CN100505402C - 燃料电池及包括该燃料电池的燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

即使当反应气体流入密封垫和膜电极接合体之间的间隙，仍然可以防止反应气体不流经电极而流出到出口，由此防止发电效率下降。阳极侧的冷却气体流道(8a)的上游部分被设置为包括对应于间隙(10a)的区域，因此流入形成于阳极侧密封垫(9a)和膜电极接合体(5)之间的阳极侧间隙(10a)的反应气体中的水蒸气成分在间隙(10a)的至少一部分中冷凝以便用冷凝水封闭间隙(10a)，并且该上游部分被设置为包括对应于燃料气体流道(7a)的中游部分和后续部分的区域。

Description

燃料电池及包括该燃料电池的燃料电池堆
技术领域
本发明涉及一种燃料电池(特别是，涉及一种高分子电解质燃料电池)，以及一种包括该燃料电池的燃料电池堆。
背景技术
高分子电解质燃料电池是通过将燃料气体例如氢与氧化气体例如空气在作为阳极和阴极的气体扩散电极上彼此发生电化学反应而同时产生电和热的电池。图34显示了这种高分子电解质燃料电池的典型结构。如图34所示，燃料电池100包括至少一个主要由膜电极接合体(MEA)105组成的单电池(电池)和一对夹住膜电极接合体105的隔板，即，阳极侧隔离物106a和阴极侧隔离物106b。
膜电极接合体105具有下述结构：其中选择性地运输阳离子(氢离子)的高分子电解质膜101配置在阳极104a和阴极104b之间。阳极104a包含至少一个与高分子电解质膜101紧密接触配置的催化剂层102a和配置在催化剂层102a与阳极侧隔离物106a之间的气体扩散层103a。阴极104b包括与高分子电解质膜101紧密接触配置的催化剂层102b和配置于催化剂层102b与阴极侧隔离物106b之间的气体扩散层103b。
催化剂层102a和102b是主要由负载电极催化剂(例如，铂金属)的导电性碳粉组成的层。气体扩散层103a和103b是具有透气性和导电性的层。气体扩散层103a和103b是通过，例如，在由碳制成的导电性多孔基底上形成由导电性碳粉和碳氟树脂组成的导电性疏水层而获得的。
如图34所示，从配置密封垫109a和109b以防止气体泄漏的观点来看，MEA 104具有下述构造：其中高分子电解质膜101的主表面比阳极104a和阴极104b的大，并且高分子电解质膜101的整个边缘向外延伸超出阳极104a和阴极104b的边缘。在本说明书中，向外延伸超出阳极104a和阴极104b的边缘的高分子电解质膜101的边缘有时可称为“凸出部分”(图34中的字母P)。
阳极侧隔离物106a和阴极侧隔离物106b是导电的，在包括多个堆叠的MEA 104的电池堆中用于机械地固定MEA 104和以彼此串联的方式使相邻的MEA 104电连接。阳极侧隔离物106a在其一个表面(即，阳极侧隔离物106a与阳极104a相接触的主表面)上具有气体通道107a。类似的，阴极侧隔离物106b在其一个表面(即，阴极侧隔离物106b与阴极104b相接触的主表面)上具有气体通道107b。气体通道107a和107b用于将含有电极反应产物和未反应的反应气体的气体排放到MEA 104外部。
而且，阳极侧隔离物106a和阴极侧隔离物106b在它们的另一表面上分别形成有冷却流体通道108a和108b。冷却流体通道108a和108b用于导入冷却流体(例如，冷却水)以便将电池温度调节到某一水平。通过使冷却流体在燃料电池和配置在燃料电池外部的热交换器之间循环，反应所产生的热能能够以热水等形式利用。
为简化制作过程，气体通道107a和107b通常通过下述方式形成：分别在阳极侧隔离物106a和阴极侧隔离物106b与阳极104a和阴极104b相接触的主表面上设置凹槽。冷却流体通道108a和108b通常通过下述方式形成：分别在阳极侧隔离物106a和阴极侧隔离物106b的外侧主表面上设置沟槽。
在包括多个堆叠的MEA 105、并且用插入到各个相邻的MEA 105之间的阳极侧隔离物106a和阴极侧隔离物106b串联连接的所谓的堆型燃料电池(燃料电池堆)中，形成歧管从而将反应气体分流到燃料电池并且将反应气体供给到各个MEA 105(歧管以下述方式形成：将在依次层积的阳极侧隔离物106a和阴极侧隔离物106b中形成的用于供给反应气体的歧管孔和用于排出反应气体的歧管孔连接在一起(未显示))。
还形成另外的歧管从而将冷却流体分流到燃料电池并且将冷却流体供给到各个MEA 105(歧管以下述方式形成：将在依次层积的阳极侧隔离物106a和阴极侧隔离物106b中形成的用于供给冷却流体的歧管孔和用于排出冷却流体的歧管孔连接在一起(未显示))。这种在燃料电池内部形成的歧管被称为内部歧管(internal manifold)。如上所述的内部歧管型燃料电池是最常见的类型。
在燃料电池100中，为防止反应气体泄漏(例如，燃料气体泄漏到阴极104b、氧化气体泄漏到阳极104a、反应气体泄漏到MEA 105的外侧)，在相对的阳极侧隔离物106a和阴极侧隔离物106b之间的MEA的周围(即，位于阳极104a和阴极104b外侧的高分子电解质膜101的周围)配置一对相对的具有气体密封功能的密封垫，即，阳极侧密封垫109a和阴极侧密封垫109b。
作为阳极侧密封垫109a和阴极侧密封垫109b，例如，可以使用O型环、橡胶片、由弹性树脂和刚性树脂组成的复合片等。从易于加工MEA 105的观点来看，含有具有一定刚性的复合材料的密封垫通常与MEA 105结合使用。
通过将阳极侧密封垫109a和阴极侧密封垫109b配置成使它们将整个高分子电解质膜101的凸起部分夹在中间，从而由阳极侧隔离物106a、高分子电解质膜101和阳极侧密封垫109a形成环绕阳极104a的单独的封闭空间。同样，由阴极侧隔离物106b、高分子电解质膜101和阴极侧密封垫109b形成了另一个环绕阴极104b的封闭空间。这些封闭空间的作用在于防止供给到阳极104a和阴极104b的反应气体泄漏。
