燃料电池用气体隔板和燃料电池的制作方法

专利名称：燃料电池用气体隔板和燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池用气体隔板和具有气体隔板的燃料电池。
技术背景一般来说，在燃料电池中，内部温度会随着发电而上升，因此在内部 设置冷媒流经的冷媒流路，以将燃料电池的内部温度维持在规定的温度范 围内。此时，为了在整个燃料电池内取得抑制升温的效果， 一般在各个单 体电池或每组规定数量的被层积在一起的单体电池中，冷媒流路与电池面 平行地形成。作为上述冷媒流路的一个例子，公知有在构成燃料电池的气 体隔板的内部形成冷媒流路的结构。通常，为了隔开燃料气体的流路和氧 化气体的流路而将气体隔板配置在单体电池之间。然而，燃料电池内部的、伴随着发电而产生的热量的分布状态根据燃 料电池内部的气体和冷媒的流动方向等运行条件而变得不均匀。另外，除 了伴随着发电而产生的热量的分布状态以外，燃料电池内部的温度分布状 态也可能由于配置燃料电池的环境的影响而变得不均匀。这样一来，即便 在燃料电池内部形成冷媒流路以将燃料电池的运行温度维持在规定的温度 范围内，有时也会产生在燃料电池内部出现温度分布不均匀的情况。当燃 料电池内部的温度分布变得不均匀时，燃料电池的发电效率或耐久性可能 会受到影响，因此希望燃料电池的内部温度均匀化。发明内容本发明是为了解决上述现有问题而完成的，其目的在于当冷媒在燃 料电池内部流动时，可以使燃料电池的内部温度在电池面内均匀化。为了达到上述目的，本发明的第一方式提供一种燃料电池用气体隔 板，该燃料电池用气体隔板与电解质层和夹持所述电解质层的电极层层积在一起而构成燃料电池。本发明第一方式的燃料电池用气体隔板包括第 一板片，形成所述气体隔板的一个面；第二板片，形成所述气体隔板的另 一个面；第三板片，夹持在所述第一板片与所述第二板片之间，在层积时 与所述电解质层和所述电极层重叠的区域的至少一部分上具有冷媒流路形 成部，所述冷媒流路形成部将贯穿厚度方向并且冷媒在其中流动的冷媒流 路形成在所述第一板片和所述第二板片之间；以及流速调整部，配置在所述冷媒流路中，对所述冷媒流路内的所述冷媒的流速进行调整，使得在通 过所述燃料电池的运行条件和/或配置所述燃料电池的环境而确定的、所述 燃料电池发电时的所述气体隔板面的温度分布内，温度越高的区域中的所 述冷媒的流速越快。根据本发明第一方式的燃料电池用气体隔板，由于在气体隔板面内的 温度分布内，温度越高的区域中的冷媒的流速越快，冷却效率越高，因此 可以得到气体隔板面内的温度分布均匀化的燃料电池。本发明的第二方式提供一种燃料电池。本发明第二方式的燃料电池包括电解质层；电极层，夹持所述电解质层；气体流路形成部，配置在所 述电极层的外侧，形成用于向所述电极层供应气体或从所述电极层排出气 体的气体流路；以及本发明第一方式的燃料电池用气体隔板，配置在所述 气体流路形成部的外侧。根据本发明第二方式的燃料电池用气体隔板，由于气体隔板面内的温 度分布均匀化，因此可以提高燃料电池的发电效率和燃料电池的耐久性。本发明可以通过上述以外的各种方式来实现，例如，可以通过利用本 发明的燃料电池用气体隔板的、气体隔板面内的温度分布的均匀化方法等 方式来实现。


图l的(A)和图l的(B)是表示第一实施例的燃料电池的简要结构 的截面示意图；图2的(A) 图2的(C)是表示构成气体隔板的各个板片(plate) 的简要结构的平面图；图3是表示与MEA—体形成的密封部的简要结构的平面图； 图4是表示第一实施例的燃料电池的截面示意图；图5的(A) 图5的(C)是表示气体和冷媒的流动方向、以及气体 隔板面内的温度分布的说明图；图6是表示第一实施例的变形例的截面示意图；图7是表示第一实施例的变形例的截面示意图；图8是表示第二实施例的气体隔板的结构的截面示意图；图9的(A) 图9的(B)是表示变形例的说明图。
具体实施方式
