燃料电池的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃料电池。
【背景技术】
[0002]燃料电池包括膜电极组件(在后文中称为MEA)，其中电极与电解质膜的膜表面、阳极通道和阴极通道结合，且接收从通道供给的燃料气体和氧化气体的供给，以发电。近年来，频繁地使用孔眼金属，所述孔眼金属通过在薄金属板上执行模压来形成。在孔眼金属中设置了具有网格形状的孔眼通道，以与从气体供给侧流向气体排出侧的气体的流动方向交叉，且孔眼通道将气体供给侧和气体排出侧连接同时缠绕。当气体通过网格形状的通道时，当气体通过通道的弯曲部分时发生了压力损失，且压力损失倾向于导致燃料电池的发电性能的降低。为应对此情况，提出了用于抑制气体供给侧上的压力损失的方法。
[0003]在日本专利申请公开N0.2009-26472 (JP 2009-26472 A)中，在包括孔眼金属的燃料电池组中，孔眼金属形成为使得在气体下游侧上的气体的压力损失增加为大于在气体上游侧上的压力损失，且在供给到发电元件的气体的量方面的不均匀性被降低，而不过大地增加在整个孔眼金属中的气体的压力损失。另外，在日本专利申请公开N0.2010-170984 (JP2010-170984A)中，在如下燃料电池组中，即其中气体通道由燃料电池组的孔眼金属形成的燃料电池组中，气体通道形成为使得气体流动而不重复小的转弯，且气体的压力损失因此降低。在气体的流动方向的转弯位置处，已达到转弯位置处的气体的流动方向改变，且因此气体局部地被引导到MEA的电极表面，或引导到背离电极表面的侧。作为结果，在转弯位置处，发生了水从MEA的蒸发或水到MEA中的浸透，MEA的湿度的恶化可能在水蒸发过大时发生，且MEA的浸没可能在水浸透过大时发生。然而，在以上所述的JP 2009-26472A和JP 2010-170984A中，这些问题未被考虑。另外，在其中孔眼通道是阴极侧上的通道的情况中，供给氢气的阳极通道存在于越过MEA的阳极侧上，在以上所述的JP 2009-26472A和JP2010-170984A中，未考虑到与阳极通道的此关系。因此，希望抑制气体供给侧上的气体的压力损失和浸没。
【发明内容】
[0004]本发明提供了燃料电池，其中在氧化气体供给侧上的压力损失和浸没被抑制。
[0005]本发明的一个方面提供了一种燃料电池。燃料电池包括:膜电极组件，该膜电极组件包括电解质膜和电极，该电极被结合到电解质膜的膜表面；阳极侧通道形成部分，该阳极侧通道形成部分具有燃料气体供给孔和燃料气体排出孔，且形成了作为曲折通道的阳极通道，该阳极通道将燃料气体供给到膜电极组件的电极中的一个电极，在曲折通道中燃料气体的流动方向反转多次，该阳极通道从燃料气体供给孔延伸到燃料气体排出孔；和阴极侧通道形成部分，该阴极侧通道形成部分具有氧化气体供给孔和氧化气体排出孔，且形成了作为网格状通道的阴极通道，该阴极通道将氧化气体扩散且将氧化气体供给到膜电极组件的另一个电极，该阴极通道从氧化气体供给孔延伸到氧化气体排出孔。