燃料电池堆的制作方法

专利名称：燃料电池堆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具备发电单元且将多个所述发电单元相互层叠而成的燃料电池堆，该发电单元中层叠有在电解质的两侧设有一对电极的电解质-电极结构体和隔板。
背景技术：
例如，固体高分子型燃料电池具备通过一对隔板夹持电解质膜-电极结构体 (MEA)而成的发电单元，该电解质膜-电极结构体(MEA)在由高分子离子交换膜构成的电解质膜的两侧分别配设有阳极侧电极及阴极侧电极。此种燃料电池通常通过层叠规定的数目的发电单元而作为燃料电池堆使用。在上述的燃料电池中，在一方的隔板的面内设有与阳极侧电极对置且用于使燃料气体流动的燃料气体流路，并且在另一方的隔板的面内设有与阴极侧电极对置且用于使氧化剂气体流动的氧化剂气体流路。而且，在彼此相邻的隔板之间沿所述隔板的面方向设有用于使冷却介质流动的冷却介质流路。此外，在此种燃料电池中，大多构成所谓内部分流器(manifold)型燃料电池，该种燃料电池中，在内部具备沿发电单元的层叠方向贯通而用于使燃料气体流动的燃料气体入口连通孔及燃料气体出口连通孔、用于使氧化剂气体流动的氧化剂气体入口连通孔及氧化剂气体出口连通孔、用于使冷却介质流动的冷却介质入口连通孔及冷却介质出口连通孔。作为内部分流器型燃料电池，例如，已知有日本特表2008-536258号公报所公开的流场极板(日语流Λ場極板)。如图19所示，在阳极流场极板Ia的面内形成有氢流场加。在该阳极流场极板Ia的长度方向(箭头X方向)一端部形成有阳极空气入口分流器开口部3a、阳极冷却剂入口分流器开口部如及阳极氢入口分流器开口部fe。在阳极流场极板Ia的长度方向另一端部形成有阳极空气出口分流器开口部北、阳极冷却剂出口分流器开口部4b及阳极氢出口分流器开口部恥。另外，如图20所示，日本特开平9-161819号公报所公开的燃料电池具备与氧化剂极相接配置的隔板lb。在隔板Ib的氧化剂极侧的主面上形成有多个氧化剂气体流通槽2b， 氧化剂气体入口 6a、6a与所述氧化剂气体流通槽2b的上游侧连通。另一方面，氧化剂气体出口 ebjb与氧化剂气体通流槽沘的下游侧连通。在隔板bl的上部，在一对氧化剂气体入口 6a、6a之间形成有一个冷却水入口 7a， 并且在一对氧化剂气体出口 6b、6b之间形成有一个冷却水出口 7b。在隔板Ib的上部两侧设有一对燃料气体入口连通孔8a、8a，并且在所述隔板Ib的下部两侧设有一对燃料气体出口连通孔8b、8b。然而，在日本特表2008-536258号公报的阳极流场极板Ia中，在长度方向两端部沿箭头Y方向分别形成有三个入口及三个出口。因此，阳极流场极板Ia的箭头Y方向(宽度方向)的尺寸相当长，从而存在不容易实现宽度尺寸缩短的问题。另外，在日本特开平9-161819号公报中，在隔板Ib的上部隔着冷却水入口 7a而设有一对氧化剂气体入口 6a、6a及一对燃料气体入口连通孔8a、8a。另一方面，在隔板bl 的下部隔着冷却水出口 7b而分别设有一对氧化剂气体出口 6b、6b和燃料气体出口连通孔 8b>8b0因此，隔板Ib的宽度方向(箭头H方向)的尺寸相应长，从而存在装入了所述隔板Ib的单体电池整体大型化的问题。

发明内容
本发明用于解决此种问题，其目的在于提供一种能够以简单的结构尽可能地缩短宽度尺寸，并确保所期望的冷却性能的燃料电池堆。本发明涉及一种燃料电池堆，其具备发电单元，该发电单元层叠有在电解质的两侧设有一对电极的电解质-电极结构体和平面为矩形形状的金属隔板，且在所述金属隔板的电极对置面上设有沿所述电极供给作为燃料气体或氧化剂气体的反应气体的波形气体流路，所述燃料电池堆中，所述发电单元相互层叠且在该发电单元之间形成作为所述波形气体流路的背面形状的冷却介质流路。在金属隔板的相互对置的一方的两边设有沿层叠方向贯通且用于使反应气体流动的反应气体入口连通孔及反应气体出口连通孔，在所述金属隔板的相互对置的另一方的两边设有一对冷却介质入口连通孔及一对冷却介质出口连通孔，所述一对冷却介质入口连通孔及一对冷却介质出口连通孔沿所述层叠方向贯通，至少接近所述反应气体入口连通孔或所述反应气体出口连通孔，且分别向各边分开而用于使冷却介质流动。另外，本发明涉及一种燃料电池堆，其具备发电单元，该发电单元层叠有在电解质的两侧设有一对电极的电解质-电极结构体和平面为矩形形状的金属隔板，且在所述金属隔板的电极对置面上设有沿所述电极供给作为燃料气体或氧化剂气体的反应气体的气体流路，所述燃料电池堆中，在所述发电单元之间形成冷却介质流路且该发电单元相互层叠。在隔板的相互对置的一方的两边设有沿层叠方向贯通且用于使反应气体流动的反应气体入口连通孔及反应气体出口连通孔，在所述隔板的相互对置的另一方的两边设有一对冷却介质入口连通孔及一对冷却介质出口连通孔，所述一对冷却介质入口连通孔及一对冷却介质出口连通孔沿所述层叠方向贯通，至少接近所述反应气体入口连通孔或所述反应气体出口连通孔，且分别向各边分开而用于使冷却介质流动。此外，本发明涉及一种燃料电池堆，其具备多个发电单元，所述发电单元层叠有在电解质的两侧设有一对电极的电解质-电极结构体和平面为矩形形状的金属隔板，在所述发电单元的相互对置的一方的两边设有沿层叠方向贯通的反应气体入口连通孔及反应气体出口连通孔，并且在所述发电单元的相互对置的另一方的两边设有沿所述层叠方向贯通且接近所述反应气体入口连通孔的冷却介质入口连通孔以及接近所述反应气体出口连通孔的冷却介质出口连通孔。