当按照如上所述的位置配置阳极侧密封垫109a和阴极侧密封垫109b时，在构件的制作和装配过程中会产生偏差，因此非常难以使阳极侧密封垫109a和阴极侧密封垫109b分别与阳极104a和阴极104b的端面充分紧密地接触。因此，如图22所示，当按照如上所述的位置配置阳极侧密封垫109a和阴极侧密封垫109b时，在阳极侧密封垫109a与阳极104a之间以及在阴极侧密封垫109b和阴极104b之间可能会产生间隙(即，阳极侧间隙110a和阴极侧间隙110b)。
如果产生了这样的阳极侧间隙110a和阴极侧间隙110b，反应气体能够泄漏并且流入阳极侧间隙110a和阴极侧间隙110b中。或者，部分反应气体经过阳极侧间隙110a和阴极侧间隙110b流到MEA 105的外部，而非流经阳极104a和阴极104b，从而非常难以维持发电性能。
为解决这些问题，例如，专利文件1提出了下述技术：其中，将不同于上述阳极侧密封垫109a和阴极侧密封垫109b的另外的密封材料配置在阳极侧间隙110a和阴极侧间隙110b中以充满间隙。
[专利文件1]JP-A-2004-119121
发明内容
但是，根据上述在阳极侧间隙110a和阴极侧间隙110b中配置另外的密封材料的传统技术，上述另外的密封材料能够导致催化剂层102a和102b、以及阳极侧密封垫109a和阴极侧密封垫109b的变形，这又为解决上述问题留有改进的余地。而且，在这种传统技术中，在构件的制作和装配过程中会产生偏差，因此非常难以使另外的密封材料分别与阳极104a和阴极104b的端面充分紧密地接触。因此，已经认为这种技术非常难以完全密封阳极侧间隙110a和阴极侧间隙110b。
为解决上述问题而完成本发明。本发明的一个目的是提供一种在确保充分的发电性能同时结构简单的燃料电池，在该燃料电池中，即使在阳极侧密封垫和阳极端面之间以及在阴极侧密封垫和阴极端面之间存在如上所述的间隙，也能够在电极反应中有效地利用反应气体；本发明还提供一种包括上述燃料电池的燃料电池堆。
为实现上述目的，本发明提供一种燃料电池，其至少包括：
膜电极接合体，其具有阳极、阴极和配置在阳极和阴极之间的高分子电解质膜；
阳极侧隔离物和阴极侧隔离物，它们将膜电极接合体夹在中间并且彼此面对地配置；
冷却流体通道，其用于供给和排出冷却膜电极接合体的冷却流体，该冷却流体通道在阳极侧隔离物和阴极侧隔离物中的至少一个上形成的；
燃料气体通道，其用于将作为反应气体的燃料气体供给到膜电极接合体和将该燃料气体从膜电极接合体中排出，该燃料气体通道在阳极侧隔离物上形成；
氧化剂气体通道，其用于将作为反应气体的氧化剂气体供给到膜电极接合体和将该氧化剂气体从膜电极接合体中排出，该氧化剂气体通道在阴极侧隔离物上形成；
阳极侧密封垫，其用于密封反应气体，该阳极侧密封垫配置在膜电极接合体外部、并且在阳极侧隔离物面对膜电极接合体的主表面上；以及
阴极侧密封垫，其用于密封反应气体，该阴极侧密封垫配置在膜电极接合体外部、并且在阴极侧隔离物面对膜电极接合体的主表面上，这样阴极侧密封垫面对阳极侧密封垫；
其中，
冷却流体通道、燃料气体通道和氧化剂气体通道以下述方式形成：它们的主要部分彼此基本平行；
阳极侧隔离物和阴极侧隔离物中至少一个的冷却流体通道的上游部分以下述方式形成：其包括对应于阳极侧间隙的区域和对应于阴极侧间隙的区域中的至少一个，并且上述冷却流体通道的上游部分以下述方式形成：其包括对应于燃料气体通道和氧化剂气体通道中至少一个的中游部分和后续部分的区域，以便使流入形成于阳极侧密封垫和膜电极接合体之间的阳极侧间隙的反应气体中所含的水蒸汽以及流入形成于阴极侧密封垫和膜电极接合体之间的阴极侧间隙的反应气体中所含的水蒸汽在阳极侧间隙和阴极侧间隙的至少一部分中冷凝，从而使冷凝水充满阳极侧间隙和阴极侧间隙中的至少一个。
如本文所使用的，条件(I)“阳极侧隔离物和阴极侧隔离物中至少一个的冷却流体通道的上游部分以下述方式形成：其包括对应于阳极侧间隙的区域和对应于阴极侧间隙的区域中的至少一个”指的是下述条件：其中，当从其上形成有冷却流体通道的任一个隔离物的主表面的法线方向同时观察冷却流体通道和间隙时(即，当通过隔离物同时观察冷却流体通道与通过隔离物、MEA和密封垫形成的间隙(等倍观察)时)，冷却流体通道的上游部分以下述方式形成：其包括阳极侧隔离物的“对应于阳极侧间隙的区域”和阴极侧隔离物的“对应于阴极侧间隙的区域”中的至少一个，或者“任一个区域附近”的至少一部分。即，当如上所述地观察时，冷却流体通道的上游部分以下述方式形成：冷却流体通道的上游部分与上述区域{即，“对应于阳极侧间隙的区域”、“对应于阴极侧间隙的区域”、“对应于阳极侧间隙的区域附近”以及“对应于阴极侧间隙区域的附近”}之一的至少一部分重叠(overlap)。
以下解释“对应于阳极侧间隙的区域”、“对应于阴极侧间隙的区域”、“对应于阳极侧间隙的区域附近”和“对应于阴极侧间隙的区域附近”。
首先，阳极侧隔离物的“对应于阳极侧间隙的区域”意味着：当从阳极侧隔离物主表面的法线方向同时观察阳极侧隔离物、配置在阳极侧隔离物内表面上的MEA和配置在MEA周围的密封垫时{即，当经过阳极侧隔离物同时观察阳极侧隔离物、MEA和密封垫时(放大率为1)}，阳极侧隔离物的区域的横截面的尺寸和形状与形成于MEA和密封垫之间的“阳极侧间隙”相同。
参考后文所述的图1和2更具体地解释，在图1和2中，当从阳极侧隔离物主表面的法线方向同时观察阳极侧隔离物6a、配置在阳极侧隔离物6a内表面上的MEA 5和配置在MEA 5周围的密封垫9a时{即，当经过阳极侧隔离物同时观察阳极侧隔离物6a、MEA 5和密封垫9a时(放大率为1)}，阳极侧隔离物的“对应于阳极侧间隙的区域”是具有与形成于MEA 5和密封垫9a之间的“阳极侧间隙”10a相同的横截面尺寸和形状的管状区域A1。在图2中，例如，当从阳极侧隔离物6a主表面的法线方向观察时，阳极侧隔离物6a的区域A1与“阳极间隙”10a完全重叠。
本发明的冷却流体通道不应该与阳极侧间隙相通。如图1所示，冷却流体通道可以形成为阳极侧隔离物不与MEA 5相接触的主表面上的凹槽。或者，冷却流体通道可以在阳极侧隔离物6a的内部形成。在图1所示的阳极侧隔离物6a中，例如，冷却流体通道可以在对应于阳极侧间隙的区域A1中形成，这样冷却流体通道不会与阳极侧间隙10a相通。
