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在電解質的兩側配置有一對電極的電解質電極構造體和金屬隔板的燃料電池。
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(雙極板)夾持電解質膜電極構造體(電解質電極構造體)(MEA)而構成單電池單元(單位單電池)，其中，電解質膜電極構造體(電解質電極構造體)(MEA)在固體高分子電解質膜的兩側配置有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。通常，層疊有規定數量的該單電池單元的燃料電池堆例如作為車載用燃料電池堆使用。一般而言，在這種燃料電池中，大多情況下構成的是在內部具備在單電池單元的·層疊方向上貫通而用于使燃料氣體流通的燃料氣體入口連通孔及燃料氣體出口連通孔、用于使氧化劑氣體流通的氧化劑氣體入口連通孔及氧化劑氣體出口連通孔、用于使冷卻介質流通的冷卻介質入口連通孔及冷卻介質出口連通孔的所謂內部歧管型燃料電池。因此，由于在隔板上設有多個流體連通孔即燃料氣體入口連通孔、燃料氣體出口連通孔、氧化劑氣體入口連通孔、氧化劑氣體出口連通孔、冷卻介質入口連通孔及冷卻介質出口連通孔，所以所述隔板的面積變得相當大。尤其，在使用金屬隔板作為隔板時，高價的不銹鋼等材料的使用量增大，零件單價高漲。因此，考慮在層疊電解質膜電極構造體和金屬隔板的燃料電池中，在所述電解質電極構造體的外周設置樹脂制的邊框部(樹脂框部件)，并且在該邊框部上貫通形成各流體連通孔，另一方面將金屬隔板配置在所述流體連通孔的內側的構成。在這種燃料電池中，由于在一對邊框部間夾持金屬隔板，因此需要有特別的密封構造。例如，在日本特開2005-276820號公報中公開有一種雖然與上述的帶邊框電解質膜電極構造體不同，但采用雙重密封件構造的燃料電池。在該燃料電池中，如圖27所示，通過第一隔板3與第二隔板4夾持向膜電極構造體I的外部突出的固體電解質膜2，并且在所述第一隔板3上設有雙重密封件5。雙重密封件5具有抵接于固體電解質膜2的內側密封件5a以及與在第二隔板4側設置的平面密封部件6抵接的外側密封件5b。但是，在雙重密封件5中，內側密封件5a的高度與外側密封件5b的高度不同，密封唇形狀也不同。因而，內側密封件5a和外側密封件5b需要兩種密封設計，并不經濟。
發明內容
本發明用于解決這種問題，其目的在于提供一種能夠簡單且經濟地構成雙重密封件，且能夠有效抑制制造成本的燃料電池。本發明涉及一種燃料電池，其是層疊電解質電極構造體和金屬隔板而成的，所述電解質電極構造體在電解質的兩側配置有一對電極。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部件，在所述樹脂框部件上設有在層疊方向上貫通且使燃料氣體、氧化劑氣體及冷卻介質即各流體流通的多個流體連通孔。另一方面，金屬隔板相比于樹脂框部件的外周端部，位于更靠流體連通孔的內側的位置并被配置于一對樹脂框部件間。而且，在一方的樹脂框部件上設有雙重密封件，該雙重密封件具有前端抵接于金屬隔板的內側密封部件、以及前端抵接于另一方的樹脂框部件且被設定成與所述內側密封部件相同的高度尺寸的外側密封部件。在本發明中，作為雙重密封件的內側密封部件和外側密封部件被設定成相同的高度尺寸。因此，內側密封部件及外側密封部件還可以具有同一密封唇形狀，所述內側密封部件及所述外側密封部件能夠通過同一即一種密封設計來制造。由此，能夠簡單且經濟地構成雙重密封件，可以有效抑制燃料電池整體的制造成本。
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從參照附圖進行的下述適當的實施方式例的說明中，上述目的及其他目的、特點及優點會更明確。
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XXVI-XXVI線剖面圖。圖27是日本特開2005-276820號的燃料電池的剖面說明圖。
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被第二金屬隔板20及第一金屬隔板16夾持，另一方面，第二電解質膜電極構造體18被所述第一金屬隔板16及所述第二金屬隔板20夾持。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分別具備例如在全氟磺酸(〃一7 >才a 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的表面積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，例如通過注射成形等而一體成形有由具有絕緣性的高分子材料形成的樹脂框部件28a。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，例如通過注射成形等而一體成形有由高分子材料形成的樹脂框部件28b。作為高分子材料，除了通用塑料以外，可采用工程塑料或超級工程塑料等。樹脂框部件28a、28b如圖I所示，具有在箭頭C方向上長的大致長方形狀，并且在各長邊的中央部，通過向內缺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涂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，在樹脂框部件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)排列設有用于供應氧化劑氣體例如含氧氣體的氧化劑氣體入口連通孔30a及用于供應燃料氣體例如含氫氣體的燃料氣體入口連通孔32a。在樹脂框部件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。