该燃料电池堆在一方的金属隔板的电极对置面上设有沿电极供给作为一方的反应气体的氧化剂气体的波形氧化剂气体流路槽，并且在另一方的金属隔板的电极对置面上设有沿所述电极供给作为另一方的反应气体的燃料气体的波形燃料气体流路槽。并且，在彼此相邻的发电单元之间，通过波形氧化剂气体流路槽的背面凸形状和波形燃料气体流路槽的背面凸形状形成冷却介质流路。此时，各背面凸形状在冷却介质入口连通孔侧的上游区域及冷却介质出口连通孔侧的下游区域被设定成相位彼此不同，且在冷却介质的流动方向至少与氧化剂气体或燃料气体的流动方向相同的中游区域设定成相位彼此相同。根据本发明，未沿金属隔板或碳隔板等隔板的一边排列设置反应气体入口连通孔及冷却介质入口连通孔。因此，能够阻止隔板的宽度方向的尺寸及长度方向的尺寸变长，尤其是能够尽可能地缩短宽度尺寸，从而良好地提高燃料电池堆的设置性。而且，一对冷却介质入口连通孔及一对冷却介质出口连通孔分别分开设置，因此能够均勻且可靠地对冷却介质流路整个区域供给冷却介质。因而，能够使发电区域整体的湿度环境均勻，从而良好地实现高效率的发电。另外，根据本发明，形成冷却介质流路的各背面凸形状在冷却介质入口连通孔侧的上游区域及冷却介质出口连通孔侧的下游区域被设定成相位彼此不同。而且，各背面凸形状在中游区域设定成相位彼此相同。因此，在冷却介质流路的中游区域中，冷却介质的流动方向设定成至少与氧化剂气体或燃料气体的气体流动方向相同，而在冷却介质入口连通孔及冷却介质出口连通孔的附近，所述冷却介质的流动方向变更成与所述气体流动方向交叉的方向。因此，冷却介质入口连通孔及冷却介质出口连通孔可以设定在与设有氧化剂气体入口连通孔及燃料气体入口连通孔和氧化剂气体出口连通孔及燃料气体出口连通孔的发电单元的一方的两边不同的两边上。由此，能够提供一种无需沿发电单元的宽度方向配设各连通孔，而能够以简单的结构尽可能地缩短宽度尺寸的内部分流器型的燃料电池堆。而且，各背面凸形状在中游区域被设定成相位彼此相同。因此，冷却介质至少能够沿与氧化剂气体或燃料气体的流动方向相同的方向顺畅且可靠地流通，从而良好地提高发电单元的冷却效率。


图1是构成本发明的第一实施方式的燃料电池堆的发电单元的主要部分分解立体说明图。图2是所述燃料电池堆的图1中的II-II线剖视说明图。图3是构成所述发电单元的第三金属隔板的主视说明图。图4是所述燃料电池堆的局部剖视说明图。图5是形成在所述发电单元之间的冷却介质流路的立体说明图。图6是构成本发明的第二实施方式的燃料电池堆的发电单元的主要部分分解立体说明图。图7是构成本发明的第三实施方式的燃料电池堆的发电单元的主要部分分解立体说明图。图8是构成本发明的第四实施方式的燃料电池堆的发电单元的主要部分分解立体说明图。图9是构成本发明的第五实施方式的燃料电池堆的发电单元的主要部分分解立体说明图。
图10是构成所述发电单元的第一金属隔板的主视说明图。图11是形成在所述发电单元之间的冷却介质流路的说明图。图12是构成所述发电单元的第一燃料气体流路及第一氧化剂气体流路的透视说明图。图13是构成所述冷却介质流路的接触部的说明图。图14是构成本发明的第六实施方式的燃料电池堆的发电单元的主要部分分解立体说明图。图15是构成本发明的第七实施方式的燃料电池堆的发电单元的主要部分分解立体说明图。图16是构成所述发电单元的第一金属隔板的主视说明图。图17是形成在所述发电单元之间的冷却介质流路的说明图。图18是构成所述冷却介质流路的接触部的说明图。图19是日本特表2008-536258号公报的阳极流场极板的说明图。图20是日本特开平9-161819号公报的构成燃料电池的隔板的说明图。
具体实施例方式如图1所示，本发明的第一实施方式的燃料电池堆10具备发电单元12，且多个所述发电单元12沿水平方向(箭头A方向)相互层叠。如图1及图2所示，发电单元12设有第一金属隔板14、第一电解质膜-电极结构体(电解质-电极结构体)16a、第二金属隔板18、第二电解质膜-电极结构体16b及第三金属隔板20。第一金属隔板14、第二金属隔板18及第三金属隔板20例如由钢板、不锈钢板、铝板、镀敷处理钢板或对其金属表面实施了防蚀用的表面处理的纵长形状的金属板构成。第一金属隔板14、第二金属隔板18及第三金属隔板20的平面具有矩形形状，且通过将金属制薄板冲压加工成波形形状而成形为截面凹凸形状。如图2所示，第一电解质膜-电极结构体16a设定为比第二电解质膜-电极结构体16b小的表面积。第一及第二电解质膜-电极结构体16a、16b例如具备水浸渍于全氟磺酸的薄膜的固体高分子电解质膜22、夹持所述固体高分子电解质膜22的阳极侧电极M及阴极侧电极26。构成阳极侧电极M具有比阴极侧电极沈小的表面积的阶梯型MEA。阳极侧电极M及阴极侧电极沈具有由碳素纸等构成的气体扩散层(未图示)和将在表面担载有钼合金的多孔质碳粒子一样地涂敷于所述气体扩散层的表面上而形成的电极催化剂层(未图示)。电极催化剂层形成在固体高分子电解质膜22的两面。如图1所示，在发电单元12的长边方向的(箭头C方向)上端缘部(短边侧)设有沿箭头A方向相互连通的用于供给氧化剂气体例如含氧气体的氧化剂气体入口连通孔 30a及用于供给燃料气体例如含氢气体的燃料气体入口连通孔32a。在发电单元12的长边方向的(箭头C方向)下端缘部(短边侧)设有沿箭头A 方向相互连通的用于排出燃料气体的燃料气体出口连通孔32b及用于排出氧化剂气体的氧化剂气体出口连通孔30b。在发电单元12的短边方向(箭头B方向)的两端缘部(长边侧)上方设有沿箭头A方向相互连通的用于供给冷却介质的一对冷却介质入口连通孔34a，并且在所述发电单元12的短边方向的两端缘部下方设有用于排出所述冷却介质的一对冷却介质出口连通孔34b。