下面，参照附图并通过实施例来说明本发明的实施方式。图1的和图1的(B)是表示本实施例的燃料电池的简要结构的 截面示意图。本实施例的燃料电池通过依次层积气体隔板10、 MEA (膜 电极组件，Membrane Electrode Assembly) 40、以及气体流路形成部50、 51而形成。图1的(A)是表示层积气体隔板10、 MEA40、以及气体流路 形成部50而形成的燃料电池的结构单元的图。另外，图l的(B)是分开 表示MEA40，气体流路形成部50、 51，以及作为构成气体隔板10的3片 板片的阴极侧板片12、中间板片14、阳极侧板片16的说明图。这里， MEA40和气体流路形成部50、 51形成作为发电单元的单体电池60。另 外，气体隔板IO配置在各个单体电池60之间，并且在内部形成有冷媒流 路18。如图1的(A)所示，本实施例的燃料电池通过反复层积由单体电 池60和气体隔板10构成的结构单元而形成。图2的(A) 图2的(C)是表示构成具有三层结构的气体隔板10 的阴极侧板片12、中间板片14、以及阳极侧板片16的简要结构的平面 图。这里，图2的(A)表示阴极侧板片12，图2的(B)表示中间板片 14，图2的(C)表示阳极侧板片16。将图1的(A)的截面作为l一l截 面，将相应的位置表示在图2的(A)中。如图2的(A)所示，构成气体隔板IO的各个板片为外周的尺寸大致相等的近似四边形的薄板状部件。另外，各个板片在外周部的相对应的位置上具有沿边细长地形成的多个贯穿部(贯穿部21 25)。当层积气体隔 板IO和单体电池60来组装燃料电池时，所述多个贯穿部在层积方向上贯 穿燃料电池内部，形成规定的流体在内部流动的岐管(manifold)。在各个板片对应的规定的一边附近，沿该边设置有多个(在图2的 (A)中为6个)贯穿部20。在燃料电池内，贯穿部20形成供电化学反应 之用的氧化气体流经的氧化气体供应岐管30。另外，在各个板片的、与上 述规定的一边相对的边的附近，沿该边设置有多个(在图2的(A)中为 6个)贯穿部21。在燃料电池内，贯穿部21形成供电化学反应之用的氧 化气体流入的氧化气体排出岐管31。在各个板片的另一边附近，沿该边设置有2个贯穿部。g卩，在设置有 贯穿部20的边一侧设置贯穿部22，在设置有贯穿部21的边一侧设置贯穿 部23。在燃料电池中，贯穿部22形成被分配给气体隔板10内的冷媒流路 18的冷媒所流经的冷媒供应岐管32。另外，贯穿部23形成供电化学反应 之用的燃料气体流入的燃料气体排出岐管33。并且，在各个板片的、与上述另--边相对的边附近，沿该边设置有2 个贯穿部。即，在设置有贯穿部20的边一侧设置贯穿部24，在设置有贯 穿部21的边一侧设置贯穿部25。贯穿部24形成供电化学反应之用的燃料 气体流经的燃料气体供应岐管34。另外，贯穿部25形成从气体隔板10内 的冷媒流路18排出的冷媒流入的冷媒排出岐管35。在图2的(A) 图2 的(C)中，与各个贯穿部的参考标号一起，将由各个贯穿部形成的岐管 的参考标号标示在括号内。在阴极侧板片12的外周部上，除了贯穿部20 25以外，还设置有细 长的多个贯穿部26、 27。贯穿部26与各个贯穿部20相对应地设置在各个 贯穿部20附近，在比贯穿部20靠近内侧的位置处与各个贯穿部20平行地 形成。贯穿部27与各个贯穿部21相对应地设置在各个贯穿部21附近，在 比贯穿部21靠近内侧的位置处与各个贯穿部21平行地形成。在中间板片14上，除了在外周部上形成的贯穿部20 25以外，还形 成有冷媒流路形成部15，该冷媒流路形成部15是贯穿除外周部以外的中央部的近似四边形的贯穿部。当中间板片14夹持在阴极侧板片12和阳极侧板片16之间时，该冷媒流路形成部15形成成为冷媒流路18的空间。另 外，在中间板片14中，贯穿部20、 21、 23、 24具有与其他板片不同的形 状，各个贯穿部的板片中央部一侧的边为具有向板片中央部一侧突出的多 个突出部的形状。将贯穿部20、 21、 23、 24所具有的上述多个突出部分 别称为连通部70、 71、 73、 74。另外，中间板片14具有使贯穿部22与冷 媒流路形成部15连通的多个贯穿孔72。多个贯穿孔72按照与中间板片 14的面方向平行地在贯穿部22与冷媒流路形成部15之间贯穿的方式彼此 大致平行地形成。并且，与贯穿孔72相同，中间板片14具有使贯穿部25 与冷媒流路形成部15连通的多个贯穿孔75。