專利名稱：燃料電池的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種層疊電解質電極構造體和金屬隔板的燃料電池，其中電解質電極構造體在電解質兩側配設有一對電極且在外周部一體設有樹脂框構件。
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構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。
在這種燃料電池堆中，為了得到希望的發電性能，層疊規定數量(例如，數十 數百)的發電單電池，需要檢查各發電單電池是否具有希望的發電性能。為此，一般地說，將在隔板上設置的單電池電壓監視用端子連接于電壓檢測裝置(單電池電壓監視器)，進行檢測發電時的每個發電單電池或者每個規定的發電單電池的單電池電壓的作業。例如，專利文獻I公開的燃料電池如圖29所示，具備密封墊圈一體型MEA1。該密封墊圈一體型MEAl分別具備具有矩形形狀的第一 MEAla和第二 MEAlb，在所述第一及第二MEAlaUb的周圍配置有密封墊圈2。在密封墊圈2上形成有多個用于進行氫氣、空氣及冷卻水各自的供給、排出的貫通孔3。密封墊圈2設有繞第一 MEAla、第二 MEAlb及各貫通孔3 —周的密封線SL，并且在所述密封墊圈2的角部將單電池電壓監視器用端子4和端子線5—起埋入。單電池電壓監視器用端子4的一部分從密封墊圈2的一方的表面突出。現有技術文獻專利文獻專利文獻I JP特開2008-140722號公報但是，在上述的密封墊圈一體型MEAl中，單電池電壓監視器用端子4被設置于構成密封線SL的外周密封件的外側。因此，在單電池電壓監視器用端子4的外側還需要密封構件，因此存在結構復雜化的問題。
發明內容
本發明為了解決這種問題，目的在于提供一種以簡單的結構能夠避免單電池電壓監視用端子和密封構件的干涉，并且能夠良好地測定單電池電壓的燃料電池。本發明涉及一種層疊電解質電極構造體和金屬隔板的燃料電池，其中電解質電極構造體在電解質兩側配設有一對電極且在外周部一體設有樹脂框構件。在該燃料電池中，在樹脂框構件上設有繞電極面一周的內側密封構件；繞所述內側密封構件的外側一周的外側密封構件；以及在所述樹脂框構件埋設的單電池電壓監視用端子。而且，金屬隔板的外周端部配置在內側密封構件和外側密封構件之間，另一方面，單電池電壓監視用端子在所述內側密封構件和所述外側密封構件之間具有露出部位，所述露出部位與相鄰的所述金屬隔板接觸。另外，在該燃料電池中，優選單電池電壓監視用端子在樹脂框構件成形時被一體埋設，并且根據成形時的配置姿勢，露出部位在所述樹脂框構件的一方的面或另一方的面露出。進而，在該燃料電池中，優選單電池電壓監視用端子一體設有從樹脂框構件的外周向外突出的樹脂構件，并且所述樹脂 構件在所述樹脂框構件成形時設置為一體。發明效果在本發明中，埋設于樹脂框構件的單電池電壓監視用端子在內側密封構件和外側密封構件之間與金屬隔板接觸。因此，能夠在不跨密封線的狀態下將單電池電壓監視用端子取出到樹脂框構件的外部，能夠確保希望的密封功能。而且，與從金屬隔板將單電池電壓監視用端子直接取出的結構相比，可使所述金屬隔板良好地小型化，容易實現輕量化及低成本化。
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是在構成所述燃料電池的邊框部將單電池電壓監視用端子一體化時的說明圖。圖16是所述一體化中所使用的注射成形裝置的剖面說明圖。圖17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18是所述燃料電池的圖17中的XVIII-XVIII線剖面圖。圖19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20是所述第一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二電解質膜電極構造體的陰極面的說明圖。圖22是所述第二電解質膜電極構造體的陽極面的說明圖。圖23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24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25是所述第二金屬隔板的陽極面的說明圖。圖26是所述燃料電池的圖17中的XXVI-XXVI線剖面圖。圖27是所述燃料電池的圖17中的XXVII-XXVII線剖面圖。圖28是所述燃料電池的圖17中的XXVIII-XXVIII線剖面圖。圖29是構成專利文獻I的燃料電池的密封墊圈一體型MEA的說明圖。符號說明10、140-燃料電池 12、142-單電池單元14、18、144、148-電解質膜電極構造體16、20、146、150_ 隔板22-固體高分子電解質膜24-陰極側電極26-陽極側電極28a、28b、152a、152b-邊框部30a-氧化劑氣體入口連通孔30b-氧化劑氣體出口連通孔32a-燃料氣體入口連通孔32b-燃料氣體出口連通孔34a-冷卻介質入口連通孔34b_冷卻介質出口連通孔36a、38a、42a、46 a、56a、58a、62a、68a、72a、87a、98a、100a、112a、158a、160a、166a-入口槽部36b、38b、42b、46b、56b、58b、62b、68b、72b、87b、98b、100b、112b、158b、160b、166b-出口槽部40a、60a、64a、66a、154a-入口孔部40b、60b、64b、66b、154b-出口孔部48、74_外側密封構件50,76-內側密封構件82a,82bU02a, 102bU62a, 162b-金屬板84-氧化劑氣體流路86-燃料氣體流路88-冷卻介質流路90a,90bU06a, 106bU64a, 164b-孔部92a、92b_ 孔部116a、116b、174-冷卻介質連結流路