在樹脂框部件28a、28b的箭頭B方向的兩端緣部上方，在箭頭A方向上相互連通而設有用于供應冷卻介質的一對冷卻介質入口連通孔34a，并且在所述樹脂框部件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接近于氧化劑氣體入口連通孔30a及燃料氣體入口連通孔32a，且分別分開向箭頭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分別接近于氧化劑氣體出口連通孔30b及燃料氣體出口連通孔32b，且分別分開向箭頭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，使所述冷卻介質入口連通孔34a接近于氧化劑氣體出口連通孔30b及燃料氣體出口連通孔32b而設置。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、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，在樹脂框部件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，設有位于氧化劑氣體入口連通孔30a的下側附近的多個入口槽部36a。在樹脂框部件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。在樹脂框部件28a的陰極面14a側的下部，設有位于氧化劑氣體出口連通孔30b的上側附近的多個出口槽部36b。在樹脂框部件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，在樹脂框部件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。在樹脂框部件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的下側附近設有多個出口槽部42b。在樹脂框部件28a上設有位于燃料氣體入口連通孔32a的下方的多個入口槽部46a，并且設有位于燃料氣體出口連通孔32b的上方的多個出口槽部46b。在樹脂框部件28a的陽極面14b側，一體或分體成形有外側密封部件(外側密封線)48及內側密封部件(內側密封線)50，從而構成雙重密封件51。外側密封部件48及內側密封部件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，以下說明的各密封部件與上述的外側密封部件48及內側密封部件50同樣構成，省略其詳細說明。外側密封部件48從樹脂框部件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。該外側密封部件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。通過外側密封部件48，入口槽部42a及入口孔部40a與冷卻介質入口連通孔34a被圍繞成一體，出口槽部42b及出口孔部40b與冷卻介質出口連通孔34b被圍繞成一體。
內側密封部件50位于外側密封部件48的內側，并且一體圍繞陽極側電極26和入口槽部46a及出口槽部46b。內側密封部件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(參照圖2)。外側密封部件48被配置在第一金屬隔板16的外周端外側(隔板面外)，前端與樹脂框部件28b抵接。通過外側密封部件48及內側密封部件50將全部流體連通孔圈起來密封。如圖2所示，樹脂框部件28a(—方的樹脂框部件)的設有外側密封部件48的部位的厚度tl被設定成比設有內側密封部件50的部位的厚度t2厚(tl > t2)。厚度tl與厚度t2之差被設定成與第一金屬隔板16的厚度t3相等(tl-t2 = t3)。樹脂框部件28b (另一方的樹脂框部件)的從外側密封部件48所抵接的部位到與內側密封部件50相對的部位，形成在同一平面上。外側密封部件48及內側密封部件50被設定成同一高度尺寸，并且具有同一密封唇形狀。如圖3所示，在樹脂框部件28a的陰極面14a側，設有圍繞入口孔部40a的環狀入口密封部件52a以及圍繞出口孔部40b的環狀出口密封部件52b。·如圖5所示，在樹脂框部件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側的上部設有位于氧化劑氣體入口連通孔30a的下側附近的多個入口槽部56a。在樹脂框部件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。在樹脂框部件28b的陰極面18a側的上部設有位于燃料氣體入口連通孔32a的下側附近的多個入口槽部62a，并且在所述入口槽部62a的下端部貫通形成有多個入口孔部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。在樹脂框部件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。在樹脂框部件28b的陰極面18a側的下部設有位于燃料氣體出口連通孔32b的上側附近的多個出口槽部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，在樹脂框部件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。在樹脂框部件28b上設有位于燃料氣體入口連通孔32a的下方而將入口孔部64a、66a連通起來的多個入口槽部72a在樹脂框部件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，并且設有位于燃料氣體出口連通孔32b的上方并將出口孔部64b、66b連通起來的多個出口槽部72b。