阴极侧隔离物的“对应于阴极侧间隙的区域”意味着：当从阴极侧隔离物主表面的法线方向同时观察阴极侧隔离物、配置在阴极侧隔离物内表面上的MEA和配置在MEA周围的密封垫时{即，当经过阴极侧隔离物同时观察阴极侧隔离物、MEA和密封垫时(放大率为1)}，阴极侧隔离物的区域的横截面尺寸和形状与形成于MEA和密封垫之间的“阴极侧间隙”相同。
这里省略了对“对应于阴极侧间隙的区域”的详细解释，因为通过将上文中参考图1和2得到的对“对应于阳极侧间隙的区域A1”的解释应用于图1的阴极侧隔离物6b，可以容易理解“对应于阴极侧间隙的区域”。
“对应于阳极侧间隙的区域附近”指的是如上所述的“对应于阳极侧间隙的区域”的“周围区域”(参见，例如，后文所述的图1所示的区域A2或A3)，在这里流入阳极侧间隙中的反应气体中的水蒸汽将会冷凝以便用冷凝水充满阳极侧间隙。该“周围区域”可以在相对于“对应于阳极侧间隙的区域”的内部(例如，后文所述的图1所示的区域A2)，或者在相对于“对应于阳极侧间隙的区域”的外部(例如，后文所述的图1所示的区域A3)。
该“对应于阳极侧间隙的区域附近”的尺寸根据燃料电池的操作条件和构造条件而变化，例如阳极侧隔离物(构成材料)的导热性、阳极侧隔离物的温度、反应气体的温度和流速(流量)、冷却流体(例如，冷却水)的温度和流速(流量)、以及发电的输出。
因此，尽管在后文所述的图1中，冷却流体通道8a位于对应于阳极侧间隙10a的区域A1的“附近区域A2”，冷却流体通道8a可以以下述方式形成：其位于对应于阳极侧间隙10a的“区域A1”。
“对应于阴极侧间隙的区域附近”指的是“对应于阴极侧间隙的区域”的“周围区域”，在这里流入阴极侧间隙中的反应气体中的水蒸汽将会冷凝以便用冷凝水充满阴极侧间隙。“周围区域”可以在相对于“对应于阴极侧间隙的区域”的内部，或者在相对于“对应于阴极侧间隙的区域”的外部。
该“对应于阴极侧间隙的区域附近”的尺寸根据燃料电池的操作条件和构造条件而变化，例如阴极侧隔离物(构成材料)的导热性、阴极侧隔离物的温度、反应气体的温度和流速(流量)、冷却流体(例如，冷却水)的温度和流速(流量)、以及发电的输出。
冷却流体通道的“上游部分”指的是满足方程：L1≦L2的流体通道部分。在该方程中，L1表示冷却流体通道的“上游部分”的长度。同样，在该方程中，假设当冷却流体通道在阳极侧隔离物中形成时，阳极侧间隙为气体通道，则L2表示阳极侧间隙的总长度；或者假设当冷却流体通道在阴极侧隔离物中形成时，阴极侧间隙为气体通道则L2表示阴极侧间隙的总长度。冷却流体通道的“上游部分”指的是从连接用于供给冷却流体的歧管孔的冷却流体通道的一端延伸至满足下述方程的位置的部分：L1≦L2的位置的部分。本发明的发明人发现，满足方程：L1≦L2的冷却流体通道的“上游部分”具有低温，因此流入阳极侧间隙或阴极侧间隙的含有水分的反应气体可以充分冷却，并且可以获得下述的本发明的效果。
在本发明中，条件(II)“阳极侧隔离物和阴极侧隔离物中至少一个的冷却流体通道的上游部分以下述方式形成：其包括对应于燃料气体通道和氧化剂气体通道中至少一个的中游部分和后续部分”指的是下述条件：其中，当从其上形成有冷却流体通道的任一个隔离物主表面的法线方向同时观察冷却流体通道和间隙时{即，当经过隔离物同时观察冷却流体通道与通过隔离物、MEA和密封垫形成的间隙时(等倍观察)}，上述“冷却流体通道的上游部分”以下述方式形成：其包括阳极侧隔离物的“对应于燃料气体通道的中游部分和后续部分的区域”和阴极侧隔离物的“对应于氧化剂气体通道的中游部分和后续部分的区域”中的至少一个，或者“任一个区域附近”的至少一部分。即，当如上所述地进行观察时，冷却流体通道的上游部分以下述方式形成：冷却流体通道的上游部分与至少一个上述区域{即，“对应于燃料气体通道的中游部分和后续部分的区域”、“对应于氧化剂气体通道的中游部分和后续部分的区域”、“对应于燃料气体通道的中游部分和后续部分的区域附近”以及“对应于氧化剂气体通道的中游部分和后续部分的区域附近”}的一部分重合。
下面解释“对应于燃料气体通道的中游部分和后续部分的区域”、“对应于氧化剂气体通道的中游部分和后续部分的区域”、“对应于燃料气体通道的中游部分和后续部分的区域的区域附近”、“对应于氧化剂气体通道的中游部分和后续部分的区域附近”、以及“气体通道地中游部分和后续部分”。
首先，解释“燃料气体通道的中游部分和后续部分”和“氧化剂气体通道的中游部分和后续部分”。“气体通道的中游部分和后续部分”指的是满足方程：L3≦{(2/3)×L4}的气体通道部分。在该方程中，L3表示气体通道的“中游部分和后续部分”的长度。同样，L4表示气体通道(燃料气体通道或氧化剂气体通道)的总长度。气体通道的“中游部分和后续部分”指的是从连接用于排出反应气体的歧管孔的气体通道的一端延伸至满足下述方程的位置的部分：L3≦{(2/3)×L4}。气体通道(燃料气体通道或氧化剂气体通道)指的是从其连接用于供给反应气体的歧管孔的一端延伸至连接用于排出反应气体的歧管孔的另一端的部分。
与含有多种反应成分{燃料成分(还原成分)、氧化剂成分}的上游部分所含的反应气体相比，满足方程：L3≦{(2/3)×L4}的气体通道的“中游部分和后续部分”所含的反应气体中，水分的含量随着反应成分的减少和反应中水的产生而增加。基于此点，本发明的发明人发现，下文所述的本发明的效果可以通过使用结构(II)、由此满足方程：L3≦{(2/3)×L4}的气体通道的“中游部分和后续部分”所含的反应气体容易地流入阳极侧间隙或阴极侧间隙而获得，
从确保本发明的效果的观点出发，优选“气体通道的中游部分和后续部分”是满足方程：L3≦{(1/2)×L4}的下游部分，更优选是满足方程：L3≦{(1/3)×L4}的更下游的部分。
阳极侧隔离物的“对应于燃料气体通道的中游部分和后续部分的区域”意味着：当从阳极侧隔离物主表面的法线方向观察时，阳极侧隔离物的区域的横截面尺寸和形状与如上所述的本发明的“燃料气体通道的中游部分和后续部分”相同。