在阳极侧板片16的外周部上，除了贯穿部20 25以外，还设置有贯 穿部28、 29。贯穿部28设置在贯穿部23的附近，是在比贯穿部23靠近 内侧的位置上与贯穿部23大致平行地形成的细长的贯穿部。贯穿部29设 置在贯穿部24的附近，是在比贯穿部24靠近内侧的位置上与贯穿部24大 致平行地形成的细长的贯穿部。另外，阳极侧板片16在比形成贯穿部 20 25、 28、 29的区域靠近中央部一侧的区域中具有多个凸部78。多个 凸部78突出形成在与中间板片14相接触的面一侧，设置在与中间板片14 中的冷媒流路形成部15的形成区域相对应的整个区域内。因此，在气体 隔板10的内部，上述多个凸部78向由中间板片14的冷媒流路形成部15 形成的空间内突出。因而，由冷媒流路形成部15形成的空间、同时也是 在多个凸部78之间形成的空间实际上成为冷媒流经的冷媒流路18。这 里，多个凸部78并非均匀地形成在阳极侧板片16的面上，贯穿部24、 25 附近的密度比贯穿部22、 23附近的密度大。如上所述，由于凸部78的密 度在气体隔板面内不同，因此冷媒流路18的流路截面积在面内变化，从 而使冷媒的流速在冷媒流路18内变化。即，多个凸部78发挥着作为调整 冷媒流路内的冷媒的流速的流速调整部的作用。另外，在阳极侧板片16 中，在形成有凸部78的面的背面上与各个凸部78相对应的位置处形成有 与凸部78相对应的形状的凹部(参照图l的(B))。另外，设置在阴极侧板片12上的贯穿部26和设置在中间板片14上的连通部70形成氧化气体供应路径，该氧化气体供应路径将流经氧化气体 供应岐管30的氧化气体经由气体隔板10内部导向配置有气体流路形成部50的气体隔板10的表面。并且，设置在阴极侧板片12上的贯穿部27和 设置在中间板片14上的连通部71形成氧化气体排出路径，该氧化气体排 出路径将氧化气体从配置有气体流路形成部50的气体隔板10的表面经由 气体隔板10的内部导向氧化气体排出岐管31。另外，设置在阳极侧板片 16上的贯穿部29和设置在中间板片14上的连通部74形成燃料气体供应 路径，该燃料气体供应路径将流经燃料气体供应岐管34的燃料气体经由 气体隔板10的内部导向配置有气体流路形成部51的气体隔板10的表面。 并且，设置在阳极侧板片16上的贯穿部28和设置在中间板片14上的连通 部73形成燃料气体排出路径，该燃料气体排出路径将燃料气体从配置有 气体流路形成部51的气体隔板10的表面经由气体隔板10的内部导向燃料 气体排出岐管33。上述阴极侧板片12和阳极侧板片16由通过导电性材料，例如不锈 钢、钛、或钛合金等金属形成的薄板状部件构成。并且，通过穿孔加工来 形成贯穿部20 29，通过利用具有规定的凹凸形状的模具的冲压加工来形 成凸部78。另外，在本实施例中，中间板片14由包括密封层和耐热性树 脂层的层压树脂形成。当形成气体隔板10时，按照阴极侧板片12、中间 板片14、阳极侧板片16的顺序，在对各个贯穿部进行对位的同时使其重 叠，通过加热粘结来密封接合各个板片。当作为构成中间板片14的树脂 而使用导电性树脂时，可以抑制气体隔板10的内部电阻，因此优选导电 性树脂。另外，虽然也可以采用金属制板片来作为中间板片14并例如通 过扩散接合来接合各个板片，但是当采用树脂制中间板片14时，由于可 以进一步降低粘结各个板片时的温度，因此可以抑制气体隔板10的热变 形，因此优选树脂制板片。构成单体电池60的MEA40包括电解质层和形成在电解质层上的电极催化层。本实施例的燃料电池为固体高分子型燃料电池，电解质层可以由 质子传导性的离子交换膜形成，该离子交换膜由固体高分子材料、例如具 有全氟化碳磺酸的氟树脂形成。电极催化层具有促进电化学反应的催化剂、例如铂或由铂和其他金属形成的合金。气体流路形成部50、 51是具有导电性和透气性的板状部件，例如可 以由碳制多孔质体、发泡金属或金属网等金属制多孔质体形成。在本实施例中，作为气体流路形成部50、 51而使用钛制多孔质体，并在与气体流 路形成部50、 51接触的MEA40的表面上配置由碳多孔质体形成的层。在该气体流路形成部50、 51的内部形成的空间形成供电化学反应之 用的气体在单体电池60内的流路。