在樹脂框部件28b上的陽極面18b側，一體或分體成形外側密封部件(外側密封線)74及內側密封部件(內側密封線)76，從而構成雙重密封件77。外側密封部件74從樹脂框部件28b的外周緣部繞全部流體連通孔即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。外側密封部件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。通過外側密封部件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。內側密封部件76位于外側密封部件74的內側，并且將陽極側電極26和入口孔部64a、入口孔部66a、入口槽部72a、出口孔部64b、出口孔部66b及出口槽部72b —體圍繞。內側密封部件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。外側密封部件74配置于第二金屬隔板20的外周端外偵牝前端與樹脂框部件28a抵接。通過外側密封部件74及內側密封部件76將全部流體連通孔圈起來密封。 如圖2所示，樹脂框部件28b ( 一方的樹脂框部件)被設定成設有外側密封部件74的部位的厚度t 4比設有內側密封部件76的部位的厚度t5厚(t4 > t5)。厚度t4與厚度t5之差被設定成與第二金屬隔板20的厚度t6相等(t4-t5 = t6)。樹脂框部件28a (另一方的樹脂框部件)的從與外側密封部件74相對的部位到內側密封部件76所抵接的部位形成在同一平面上。外側密封部件74及內側密封部件76被設定為同一高度尺寸，并且具有同一密封唇形狀。如圖5所示，在樹脂框部件28b的陰極面18a側，設有圍繞入口孔部60a、66a的環狀入口密封部件78a、80a以及圍繞出口孔部60b、66b的環狀出口密封部件78b、80b。第一及第二金屬隔板16、20的外沿被設定成如下尺寸，即，相比于樹脂框部件28a、28b的外周端部而言，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具備外形具有同一形狀且相互被層疊的兩張金屬板(例如，不銹鋼板)82a、82b,所述金屬板82a、82b例如通過焊接或粘結外周緣部而形成一體，且內部被密閉。在金屬板82a上，與陰極側電極24相對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相對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具有在箭頭C方向(鉛直方向)上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部85a及出口緩沖部85b。在入口緩沖部85a的上方形成有位于氧化劑氣體入口連通孔30a的下方的多個入口槽部87a。在出口緩沖部85b的下方形成有位于氧化劑氣體出口連通孔30b的上方的多個出口槽部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上的突起部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上的突起部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，并將第一金屬隔板16貫通。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具有在箭頭C方向(鉛直方向)上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部96a及出口緩沖部96b。在入口緩沖部96a的上方形成位于氧化劑氣體入口連通孔30a的下方的多個入口槽部98a，并且在出口緩沖部96b的下方形成位于氧化劑氣體出口連通孔30b的上方的多個出口槽部98b。
·入口槽部100a。在金屬板82b上的各突起部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具備外形具有同一形狀且相互被層疊的兩張金屬板(例如，不銹鋼板)102a、102b。所述金屬板102a、102b例如通過焊接或粘結外周緣部而形成一體，且內部被密閉。在金屬板102a上，與陰極側電極24相對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相對而形成燃料氣體流路86。在金屬板102a、102b間形成冷卻介質流路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具有在箭頭C方向(鉛直方向)上延伸的多個流路槽。在氧化劑氣體流路84的上游及下游設有入口緩沖部104a及出口緩沖部104b。在金屬板102a上的各突起部103a，形成有位于冷卻介質入口連通孔34a的上方的多個孔部106a，多個孔部106a與第一電解質膜電極構造體14的多個入口孔部40a連通。在金屬板102a上的各突起部103b，形成有位于冷卻介質出口連通孔34b的下方的多個孔部106b，多個孔部106b與第一電解質膜電極構造體14的多個出口孔部40b連通。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具有在箭頭C方向(鉛直方向)上延伸的多個流路槽。在燃料氣體流路86的上游及下游設有入口緩沖部IlOa及出口緩沖部110b。在金屬板102b的各突起部103a上，形成位于冷卻介質入口連通孔34a的上側附近的多個入口槽部112a，另一方面，在所述金屬板102b的各突起部103b上，形成位于冷卻介質出口連通孔34b的下側附近的多個出口槽部112b。