阴极侧隔离物的“对应于氧化剂气体通道的中游部分和后续部分的区域”意味着：当从阴极侧隔离物主表面的法线方向观察时，阴极侧隔离物的区域的横截面尺寸和形状与如上所述的本发明的“氧化剂气体通道的中游部分和后续部分”相同。
阳极侧隔离物的“对应于燃料气体通道的中游部分和后续部分的区域附近”指的是“对应于燃料气体通道的中游部分和后续部分的区域”的“周围区域”，在这里从燃料气体通道流入阳极侧间隙的反应气体的水蒸汽冷凝，从而用冷凝水充满阳极侧间隙。该“周围区域”可以在相对于“对应于燃料气体通道的中游部分和后续部分的区域”的内部，或者在相对于“对应于燃料气体通道的中游部分和后续部分的区域”的外部。
该“对应于燃料气体通道的中游部分和后续部分的区域附近”的尺寸根据燃料电池的操作条件和构造条件而改变，例如阳极侧隔离物(构成材料)的导热性、阳极侧隔离物的温度、反应气体的温度和流速(流量)、冷却流体(例如，冷却水)的温度和流速(流量)、以及发电的输出。
阴极侧隔离物的“对应于氧化剂气体通道的中游部分和后续部分的区域附近”指的是“对应于氧化剂气体通道的中游部分和后续部分的区域”的“周围区域”，在这里从氧化剂气体通道流入阴极侧间隙的反应气体的水蒸汽冷凝，从而用冷凝水充满阳极侧间隙。“周围区域”可以在相对于“对应于氧化剂气体通道的中游部分和后续部分的区域”的内部，或者在相对于“对应于氧化剂气体通道的中游部分和后续部分的区域”的外部。
该“对应于氧化剂气体通道的中游部分和后续部分的区域附近”的尺寸根据燃料电池的操作条件和构造条件而改变，例如阴极侧隔离物(构成材料)的导热性、阴极侧隔离物的温度、反应气体的温度和流速(流量)、冷却流体(例如，冷却水)的温度和流速(流量)、以及发电的输出。
在前文所述的传统电池中，在除隔离物的“对应于阳极侧间隙的区域”和“对应于阴极侧间隙的区域”以外的区域形成气体通道以防止气体泄露。但是，经过广泛的研究，本发明的发明人发现，甚至当在除隔离物的“对应于间隙的区域”以外的区域形成气体通道时，气体泄漏仍通过间隙发生，这导致发电效率的下降。广泛研究的结果是，本发明的发明人发现了一种以积极的方式利用“气体泄露”的方法。具体地说，他们发现能够非常有效地形成满足条件(I)和(II)的隔离物的“冷却流体通道的上游区域”，从而使得流入形成于密封垫和膜电极接合体之间的间隙(阳极间隙、阴极间隙)的反应气体中的水蒸汽在至少部分间隙中冷凝，并且使至少一个间隙用冷凝水充满，从而实现上述目标。基于此发现，完成了本发明。
换句话说，在本发明的燃料电池中，形成了下述部分：其中形成于密封垫和膜电极接合体之间的间隙(阳极间隙、阴极间隙)、其中流动着相对低温的冷却流体的冷却流体通道的“上游部分”、以及其中流动着具有相对大量湿气的气体的气体通道(燃料气体通道、氧化剂气体通道)的“中游部分和后续部分”彼此接近地配置，从而满足条件(I)和(II)，由此至少一个间隙用冷凝水充满，因此反应气体可以比传统的燃料电池得到更有效的利用。
而且，在本发明中，冷却流体通道、燃料气体通道和氧化剂气体通道以下述方式形成：它们的主要部分基本彼此平行。
因此，无论在至少一个MEA中冷却流体通道、燃料气体通道和氧化剂气体通道在数量上是否相同或不同，当从平行于隔离物主表面的平面观察时，可以通过非常简单的方式，使冷却流体从冷却流体通道的上游到下游的整体流动方向(运动方向)以及反应气体(燃料气体或氧化剂气体)从气体通道的上游到下游的整体流动方向(运动方向)基本相同。
结果，由于其中流动着具有大量水蒸汽的反应气体的气体通道的下游区域与其中流动着高温冷却流体的冷却流体通道的下游区域相对应，饱和蒸汽压(P0 H20)在反应气流的下游侧增大，使过量产生的冷凝水减少。因此，电极表面的含水量保持在良好的水平，并且能够确保防止在气体扩散电极的催化剂层的溢流。这样，通过减少在反应气流的上游侧的饱和蒸汽压(P0 H20)，能够进一步确保防止高分子电解质膜的干燥。而且，在这种情况下，由于具有更高浓度的反应物和大量反应热的反应气流的上游区域对应于具有低温冷却流体流的上游区域，可以充分减少气体扩散电极主表面上的温度分布差异，从而确保更有效地冷却燃料电池。
现在解释本发明中的条件“冷却流体通道，燃料气体通道和氧化剂气体通道以下述方式形成：它们的主要部分彼此基本平行”。
首先，在本发明中，为有效使用尺寸有限的隔离物主表面，冷却流体通道、燃料气体通道和氧化剂气体通道各自包括从隔离物主表面的一端延伸到另一端的“长通道”和包括用于形成转角的弯曲部分以便使长通道延伸到另一端的“短通道”。从有效使用尺寸有限的隔离物的观点出发，特别是在本发明中，如后文的具体实施方式所述，优选冷却流体通道、燃料气体通道和氧化剂气体通道各自包括具有从隔离物主表面的一端延伸至另一端的直线通道(长通道)和包含弯曲部分的转角部分(短通道)的蛇形通道。
条件“冷却流体通道、燃料气体通道和氧化剂气体通道以下述方式形成：它们的主要部分彼此基本平行”指的是下述关系：其中，三种通道(冷却流体通道、燃料气体通道和氧化剂气体通道)的“长通道”在几何上彼此基本平行，除了“由于设计限制而不能形成通道的区域”。术语“基本平行”包括下述条件：其中，因为制作条件的限制而难以获得几何上严格平行的条件，在一对其间夹有MEA的面对的隔离物的取向过程中，由于误差(装配偏差)而导致通道稍微偏离几何上严格平行的条件。流经彼此基本平行配置的通道的流体(冷却流体、反应气体)的运动方向可以相同(后文称作“平行流”)或相反(后文称作“相反流”)。甚至当流体的流动方向彼此相反时，只要从平行于隔离物主表面的平面观察时，冷却流体从冷却流体通道的上游到下游的整体流动方向(运动方向)和反应气体(燃料气体或氧化剂气体)的整体流动方向(运动方向)基本相同，就能够获得本发明的效果，例如防止高分子电解质膜的干燥和有效地冷却燃料电池(参见，例如，图7和8)。
“由于设计限制而不能形成通道的区域”指的是这样的区域：其中，由于下文所述的设计限制(α)和(β)，三种通道(冷却流体通道、燃料气体通道和氧化剂气体通道)的“长通道”不能形成为几何上彼此基本平行。