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而構成。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D 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。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60a及孔部90a
被設定在相對于層疊方向互不重合的位置上。如圖I、圖2、圖5及圖6所示，在構成第二電解質膜電極構造體18的邊框部28b對應于一方的凹部29b而埋設單電池電壓監視用端子120。需要說明的是，也可以在構成第一電解質膜電極構造體14的邊框部28a埋設單電池電壓監視用端子120。如圖2所示，第一金屬隔板16的外周端部被配置于第一電解質膜電極構造體14的內側密封構件50與外側密封構件48之間。第二金屬隔板20的外周端部被配置于第二電解質膜電極構造體18的內側密封構件76與外側密封構件74之間。單電池電壓監視用端子120在內側密封構件76與外側密封構件74之間具有露出部位120a，所述露出部位120a與相鄰的第二金屬隔板20接觸。單電池電壓監視用端子120優選將露出部位120a以外埋設于邊框部28b的內部。由于不跨外側密封件，因此密封性提高。以下的第二實施方式也同樣。需要說明的是，單電池電壓監視用端子120在圖2中通過僅使上下反轉，就能使露出部位120a在內側密封構件50與外側密封構件48之間露出并與相鄰的第一金屬隔板16接觸。單電池電壓監視用端子120—體設有從邊框部28b的外周向外突出的樹脂構件122，并且所述樹脂構件122在所述邊框部28b的成形時被一體化(后述)。在單電池電壓監視用端子120的前端設有向外部露出的前端露出部位120b。在單電池電壓監視用端子120的前端側外裝密封構件124，并且連接器126連接自如。連接器126具有收容在殼體127內的U字形狀的連接端子部128。連接端子部128與前端露出部位120b電接觸，并且與未圖示的單電池電壓測定裝置連接。下面，以下說明在邊框部28b上將單電池電壓監視用端子120 —體化的作業。首先，如圖15中的(a)所示，準備單電池電壓監視用端子120。該單電池電壓監視用端子120是將平板金屬折曲成形為規定的形狀而成的。如圖15中的(b)所示，通過插入成形在單電池電壓監視用端子120上一體成形樹脂構件122 ( —次成形)。進而，如圖15中的(C)所示，單電池電壓監視用端子120與樹脂構件122 —體地插入成形于邊框部28b (二次成形)。具體地說，如圖16所示，使用注射成形裝置130。該注射成形裝置130為了形成邊框部28b，而具有與該邊框部28b的形狀對應的腔室132。因此，在腔室132中配置將樹脂構件122 —體化了的單電池電壓監視用端子120。在將注射成形裝置130合模的狀態下，從閘門134向腔室132供給熔融樹脂，由此埋設單電池電壓監視用端子120，另一方面，成形將樹脂構件122 —體化了的邊框部28b。如圖15中的(d)所示，在邊框部28b上，在陽極面18b側一體成形外側密封構件74及內側密封構件76 (三次成形)。通過將邊框部28b配設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，從而制造第二電解質膜電極構造體18。以下說明如此構成的燃料電池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。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內沿著入口槽部112a向箭頭B方向且相互接近流通，從而被供應到冷卻介質流路88。相互接近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方向且相互接近流通，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，如圖2、圖5及圖6所示，在邊框部28b埋設的單電池電壓監視用端子120上的在內側密封構件76與外側密封構件74之間露出的露出部位120a與第二金屬隔板20接觸。因此，能夠在不跨越 密封線的情況下將單電池電壓監視用端子120取出到邊框部28b的外部，能夠得到可確保希望的密封功能的效果。而且，與從第二金屬隔板20將單電池電壓監視用端子直接取出的結構相比，可使所述第二金屬隔板20良好地小型化，容易實現輕量化及低成本化。由此，能夠得到可經濟性地得到燃料電池10整體這樣的優點。圖17是本發明的第二實施方式的燃料電池140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17及圖18所示，燃料電池140是將多個單電池單元142層疊而構成的，并且所述單電池單元142具備第一電解質膜電極構造體(電解質電極構造體)(MEA) 144、第一金屬隔板146、第二電解質膜電極構造體(電解質電極構造體)(MEA) 148及第二金屬隔板150。第一電解質膜電極構造體144及第二電解質膜電極構造體148設有邊框部(樹脂框構件)152a及邊框部(樹脂框構件)152b。如圖19所示，在邊框部152a的陰極面144a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154a。