入口槽部112a及出口槽部112b具有分別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樹脂框部件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 ;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，但在樹脂框部件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樹脂框部件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，但在樹脂框部件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樹脂框部件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，但在樹脂框部件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。冷卻介質連結流路116a、116b是通過將樹脂框部件28a的外側密封部件48及內·側密封部件50和樹脂框部件28b的外側密封部件74及內側密封部件76配置在層疊方向上不同的位置上而形成的。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 ;沿層疊方向形成在樹脂框部件28a上的入口孔部(第一孔部)40a ;沿所述層疊方向形成在構成第二金屬隔板20的金屬板102a上的孔部(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具有沿著隔板面方向設置的入口槽部68a、38a ;沿層疊方向形成在樹脂框部件28b上的入口孔部(第一孔部)60a ;沿所述層疊方向形成在構成第一金屬隔板16的金屬板82a上的孔部(第二孔部)90a。入口槽部68a和入口槽部38a的端部彼此連通。樹脂框部件28a的入口孔部40a及孔部106a和樹脂框部件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。對該燃料電池10的動作進行以下說明。如圖I所示，向氧化劑氣體入口連通孔30a供應含氧氣體等的氧化劑氣體，并且向燃料氣體入口連通孔32a供應含氫氣體等的燃料氣體。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中，供應給氧化劑氣體入口連通孔30a的氧化劑氣體如圖I及圖11所示，從第一電解質膜電極構造體14的入口槽部36a與第二電解質膜電極構造體18之間被導入入口槽部56a。被導入入口槽部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。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之后，剩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18與第一金屬隔板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。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，剩余的氧化劑氣體通過出口槽部87b、56b并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。燃料氣體的剩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與第一電解質膜電極構造體14之間，并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流通的使用后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16的燃料氣體流路86流通的使用后的燃料氣體從孔部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14及第二電解質膜電極構造體18中，分別供應給陰極側電極24的氧化劑氣體與供應給陽極側電極26的燃料氣體在電極催化劑層內通過電化學反應而消耗，從而進行發電。進而另外，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并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，并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方向中央部側沖撞，向重力方向(箭頭C方向下方)移動，之后，在所述冷卻介質流路88的下部側分開到箭頭B方向兩側。然后，從各出口槽部112b通過孔部106b并從第二金屬隔板20被排出。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，供應給冷卻介質入口連通孔34a的冷卻介質的其他的一部分，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被排出向冷卻介質出口連通孔34b。因而，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12 圖14所示，在樹脂框部件28a上設置的雙重密封件51具有外側密封部件48及內側密封部件50，并且所述外側密封部件48的前端與樹脂框部件28b抵接，另一方面，所述內側密封部件50的前端與第一金屬隔板16的外周端緣面抵接。而且，外側密封部件48及內側密封部件50可以被設定成同一高度尺寸，并且具有同一密封唇形狀。因此，外側密封部件48及內側密封部件50可以通過同一即一種密封設計來制造。