(α)为独立地形成三种通道(冷却流体通道、燃料气体通道和氧化剂气体通道)，用于供给反应气体的歧管孔和用于排出反应气体的歧管孔、用于供给冷却流体的歧管孔和用于排出冷却流体的歧管孔应当在隔离板的不同位置形成。因此，连接各歧管孔和各通道的区域在不同位置形成。因此，在一个隔离物上，不可能使反应气体的流动方向和冷却流体的流动方向完全相同。换句话说，在这样的部分，三种通道的“长通道”不能配置为彼此基本平行。无论隔离物是否是所谓的外部歧管型隔离物或所谓的内部歧管型隔离物，这点均适用。
(β)当在隔离物的一个主表面上形成的气体通道和在隔离物的另一个主表面(或内部)上形成的冷却流体通道具有不同数量的“长通道”和“短通道”时，当从隔离物主表面的法线方向观察时，例如，可以发现这样的区域：其中，反应气体通道的部分“长通道”和冷却流体通道的部分“短通道”重合。同样，在这样的部分中，三种通道不能配置为彼此基本平行。
(γ)由于形成这样的区域：其中，形成于密封垫和膜电极接合体之间的间隙(阳极侧间隙、阴极侧间隙)、其中流动着相对低温的冷却流体的冷却流体通道的“上游部分”、以及其中流动着具有相对大量水分的气体的气体通道的“中游部分和后续部分”彼此接近地形成，同样，在该部分中，三种通道不能配置为彼此基本平行。
如上所述，根据本发明的结构，例如，通过调节气体通道的操作条件和几何条件{例如，气体通道的横截面(基本垂直于气流方向的截面)的形状、气体通道横截面的周长、气体通道的凹槽宽度(隔离物上的凸缘(rib)之间的距离)、气体通道的凹槽深度(隔离物的各凸缘高度)、气体通道的长度(气体通道连接用于供给反应气体的歧管孔的一端到连接用于排出反应气体的歧管孔的另一端之间的长度)}中的至少一个，可以在电极反应中有效地使用反应气体，甚至当间隙如上所述地在阳极侧密封垫和阳极侧端面之间以及在阴极侧密封垫和阴极侧端面之间形成时也如此。因此，可以获得具有简单结构的、具有充足发电性能的燃料电池。
换句话说，例如，通过适当地调节燃料电池的操作条件和气体通道的几何条件，例如(i)入口处反应气体(即，用于供给燃料气体的歧管孔中的燃料气体和用于供给氧化剂气体的歧管孔中的氧化剂气体)的水蒸汽压(PH2O)，(ii)冷却流体的温度和流速，(iii)反应气体的利用率，和(iv)气体通道的几何条件和气体通道的压力损失(入口和出口的压差)，可以比传统燃料电池更简单确定地获得本发明的效果。
具体地说，即使在发电过程中含有大量水蒸汽的反应气体流入形成于阳极侧密封垫和膜电极接合体之间的阳极侧间隙以及形成于阴极侧密封垫和膜电极接合体之间的阴极侧间隙中的至少一个中，反应气体中含有的水蒸汽也能够通过配置在对应于阳极侧间隙或阴极侧间隙的冷却流体通道的上游部分而被有效地冷却，并且在至少部分间隙中冷凝，从而用冷凝水充满间隙。结果，在间隙被充满之后，反应气体不会流入间隙，因此确保反应气体供给到阳极表面或阴极表面。因此，反应气体在电极反应中被有效地使用，并且获得结构简单、具有充分发电性能的燃料电池。
而且，即使反应气体流入阳极侧间隙和阴极侧间隙中，反应气体中含有的水蒸汽也能够通过配置在对应于阳极侧间隙或阴极侧间隙的冷却流体通道的上游部分而被有效地冷却，并且在至少部分间隙中冷凝，从而用冷凝水充满间隙。结果，在间隙被充满之后，反应气体不会流入间隙，因此确保反应气体供给到阳极表面或阴极表面。因此，反应气体在电极反应中被有效地使用，并且获得结构简单、具有充分发电性能的燃料电池。
本发明书中使用的术语“反应气体”包括燃料气体、氧化剂气体以及含有未反应的反应气体和包含燃料气体和氧化剂气体的由电极反应所产生的产物的气体。
本发明还提供了一种燃料电池堆，其包括多个堆叠的燃料电池，其中至少一个如上所述的本发明的燃料电池被加入该燃料电池堆中作为燃料电池。
由于本发明的燃料电池堆包括至少一个本发明的燃料电池，在确保结构简单和充分的发电效率的同时，可以有效地利用电极反应中的反应气体。
根据本发明，即使在发电过程中含有大量水蒸汽的反应气体流入形成于阳极侧密封垫和膜电极接合体之间的阳极侧间隙和形成于阴极侧密封垫和膜电极接合体之间的阴极侧间隙中的至少一个，反应气体中含有的水蒸汽也能够通过配置在对应于阳极侧间隙或阴极侧间隙的冷却流体通道的上游部分而被有效冷却，并且在至少部分间隙中冷凝，从而用冷凝水充满间隙。
结果，在间隙被充满之后，反应气体不会流入间隙，因此确保反应气体供给到阳极表面或阴极表面。因此，反应气体在电极反应中被有效使用，并且获得发电性能显著改善的燃料电池。
而且，因为本发明采用构造有气体通道的隔离物以增加形成于膜电极接合体和密封垫之间的间隙的相对湿度，可以防止从用于供给反应气体的歧管孔流至用于排出反应气体的歧管孔的反应气体经过该间隙而不是经过阳极或阴极。因此，全部的反应气体可以用于发电，因此可以提供具有高发电性能的燃料电池。
但是，根据本发明，可以提供一种包括本发明的燃料电池的燃料电池堆，其中反应气体在电极反应中被有效地使用，并且确保结构简单、发电性能充分。
附图说明
图1是根据本发明的实施方式1的高分子电解质燃料电池的相关部分的截面示意图，说明了其基本结构。
图2是从冷却流体通道8a侧观察图1所示的燃料电池10的阳极侧隔离物6a的主表面的正视图。
图3是从气体通道7a侧观察图1所示的燃料电池10的阳极侧隔离物6a的主表面的正视图。
图4是从气体通道7b侧观察图1所示的燃料电池10的阴极侧隔离物6b的主表面的正视图。
图5是从冷却流体通道8b侧观察图1所示的燃料电池10的阴极侧隔离物6b的主表面的正视图。
图6是按照图1中的X-X线获得的燃料电池10的截面示意图(在除去阳极隔离物6a的情况下，从垂直于阳极4a的主表面的方向观察的燃料电池10的膜电极接合体5的阳极4a的主表面的正视图)。
图7是从冷却流体通道8a侧观察的图1所示的燃料电池10的阳极侧隔离物6a的主表面的正视图。
图8是从气体通道7a侧观察的图1所示的燃料电池10的阳极侧隔离物6a的主表面的正视图。
图9是说明按照图2中的Y-Y线获得的燃料电池10的截面的截面示意图。
图10是包括多个图1所示的燃料电池10的燃料电池堆(根据本发明的实施方式1的燃料电池堆)的相关部分的截面示意图，说明了其基本结构。
图11是从冷却流体通道8a侧观察并入到根据本发明的实施方式2的燃料电池中的阳极侧隔离物26a的主表面的正视图。
