燃料电池用气体流道形成板以及燃料电池组的制作方法

本发明涉及气体流道形成板以及由多个单格电池层积而形成的燃料电池组，气体流道形成板配置于膜电极接合体与平板状的平板式隔板之间并构成燃料电池的单格电池的隔板。

背景技术：

例如固体高分子燃料电池具备由多个单格电池层积而形成的燃料电池组。各单格电池具备膜电极接合体和夹持该膜电极接合体的一对隔板。

作为这样的隔板，已知有具有平板状的平板式隔板(flat separate)以及配置于膜电极接合体和平板式隔板之间的气体流道形成板的隔板(例如参照日本特开2015―15218号公报)。

在气体流道形成板上的与膜电极接合体相对的面形成有相互平行延伸的多个凹槽。上述凹槽构成用于使燃料气体或氧化剂气体流通的气体流道。另外，在气体流道形成板上的相邻的两个气体流道之间分别形成有突条，在上述突条的背面形成有多个凹槽。上述凹槽分别构成水流道，该水流道用于排出伴随发电而产生的水。在上述突条形成有连通路，该连通路将气体流道和水流道连通，并利用毛细管作用将气体流道内的水导入到水流道中。

在燃料电池组中，膜电极接合体上的伴随发电而产生的水流出到气体流道形成板的气体流道，通过连通路导入到水流道中。然后，通过在水流道流动的燃料气体或者氧化剂气体(以下，称为气体)的流动压力排出到水流道的外部。

但是，在燃料电池组中，因为干燥的气体导入到气体流道内，所以在膜电极接合体中接近气体流道的入口部的部分容易干燥。尤其是，在发电量少的低负荷时，由于膜电极接合体的伴随发电而产生的水的量减少，膜电极接合体更容易干燥。其结果，成为膜电极接合体内的质子通过水的移动不能顺利地进行，使发电性能下降的一个原因。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能抑制水滞留于气体流道内，并能抑制因膜电极接合体的干燥而引起的发电性能下降的燃料电池用气体流道形成板以及燃料电池组。

用于达成上述目的的燃料电池用气体流道形成板配置于膜电极接合体和平板状的平板式隔板之间并构成燃料电池的单格电池的隔板。通过向所述膜电极接合体供给燃料气体和氧化剂气体而进行发电、且产生水。该气体流道形成板具备：与所述膜电极接合体相对的面；多个突条，其形成于所述面上，相互平行地沿延伸方向延伸；凹槽状的多个气体流道，其分别位于相邻的两个突条之间；以及多个凹槽状的水流道，其分别形成在所述多个突条的背面。所述燃料气体和所述氧化剂气体中的一方经由所述多个气体流道流入到所述膜电极接合体，在所述膜电极接合体上的伴随发电而产生的所述水流出到这些气体流道中。各突条具有在所述延伸方向上相互分开形成的多个连通部。各突条的所述多个连通部构成为将与所述突条相邻的至少1个气体流道和所述突条的背面的水流道连通，并利用毛细管作用将与所述突条相邻的所述至少1个气体流道内的水导入到所述突条的背面的所述水流道中。所述多个连通部包括多个第1连通部和多个第2连通部，多个第2连通部比多个第1连通部位于气体的流动方向的上游侧。各第1连通部具有朝向与所述膜电极接合体相对的面开口的第1开口部。各第2连通部具有朝向与所述膜电极接合体相对的面开口的第2开口部。各突条的所述多个第2连通部构成各第2连通部的所述第2开口部的开口面积比各第1连通部的所述第1开口部的开口面积扩大的扩大区域，以便抑制通过利用基于多个第2连通部的毛细管作用向所述突条的背面上的所述水流道中导入水。

本发明的另一种方式为一种燃料电池组，其由多个单格电池层积而形成，所述多个单格电池分别具备膜电极接合体和夹持所述膜电极接合体的一对隔板，所述一对隔板中的一个所述隔板具备：所述平板式隔板；以及配置于所述膜电极接合体和所述平板式隔板之间的所述燃料电池用气体流道形成板。