冷却介质入口连通孔3 及冷却介质出口连通孔34b具有沿长边方向延伸的纵长形状。各冷却介质入口连通孔!Ma、!Ma接近氧化剂气体入口连通孔30a及燃料气体入口连通孔32a，且分别向箭头B方向两侧的各边分开。各冷却介质出口连通孔34b、34b分别接近氧化剂气体出口连通孔30b及燃料气体出口连通孔32b，且分别向箭头B方向两侧的各边分开。如图3所示，设定氧化剂气体入口连通孔30a的开口外侧端部与燃料气体入口连通孔3 的开口外侧端部的沿水平方向的分离间隔H，并设定氧化剂气体出口连通孔30b的开口外侧端部与燃料气体出口连通孔32b的开口外侧端部的沿水平方向的分离间隔H。一对冷却介质入口连通孔3 及一对冷却介质出口连通孔34b优选在上述的分离间隔H内分别分开配置，但实际上可以与该分离间隔H为大致相同程度。如图1所示，在第一金属隔板14的朝向第一电解质膜-电极结构体16a的面1 上形成有将燃料气体入口连通孔3 和燃料气体出口连通孔32b连通的第一燃料气体流路 36。第一燃料气体流路36具有沿箭头C方向延伸的多个波状流路槽部36a，并且在所述第一燃料气体流路36的入口附近及出口附近分别设有具有多个压花的入口缓冲部38及出口缓冲部40。在第一金属隔板14的面14b上形成有将冷却介质入口连通孔3 和冷却介质出口连通孔34b连通的冷却介质流路44的一部分。在面14b上形成有作为构成第一燃料气体流路36的多个波状流路槽部36a的背面形状的多个波状流路槽部44a。在第二金属隔板18的朝向第一电解质膜-电极结构体16a的面18a上形成有将氧化剂气体入口连通孔30a和氧化剂气体出口连通孔30b连通的第一氧化剂气体流路50。 第一氧化剂气体流路50具有沿箭头C方向延伸的多个波状流路槽部50a。在第一氧化剂气体流路50的入口附近及出口附近设有入口缓冲部52及出口缓冲部M。在第二金属隔板18的朝向第二电解质膜-电极结构体16b的面18b上形成有将燃料气体入口连通孔3 和燃料气体出口连通孔32b连通的第二燃料气体流路58。第二燃料气体流路58具有沿箭头C方向延伸的多个波状流路槽部58a，并且在所述第二燃料气体流路58的入口附近及出口附近设有入口缓冲部60及出口缓冲部62。第二燃料气体流路58为第一氧化剂气体流路50的背面形状，而入口缓冲部60及出口缓冲部62为入口缓冲部52及出口缓冲部M的背面形状。在第三金属隔板20的朝向第二电解质膜-电极结构体16b的面20a上形成有将氧化剂气体入口连通孔30a和氧化剂气体出口连通孔30b连通的第二氧化剂气体流路66。 第二氧化剂气体流路66具有沿箭头C方向延伸的多个波状流路槽部66a。在第二氧化剂气体流路66的入口附近及出口附近设有入口缓冲部68及出口缓冲部70。在第三金属隔板20的面20b上形成有冷却介质流路44的一部分。在面20b上形成有作为构成第二氧化剂气体流路66的多个波状流路槽部66a的背面形状的多个波状流路槽部44b。在发电单元12中，第一金属隔板14的第一燃料气体流路36、第二金属隔板18的第一氧化剂气体流路50及所述第二金属隔板18的第二燃料气体流路58的波形形状被设定成沿层叠方向相位彼此相同，且波的间距、振幅也设定成相同。配置在发电单元12的层叠方向(箭头A方向)一方的端部上的第三金属隔板20的第二氧化剂气体流路66与第一燃料气体流路36、第一氧化剂气体流路50及第二燃料气体流路58的波形形状被设定成沿层叠方向相位彼此不同，而波的间距、振幅设定成相同。如图1及图2所示，在第一金属隔板14的面14a、14b上绕该第一金属隔板14的外周端缘部而一体成形有第一密封部件74。在第二金属隔板18的面18a、18b上绕该第二金属隔板18的外周端缘部而一体成形有第二密封部件76，并且在第三金属隔板20的面20a、 20b上绕该第三金属隔板20的外周端缘部而一体成形有第三密封部件78。第一金属隔板14具有将燃料气体入口连通孔3 和第一燃料气体流路36连通的多个外侧供给孔部80a及内侧供给孔部80b、以及将燃料气体出口连通孔32b和所述第一燃料气体流路36连通的多个外侧排出孔部8 及内侧排出孔部82b。第二金属隔板18具有将燃料气体入口连通孔3 和第二燃料气体流路58连通的多个供给孔部84、以及将燃料气体出口连通孔32b和所述第二燃料气体流路58连通的多个排出孔部86。通过将发电单元12彼此相互层叠，而在构成一方的发电单元12的第一金属隔板 14与构成另一方的发电单元12的第三金属隔板20之间形成沿箭头B方向延伸的冷却介质流路44。在冷却介质流路44中，多个波状流路槽部4 和44b设定成相位不同。通过使波状流路槽部4 和44b相互重合，在它们之间形成沿水平方向(箭头B方向)连通的多个流路槽部44c (参照图4及图幻。冷却介质流路44构成为使冷却介质流过入口缓冲部38 及出口缓冲部40和入口缓冲部68及出口缓冲部70的整个缓冲背面形状部分。以下，对该燃料电池堆10的动作进行说明。首先，如图1所示，向氧化剂气体入口连通孔30a供给含氧气体等氧化剂气体，并向燃料气体入口连通孔3 供给含氢气体等燃料气体。而且，向冷却介质入口连通孔34a 供给纯水、乙二醇、油等冷却介质。因此，氧化剂气体被从氧化剂气体入口连通孔30a向第二金属隔板18的第一氧化剂气体流路50及第三金属隔板20的第二氧化剂气体流路66导入。该氧化剂气体沿着第一氧化剂气体流路50向箭头C方向(重力方向)移动，而向第一电解质膜-电极结构体16a 的阴极侧电极26供给，并沿着第二氧化剂气体流路66向箭头C方向移动，而向第二电解质膜-电极结构体16b的阴极侧电极沈供给。