图12是从气体通道7a侧观察并入到根据本发明的实施方式2的燃料电池的阳极侧隔离物26a的主表面的正视图。
图13是从气体通道7b侧观察并入到根据本发明的实施方式2的燃料电池的阳极侧隔离物26b的主表面的正视图。
图14是从冷却流体通道8b侧观察并入到根据本发明的实施方式2的燃料电池的阴极侧隔离物26b的主表面的正视图。
图15是从冷却流体通道8b侧观察并入到根据本发明的实施方式3的燃料电池的阳极侧隔离物46a的主表面的正视图。
图16是从气体通道7a侧观察并入到根据本发明的实施方式3的燃料电池的阳极侧隔离物46a的主表面的正视图。
图17是从气体通道7b侧观察并入到根据本发明的实施方式3的燃料电池的阴极侧隔离物46b的主表面的正视图。
图18是从冷却流体通道8b侧观察并入到根据本发明的实施方式3的燃料电池的阴极侧隔离物46b的主表面的正视图。
图19是根据本发明的实施方式4的燃料电池和燃料电池堆的相关部分的截面示意图，说明了它们的基本结构。
图20是根据本发明的实施方式5的燃料电池堆的相关部分的截面示意图，说明了其基本结构。
图21根据图20所示的实施方式5的具有燃料电池堆30B的结构的燃料电池堆的截面示意图。
图22是从冷却流体通道8b侧观察并入到根据本发明的实施方式6的燃料电池和燃料电池堆的阴极侧隔离物46b的主表面的正视图。
图23是从气体通道7b侧观察并入到根据本发明的实施方式6的燃料电池和燃料电池堆的阴极侧隔离物6b的主表面的正视图。
图24是从气体通道7a侧观察并入到根据本发明的实施方式6的燃料电池和燃料电池堆的阳极侧隔离物6A的主表面的正视图。
图25是从气体通道7b侧观察并入到根据本发明的实施方式6的燃料电池和燃料电池堆的阳极侧隔离物6B的主表面的正视图。
图26是从未形成气体通道7a的一侧观察并入到根据本发明的实施方式6的燃料电池和燃料电池堆的阳极侧隔离物6A的主表面的正视图。
图27是从冷却流体通道8f侧观察并入到根据本发明的实施方式7的燃料电池堆的末端侧隔离物6e的主表面的正视图。
图28是根据本发明的另一个实施方式的燃料电池的相关部分的截面示意图，说明了其基本结构。
图29是根据本发明的又一个实施方式的燃料电池的相关部分的截面示意图，说明了其基本结构。
图30是根据本发明的再一个实施方式的燃料电池的相关部分的截面示意图，说明了其基本结构。
图31是从冷却流体通道80b侧观察比较实施例的隔离物60b的主表面的正视图。
图32是从气体通道70b侧观察比较实施例的隔离物60b的主表面的正视图。
图33是从冷却流体通道80f侧观察比较实施例的末端隔离物60e的主表面的正视图。
图34是传统的高分子电解质燃料电池的相关部分的截面示意图，说明了其基本结构。
具体实施方式
参考附图，对本发明的优选实施方式进行描述。应当理解，相同的参考数字对应相同或相应的部件，并且省略了某些多余的描述。
实施方式1
图1是根据本发明的实施方式1的高分子电解质燃料电池的相关部分的截面示意图，说明了其基本结构。图2是从冷却流体通道8a侧观察图1所示的燃料电池10的阳极侧隔离物6a的主表面的正视图。图3是从气体通道7a侧观察图1所示的燃料电池10的阳极侧隔离物6a的主表面的正视图。图4是从气体通道7b侧观察图1所示的燃料电池10的阴极侧隔离物6b的主表面的正视图。图5是从冷却流体通道8b侧观察图1所示的燃料电池10的阴极侧隔离物6b的主表面的正视图。
图6是按照图1中的X-X线获得的燃料电池10的截面示意图(在除去阳极隔离物6a的情况下，从垂直于阳极4a的主表面的方向观察的燃料电池10的膜电极接合体5的阳极4a的主表面的正视图)。图7是从冷却流体通道8a侧观察的图1所示的燃料电池10的阳极侧隔离物6a的主表面的正视图。图8是从气体通道7a侧观察的图1所示的燃料电池10的阳极侧隔离物6a的主表面的正视图。图9是说明按照图2中的Y-Y线获得的燃料电池10的截面的截面示意图。图10是包括多个图1所示的燃料电池10的燃料电池堆(根据本发明的实施方式1的燃料电池堆)的相关部分的截面示意图，说明了其基本结构。
根据图1所示的实施方式1的燃料电池10包括至少一个单电池，上述单电池包括膜电极接合体5(后文称作“MEA5”)、一对将膜电极接合体5夹在中间的隔离板(即，阳极侧隔离物6a和阴极侧隔离物6b)、配置在膜电极接合体5的阳极4a周围的阳极侧密封垫9a、以及配置在膜电极接合体5的阴极4b周围的阴极侧密封垫9b。
如图1所示，膜电极接合体5主要由阳极4a和阴极4b之间的阳离子(氢离子)传导性高分子电解质膜1构成。
高分子电解质膜1是固体电解质并且具有氢离子传导性，并且能够选择性地输送氢离子。在发电过程中，在膜电极接合体9中，阳极4a产生的氢离子通过该高分子电解质膜1迁移到阴极4b。
高分子电解质膜1没有特别限制，可以使用任意用于传统固体高分子电解质燃料电池的高分子电解质膜。例如，可以使用由全氟碳磺酸制成的高分子电解质膜(Nafion(商品名)，购买自E.I.Du Pont deNemours & Co.Inc.，USA；Fleimon(商品名)，购买自Asahi Glass Co.Ltd.；以及GSII，购买自Japan Goretex Inc.)。
高分子电解质膜1的阳离子交换基团的优选例子包括磺酸基、羧酸基、磷酸基以及砜酰亚胺基。从质子传导性的观点出发，优选高分子电解质膜1具有磺酸基。
作为构成具有磺酸基的高分子电解质膜的树脂，优选离子交换容量为0.5到1.5meq/克干树脂的树脂。优选离子交换容量不小于0.5meq/克干树脂的高分子电解质膜，因为可以进一步减少在发电过程中增加的高分子电解质膜的阻力值。还优选离子交换容量不大于1.5meq/克干树脂的高分子电解质膜，因为在保持高分子电解质膜的含水量的同时能够容易地确保催化剂层的优异的气体扩散性质。根据上述讨论，特别优选离子交换容量为0.8到1.2meq/克干树脂。
优选高分子电解质膜包括含有基于下式表示的全氟乙烯基化合物的聚合单元：CF2＝CF-(OCF2CFX)m-Op-(CF2)n-SO3H(其中m是0到3的整数，n是1到12的整数，p是0或1，X是氟原子或三氟甲基)和基于四氟乙烯的聚合单元的共聚物。