附图说明

图1是表示燃料电池用气体流道形成板以及燃料电池组的一个实施方式、且为燃料电池组的剖视图。

图2是该实施方式中的第1隔板的立体剖视图。

图3是将图2的X部放大表示的立体剖视图。

图4A是沿图3的4A-4A线的局部剖视图。

图4B是沿图3的4B-4B线的局部剖视图。

图5是将图2的Y部放大表示的立体剖视图。

图6是表示该实施方式的第1连通部的周围的剖视图。

图7是表示该实施方式的第2连通部的周围的剖视图。

图8A以及图8B是第1气体流道以及第1连通路的示意图。

图9A-图9D是与图6对应的剖视图、且说明该实施方式的作用的说明图。

具体实施方式

以下，参照图1-图9D对一个实施方式进行说明。

如图1所示，固体高分子燃料电池具备燃料电池组，该燃料电池组通过多个单格电池10层积而形成。在图1中，上侧的单格电池10表示在后述的第1以及第2水流道26、36所示的位置切断的截面形状，另一方面，下侧的单格电池10表示在后述的第1以及第2气体流道25、35所示的位置切断的截面形状。

各单格电池10具备均呈四角框状的第1框架11和第2框架12，并通过这些第1以及第2框架11、12夹持呈四角片状的已知的膜电极接合体13的外缘部。

膜电极接合体13具有固体高分子电解质膜14。固体高分子电解质膜14被已知的第1以及第2电极触媒层15、16夹持。在第1以及第2电极触媒层15、16的表面分别设有已知的第1以及第2气体扩散层17、18。

膜电极接合体13由第1隔板20和第2隔板30从阴极侧(图1的下侧)以及阳极侧(图1的上侧)夹持。

第1隔板20具备：平板状的第1平板式隔板21；以及第1气体流道形成板22，其配置在该第1平板式隔板21和膜电极接合体13之间。

第2隔板30具备：平板状的第2平板式隔板31；以及第2气体流道形成板32，其配置在该第2平板式隔板31和膜电极接合体13之间。

平板式隔板21、31和气体流道形成板22、32分别由金属板材形成。

通过第1框架11和第1平板式隔板21，区划形成第1供给流道41和第1排出流道42，第1供给流道41用于将来自氧化剂气体供给源(省略图示)的氧化剂气体供给到后述的第1气体流道25，第1排出流道42用于将未用于发电的氧化剂气体排出到第1气体流道25的外部。

另外，通过第2框架12和第2平板式隔板31，区划形成第2供给流道51和第2排出流道52，第2供给流道51用于将来自燃料气体供给源(省略图示)的燃料气体供给到后述的第2气体流道35，第2排出流道52将未用于发电的燃料气体排出到第2气体流道35的外部。

在图1所示的部分中，第2隔板30的第2气体流道形成板32具有将第1隔板20的第1气体流道形成板22上下反转、且左右反转的形状。因此，在以下的说明中，针对第1隔板20的第1气体流道形成板22进行说明，针对第2隔板30的第2气体流道形成板32通过标注在第1隔板20的第1气体流道形成板22的各部的标记“2*”上分别加上“10”的标记“3*”从而省略重叠的说明。另外，通过标注在标记“27*”、“28*”分别加上“100”的标记“37*”、“38*”从而省略重叠的说明。*表示0-9中的一个值。

接着，对第1气体流道形成板22的结构进行说明。

如图2所示，第1气体流道形成板22形成为截面呈大致波浪形状，例如通过对不锈钢钢板等一张金属板材进行辊轧成形而形成。在第1气体流道形成板22的上表面、即第1气体流道形成板上的与膜电极接合体13相对的面上，形成有相互平行延伸的多个内侧突条23。这些内侧突条23的顶面与膜电极接合体13抵接。在相互相邻的两个内侧突条23之间形成有多个第1气体流道25，多个第1气体流道25分别呈凹槽状，用于使氧化剂气体流通。

在第1气体流道形成板22的下表面形成有相互平行延伸的多个外侧突条24。这些外侧突条24的顶面与平板式隔板21抵接。在内侧突条23的背面形成有多个第1水流道26，多个第1水流道26分别呈凹槽状，排出在膜电极接合体13上伴随发电而产生的水。因此，各外侧突条24位于相邻的两个第1水流道26之间，区划这两个水流道26。

在各内侧突条23上，在内侧突条23的延伸方向L上形成有第1以及第2连通部27、28，第1以及第2连通部27、28将第1气体流道25和第1水流道26连通。

如图2、图3以及图6所示，第1连通部27比第2连通部28位于气体流动方向的下游侧。各第1连通部27具有在内侧突条23的延伸方向L上隔着规定的间隔L1形成的两个第1狭缝271。第1狭缝271以与内侧突条23的延伸方向L正交的方式延伸并具有恒定的宽度A1。第1狭缝271的宽度A1设定为与相邻的两个第1狭缝271之间的间隔L1相同的大小(L1＝A1)。另外，第1狭缝271的宽度A1设定成能利用毛细管作用将第1气体流道25内的水导入到第1水流道26中的大小。

