濟性地制造燃料電池120整體等與上述第一實施方式同樣的效果。
權利要求
1.一種燃料電池，其具備層疊有電解質電極構造體(14)與金屬隔板(16)的單電池單元(12)，其中所述電解質電極構造體(14)在電解質(22)的兩側配置了一對電極(24、.26)，在相鄰的所述單電池單元(12)間形成使冷卻介質向隔板面方向流通的冷卻介質流路(88)， 其特征在于， 在電解質電極構造體(14)的外周一體設有樹脂框構件(28a)，在所述樹脂框構件(28a)的相互相對的一方的兩邊，設有在層疊方向上貫通且使反應氣體流通的反應氣體入口連通孔(30a)及反應氣體出口連通孔(30b)，另一方面， 在所述樹脂框構件(28a)的相互相對的另一方的兩邊，設有在所述層疊方向上貫通且與所述反應氣體入口連通孔(30a)或所述反應氣體出口連通孔(30b)接近而使冷卻介質流通的一對冷卻介質入口連通孔(34a)、及與所述反應氣體出口連通孔(30b)或所述反應氣 體入口連通孔(30a)接近而使所述冷卻介質流通的冷卻介質出口連通孔(34b)， 并且所述燃料電池具備將所述冷卻介質入口連通孔(34a)及所述冷卻介質出口連通孔(34b)與所述冷卻介質流路(88)連通起來的連結流路(116a), 所述連結流路(116a)具有在所述金屬隔板上設置的貫通孔(106a)及在所述樹脂框構件(28a)上設置的貫通孔(40a)。
2.如權利要求I所述的燃料電池，其特征在于， 所述樹脂框構件(28a)設有雙重密封線，該雙重密封線在隔板面外具有外側密封線(48)且在隔板面內具有內側密封線(50)， 并且相鄰的一方的所述樹脂框構件(28a)的所述雙重密封線的一部分與另一方的所述樹脂框構件(28b)的所述雙重密封線的一部分被配置在所述層疊方向上不同的位置，由此在一方的所述樹脂框構件(28a)與另一方的所述樹脂框構件(28b)之間形成所述連結流路(116a)。
3.如權利要求I所述的燃料電池，其特征在于， 所述金屬隔板具備夾持所述電解質電極構造體(14)的第一金屬隔板(16)及第二金屬隔板(20)， 至少所述第一金屬隔板(16)或所述第二金屬隔板(20)由兩塊在內部形成有所述冷卻介質流路(88)的板(82a、82b)構成。
4.如權利要求3所述的燃料電池，其特征在于， 兩塊所述板(82a、82b)相互具有同一形狀的外形。
5.如權利要求3所述的燃料電池，其特征在于， 所述連結流路(116a)具有 在所述層疊方向上相鄰的所述樹脂框構件(28a、28b)間沿所述隔板面方向設置的槽部(42a)； 在一方的所述樹脂框構件(28a)上沿所述層疊方向形成，且與所述槽部(42a)連通的第一孔部(40a);以及 在與一方的所述樹脂框構件(28a)相鄰的一方的所述板(102a)上沿所述層疊方向形成，且將所述第一孔部(40a)和所述冷卻介質流路(88)連通起來的第二孔部(106a)。
6.如權利要求5所述的燃料電池，其特征在于，所述槽部具有在一方的所述樹脂框構件(28a)上設置的第一槽部(42a)以及在層疊于一方的所述樹脂框構件(28a)的另一方的所述樹脂框構件(28b)上設置的第二槽部(58a)，并且所述第一槽部(42a)和所述第二槽部(58a)的端部彼此連通。
7.如權利要求5所述的燃料電池，其特征在于， 相鄰的所述單電池單元(12)的所述第一孔部(40a)彼此及所述第二孔部(106a)彼此被設定于在相對于所述層疊方向互不重合的位置上。
全文摘要
提供一種燃料電池。構成燃料電池(10)的單電池單元(12)具備第一電解質膜電極構造體(14)、第一金屬隔板(16)、第二電解質膜電極構造體(18)及第二金屬隔板(20)。第一及第二電解質膜電極構造體(14、18)在外周具有邊框部(28a、28b)，在所述邊框部(28a、28b)的相互相對的一方的兩邊設有氧化劑氣體入口連通孔(30a)、燃料氣體入口連通孔(32a)及氧化劑氣體出口連通孔(30b)、燃料氣體出口連通孔(32b)，另一方面，在所述邊框部(28a、28b)的相互相對的另一方的兩邊分別分開設有一對冷卻介質入口連通孔(34a)和冷卻介質出口連通孔(34b)。
文檔編號H01M8/02GK102738487SQ20121008580
公開日2012年10月17日 申請日期2012年3月28日 優先權日2011年4月7日
發明者中村哲也, 后藤修平, 杉田成利, 石田堅太郎 申請人:本田技研工業株式會社