阴极侧通道形成部分包括多个通道形成元件列，所述多个通道形成元件列从氧化气体供给孔到氧化气体排出孔沿从氧化气体供给孔延伸到氧化气体排出孔的第一方向连续地设置；该通道形成元件列中的每个通过沿与第一方向相交的第二方向连续地设置多个通道形成元件来形成；多个通道形成元件列连续地设置，使得在用作网格状通道的阴极通道中流动的氧化气体的流动方向每隔预定数目个通道形成元件列在第一倾斜方向和第二倾斜方向上延伸，该预定数目是2或更大的整数；第一倾斜方向相对于第一方向向一侧倾斜，第二倾斜方向相对于第一方向向另一侧倾斜，且第一倾斜方向和第二倾斜方向相对于第一方向对称；通过使在该氧化气体供给孔侧上的上游侧通道区域中的该预定数目与在该氧化气体排出孔侧上的下游侧通道区域中的预定数目不同，来使在该上游侧通道区域中氧化气体的流动方向返回到原始方向的转弯间隔与在该下游侧通道区域中的转弯间隔不同；在上游侧通道区域中的转弯间隔和在下游侧通道区域中的转弯间隔之间的比值设定为1.1:1至3:1 ;且上游侧通道区域与由阳极侧通道形成部分形成的用作曲折通道的阳极通道的最下游侧通道部分在膜电极组件介于上游侧通道区域和最下游侧通道部分之间的情况下重叠。
[0006]在具有以上构造的燃料电池中，在用于供给氧化气体的网格阴极通道中，氧化气体的流动方向返回到原始方向的转弯间隔在上游侧通道区域和下游侧通道区域中的每个中设定为使得在上游侧通道区域中的转弯间隔Tu大于在下游侧通道区域中的转弯间隔Td0以此构造，在作为氧化气体供给侧的上游侧通道区域中，可降低氧化气体的流动方向改变的转弯位置的数目，可抑制气体的压力损失。除此之外，在具有以上所述的构造的燃料电池中，通过将上游侧通道区域中的转弯间隔Tu和下游侧通道区域中的转弯间隔Td之间的比值Tu:Td设定为1.1:1至3:1，与在下游侧通道区域中的转弯位置的数目相比，在上游侧通道区域中的转弯位置的数目不过度地降低，或与上游侧通道区域中的转弯位置的数目相比，下游侧通道区域中的转弯位置的数目不过度地增加，且转弯位置在上游侧通道区域中和在下游侧通道区域中以良好地平衡的方式设置。以此构造，可抑制水到膜电极组件中的浸透，该浸透倾向于在其中设置了许多转弯位置的下游侧通道区域中发生。作为结果，在具有以上所述的构造的燃料电池中，可抑制作为氧化气体供给侧的上游侧通道区域中的氧化气体的压力损失和浸没。除此之外，在具有以上所述的构造的燃料电池中，可通过如下方式增加由阳极侧通道形成部分形成的用作曲折通道的阳极通道的最下游侧通道部分的相对湿度。因为用作曲折通道的阳极通道的最下游侧通道部分与阴极通道的上游侧通道区域在电解质膜介于最下游侧通道部分和上游侧通道区域之间的情况下重叠，所以由于由氧化气体去除水或供给干氧化气体，相对湿度倾向于降低。然而，在具有以上所述的构造的燃料电池中，通过降低上游侧通道区域中的转弯位置的数目来抑制水从膜电极组件的蒸发，且因此可将被包含在膜电极组件中的水送到阳极通道的最下游侧通道部分。因此，在具有以上所述构造的燃料电池中，可增加用作曲折通道的阳极通道的最下游侧通道部分的相对湿度。
[0007]在根据以上所述方面的燃料电池中，上游侧通道区域的沿第一方向的通道宽度可等于用作曲折通道的阳极通道的最下游侧通道部分的通道宽度。以此构造，可更可靠地增加用作曲折通道的阳极通道的最下游侧通道部分的相对湿度。
[0008]在根据以上所述方面的燃料电池中，上游侧通道区域的沿第一方向的通道宽度可设定为阴极通道的沿第一方向的整个通道宽度的50%或更小。以此构造，可确保如下上游侧通道区域，其中转弯位置的数目降低使得抑制了水从膜电极组件的蒸发且来自膜电极组件的水可被送到阳极通道的最下游侧通道部分。因此，可甚至更可靠地增加用作曲折通道的阳极通道的最下游侧通道部分的相对湿度。