S卩，配置在MEA40与阴极侧板片12 之间的气体流路形成部50形成氧化气体流经的单体电池内氧化气体流 路，配置在MEA40与阳极侧板片16之间的气体流路形成部51形成燃料 气体流经的单体电池内燃料气体流路。另外，在相邻的气体隔板IO之间、并且是在MEA40和气体流路形成 部50、 51的外周部上设置有密封部42。密封部42例如由硅橡胶、丁基橡 胶、以及氟橡胶等绝缘性树脂材料形成，并且与MEA40 —体地形成。图 3是表示与MEA40 —体形成的密封部42的简要结构的平面图。密封部42 具有外周的尺寸与气体隔板10大致相等的近似四边形的形状，与气体隔 板10相同，形成有贯穿部20 25。在图3中，将形成冷媒供应岐管32的 贯穿部表示为"冷媒in"，将形成冷媒排出岐管35的贯穿部表示为"冷 媒out"，将形成燃料气体供应岐管34的贯穿部表示为"H2 in"，将形成 燃料气体排出岐管33的贯穿部表示为"H2out"。这里，单体电池60既可以通过将气体流路形成部50、 51嵌入到与 MEA40 —体形成的密封部42的MEA40上而形成，也可以通过使MEA40 和气体流路形成部50、 51两者与密封部42—体形成而形成。为了使密封 部42与上述其他部件(MEA40或接合在MEA40上的气体流路形成部 50、 51) —体形成，例如以将上述其他部件的外周部容纳在模具的腔体内 的方式来配置上述其他部件并使用前述的树脂材料进行射出成形即可。当如上所述制造气体隔板10和单体电池60时，按照阴极侧板片12与 气体流路形成部50接触、阳极侧板片16与气体流路形成部51接触的方式 来交替层积气体隔板10和单体电池60，由此来制造燃料电池。在燃料电池中，当向氧化气体供应岐管30供应氧化气体时，氧化气体通过由各个气体隔板10内的连通部70和贯穿部26构成的前述的氧化气 体供应路径而被分配给气体流路形成部50形成的单体电池内氧化气体流 路。被分配的氧化气体供电化学反应之用，并且通过单体电池内氧化气体 流路流向氧化气体排出岐管31 —侧。将单体电池内氧化气体流路中的氧 化气体的流动方向作为对于MEA40面而言的方向而在图3中用箭头表 示。通过了单体电池内氧化气体流路的氧化气体通过由气体隔板10内的 贯穿部27和连通部71构成的前述的氧化气体排出路径而被排出至氧化气 体排出岐管31。在图1的(A)中用箭头表示岐管附近的氧化气体的流出 流入的情况。氧化气体是含有氧的气体，在本实施例中使用空气。在燃料电池中，当向冷媒供应岐管32供应冷媒时，冷媒经由各个气 体隔板10内的中间板片14的贯穿孔72而被分配给冷媒流路18。图4是 表示与图1的(A)不同的位置处的燃料电池的截面情况的截面示意图。 将图4的截面作为4一4截面，将相应的位置表示在图2的(A)中。在图 4中，用箭头表示流经冷媒供应岐管32的气体经由贯穿孔72流入冷媒流 路18的情况。这里，图4所示的截面是不截断设置在阳极侧板片16上的 凸部78的位置处的截面。被分配的冷媒通过冷媒流路18流向冷媒排出岐 管35 —侧。将冷媒流路18内的冷媒的流动方向作为对于MEA40面而言 的方向而在图3中用箭头表示。流经冷媒流路18内部的冷媒经由中间板 片14的贯穿孔75而被排出至冷媒排出岐管35 (未图示)。作为冷媒，例 如可以使用水、防冻液、或空气。在燃料电池中，当向燃料气体供应岐管34供应燃料气体时，燃料气 体通过由各个气体隔板10内的连通部74和贯穿部29构成的前述的燃料气 体供应路径而被分配给气体流路形成部51形成的单体电池内燃料气体流 路。在图4中用箭头表示燃料气体从燃料气体供应岐管34流入单体电池 内燃料气体流路的情况。被分配的燃料气体供电化学反应之用，并且通过 单体电池内燃料气体流路而流向燃料气体排出岐管33 —侧。将单体电池 内燃料气体流路中的燃料气体的流动方向作为对于MEA40面而言的方向 而在图3中用箭头表示。流经单体电池内燃料气体流路的燃料气体通过由 气体隔板10内的贯穿部28和连通部73构成的前述的燃料气体排出路径而被排出至燃料气体排出岐管33 (未图示)。燃料气体是含有氢的气体，在 本实施例中使用高纯度的氢气。