另一方面，如图2所示，燃料气体从燃料气体入口连通孔3 通过外侧供给孔部 80a而向第一金属隔板14的面14b侧移动。而且，燃料气体在从内侧供给孔部80b被导入面Ha侧后，沿着第一燃料气体流路36向重力方向(箭头C方向)移动，而向第一电解质膜-电极结构体16a的阳极侧电极M供给(参照图1)。另外，如图2所示，燃料气体通过供给孔部84向第二金属隔板18的面18b侧移动。 因此，如图1所示，燃料气体在面18b侧沿着第二燃料气体流路58向箭头C方向移动，而向第二电解质膜-电极结构体16b的阳极侧电极M供给。因此，在第一及第二电解质膜-电极结构体16a、16b中，向阴极侧电极沈供给的氧化剂气体和向阳极侧电极M供给的燃料气体在电极催化剂层内通过电化学反应被消耗而进行发电。接着，向第一及第二电解质膜-电极结构体16a、16b的各阴极侧电极沈供给而被消耗的氧化剂气体沿着氧化剂气体出口连通孔30b向箭头A方向排出。向第一电解质膜-电极结构体16a的阳极侧电极M供给而被消耗的燃料气体通过内侧排出孔部82b被向第一金属隔板14的面14b侧导出。被导出到面14b侧的燃料气体通过外侧排出孔部82a，再次向面14a侧移动，被向燃料气体出口连通孔32b排出。另外，向第二电解质膜-电极结构体16b的阳极侧电极M供给而被消耗的燃料气体通过排出孔部86向面18a侧移动。该燃料气体被向燃料气体出口连通孔32b排出。另一方面，如图3所示，向左右一对的冷却介质入口连通孔3 供给的冷却介质被导入到冷却介质流路44，该冷却介质流路44形成在构成一方的发电单元12的第一金属隔板14与构成另一方的发电单元12的第三金属隔板20之间。一对冷却介质入口连通孔3 分开设置在发电单元12的上部侧左右两端的接近氧化剂气体入口连通孔30a及燃料气体入口连通孔32a的位置。因此，从各冷却介质入口连通孔34a、3 向冷却介质流路44分别供给大致相同量的冷却介质向箭头B方向且向相互接近的方向供给。并且，相互接近的冷却介质在冷却介质流路44的箭头B方向中央部侧相碰撞，而向重力方向(箭头C方向下方)移动，之后，从分开设置在发电单元12的下部侧两侧部的各冷却介质出口连通孔34b、34b分别排出大致
相同量。如此，在第一实施方式中，在发电单元12的上部侧设有左右一对的冷却介质入口连通孔34a，并且在所述发电单元12的下部侧部设有左右一对的冷却介质出口连通孔34b。 因此，冷却介质能够在冷却介质流路44的整个区域沿着朝向大致铅垂下方的流动而进行移动。由此，能够在冷却介质流路44内利用温度梯度形成温度分布，从而能够维持均勻的冷却效率。而且，在第一实施方式中，在发电单元12的上下两边设有氧化剂气体入口连通孔 30a及燃料气体入口连通孔32a、和氧化剂气体出口连通孔30b及燃料气体出口连通孔32b。 另一方面，在发电单元12的左右两边分别分开形成有一对冷却介质入口连通孔3 及冷却介质出口连通孔Mb。因此，在发电单元12中，能有效地缩短宽度方向(箭头B方向)的尺寸。尤其是冷却介质入口连通孔Ma、3 及冷却介质出口连通孔34b、34b设置成在氧化剂气体入口连通孔30a(氧化剂气体出口连通孔30b)与燃料气体入口连通孔32a(燃料气体出口连通孔 32b)的沿水平方向(箭头B方向)的分离间隔H的范围内，或设置成与所述分离间隔H大致相同程度。由此，发电单元12能够尽可能地缩短宽度尺寸。另外，在第一实施方式中，在冷却介质流路44中流动的冷却介质设定成与在作为背面形状的第二氧化剂气体流路66中流动的氧化剂气体的流动平行(重力方向)。因此， 在第二氧化剂气体流路66的上游部，随着冷却介质流量的增加而温度下降，因此高加湿区域扩大，且阻力过电压减少。另一方面，在第二氧化剂气体流路66 (及第一氧化剂气体流路50)的下游部侧，供给被加温后的冷却介质而温度上升，因此促进生成水的水蒸气化，而通过抑制溢流实现减少浓度过电压。因此，提高了发电单元12内的输出及耐久性，而实现从第二氧化剂气体流路66 (及第一氧化剂气体流路50)的上游侧到下游侧的湿度环境的均勻化，使固体高分子电解质膜22的因含水产生的膨胀均勻化，实现堆挠曲的抑制。此外，在第一实施方式的冷却介质流路44中，冷却介质流过入口缓冲部38及出口缓冲部40、以及入口缓冲部68及出口缓冲部70的整个背面形状部分。由此，冷却介质经由缓冲部背面形状部分向重力方向流通，因此能够使冷却介质流路44内的所述冷却介质的流量分配均勻，并且能够良好地冷却发电区域。并且，冷却介质也被导入出口缓冲部40、70的背面形状部分，因此能够使在第二氧化剂气体流路66 (及第一氧化剂气体流路50)的下游侧不发电的区域的温度成为高温。 因此减少未发电区域与发电区域的温度差，从而良好地抑制结露水的产生。需要说明的是，在第一实施方式中，使用具备第一金属隔板14、第一电解质膜-电极结构体16a、第二金属隔板18、第二电解质膜-电极接合体16b及第三金属隔板20的发电单元12进行了说明，但并不局限于此。例如，也可以使用由一对金属隔板夹持一张电解质-电极接合体的发电单元，并在相邻的所述发电单元之间形成冷却介质流路。另外，在第一实施方式中，在发电单元12的上端缘部设有氧化剂气体入口连通孔 30a及燃料气体入口连通孔32a，且在所述发电单元12的下端缘部设有氧化剂气体出口连通孔30b及燃料气体出口连通孔32b。也可以与其相反，在上端缘部设置氧化剂气体出口连通孔30b及燃料气体出口连通孔32b，且在下端缘部设置氧化剂气体入口连通孔30a及燃料气体入口连通孔32a。