氟乙烯基化合物的优选例子包括下式(1)到(3)表示的化合物。在下式中，q为1到8的整数，r为1到8的整数，t为1到3的整数。
CF2＝CFO(CF2)q-SO3H                ...(1)
CF2＝CFOCF2CF(CF3)O(CF2)r-SO3H    ...(2)
CF2＝CF(OCF2CF(CF3))tO(CF2)2-SO3H  ...(3)
高分子电解质膜1可以包括一种高分子电解质或多种高分子电解质。
从确保充分的机械强度的观点出发，高分子电解质膜可以进一步包括能够确保其内部的氢离子传导性的加强件(填充剂)。这种加强件的材料的例子包括聚四氟乙烯和聚氟代烷氧基乙烯。加强件可以是其中具有能够保持高分子电解质(具有氢离子传导性)的气孔的多孔构件，或者是包括原纤化纤维的加强件。
如这里所使用的，原纤化纤维指的是这样的纤维：其表面具有突出的原纤维(小纤维)(即，原纤化的)，其中在原纤维之间形成非常细小的空气室(气孔)。例如，纤维素纤维包括由大量纤维组成的纤维束，并且在原纤维之间具有非常细小的空气室(气孔)。
如图1所示，阴极4b主要由配置在高分子电解质膜1主表面上的催化剂层2b(阴极催化剂层2b)和配置在催化剂层2b外部的气体扩散层3c(阴极扩散层3c)构成。
催化剂层2b的组成没有特别限制，只要能够获得本发明的效果。其可以与用于传统燃料电池所含的气体扩散电极的催化剂层具有相同的组成。例如，阴极催化剂层2b可以包括其上负载有电极催化剂的导电性碳颗粒和阳离子(氢离子)传导性高分子电解质。其可以进一步包括疏水材料，例如聚四氟乙烯。高分子电解质可以是与用于高分子电解质膜1相同的高分子电解质或与其不同类型的高分子电解质。作为高分子电解质，可以使用用于高分子电解质膜1的那些。
阴极电极催化剂由金属颗粒(例如，包括贵金属的金属颗粒)形成。阴极电极催化剂在使用前通过导电性碳颗粒(粉)负载。金属颗粒没有特别限制，可以使用各种金属。从电极反应活性的观点出发，优选金属颗粒选自铂、金、银、钌、铑、钯、锇、铱、铬、铁、钛、锰、钴、镍、钼、钨、铝、硅、锌和锡中的至少一种。
更具体地说，电极催化剂颗粒的平均颗粒尺寸为1到5纳米。优选电极催化剂的平均颗粒尺寸不小于1纳米，因为其即使在工业规模也可以容易地制备。还优选电极催化剂的平均颗粒尺寸不大于5纳米，因为能够更容易地确保每单位重量的电极催化剂的活性，从而使得燃料电池的成本下降。
优选导电性碳颗粒的比表面积为50到1500m2/g。优选比表面积不小于50m2/g，因为可以增加电极催化剂负载率并且进一步确保获得的阴极催化剂层2b的输出性质。还优选比表面积不大于1500m2/g，因为可以容易地确保其中的孔具有足够尺寸并且碳颗粒可以用高分子电解质容易地覆盖，并且可以进一步确保阴极催化剂层2b的输出性质。据此，特别优选比表面积为200到900m2/g。
特别优选导电性碳颗粒的平均颗粒尺寸为0.1到1.0微米。优选平均颗粒尺寸不小于0.1微米，因为可以更容易地确保阴极催化剂层2b的气体扩散性，这将进一步确保防止溢流。还优选平均颗粒尺寸不大于1.0微米，因为高分子电解质覆盖电极催化剂的条件可以被容易地调节到优异的条件，使其可以容易地增加电极催化剂被高分子电解质覆盖的面积。因此，容易地确保充足的电极性能。
作为气体扩散层3b，为赋予透气性，可以使用由具有高表面积的细碳粉制成的多孔性导电基底、造孔剂、碳纸或碳布。从赋予充足的透水性的观点出发，可以将疏水聚合物例如氟碳树脂分散在气体扩散层3b中。从赋予充足的导电性的观点出发，气体扩散层3b可以包括导电性材料，例如碳纤维、金属纤维或细碳粉。
如图1所示，阳极4a主要由配置在高分子电解质膜1主表面上的催化剂层2a(阳极催化剂层2a)和配置在催化剂层2a外部的气体扩散层3a(阳极气体扩散层3a)构成。
催化剂层2a包括通过使碳粉负载电极催化剂而获得的负载催化剂的碳、以及氢离子传导性高分子电解质。阳极电极催化剂没有特别限制，可以使用任意用于已知的高分子电解质燃料电池的阳极电极催化剂。例如，可以使用含有Pt作为其构成成分的金属微粒。为了对一氧化碳赋予优异的耐久性，可以使用含有Pt和Ru作为其构成成分的金属微粒。
气体扩散层3a的组成没有特别限制，只要能够获得本发明的效果。其可以具有与用于传统燃料电池所含的气体扩散电极的气体扩散层相同的组成。例如，其可以具有与气体扩散层3b(阴极气体扩散层3b)相同的组成。气体扩散层3a可以具有与气体扩散层3b相同或不同的组成。
如图1、6和9所示，在MEA 5中，为设置用于防止气体泄漏的阳极侧密封垫9a和阴极侧密封垫9b，高分子电解质膜1的主表面比阳极4a和阴极4b的大。同时，高分子电解质膜1的整个外围(图1中用字母P表示的区域)向外延伸超过阳极4a和阴极4b的外围。尽管没有在图9中示出，高分子电解质膜1(其主表面)延伸经过由阳极侧密封垫9a和阳极4a(即，气体扩散层3a和催化剂层2a)形成的阳极侧间隙10a而存在。如前所解释的那样，在本说明书中，向外延伸超过阳极4a和阴极4b的外围的高分子电解质膜1的外围P，被称作“凸起部分”。
现在解释阳极侧隔离物6a和阴极侧隔离物6b进行。阳极侧隔离物6a和阴极侧隔离物6b具有传导性并且用于机械地固定MEA 5。当多个单电池堆叠时，它们还用于将邻近的MEA 5彼此以串联方式电连接。
在阳极4a的一个表面(即，阳极侧隔离物6a与MEA 5相接触的主表面)上形成气体通道7a，该气体通道7a用于供给反应气体(燃料气体)和将含有电极反应产物和未反应的反应气体的气体排到MEA 5的外部。
在阴极4b的一个表面(即，阴极侧隔离物6b与MEA 5相接触的主表面)上形成气体通道7b，该气体通道7b用于供给反应气体(氧化剂气体)和将含有电极反应产物和未反应的反应气体的气体排到MEA5的外部。