在各个单体电池60内，由于氧化气体、冷媒、以及燃料气体的流动方向而使面内的温度分布变得不均匀。即，由于氧化气体和燃料气体的流 动方向而使伴随着电化学反应而产生的发热量在面内变得不均匀，由于冷 媒的流动方向而使冷却的程度在面内变得不均匀，从而导致面内的温度分 布变得不均匀。图5的(A) 图5的(C)是表示气体和冷媒的流动方向、以及气体 隔板面内的温度分布的说明图。 一般来说，在单体电池面内，在越靠近供 电化学反应之用的气体流动的上游一侧的区域中，气体中的电极活性物质 的浓度越高，反应越活跃，因此发热量越大。特别地，当如本实施例那样 作为氧化气体而使用空气、作为燃料气体而使用高纯度的氢气时，由于氧 化气体中的氧浓度对电化学反应的影响变大，因此在单体电池内氧化气体 流路的上游区域中，发热量变得特别大。因而，如果仅着眼于气体的流动 方向，则在本实施例中，可以认为越是接近贯穿部20的区域，发热量变 得越大。将在单体电池面内由于氧化气体的流动方向而使发热量变得不均 匀的情况表示在图5的(A)中。另外， 一般来说，越靠近冷媒流路的上游一侧，流经冷媒流路的冷媒 的温度越低。即，在本实施例中，越是靠近形成冷媒供应岐管32的贯穿 部22的附近的区域，冷媒温度变得越低，越是靠近形成冷媒排出岐管35 的贯穿部25的附近的区域，冷媒温度变得越低。将在单体电池面内由于 冷媒的流动方向而使冷媒温度变得不均匀的情况表示在图5的(B)中。另外，将通过如上所述根据气体的流动方向预测的发热量和冷媒温度 变得不均匀的情况而确定的单体电池面内的温度分布的情况表示在图5的 (C)中。如图5的(C)所示，可以认为本实施例的燃料电池会显示出如 下的温度分布在气体隔板面上，越是靠近贯穿部24、 25的附近的区 域，温度变得越高，而越是靠近贯穿部22、 23的附近的区域，温度变得 越低。这里，在本实施例的燃料电池中，在阳极侧板片16上按照越是靠近贯穿部24和25的区域密度越高的方式设置有多个凸部78。即，在通过发 热量和冷媒温度的不均匀分布而确定的气体隔板面内(单体电池面内)的 温度分布中，越是温度高的区域，凸部78的形成密度越高。这样，由于 凸部78的形成密度沿冷媒的流动方向逐渐变高，因此在冷媒流路18中， 越是靠近下游一侧的区域、即在不均匀的温度分布中温度越高的区域，流 路截面积越小，冷媒的流速越快。根据如上构成的本实施例的燃料电池，在通过气体的流动方向和冷媒 的流动方向等燃料电池的运行条件而确定的气体隔板面内的温度分布中， 越是温度高的区域，凸部78的形成密度越大，冷媒的流速越快，因此在 上述温度越高的区域中，冷媒的冷却效率越高，从而可以使气体隔板面内 的温度分布均匀化。这样一来，通过在面内使燃料电池的内部温度均匀 化，能够提高发电效率和燃料电池的耐久性。另外，在本实施例的燃料电池中，通过作为平板状部件的气体流路形 成部50、 51来形成单体电池内气体流路，同时连接气体岐管和气体流路 形成部(单体电池内气体流路)的气体流路在气体隔板内形成。即，无论 气体隔板10的表面形状如何，均形成有单体电池内气体流路、以及连接 单体电池内气体流路和气体岐管的流路。因而，在阳极侧板片16上，在 形成有凸部78的面的背面形成的凹部的形状不会对单体电池内气体流路 等气体流路的形状和单体电池内气体流路中的气体流动产生影响。因此， 当按照根据运行条件而预先预测出的温度分布来决定凸部78的配置以得 到上述温度分布均匀化的效果时，不会由于气体流动而使凸部78的配置 受到限制。并且，如上所述，由于可以在不受气体流路的形状的影响的情况下在 气体隔板10内部形成期望形状的冷媒流路18，因此当形成凸部78时，无需为了抑制对气体流路一侧的形状的影响而确保阳极侧板片16的厚度， 从而可以使隔板10薄型化。因而，可以使整个燃料电池小型化。另外， 通过如与MEA40 —体形成的密封部42和气体隔板10那样交替层积形状 大致相同的薄板状部件，可以容易地进行燃料电池的组装。并且，当通过气体隔板IO使相邻的单体电池60之间电连接时，凸部78的顶端也可以不与阴极侧板片12接触，通过如上所述地改变凸部78的 密度，同样可以取得相同的效果。