此外，在发电单元12的短边方向的两端缘部上方设有一对冷却介质入口连通孔 34a，且在所述发电单元12的短边方向的两端缘部下方设置一对冷却介质出口连通孔34b。 也可以与其相反，在两端缘部上方设置一对冷却介质出口连通孔34b，且在两端缘部下方设置一对冷却介质入口连通孔34a。以下说明的第二 第四实施方式也同样。图6是构成本发明的第二实施方式的燃料电池堆100的发电单元102的主要部分分解立体说明图。需要说明的是，对与第一实施方式的燃料电池堆10相同的结构要素标注相同的参照符号，并省略其详细说明。而且，在以下说明的第三实施方式以后的实施方式中也同样地省略其详细说明。发电单元102设有第一金属隔板104、第一电解质膜-电极结构体106a、第二金属隔板108、第二电解质膜-电极结构体106b及第三金属隔板109。在发电单元102的长边方向的上端缘部设有氧化剂气体入口连通孔30a及燃料气体出口连通孔32b。在发电单元102的长边方向的下端缘部设有氧化剂气体出口连通孔30b 及燃料气体入口连通孔32a。在发电单元102中，第一及第二氧化剂气体流路50、66使氧化剂气体沿重力方向流动，而第一及第二燃料气体流路36、58使燃料气体沿重力方向的反方向、即沿氧化剂气体的流动的相反方向流动。在该第二实施方式中，除了将氧化剂气体和燃料气体设定成相对流之外，得到了与上述的第一实施方式同样的效果。图7是构成本发明的第三实施方式的燃料电池堆110的发电单元112的主要部分分解立体说明图。
在发电单元112中，第一金属隔板114、第一电解质膜-电极结构体116a、第二金属隔板118、第二电解质膜-电极结构体116b及第三金属隔板120沿重力方向层叠。在该第三实施方式中，在尽可能地缩短发电单元112的宽度尺寸(箭头A方向) 并沿重力方向层叠有多个发电单元112的状态下，除了缩短燃料电池堆110的宽度尺寸之外，能得到与上述的第一及第二实施方式同样的效果。需要说明的是，氧化剂气体和燃料气体也可以与上述的第二实施方式同样地设定成相对流。图8是构成本发明的第四实施方式的燃料电池堆130的发电单元132的主要部分分解立体说明图。发电单元132设有第一碳隔板134、第一电解质膜-电极结构体136a、第二碳隔板 138、第二电解质膜-电极结构体136b及第三碳隔板140。发电单元132的层叠方向例如设定成水平方向(箭头A方向)，但也可以与第三实施方式同样地设定成铅垂方向(箭头C方向)。需要说明的是，反应气体流路形状具备直线状流路槽部来取代波状流路槽部。在该第四实施方式中，除了可以取代金属隔板而使用第一碳隔板134、第二碳隔板 138及第三碳隔板140之外，能得到与上述的第一 第三实施方式同样的效果。图9是构成本发明的第五实施方式的燃料电池堆150的发电单元152的主要部分分解立体说明图。发电单元152设有第一金属隔板154、第一电解质膜-电极结构体156a、第二金属隔板158、第二电解质膜-电极结构体156b及第三金属隔板160。在第一金属隔板154的朝向第一电解质膜-电极结构体156a的面15 上形成有将燃料气体入口连通孔3 和燃料气体出口连通孔32b连通的第一燃料气体流路162。第一燃料气体流路162具有沿箭头C方向延伸的多个波状流路槽部16加。如图10所示，波状流路槽部16 在上游侧(上部侧)及下游侧(下部侧)设有具有相同的相位的第一相位区域16^、164a，并且在中游部分设有通过相位反转部166a、 166b来反转相位的第二相位区域164b。相位反转部166a、166b通过使图10中虚线所示的中央部分的相位在中途反转，而形成错开半个间距的波状流路。在第一金属隔板154的面154b上形成有将一对冷却介质入口连通孔3 和一对冷却介质出口连通孔34b连通的冷却介质流路168的一部分。在面154b上形成有作为构成第一燃料气体流路162的多个波状流路槽部16 的背面形状的多个波状流路槽部168a。如图11简要示出那样，波状流路槽部168a形成在波状流路槽部16 的背面凸形状之间，在上游侧(上部侧)及下游侧(下部侧)具有第一相位区域170a、170a，并且在中游部分设有相位反转的第二相位区域170b。如图9所示，在第二金属隔板158的朝向第一电解质膜-电极结构体156a的面 158a上形成有将氧化剂气体入口连通孔30a和氧化剂气体出口连通孔30b连通的第一氧化剂气体流路172。第一氧化剂气体流路172具有沿箭头C方向延伸的多个波状流路槽部 172a0如图12所示，波状流路槽部17 与构成第一燃料气体流路162的波状流路槽部 162a对置。在第一相位区域16^、164a中，波状流路槽部17 与波状流路槽部16 设定成相位不同，而在第二相位区域164b中，所述波状流路槽部17 与所述波状流路槽部16 设定成相位相同。在第二金属隔板158的朝向第二电解质膜-电极结构体156b的面158b上形成有将燃料气体入口连通孔3 和燃料气体出口连通孔32b连通的第二燃料气体流路174。如图9所示，第二燃料气体流路174具有沿箭头C方向延伸的多个波状流路槽部17如。在第三金属隔板160的朝向第二电解质膜-电极结构体156b的面160a上形成有将氧化剂气体入口连通孔30a和氧化剂气体出口连通孔30b连通的第二氧化剂气体流路 176。第二氧化剂气体流路176具有沿箭头C方向延伸的多个波状流路槽部176a。波状流路槽部176a与波状流路槽部17 对置，所述波状流路槽部176a与所述波状流路槽部17 设定成相位相同。在第三金属隔板160的面160b上形成有冷却介质流路168的一部分。在面160b 上形成有作为构成第二氧化剂气体流路176的多个波状流路槽部176a的背面形状的多个波状流路槽部168b。