如图2-图4B所示，在第1水流道26的内部形成有与第1狭缝271相对的第1肋板272(第1中间结构部)。第1肋板272沿相对于内侧突条23的延伸方向L正交的方向(以下，称为宽度方向W)延伸。各第1肋板272通过如下方式形成：在沿宽度方向W对金属板材进行辊轧成形而形成第1气体流道形成板22时，对内侧突条23进行局部地剪切卷曲加工，从而形成第1肋板272。也就是说，通过形成第1肋板272来形成第1狭缝271。如图4A所示，第1肋板272位于第1水流道26的内部。另外，如图4B所示，在各外侧突条24形成有连通槽273，该连通槽273将隔着该外侧突条24相互相邻的两个第1水流道26连通。

如图2所示，在各内侧突条23上，第1连通部27在内侧突条23的延伸方向L上隔着规定的间隔L3形成。相邻的两个第1连通部27之间的间隔L3设定得比第1连通部27的两个第1狭缝271之间的间隔L1大(L3>L1)。另外，各内侧突条23的第1连通部27分别位于与该内侧突条23相邻的内侧突条23上的相互相邻的两个第1连通部27之间的中央。

第2连通部28比第1连通部27位于气体的流动方向的上游侧。各第2连通部28具有在内侧突条23的延伸方向L上隔着规定的间隔L2形成的两个第2狭缝281。

第2狭缝281以与内侧突条23的延伸方向L正交的方式延伸并具有恒定的宽度A2。第2狭缝281的宽度A2设定得比第1连通部27的第1狭缝271的宽度A1大(A2>A1)。也就是说，各第1狭缝271构成在第1连通部27上朝向与膜电极接合体13相对的面(上表面)开口的第1开口部，各第2狭缝281构成在第2连通部28上朝向与膜电极接合体13相对的面(上表面)开口的第2开口部。并且，第2连通部28的第2开口部的开口面积比第1连通部27的第1开口部的开口面积扩大。换句话来讲，位于气体的流动方向的上游侧的第2连通部28构成朝向与膜电极接合体13相对的面开口的第2开口部的开口面积比位于气体的流动方向的下游侧的第1连通部27的第1开口部的开口面积扩大的扩大区域。另外，第2狭缝281的宽度A2设定成与两个第2狭缝281之间的间隔L2相同的大小(L2＝A2)。

在第1水流道26的内部形成有与第2狭缝281相对的第2肋板282(第2中间结构部)。第2肋板282通过与第1连通部27的第1肋板272同样的方法形成。

另外，内侧突条23的构成第2连通部28的两个第2狭缝281之间的隔壁284位于第1水流道26的内部。

第2连通部28在内侧突条23的延伸方向L上隔着规定的间隔L4形成。相邻的两个第2连通部28之间的间隔L4设定得比第2连通部28的两个第2狭缝281之间的间隔L2大(L4>L2)。另外，各内侧突条23的第2连通部28分别位于与该内侧突条23相邻的内侧突条23上的相互相邻的两个第2连通部28之间的中央。

第1以及第2连通部27、28的第1以及第2肋板272、282以在第1气体流道形成板22的厚度方向(图4A、图4B、图6以及图7的上下方向)上比内侧突条23的顶面接近外侧突条24的顶面的方式设置。即使在延伸方向L上的不存在第1以及第2肋板272、282的位置的第1气体流道25的流道截面积和第1水流道26的流道截面积设定得相同，第1水流道26整体的压力损失因为第1以及第2肋板272、282而变得比第1气体流道25整体的压力损失大。第1以及第2狭缝271、281的形状和大小以第1以及第2狭缝271、281的压力损失比第1气体流道25的压力损失大的方式设定。因此，氧化剂气体主要在压力损失小的第1气体流道25流动。

接着，对本实施方式的作用进行说明。

如图1的下侧的单格电池10示出的那样，当燃料气体通过第2供给流道51供给到第2气体流道35内时，燃料气体通过第2气体流道35而流入到第2气体扩散层18。然后，燃料气体通过第2气体扩散层18并扩散，供给到第2电极触媒层16。