但是，通过按照顶端与阴极侧板片12 接触的方式来形成凸部78，可以抑制燃料电池的内部电阻，同时可以提高 气体隔板10的强度。这里，在气体隔板面内，在图5的(C)所示的温度高的区域中，可 以认为氧化气体中的氧浓度高、发热量较多的贯穿部24的附近的温度尤 其高。另外，在图5的(C)所示的温度低的区域中，可以认为氧化气体 中的氧浓度低、发热量较少的贯穿部23的附近的温度尤其低。然而，在 本实施例中，并不是严密地按照预想的该温度分布来设定凸部78的密 度，而只是提高从贯穿部24附近到贯穿部25附近这一带的凸部密度，降 低从贯穿部23附近到贯穿部22附近这一带的凸部密度。其原因在于，考 虑存在如下情况当冷媒流经冷媒流路内部时，当在规定的流路横截面上 存在流路阻抗不同的部位时，冷媒将流经流路阻抗较低的部位，因而凸部 78的密度高、流路阻抗大的区域的冷媒流速未必快。因此，对于多个凸部 78，考虑冷媒的流动方向而按照在流路横截面内没有大的密度差异的方式 来进行配置，同时作为整个气体隔板，按照使温度分布更加均匀化的方式 来进行配置。B第一实施例的变形例在第一实施例中，形成冷媒流路18的流路壁并作为流速调整部而发 挥作用的凸部78形成在阳极侧板片16上，但也可以形成在阴极侧板片12 上。或者，也可以在阳极侧板片16和阴极侧板片12上均形成凸部78。图 6是表示在阳极侧板片16和阴极侧板片12上均形成凸部78的结构的一个 例子的截面示意图。在图6中，作为气体隔板10的内部的情况而示意性 地表示了凸部的形成密度与单体电池面上的预测的温度分布的状态的关 系，省略了包括中间板片14在内的气体隔板IO的外周部。例如，在通过 冲压成形来形成凸部78的情况下，当要将凸部78的密度提高到某种程度 以上时可能会产生技术上的困难，而通过在两个板片上设置凸部78，可以 更加容易地提高凸部78的密度。并且，在图6所示的气体隔板中，虽然设置在阴极侧板片12和阳极侧板片16上的凸部不与另一个板片接触，但也可以按照与另一个板片接 触的方式来形成凸部。在阴极侧板片12和阳极侧板片16上按照与另一个板片接触的方式而形成有凸部的结构如图7所示。可以通过提高气体隔板面内的前述的不均匀的温度分布中成为高温的区域内的凸部密度来调整冷 媒的流速，使整个气体隔板的温度分布均匀化。另外，作为形成凸部78的方法，优选加工容易、不会由于设置凸部 而增加气体隔板的重量的冲压成形，但也可以使用其他的方法。例如，也 可以通过在用于设置凸部的、构成板片的基板上堆焊金属等导电性材料来 形成凸部。或者，当与第一实施例相同通过冲压成形在板片上设置凸部 时，也可以通过填充其他部件来填埋形成在凸部的背面(单体电池内气体 流路一侧)上的凹部的内部。这样，当板片的单体电池内气体流路一侧的 面为平坦的面时，可以在单体电池内气体流路中抑制随着凸部的形成而在 凸部背面上形成的空间对气体流动的影响。C第二实施例在第一实施例的燃料电池所具有的气体隔板10中，通过设置在阴极 侧板片12上的凸部78来形成冷媒的流速调整部，但也可以采用其他结 构。例如，也可以与阴极侧板片12和阳极侧板片16相独立地形成流速调 整部。以下，将这种结构作为第二实施例来进行说明。图8是表示第二实施例的气体隔板110的结构的截面示意图。气体隔 板110代替气体隔板10而与第一实施例相同地使用在燃料电池中。气体 隔板110具有由阴极侧板片112、中间板片114、以及阳极侧板片116构 成的三层结构，并且具有流速调整部117。这里，阴极侧板片112和中间 板片114具有与第一实施例的阴极侧板片12和中间板片14相同的形状。 另外，阳极侧板片116形成有与第一实施例的阳极侧板片16相同的贯穿 部20 25、 28、 29，同时具有在表面上未形成凸部的形状。在图8中，省 略了设置有中间板片114的外周部，而仅示出了阴极侧板片112、阳极侧 板片116、以及配置在两个板片之间的流速调整部117。流速调整部117是例如通过冲压成形而在金属制薄板状部件的两个面 上形成了凸部的部件。流速调整部117配置在通过中间板片114的冷媒流路形成部15而形成在阴极侧板片112和阳极侧板片116之间的空间内，具有与阴极侧板片112或阳极侧板片U6接触的多个凸部178。