入口孔部154a被環狀入口密封構件156a圍繞。在邊框部152a的陰極面144a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154b。出口孔部154b被環狀出口密封構件156b圍繞。如圖20所示，在邊框部152a的陽極面144b側的寬度方向兩端部上方，設有與多個入口孔部154a對應的多個入口槽部158a，另一方面，在所述陽極面144b側的寬度方向兩端部下方，設有與多個出口孔部154b對應的多個出口槽部158b。如圖21所示，在邊框部152b的陰極面148a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160a。在邊框部152b的陰極面148a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160b。如圖22所示，在邊框部152b的陽極面148b側，未設置入口槽部68a及出口槽部68b。第一金屬隔板146由單一的金屬板構件構成。如圖23所不,在設置于第一金屬隔板146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146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18所示，第二金屬隔板150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)162a、162b，所述金屬板162a、162b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162a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162b上，與陽極側電極26對置而形成燃料氣體流路86。在金屬板162a、162b間形成冷卻介質流路88。如圖24所示，在金屬板162a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163a。在突起部163a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164a。在金屬板162a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163b。在突起部163b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 164b。 如圖25所示，在金屬板162b的一對突起部163a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166a。在金屬板162b的一對突起部163b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166b。如圖26所示，在層疊方向上相鄰的邊框部152a、152b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144的氧化劑氣體流路84連通起來的氧化劑氣體連結流路170a ;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148的氧化劑氣體流路84連通起來的氧化劑氣體連結流路170b。需要說明的是，雖未圖示，但在邊框部152a、152b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27所示，在層疊方向上相鄰的邊框部152a、152b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172。需要說明的是，雖未圖示，但在邊框部152a、152b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28所示，在層疊方向上相鄰的邊框部152a、152b間形成有將冷卻介質入口連通孔34a和第二金屬隔板150的冷卻介質流路88連通起來的冷卻介質連結流路174。需要說明的是，雖未圖示，但在邊框部152a、152b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152a的外側密封構件48及內側密封構件50與邊框部152b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174。冷卻介質連結流路174具有沿著隔板面方向設置的入口槽部158a、160a ;在邊框部152a上沿層疊方向形成的入口孔部(第一孔部)154a ;在金屬板162a上沿所述層疊方向形成的孔部(第二孔部)164a。入口槽部158a和入口槽部160a的端部彼此連通。如圖17、圖18、圖21及圖22所示，在構成第二電解質膜電極構造體148的邊框部152b埋設單電池電壓監視用端子120。需要說明的是，也可以在構成第一電解質膜電極構造體144的邊框部152a埋設單電池電壓監視用端子120。