如图11所示，第一金属隔板154的波状流路槽部168a与第三金属隔板160的波状流路槽部168b重合，而形成冷却介质流路168。在波状流路槽部168a的第一相位区域170a、170a中，所述波状流路槽部168a和波状流路槽部168b具有不同的相位，而在所述波状流路槽部168a的第二相位区域170b 中，所述波状流路槽部168a和所述波状流路槽部168b相位相同且相互形成沿箭头C方向延伸的波状流路。在上下设定的第一相位区域170a、170a中，通过使波状流路槽部168a与波状流路槽部168b的相位不同，而形成沿箭头B方向延伸的流路。如图13所示，通过使第一金属隔板154的面154b与第三金属隔板160的面160b 重合，而使形成冷却介质流路168的各背面凸形状彼此接触，从而设置上部接触部178a、下部接触部178b及中间接触部178c。上部接触部178a及下部接触部178b由于各背面凸形状的相位不同而形成点接触。另一方面，中间接触部178c由于各背面凸形状相位相同，而沿箭头C方向呈波状延伸， 且在各中间接触部178c之间形成沿箭头C方向呈波状延伸的多条流路。在该第五实施方式中，如图11所示，构成冷却介质流路168的波状流路槽部168a 在冷却介质入口连通孔3 侧的第一相位区域(上游区域)170a及冷却介质出口连通孔 34b侧的第一相位区域(下游区域)170a中，设定成与波状流路槽部168b不同的相位。此外，在波状流路槽部168a的第二相位区域(中游区域)170b中，所述波状流路槽部168a与波状流路槽部168b设定成相位相同。由此，在冷却介质流路168的中游区域中，冷却介质的流动方向设定成与氧化剂气体及燃料气体(至少任一方)的流动方向相同， 而在上游区域及下游区域中，能够将流动方向变更成与上述流动方向(箭头C方向)交叉的方向(箭头B方向)。这是因为，如图13所示，在上游区域及下游区域中，上部接触部 178a及下部接触部178b分别由点接触构成。因此，冷却介质入口连通孔3 及冷却介质出口连通孔34b可以形成在发电单元 152的左右两边。因此，在发电单元152中，能有效地缩短宽度方向(箭头B方向)的尺寸。尤其是冷却介质入口连通孔:34a、:34a及冷却介质出口连通孔34b、34b设置在氧化剂气体入口连通孔30a (氧化剂气体出口连通孔30b)与燃料气体入口连通孔32a (燃料气体出口连通孔32b)的沿水平方向(箭头B方向)的分离间隔H的范围内。由此，发电单元 12能够尽可能地缩短宽度尺寸。 而且，冷却介质流路168在中游区域中，各波状流路槽部168a、168b设定成彼此相位相同。因此，冷却介质能够顺畅且可靠地沿与氧化剂气体及燃料气体的流动方向相同的方向流通。因此，能良好地提高发电单元152的冷却效率。需要说明的是，在发电单元152中，例如也可以使用由一对金属隔板夹持一张电解质-电极接合体的发电单元，并在相邻的所述发电单元之间形成冷却介质流路。图14是构成本发明的第六实施方式的燃料电池堆190的发电单元192的主要部分分解立体说明图。发电单元192通过利用第一金属隔板196及第二金属隔板198夹持电解质膜-电极结构体194而构成。电解质膜-电极结构体194在固体高分子电解质膜22的两面设有阳极侧电极M和阴极侧电极26，所述阳极侧电极M及所述阴极侧电极沈设定成表面积相同。在第一金属隔板196的朝向电解质膜-电极结构体194的面196a上形成有第一燃料气体流路162。在第一金属隔板196的面196b上形成有作为第一燃料气体流路162的背面形状的冷却介质流路168的波状流路槽部168a。在第二金属隔板198的朝向电解质膜-电极结构体194的面198a上形成有第二氧化剂气体流路176。在该第二金属隔板198的面198b上形成有作为第二氧化剂气体流路 176的背面形状的冷却介质流路168的波状流路槽部168b。在彼此相邻的发电单元192之间，在构成一方的发电单元192的第一金属隔板196 的面196b与构成另一方的发电单元192的第二金属隔板198的面198b之间形成有冷却介质流路168。在该第六实施方式中，冷却介质流路168由第一燃料气体流路162的背面形状和第二氧化剂气体流路176的背面形状形成，能得到与上述的第五实施方式同样的效果。需要说明的是，在第五及第六实施方式中，燃料气体和氧化剂气体构成平行流 (同一方向的流动)，但并不局限于此。例如，燃料气体和氧化剂气体也可以设定成相对流 (相反方向的流动)。图15是构成本发明的第七实施方式的燃料电池堆200的发电单元202的主要部分分解立体说明图。发电单元202设有第一金属隔板204、第一电解质膜-电极结构体156a、第二金属隔板158、第二电解质膜-电极结构体156b及第三金属隔板160。如图15及图16所示，在第一金属隔板204的朝向第一电解质膜-电极结构体156a 的面20 上形成有将燃料气体入口连通孔3 和燃料气体出口连通孔32b连通的第一燃料气体流路162。构成第一燃料气体流路162的波状流路槽部16 在上游侧(上部侧)及下游侧 (下部侧)设有具有相同的相位的第一相位区域206a，并且在中游部分设有通过直线部位 208a、208b错开半个相位的第二相位区域206b。形成直线部位208a、208b使图16中的双点划线所示的下部侧部分的相位在中途错开了半个间距的波状流路。如图17所示，第一金属隔板204的波状流路槽部168a与第三金属隔板160的波状流路槽部168b重合，而形成冷却介质流路168。