由此，能夠簡單且經濟地構成雙重密封件51，能夠有效抑制制造成本。另外，如圖2、圖12 圖14所示，在樹脂框部件28b上設置的雙重密封件77具有外側密封部件74及內側密封部件76，并且所述外側密封部件74的前端與樹脂框部件28a抵接，另一方面，所述內側密封部件76的前端與第二金屬隔板20的外周端緣面抵接。而且，外側密封部件74及內側密封部件76可以被設定成同一高度尺寸，并且具有同一密封唇形狀。因此，外側密封部件74及內側密封部件76可以通過同一即一種密封設計來制造。由此，能夠簡單且經濟地構成雙重密封件77，能夠有效抑制制造成本。·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同一參照符號，省略其詳細說明。如圖15及圖16所示，燃料電池120層疊多個單電池單元122而構成，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設有樹脂框部件132a及樹脂框部件132b。如圖17所示，在樹脂框部件132a的陰極面124a側的寬度方向兩端部上方，在各冷卻介質入口連通孔34a的下側附近沒有設置入口槽部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被環狀入口密封部件136a圍繞。在樹脂框部件132a的陰極面124a側的寬度方向兩端部下方，在各冷卻介質出口連通孔34b的上側附近未設置出口槽部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被環狀出口密封部件136b圍繞。如圖18所示，在樹脂框部件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，在樹脂框部件132b的陰極面128a側的寬度方向兩端部上方，在各冷卻介質入口連通孔34a的下側附近未設置入口孔部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。在樹脂框部件132b的陰極面128a側的寬度方向兩端部下方，在各冷卻介質出口連通孔34b的上側附近未設置出口孔部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，在樹脂框部件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由單一的金屬板部件構成。如圖21所示，在第一金屬隔板126的一方的面上設置的氧化劑氣體流路84的上方形成有多個孔部92a和多個入口槽部87a，另一方面，在氧化劑氣體流路84的下方形成有多個孔部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,并沒有分別設置一對突起部89a、89b,沒有分別設置多個孔部90a、90b。如圖16所示，第二金屬隔板130具備外形具有同一形狀而被相互層疊的兩張金屬板(例如，不銹鋼板)142a、142b，所述金屬板142a、142b例如通過焊接或粘結外周緣部而形成一體，且內部被密閉。在金屬板142a上，與陰極側電極24相對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相對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的寬度方向形成有多個孔部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的寬度方向而形成有多個孔部 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的寬度方向而形成有多個入口槽部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的寬度方向而形成有多個出口槽部146b。如圖24所示，在層疊方向上相鄰的樹脂框部件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 ;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，但在樹脂框部件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樹脂框部件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，但在樹脂框部件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樹脂框部件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，但在樹脂框部件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。冷卻介質連結流路154是通過將樹脂框部件132a的外側密封部件48及內側密封部件50和樹脂框部件132b的外側密封部件74及內側密封部件76配置在層疊方向上不同的位置上而形成的。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 ;沿層疊方向形成在樹脂框部件132a上的入口孔部(第一孔部)134a ;沿所述層疊方向形成在金屬板142a上的孔部(第二孔部)144a。入口槽部138a和入口槽部140a的端部彼此連通。如圖16所示，樹脂框部件132a(—方的樹脂框部件)被設定成設有外側密封部件48的部位的厚度t7比設有內側密封部件50的部位的厚度t8厚(t7 > t8)。厚度t7與厚度t8之差被設定成與第一金屬隔板126的厚度t9相等(t7-t8 = t9)。樹脂框部件132b (另一方的樹脂框部件)的從外側密封部件48所抵接的部位到與內側密封部件50相對的部位形成在同一平面上。外側密封部件48及內側密封部件50被設定成同一高度尺寸，并且具有同一密封唇形狀。樹脂框部件132b ( 一方的樹脂框部件)被設定成設有外側密封部件74的部位的厚度tlO比設有內側密封部件76的部位的厚度til厚(tlO > til)。厚度tlO與厚度til之差被設定成與第二金屬隔板130的厚度tl2相等(tlO-tll = tl2)。樹脂框部件132a(另一方的樹脂框部件)的從外側密封部件74所抵接的部位到與內側密封部件76相對的部位形成在同一平面上。外側密封部件74及內側密封部件76被設定成同一高度尺寸，并且具有同一密封唇形狀。對于該燃料電池120的動作，以下進行概略說明。