如圖18所示，第一金屬隔板146的外周端部被配置在第一電解質膜電極構造體144的內側密封構件50與外側密封構件48之間。第二金屬隔板150的外周端部被配置在第二電解質膜電極構造體148的內側密封構件76與外側密封構件74之間。單電池電壓監視用端子120在內側密封構件76與外側密封構件74之間具有露出部位120a，所述露出部位120a與相鄰的第二金屬隔板150接觸。需要說明的是，單電池電壓監視用端子120在圖18中僅通過使上下反轉，就能使露出部位120a在內側密封構件50與外側密封構件48之間露出并與相鄰的第一金屬隔板146接觸。以下簡要說明如此構成的燃料電池140的動作。在各單電池單元142中，被供應給氧化劑氣體入口連通孔30a的氧化劑氣體如圖17及圖26所示，被導入第一電解質膜電極構造體144的入口槽部36a間和第二電解質膜電極構造體148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150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144的陰極側電極24后，殘余的氧化劑氣體從出口槽部36b間被排出向氧化劑氣體出口連通孔30b。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148和第一金屬隔板146之間的入口槽部87a而被供應給所述第一金屬隔板146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148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17及圖27所示，被導入第二電解質膜電極構造體148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150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146的孔部92a而被導入所述第一金屬隔板146和第一電解質膜電極構造體144之間，并被供應給所述第一金屬隔板146的燃料氣體流路86。在第二金屬隔板150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146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144及第二電解質膜電極構造體148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17及圖28所示，被導入第一電解質膜電極構造體144的入口槽部158a，并從入口槽部160a被供應給入口孔部154a。冷卻介質從入口孔部154a通過第二金屬隔板150的孔部164a而被導入所述第二金屬隔板150的內部。冷卻介質在第二金屬隔板150內沿著入口槽部166a向箭頭B方向且相互接近流通，被供應給冷卻 介質流路88。相互接近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方向兩偵U。然后，從各出口槽部166b通過孔部164b被從所述第二金屬隔板150排出。進而，冷卻介質從出口孔部154b通過出口槽部160b、158b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144及第二電解質膜電極構造體148被在第二金屬隔板150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。此時，在第二實施方式中，如圖18、圖21及圖22所示，在第二電解質膜電極構造體148的邊框部152b埋設的單電池電壓監視用端子120在內側密封構件76與外側密封構件74之間與第二金屬隔板150接觸。因此，可得到能夠在不跨越密封線的情況下將單電池電壓監視用端子120取出到邊框部152b的外部等與上述第一實施方式同樣的效果。
權利要求
1.一種層疊電解質電極構造體和金屬隔板的燃料電池，其中電解質電極構造體在電解質兩側配設有一對電極且在外周部一體設有樹脂框構件 其特征在于， 在所述樹脂框構件上設有繞電極面一周的內側密封構件、繞所述內側密封構件的外側一周的外側密封構件及在所述樹脂框構件埋設的單電池電壓監視用端子，并且所述金屬隔板的外周端部被配置在所述內側密封構件與所述外側密封構件之間，另一方面，所述單電池電壓監視用端子在所述內側密封構件與所述外側密封構件之間具有露出部位，所述露出部位與相鄰的所述金屬隔板接觸。
2.如權利要求I所述的燃料電池，其特征在于， 所述單電池電壓監視用端子在所述樹脂框構件成形時被一體埋設，并且根據成形時的配置姿勢，所述露出部位在所述樹脂框構件的一方的面或另一方的面露出。
3.如權利要求I或2所述的燃料電池，其特征在于， 所述單電池電壓監視用端子一體設有從所述樹脂框構件的外周向外突出的樹脂構件，并且所述樹脂構件在所述樹脂框構件的成形時被一體設置。
全文摘要
提供一種以簡單的結構能夠避免單電池電壓監視用端子和密封構件的干涉，且能夠良好地測定單電池電壓的燃料電池。燃料電池(10)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)。第二電解質膜電極構造體(18)在外周具有邊框部(28b)，在邊框部(28b)設有內側密封構件(76)、外側密封構件(74)、在邊框部(28b)埋設的單電池電壓監視用端子(120)。第二金屬隔板(20)的外周端部被配置在內側密封構件(76)與外側密封構件(74)之間，單電池電壓監視用端子(120)在內側密封構件(76)與外側密封構件(74)之間具有露出部位(120a)，露出部位(120a)與相鄰的第二金屬隔板(20)接觸。
文檔編號H01M8/04GK102751517SQ20121010002
公開日2012年10月24日 申請日期2012年4月6日 優先權日2011年4月22日
發明者沖山玄, 后藤修平, 室本信義, 水崎君春, 滿岡隆昭, 勝野正之 申請人:本田技研工業株式會社