与设置在第 一实施例的阳极侧板片16上的凸部78相同，形成在该流速调整部117上 的凸部178按照在通过运行条件确定的温度分布中温度越高的区域密度越 大的方式形成。在具有该气体隔板110的燃料电池中，在电池面内，在凸部178的形 成密度越高的区域中冷媒的流速越快，因此与第一实施例相同，可以使气 体隔板面内的温度分布更加均匀化。并且，当通过气体隔板使相邻的单体 电池之间电连接时，凸部178的顶端不必一定与阴极侧板片112和阳极侧 板片116接触。但是，通过使其接触，可以抑制燃料电池的内部电阻并提 高气体隔板的强度。另外，作为设置在流速调整部117上的凸部，无需同 时设置与阴极侧板片112接触的凸部和与阳极侧板片116接触的凸部。通 过设置至少向一个板片一侧突出的多个凸部而使上述高温区域内的冷媒流 速更快即可。D.变形例本发明不限于上述实施例和实施方式，可以在不脱离其主旨的范围内 以各种方式来实施，例如也可以进行如下变形。(1) 在第一和第二实施例中，流速调整部具有图1的(A) 图1的 (B)或图8所示的凸部形状，但也可以通过不同的形状来调整冷媒的流速。对于流速调整部的形状，通过实际改变流路截面面积而使冷媒流路内 的每个区域中的冷媒流速不同、从而使温度越高的区域中的流速越快即 可。(2) 在第一和第二实施例中，在贯穿部24和贯穿部25的附近的区 域中加快冷媒的流速，在贯穿部22和贯穿部23的附近的区域中减缓冷媒 的流速，但是只要按照气体和冷媒的流动方向来适当地设定上述冷媒的流 速调整即可。气体和冷媒的流动方向与第一和第二实施例不同的例子如图 9的(A) 图9的(B)所示。图9的(A)表示单体电池面内的气体和冷媒的流动方向、以及气体 隔板面内的温度分布的情况。另外，图9的(B)表示当在上述燃料电池的气体隔板中以与第一实施例相同的方式在阳极侧板片上设置作为流速调 整部的凸部时的、阳极侧板片上的凸部的配置情况。在图9的(A) 图9的(B)中，对形成与第一和第二实施例的岐管相同的岐管的贯穿部标记与第一和第二实施例相同的参考标号。在图9的(A) 图9的(B)所示的燃料电池的单体电池面内，冷媒 和燃料气体向相同的方向流动。在该情况下，可以认为比冷媒和燃料气体 流入单体电池面的贯穿部22和贯穿部24的附近更靠近冷媒和燃料气体流 动的稍微下游一侧的区域、更具体地说即比贯穿部22和贯穿部24的附近 更靠近单体电池面的中央部的区域在温度分布中成为高温(参照图9的 (A))。其原因在于当燃料气体和冷媒向相同的方向流动时，由于在 燃料气体和冷媒的流入部附近，冷媒的温度低，因此可以相对抑制温度上 升的程度，而更靠近下游一侧的区域、即冷媒温度上升的区域中的电化学 反应的活性高，因此温度变高。此时，如图9的(B)所示，按照在温度 越高的区域中凸部78的密度越高、随着温度变低凸部78的密度变低的方 式来形成凸部78即可。(3) 在第一和第二实施例中，根据通过作为燃料电池的运行条件的 燃料气体、氧化气体、以及冷媒的流动方向而确定的燃料电池发电时的气 体隔板面内的温度分布来设定应加快冷媒流速的高温区域和应更加减缓冷 媒流速的低温区域，但是还可以考虑其他的条件来设定高温区域和低温区 域。例如，还可以考虑配置燃料电池的环境的温度条件。燃料电池的内部温度可能会受到设置燃料电池的周围环境的温度的影 响。例如，当在燃料电池的附近配置规定的高温装置时，越接近该高温装 置的一侧在上述高温装置的影响下温度变得越高。此时，当考虑气体隔板 面内的温度分布时，考虑因高温装置引起的温度上升来设定流速调整部即 可。通过如上所述同时考虑影响燃料电池内部的温度分布状态的各种因素来决定流速调整的形状，能够提高使气体隔板面内的温度均匀化的效果。(4) 另外，应用本发明的燃料电池也可以是固体高分子型以外的种 类的燃料电池。当将具有三层结构、内部形成有冷媒流路的气体隔板与单 体电池交替层积来形成燃料电池时，通过应用本发明，可以取得与使气体 隔板面内的温度分布均匀化相同的效果。
权利要求