另外，当氧化剂气体通过第1供给流道41供给到第1气体流道25内时，氧化剂气体通过第1气体流道25流入到第1气体扩散层17。然后，氧化剂气体通过第1气体扩散层17并扩散，供给到第1电极触媒层15。

通过这样，当对膜电极接合体13分别供给燃料气体和氧化剂气体时，通过在膜电极接合体13中的电化学反应而进行发电。

此时，伴随发电而产生的水主要流出到阴极侧的第1气体流道形成板22的第1气体流道25。

如图8A以及图8B中用空心的粗箭头所示，伴随发电而产生的水的一部分因为在第1气体流道25流动的氧化剂气体的流动压力而在第1气体流道25内流动。然后，该水通过第1排出流道42(参照图1)流出到外部。如上所述，狭缝271(281)的压力损失设定得比第1气体流道25的压力损失大。因此，如图8B所示，氧化剂气体主要在第1气体流道25流动。由此，在第1气体流道25中存在的水的大部分一边被氧化剂气体推压一边朝向第1排出流道42在第1气体流道25内移动。另外，如图8B中用细箭头所示，一部分的水通过狭缝271(281)导入到第1水流道26。

此时，被导入到第1水流道26的水因为根据第1水流道26的出口开口的开口面积而作用的表面张力变成水滴。在第1水流道26为湿润状态时，该水滴S停留于肋板272，第1水流道26内的水作为启动前注水发挥作用，第1狭缝271内的水通过毛细管作用而引导到第1水流道26内并通过上述出口开口排出。

另外，在第1水流道26处于干燥状态、即在第1水流道26内不存在作为启动前注水发挥作用的水时，如图9A所示，在与第1气体扩散层17抵接的内侧突条23的顶面上，水通过毛细管作用引导到各第1狭缝271内，从而形成水滴S1、S2。

然后，当进一步引导水使得水滴S1、S2变大时，如图9B所示，两个水滴S1、S2结合形成1个水滴S3。当紧随水滴S1、S2结合而形成水滴S3之后、或者水滴S3变得更大时，水滴S3接触到第1肋板272。然后，如图9C所示，当水滴S3进入到一对第1肋板272之间的间隙中时，如图9D所示，水滴S3通过毛细管作用被引入到该间隙中，从而导入到第1水流道26内。

在氧化剂气体的流速小时，通过如上述的方式导入水滴S3，从而水逐渐积存到第1水流道26内。

在氧化剂气体的流速大时，导入到第1水流道26的水一边被在第1水流道26流动的氧化剂气体的流动压力推压一边朝向第1排出流道42(参照图1)在第1水流道26内移动。

但是，如上所述，在燃料电池组中，干燥的氧化剂气体导入到第1气体流道25内，因此膜电极接合体13中的接近第1气体流道25的入口部的部分容易干燥。尤其是，在发电量少的低负荷时，膜电极接合体13上的伴随发电而产生的水的量减少，因此膜电极接合体13更容易干燥。

在这点上，在本实施方式中，在形成于气体的流动方向的上游侧的扩大区域中，通过第2连通部28的开口面积扩大，从而抑制利用基于该第2连通部28的毛细管作用而向第1水流道26导入水。因此，能抑制膜电极接合体13中的容易干燥的上游侧部分干燥。由此，能将膜电极接合体13保持在湿润的状态，能促进质子的移动。

在比扩大区域靠下游侧的区域中，利用第1连通部27的毛细管作用，第1气体流道25内的水有效地导入到第1水流道26中。因此，能抑制如下情况：因水滞留在第1气体流道25内而妨碍气体的流动。

在膜电极接合体13上产生的水的量增加的情况下，在扩大区域内也利用基于第2连通部28的毛细管作用，第1气体流道25内的水导入到第1水流道26中。因此，能抑制如下情况：因水滞留在第1气体流道25内而妨碍气体的流动。

另外，伴随发电而产生的水的一部分通过阳极侧(图1的上侧)的第2电极触媒层16和第2气体扩散层18而流出到第2气体流道形成板32的第2气体流道35中。在本实施方式中，由于阳极侧的第2气体流道形成板32具有与阴极侧的第1气体流道形成板22基本相同的构成，所以即使阳极侧的第2气体流道35和第2水流道36也能起到与阴极侧的第1气体流道25和第1水流道26同样的作用。