在波状流路槽部168a的第一相位区域206a、206a中，所述波状流路槽部168a和波状流路槽部168b具有不同的相位，而在所述波状流路槽部168a的第二相位区域206b 中，所述波状流路槽部168a和所述波状流路槽部168b相位相同且相互形成沿箭头C方向延伸的波状流路。如图18所示，通过使第一金属隔板204的面204b与第三金属隔板160的面160b 重合，而使形成冷却介质流路168的各背面凸形状彼此接触，从而设置有上部接触部210a、 下部接触部210b及中间接触部210c。上部接触部210a与下部接触部210b由于各背面凸形状的相位不同而形成为点接触。另一方面，中间接触部210c由于各背面凸形状为相同的相位，因此沿箭头C方向呈波状延伸，且在各中间接触部210c之间形成沿箭头C方向呈波状延伸的多条流路。由此，在第七实施方式中，能够得到冷却介质入口连通孔3 及冷却介质出口连通孔34b可以形成在发电单元202的左右两边，并且冷却介质能够顺畅且可靠地沿着与氧化剂气体及燃料气体的流动方向相同的方向流通等与上述的第五及第六实施方式同样的效果。
权利要求
1.一种燃料电池堆，其具备发电单元(12)，该发电单元(1 层叠有在电解质02)的两侧设有一对电极04 J6)的电解质-电极结构体(16a)和平面为矩形形状的金属隔板 (14)，且在所述金属隔板(14)的电极对置面设有沿所述电极04)供给作为燃料气体或氧化剂气体的反应气体的波形气体流路(36)，所述燃料电池堆中，所述发电单元(1 相互层叠且在该发电单元(1 之间形成作为所述波形气体流路(36)的背面形状的冷却介质流路 (44)，所述燃料电池堆的特征在于，在所述金属隔板(14)的相互对置的一方的两边设有沿层叠方向贯通且用于使所述反应气体流动的反应气体入口连通孔(30a、32a)及反应气体出口连通孔(30b、32b)，在所述金属隔板(14)的相互对置的另一方的两边设有一对冷却介质入口连通孔 (34a)及一对冷却介质出口连通孔(34b)，所述一对冷却介质入口连通孔(34a)及一对冷却介质出口连通孔(34b)沿所述层叠方向贯通，至少接近所述反应气体入口连通孔(30a、 32a)或所述反应气体出口连通孔(30b、32b)，且分别向各边分开而用于使冷却介质流动。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于， 所述金属隔板(14)具有纵长形状，在所述金属隔板(14)的长边的一端侧设有作为所述反应气体入口连通孔的氧化剂气体入口连通孔(30a)及燃料气体入口连通孔(3 )，在所述金属隔板(14)的长边的另一端侧设有作为所述反应气体出口连通孔的氧化剂气体出口连通孔(30b)及燃料气体出口连通孔(32b)，并且，在所述金属隔板(14)的所述氧化剂气体入口连通孔(30a)及所述燃料气体入口连通孔(32a)的所述波形气体流路(36)侧附近沿短边方向分开而设置有一对所述冷却介质入口连通孔(34a)或一对所述冷却介质出口连通孔(34b)，在所述金属隔板(14)的所述氧化剂气体出口连通孔(30b)及所述燃料气体出口连通孔(32b)的所述波形气体流路(36)侧附近沿短边方向分开而设置有一对所述冷却介质出口连通孔(34b)或一对所述冷却介质入口连通孔(3 )。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池堆，其特征在于， 所述金属隔板(14)具有在重力方向上长条的纵长形状，并且，所述金属隔板(14)及所述电解质-电极结构体(16a)沿水平方向层叠。
4.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于， 所述金属隔板(104)具有纵长形状，在所述金属隔板(104)的长边的一端侧设有作为所述反应气体入口连通孔的氧化剂气体入口连通孔(30a)及作为所述反应气体出口连通孔的燃料气体出口连通孔(32b)，在所述金属隔板(104)的长边的另一端侧设有作为所述反应气体出口连通孔的氧化剂气体出口连通孔(30b)及作为所述反应气体入口连通孔的燃料气体入口连通孔(3 )， 并且，在所述金属隔板(104)的所述氧化剂气体入口连通孔(30a)及所述燃料气体出口连通孔(32b)的所述波形气体流路(36)侧附近沿短边方向分开而设置有一对所述冷却介质入口连通孔(34a)或一对所述冷却介质出口连通孔(34b)，在所述金属隔板(104)的所述氧化剂气体出口连通孔(30b)及所述燃料气体入口连通孔(32a)的所述波形气体流路(36)侧附近沿短边方向分开而设置有一对所述冷却介质出口连通孔(34b)或一对所述冷却介质入口连通孔(3 )。
5.根据权利要求1或4所述的燃料电池堆，其特征在于，所述金属隔板(114)具有在水平方向上长条的纵长形状，并且，所述金属隔板(114)及所述电解质-电极结构体(116a)沿重力方向层叠。
6.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于，在所述波形气体流路(36)与所述反应气体入口连通孔(32a)的连结部位设有入口缓冲部(38)，在所述波形气体流路(36)与所述反应气体出口连通孔(32b)的连结部位设有出口缓冲部(40)，并且，所述冷却介质流路G4)使所述冷却介质至少流过所述出口缓冲部GO)的整个背面形状部分。
7.根据权利要求2所述的燃料电池堆，其特征在于，一对所述冷却介质入口连通孔(34a)及一对所述冷却介质出口连通孔(34b)配置在至少所述氧化剂气体入口连通孔(30a)或所述氧化剂气体出口连通孔(30b)的开口外侧端部与至少所述燃料气体入口连通孔(32a)或所述燃料气体出口连通孔(32b)的开口外侧端部的沿短边方向的分离间隔内。