1.一种燃料电池用气体隔板，与电解质层和夹持所述电解质层的电极层层积在一起而构成燃料电池，所述燃料电池用气体隔板的特征在于，包括第一板片，形成所述气体隔板的一个面；第二板片，形成所述气体隔板的另一个面；第三板片，夹持在所述第一板片与所述第二板片之间，在层积时与所述电解质层和所述电极层重叠的区域的至少一部分上具有冷媒流路形成部，所述冷媒流路形成部将贯穿厚度方向并且冷媒在其中流动的冷媒流路形成在所述第一板片和所述第二板片之间；以及流速调整部，配置在所述冷媒流路中，对所述冷媒流路内的所述冷媒的流速进行调整，使得在通过所述燃料电池的运行条件和/或配置所述燃料电池的环境而确定的、所述燃料电池发电时的所述气体隔板面的温度分布内，温度越高的区域中的所述冷媒的流速越快。
2. 如权利要求1所述的燃料电池用气体隔板，其特征在于， 所述流速调整部具有如下形状在所述温度分布内，温度越高的区域中的所述冷媒流路的实际流路截面积越小。
3. 如权利要求2所述的燃料电池用气体隔板，其特征在于， 所述流速调整部为多个凸部，所述多个凸部设置在所述第一板片和第二板片中的至少一个板片上并向所述冷媒流路一侧突出，在所述温度分布 内，温度越高的区域中的所述多个凸部的形成密度越大。
4. 如权利要求3所述的燃料电池用气体隔板，其特征在于， 所述第一板片和第二板片为金属制薄板，通过冲压成形而形成有所述多个凸部。
5. 如权利要求2所述的燃料电池用气体隔板，其特征在于， 所述流速调整部包括基板，与所述第三板片独立设置，与所述第三板片大致平行；以及多个凸部，设置成向所述基板的两侧或单侧突出，并 且在所述温度分布内，温度越高的区域中的所述多个凸部的形成密度越大。
6. 如权利要求5所述的燃料电池用气体隔板，其特征在于，通过所述第一和第二板片形成的所述一个面和所述另一个面为平坦的面。
7. 如权利要求3至6中任一项所述的燃料电池用气体隔板，其特征在于，所述多个凸部的各个顶端与跟所述凸部相对的所述第一板片或所述第 二板片接触。
8. —种燃料电池，其特征在于，包括 电解质层；电极层，夹持所述电解质层；气体流路形成部，配置在所述电极层的外侧，形成用于向所述电极层 供应气体或从所述电极层排出气体的气体流路；以及如权利要求1至7中任一项所述的燃料电池用气体隔板，配置在所述 气体流路形成部的外侧。
9. 如权利要求8所述的燃料电池，其特征在于，通过所述燃料电池的运行条件确定的所述温度分布是根据发热量的不 均匀分布和所述气体隔板面内的所述冷媒的流动方向而确定的，所述发热 量的不均匀分布是通过所述气体隔板面内的燃料气体和氧化气体的流动方 向而确定的。
10. 如权利要求8或9所述的燃料电池，其特征在于， 所述气体流路形成部是按照与所述气体隔板的所述一个面或另一个面接触的方式进行配置的板状的导电性多孔质部件。
11. 如权利要求IO所述的燃料电池，其特征在于， 所述燃料电池用气体隔板还包括第一贯穿部，贯穿所述气体隔板的厚度方向而设置，形成供应给所述 电极层的气体流经的气体供应岐管；第二贯穿部，贯穿所述气体隔板的厚度方向而设置，形成经过了所述 电极层的气体流经的气体排出岐管；气体供应路径，将流经所述气体供应岐管的气体经由所述燃料电池用 气体隔板的内部导向配置有所述气体流路形成部的所述燃料电池用气体隔 板的表面；以及气体排出路径，将所述气体从配置有所述气体流路形成部的所述燃料 电池用气体隔板的表面经由所述燃料电池用气体隔板的内部导向所述气体 排出岐管。
全文摘要
气体隔板(10)包括第一板片(12)，形成气体隔板的一个面；第二板片(16)，形成气体隔板的另一个面；第三板片(14)，夹持在第一板片与第二板片之间，在层积时与电解质层和电极层重叠的区域的至少一部分上具有冷媒流路形成部(15)，该冷媒流路形成部将贯穿厚度方向并且冷媒在其中流动的冷媒流路形成在第一板片和第二板片之间；以及流速调整部(78)，配置在冷媒流路中，对冷媒流路内的冷媒的流速进行调整，使得在通过燃料电池的运行条件和/或配置燃料电池的环境而确定的、燃料电池发电时的气体隔板面内的温度分布内，温度越高的区域中的冷媒的流速越快。
文档编号H01M8/10GK101253645SQ200680031320
公开日2008年8月27日 申请日期2006年10月6日 优先权日2005年10月11日
发明者佐藤克己, 尾濑德洋 申请人:丰田自动车株式会社