根据如上说明的本实施方式所涉及的燃料电池用气体流道形成板以及燃料电池组，能得到以下所示的效果。

(1)在第1气体流道形成板22的上表面、即第1气体流道形成板上的与膜电极接合体13相对的面上，形成有相互平行延伸的多个内侧突条23。各内侧突条23包括多个第1连通部27和多个第2连通部28，多个第2连通部28比多个第1连通部27位于气体的流动方向的上游侧。各第1连通部27具有多个第1狭缝271。各第1狭缝271构成朝向与膜电极接合体13相对的面开口的第1开口部。另外，各第2连通部28具有多个第2狭缝281。各第2狭缝281构成朝向与膜电极接合体13相对的面开口的第2开口部。在各内侧突条23中，多个第2连通部28构成各第2连通部28的第2开口部的开口面积比各第1连通部27的第1开口部的开口面积扩大的扩大区域，以便利用基于这些多个第2连通部28的毛细管作用向内侧突条23的背面上的第1水流道26中导入水。

根据这样的构成，能抑制在膜电极接合体13上的容易干燥的上游侧部分干燥。由此，能将膜电极接合体13保持在湿润的状态，能促进质子的移动。

另外，在比由第2连通部28构成的扩大区域靠下游侧的区域中，利用基于第1连通部27的毛细管作用，第1气体流道25内的水有效地导入到第1水流道26。在膜电极接合体13中产生的水的量变多的情况下，在扩大区域内也利用基于第2连通部28的毛细管作用，第1气体流道25内的水导入到第1水流道26中。因此，能抑制如下情况：水滞留在第1气体流道25内而妨碍气体的流动。

因此，能抑制水滞留在第1气体流道25内，并能抑制膜电极接合体13的干燥而引起的发电性能的下降。

(2)第2狭缝281的宽度A2设定得比扩大区域的下游侧的第1连通部27的第1狭缝271的宽度A1大(A2>A1)，第2狭缝281构成第2连通部28的第2开口部。

根据这样的构成，能通过将第2狭缝281的宽度A2设定得较大，从而容易扩大第2连通部28的第2开口部的开口面积。

(3)各内侧突条23包括多个隔壁284，多个隔壁284分别形成在各第2连通部28的两个第2狭缝281之间。这些隔壁284位于该内侧突条23的背面的水流道26的内部。

通过使内侧突条23上的第2连通部28的两个第2狭缝281彼此之间的隔壁284位于水流道26的内部，从而使两个第2狭缝281的第2开口部彼此连接。因此，能使第2连通部28的开口面积增加，比第1连通部27的各第1开口部的面积更容易扩大。因此，根据上述构成，不怎么扩大第2狭缝281的宽度，也能容易扩大第2连通部28的开口面积。

<变形例>

上述实施方式例如也能以如下方式进行变更。

·也可以由钛板等不锈钢钢板以外的金属板材形成第1以及第2气体流道形成板22、32。

·例如像图7中用双点划线示出的那样，也能将第2连通部28的隔壁284形成为具有与第2肋板282相同的高度。也就是说，也可以使隔壁284和第2肋板282一体化。

·在上述实施方式中，也能够不使第2连通部28的隔壁284位于第1水流道26的内部，而将其形成为具有与内侧突条23的顶面相同的高度。即使在这种情况下，也能通过将第2狭缝281的宽度A2设定得比第1连通部27的第1狭缝271的宽度A1大，使朝向与膜电极接合体13相对的面开口的第2开口部的开口面积扩大。

·在上述实施方式中，也能将第2连通部28的第2狭缝281的宽度A2设定为与第1连通部27的第1狭缝271的宽度A1相同的大小。即使在这种情况下，通过隔壁284位于第1水流道26的内部，两个第2狭缝281的第2开口部彼此连接，从而能使第2连通部28的开口面积扩大。

·构成1个连通部的狭缝的数量不仅限于2个。也就是说，能由1个狭缝构成连通部，也能由3个以上的狭缝构成1个连通部。

·也能省略第1以及第2肋板272、282(第1以及第2中间结构部)。也能省略第1以及第2肋板372、382(第1以及第2中间结构部)。

·在上述实施方式中，在膜电极接合体13的阴极侧和阳极侧的双方设有第1以及第2气体流道形成板22、32，第1以及第2气体流道形成板22、32具有扩大区域(第2连通部28、38)。代替于此，也能仅在膜电极接合体13的阴极侧设置具有扩大区域的气体流道形成板，在阳极侧设置不具有扩大区域的气体流道形成板。

另外，也能仅在膜电极接合体13的阳极侧设置具有扩大区域的气体流道形成板，在阴极侧设置不具有扩大区域的气体流道形成板。