[0009]在根据以上所述方面的燃料电池中，阳极通道作为曲折通道可形成在阳极侧通道形成部分的表面中的一个表面上，该阳极通道由沟槽形成，该沟槽在电极中的一个电极侧上开口 ；阳极侧通道形成部分可具有冷却剂供给孔和冷却剂排出孔，且可包括多个冷却剂通道，其中冷却剂从冷却剂供给孔流向冷却剂排出孔，所述多个冷却剂通道形成在与阳极通道相反的表面上；且所述多个冷却剂通道可被形成为使得冷却剂的第一流量大于冷却剂的第二流量，其中，冷却剂的第一流量是经过用作曲折通道的阳极通道的最下游侧通道部分的背侧在从冷却剂供给孔延伸到冷却剂排出孔的冷却剂通道中流动的冷却剂的流量，并且冷却剂的第二流量是经过用作曲折通道的阳极通道中的最下游侧通道部分的上游的部分的背侧在从冷却剂供给孔延伸到冷却剂排出孔的冷却剂通道中流动的冷却剂的流量。以此构造，可通过有效率地冷却最下游侧通道部分(所述最下游侧通道部分由于相对湿度的降低而倾向于被干燥)来抑制水的蒸发，且因此可抑制干燥。
【附图说明】
[0010]在下文中将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点和技术和工业重要性，其中类似的附图标记指示类似的元件，且其中:
[0011]图1是示出了本发明的一个实施例的燃料电池组10的构造的示意性透视图；
[0012]图2是示意性地示出了终端板160F、燃料电池100和终端板160E的布置状态的解释视图；
[0013]图3是以分解方式示出了燃料电池100的构造的示意性透视图；
[0014]图4是示出了阳极侧分离器120的构造的示意性平面图；
[0015]图5是其中形成在阳极侧分离器120的前部和背部上的燃料气体通道200和冷却剂通道204彼此重叠且被示出的解释图；
[0016]图6示出了沿图4中的放大的C部分中的线V1-VI截取的燃料电池组10的示意性截面；
[0017]图7是示意性地示出了当在平面图中观察阴极侧分离器130时气体通道构件150中的通道区域的部分区域的状态的解释图；
[0018]图8是示意性地示出了当从氧化气体供给孔104IN侧上的气体上游侧观察上游侧通道区域Ru的一部分时的通道构造的解释图；
[0019]图9是示意性地示出了当从氧化气体供给孔104IN侧上的气体上游侧观察下游侧通道区域Rd的一部分时的通道构造的解释图；
[0020]图10是示出了转弯间隔和燃料电池的输出之间的关系的曲线图；
[0021]图11是示出了在分离器中心区域137中的上游侧通道区域Ru的占据状态和在上游侧通道区域Ru和燃料气体通道200之间的重叠状态的解释图；
[0022]图12是示出了在气体通道构件150的分离器中心区域137中的上游侧通道区域Ru的占据率和燃料电池的输出之间的关系的曲线图；
[0023]图13是示出了在测试燃料电池TP5中的燃料气体通道200的每个通道区域的相对湿度的实际测量结果的解释图；
[0024]图14A和图14B是每个示出了与本实施例的燃料电池100对应的测试燃料电池TP5和测试燃料电池TP6之间的性能比较的解释图；并且
[0025]图15是在如在图6的情况中在截面图中观察燃料电池组10的情况中上游侧通道区域Ru的示意截面和下游侧通道区域Rd的示意截面彼此比较的解释图。
【具体实施方式】
[0026]在下文中，将基于附图描述本发明的实施例。图1是示出了本实施例的燃料电池组10的构造的示意性透视图。燃料电池组10具有堆叠结构，其中多个燃料电池100在Z方向(也称为“堆叠方向”)上堆叠且保持在一对端板170F和170E之间。燃料电池组10包括在其一个端侧上的端板170F和燃料电池100之间布置的终端板160F，使得绝缘板165F布置在终端板160F和端板170F之间。在下文中，燃料电池组10的设置有端板170F的一个端侧为描述方便起见称为前端侧，并且在图