8.一种燃料电池堆，其具备发电单元(12)，该发电单元(1 层叠有在电解质02)的两侧设有一对电极04 J6)的电解质-电极结构体(16a)和平面为矩形形状的金属隔板 (14)，且在所述金属隔板(14)的电极对置面设有沿所述电极04)供给作为燃料气体或氧化剂气体的反应气体的气体流路(36)，所述燃料电池堆中，所述发电单元(1 相互层叠且在该发电单元(1 之间形成冷却介质流路(44)，所述燃料电池堆的特征在于，在所述隔板(14)的相互对置的一方的两边设有沿层叠方向贯通且用于使所述反应气体流动的反应气体入口连通孔(30a、32a)及反应气体出口连通孔(30b、3^)，在所述隔板(14)的相互对置的另一方的两边设有一对冷却介质入口连通孔(34a)及一对冷却介质出口连通孔(34b)，所述一对冷却介质入口连通孔(34a)及一对冷却介质出口连通孔(34b)沿所述层叠方向贯通，至少接近所述反应气体入口连通孔(30a、32a)或所述反应气体出口连通孔(30b、32b)，且分别向各边分开而用于使冷却介质流动。
9.根据权利要求8所述的燃料电池堆，其特征在于，所述隔板(14)具有纵长形状，并且，在短边侧设有所述反应气体入口连通孔(30a、32a)及反应气体出口连通孔(30b、 32b)，在长边侧的相互对置的边设有所述冷却介质入口连通孔(34a)和所述冷却介质出口连通孔(34b)。
10.根据权利要求9所述的燃料电池堆，其特征在于，所述冷却介质入口连通孔(34a)及所述冷却介质出口连通孔(34b)具有沿所述长边方向延伸的纵长形状。
11.一种燃料电池堆，其具备多个发电单元(152)，所述发电单元(15 层叠有在电解质0 的两侧设有一对电极(M、26)的电解质-电极结构体(156a)和平面为矩形形状的金属隔板(巧4)，在所述发电单元(152)的相互对置的一方的两边设有沿层叠方向贯通的反应气体入口连通孔(30a、32a)及反应气体出口连通孔(30b、3^)，并且在所述发电单元 (152)的相互对置的另一方的两边设有沿所述层叠方向贯通且接近所述反应气体入口连通孔(30a、32a)的冷却介质入口连通孔(3 )以及接近所述反应气体出口连通孔(30b、32b) 的冷却介质出口连通孔(34b)，所述燃料电池堆的特征在于，在一方的金属隔板(160)的电极对置面设有沿所述电极(126)供给作为一方的反应气体的氧化剂气体的波形氧化剂气体流路槽(176a)，并且在另一方的金属隔板(154)的电极对置面设有沿所述电极04)供给作为另一方的反应气体的燃料气体的波形燃料气体流路槽(162a),在彼此相邻的所述发电单元(15 之间，通过所述波形氧化剂气体流路槽(176a)的背面凸形状和所述波形燃料气体流路槽(162a)的背面凸形状形成冷却介质流路(168)，各背面凸形状在所述冷却介质入口连通孔(34a)侧的上游区域及所述冷却介质出口连通孔(34b)侧的下游区域被设定成相位彼此不同，且在冷却介质的流动方向至少与所述氧化剂气体或所述燃料气体的流动方向相同的中游区域被设定成相位彼此相同。
12.根据权利要求11所述的燃料电池堆，其特征在于，所述波形氧化剂气体流路槽(176a)或所述波形燃料气体流路槽(162a)在所述上游区域及所述下游区域与所述中游区域之间具有使相位反转的相位反转部位。
13.根据权利要求11所述的燃料电池堆，其特征在于，所述波形氧化剂气体流路槽(176a)或所述波形燃料气体流路槽(162a)在所述上游区域及所述下游区域与所述中游区域之间具有错开了半个相位的直线部位(208a、208b)。
14.根据权利要求11 13中任一项所述的燃料电池堆，其特征在于，所述金属隔板(154)具有纵长形状，在所述金属隔板(巧4)的长边的上端侧设有作为所述反应气体入口连通孔的所述氧化剂气体入口连通孔(30a)及所述燃料气体入口连通孔(3 )，在所述金属隔板(154)的长边的下端侧设有作为所述反应气体出口连通孔的所述氧化剂气体出口连通孔(30b)及所述燃料气体出口连通孔(32b)，并且，在所述金属隔板(154)的短边的两侧设有与所述氧化剂气体入口连通孔(30a)及所述燃料气体入口连通孔(32a)相邻的一对所述冷却介质入口连通孔(34a)以及与所述氧化剂气体出口连通孔(30b)及所述燃料气体出口连通孔(32b)相邻的一对所述冷却介质出口连通孔(34b)。
全文摘要
本发明提供一种燃料电池堆(10)，其将多个发电单元(12)沿水平方向层叠而构成。在第一金属隔板(14)的面(14b)上形成有作为第一燃料气体流路(36)的波状流路槽部(36a)的背面形状的波状流路槽部(44a)。在第三金属隔板(20)的面(20b)上形成有作为第二氧化剂气体流路(66)的波状流路槽部(66a)的背面形状的波状流路槽部(44b)。波状流路槽部(44a、44b)相互重合而形成冷却介质流路(44)。在发电单元(12)的上下两边设有氧化剂气体入口连通孔(30a)及燃料气体入口连通孔(32a)和氧化剂气体出口连通孔(30b)及燃料气体出口连通孔(32b)。在发电单元(12)的左右两侧分别分开形成有一对冷却介质入口连通孔(34a)及冷却介质出口连通孔(34b)。
文档编号H01M8/24GK102282708SQ201080004409
公开日2011年12月14日 申请日期2010年1月14日 优先权日2009年1月16日
发明者伊势昌弘, 冈本英夫, 太田广明, 小田优, 小谷保纪, 山崎惠子, 岩泽力, 松井旭纮, 毛里昌弘, 渡边康博 申请人:本田技研工业株式会社