·
在各單電池單元122中，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。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，剩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128與第一金屬隔板126之間的入口槽部87a，被供應給所述第一金屬隔板126的氧化劑氣體流路84。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，剩余的氧化劑氣體通過出口槽部87b、56b間，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。燃料氣體的剩余的部分通過入口孔部66a及第一金屬隔板126的孔部92a，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,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流通的使用后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流通的使用后的燃料氣體從孔部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，分別供應給陰極側電極24的氧化劑氣體和供應給陽極側電極26的燃料氣體在電極催化劑層內通過電化學反應而消耗，從而進行發電。進而另外，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，并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方向中央部側沖撞，向重力方向移動后，在所述冷卻介質流路88的下部側分開到箭頭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。因而，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流通的冷卻介質間斷冷卻(間引務冷卻)。此時，在第二實施方式中，可以得到能夠簡單且經濟地構成雙重密封件51、77，能 夠有效抑制制造成本等與上述的第一實施方式同樣的效果。
權利要求
1.一種燃料電池，其是層疊電解質電極構造體(14、18)和金屬隔板(16)而成的，所述電解質電極構造體(14、18)在電解質(22)的兩側配置有一對電極(24、26)， 其特征在于， 在電解質電極構造體(14、18)的外周一體設有樹脂框部件(28a、28b)，在所述樹脂框部件(28a、28b)上設有在層疊方向上貫通且使燃料氣體、氧化劑氣體及冷卻介質即各流體流通的多個流體連通孔(32a)， 另一方面，所述金屬隔板(16)相比于所述樹脂框部件(28a、28b)的外周端部，位于更靠所述流體連通孔(32a)的內側的位置并被配置于一對樹脂框部件(28a、28b)間， 并且在一方的所述樹脂框部件(28a)上設有雙重密封件(51)，該雙重密封件(51)具有前端抵接于所述金屬隔板(16)的內側密封部件(50)、以及前端抵接于另一方的所述樹脂框部件(28b)且被設定成與所述內側密封部件(50)相同的高度尺寸的外側密封部件(48)。
2.如權利要求I所述的燃料電池，其特征在于， 一方的所述樹脂框部件(28a)被設定成設有所述內側密封部件(50)的部位的厚度比設有所述外側密封部件(48)的部位的厚度薄， 并且另一方的所述樹脂框部件(28b)的從與所述內側密封部件(50)相對的部位到所述外側密封部件(48)所抵接的部位形成在同一平面上。
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(28a)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)由內部形成冷卻介質流路(88)的兩張板(82a、82b)構成。
4.如權利要求3所述的燃料電池，其特征在于， 兩張所述板(82a、82b)的外形相互具有同一形狀。
全文摘要
提供一種燃料電池，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)在外周具有樹脂框部件(28a、28b)。在樹脂框部件(28a)上設置的雙重密封件(51)具有外側密封部件(48)及內側密封部件(50)，并且所述外側密封部件(48)的前端抵接于樹脂框部件(28b)，另一方面，所述內側密封部件(50)的前端抵接于第一金屬隔板(16)的外周端緣面。外側密封部件(48)及內側密封部件(50)被設定為同一高度尺寸。
文檔編號H01M8/02GK102790226SQ201210148729
公開日2012年11月21日 申請日期2012年5月14日 優先權日2011年5月20日
發明者中村哲也, 安藤敬祐, 小此木泰介, 市川充郎, 杉田成利, 石田堅太郎 申請人:本田技研工業株式會社