在阳极侧隔离物6a的与其上形成有气体通道7a的主表面相对的另一个主表面上形成冷却流体通道8a，该冷却流体通道8a用于引入冷却流体(例如，冷却水)以便将发电过程中的电池温度调节到恒定水平。在阴极侧隔离物6b的与其上形成有气体通道7b的主表面相对的另一个主表面上形成冷却流体通道8b，该冷却流体通道8b用于引入冷却流体(例如，冷却水)以便将发电过程中的电池温度调节到恒定水平。通过使冷却流体在燃料电池10和设置在燃料电池外部的热交换器(未示出)之间循环，可以通过热水或类似的形式利用反应产生的热能。
气体通道7a通过在阳极侧隔离物6a的与MEA 5相接触的主表面上提供凹槽而形成，因为可以实现制造过程的简化。为了同样的原因，冷却流体通道8a也通过在阳极侧隔离物6a的与其上形成有气体通道7a的主表面相对的另一个主表面上提供凹槽而形成。而且，为了同样的原因，冷却流体通道8b也通过在与阴极侧隔离物6b的其上形成有气体通道7a的主表面相对的另一个主表面上提供凹槽而形成。
在根据实施方式1的燃料电池10中，如图5所示，阴极侧隔离物6b的冷却流体通道8b具有与图2所示的阳极侧隔离物6a的冷却流体通道8a相同的形状。
由于单电池10能够输出的电压值有限(理论上，当氢气用作还原剂而氧用作氧化剂时，大约为1.23V)，燃料电池10通常用作如图10所示的燃料电池堆30的单电池，从而根据操作环境提供预期的输出电压。图10所示的燃料电池堆30包括图1到9所示的燃料电池10。
如图10所示，燃料电池堆30通过将阳极侧隔离物6a和阴极侧隔离物6b配置在多个MEA 5中的邻近的每一对之间而获得，并且以串联方式将多个MEA 5电连接。在这种情况下，燃料电池堆30的构造还需要：将通过外部燃气管(未示出)供给到燃料电池堆30的反应气体分流并且将反应气体供给到每一个MEA 5的歧管、将从每一个MEA5排出的所有气体排放到燃料电池堆30外部的歧管、以及将通过外部管道(未示出)供给到燃料电池堆30的冷却流体分流到需要的数量并且将其供给到阳极侧隔离物6a和阴极侧隔离物6b中的至少一个中的歧管。
因此，如图2、3、4和5所示，供给燃料气体的歧管孔14、排出燃料气体的歧管孔15、供给冷却流体的歧管孔16、排出冷却流体的歧管孔17、供给氧化剂气体的歧管孔18和排出氧化剂气体的歧管孔19在阳极侧隔离物6a和阴极侧隔离物6b中形成。
在各燃料电池10的阳极侧隔离物6a中，冷却流体通道8a的一端连接供给冷却流体的歧管孔16，另一端连接排出冷却流体的歧管孔17。同样，在各燃料电池的阳极侧隔离物6a中，气体通道7a的一端连接供给燃料气体的歧管孔14，另一端连接排出燃料气体的歧管孔15。在各燃料电池10的阴极侧隔离物6b中，冷却流体通道8b的一端连接供给冷却流体的歧管孔16，另一端连接排出冷却流体的歧管孔17。在各燃料电池的阴极侧隔离物6b中，气体通道7b的一端连接供给氧化剂气体的歧管孔18，另一端连接排出氧化剂气体的歧管孔19。
换句话说，本发明的燃料电池10的结构称作“内部歧管型”，其中歧管在隔离物中形成。
在该燃料电池10中，如图2和3所示，阳极侧隔离物6a具有下述结构从而实现本发明的效果。具体地说，在阳极侧隔离物6a中，形成了这样的部分：其中，形成于阳极侧密封垫9a和MEA 5之间的阳极侧间隙10a、冷却流体通道8a的“上游部分”和燃料气体通道7a的“中游部分和后续部分”(特别是燃料电池10中的下游部分)互相接近地形成，从而满足条件(I)和(II)。由此，阳极侧间隙10a用冷凝水充满，因此反应气体比传统的燃料电池更有效地利用。
在燃料电池堆30中，供给燃料气体的歧管(未示出)通过使连续堆叠形成燃料电池堆30的燃料电池10的阳极侧隔离物6a和阴极侧隔离物6b的多个供给燃料气体的歧管孔14排成一行形成。而且，在燃料电池堆30中，排出燃料气体的歧管(未示出)通过使连续堆叠形成燃料电池堆30的燃料电池10的阳极侧隔离物6a和阴极侧隔离物6b的多个排出燃料气体的歧管孔15排成一行形成。而且，在燃料电池堆30中，其它歧管(未示出)按照与上述供给燃料气体的歧管相同的方法，通过分别使供给冷却流体的歧管孔16、排出冷却流体的歧管孔17、供给氧化剂气体的歧管孔18和排出氧化剂气体的歧管孔19排成一行形成。
图6是按照图1中的X-X线获得的燃料电池10的截面示意图(即，在除去阳极侧隔离物6a的情况下，从阳极4a主表面的法线方向观察的正视图)。如图1和6所示，在本发明的燃料电池中，为防止反应气体的泄漏(例如，燃料气体泄漏到阴极4b、氧化剂气体泄漏到阳极4a、反应气体泄漏到MEA5的外部)，将一对具有气体密封功能的相对的密封垫，即，阳极侧密封垫9a和阴极侧密封垫9b，设置在处于相对的阳极侧隔离物6a和阴极侧隔离物6b之间的MEA5的周围(即，位于阳极4a和阴极4b外部的高分子电解质膜1的凸起部分P)。
阳极侧密封垫9a和阴极侧密封垫9b具有，例如，截面基本为矩形的连续圆形构件结构(环结构)，它们将整个高分子电解质膜1的凸起部分P夹在中间。并且，环绕阳极4a的单个封闭空间通过阳极侧隔离物6a、高分子电解质膜1和阳极侧密封垫9a形成。同样，环绕阴极4b的另一个封闭空间通过阴极侧隔离物6b、高分子电解质膜1和阳极侧密封垫9b形成。这些封闭空间防止供给到阳极4a和阴极4b的反应气体泄漏。
阳极侧密封垫9a和阴极侧密封垫9b的材料没有特别限制，只要其具有气体密封功能，并且可以使用任意已知的用于高分子电解质燃料电池密封垫的材料。例如，阳极侧密封垫9a和阴极侧密封垫9b可以通过常规的已知方法，使用O形圈、橡胶片(例如，由氟橡胶制成的薄片)、由弹性树脂和刚性树脂组成的复合片、含氟合成树脂片等来制造。
然而，如上所述，当在上述位置设置阳极侧密封垫9a和阴极侧密封垫9b时，在构件的制造和装配过程中会发生偏差。因此，难以使阳极侧密封垫9a和阴极侧密封垫9b分别与阳极4a和阴极4b的端面充分紧密地接触。结果，如图1所示，在阳极侧密封垫9a和阳极4a之间以及在阴极侧密封垫9b和阴极4b之间会产生间隙(即，阳极侧间隙10a和阴极侧间隙10b)。
换句话说，在燃料电池10中，阳极侧间隙10a包含由高分子电解质膜1、阳极侧密封垫9a、阳极侧隔离物6a和阳极4a的端面形成的空间。同样，在燃料电池10中，阴极侧间隙10b包含由高分子电解质膜1、阴极侧密封垫9b、阴极侧隔离物6b和阴极4b的端面形成的空间。
当形成这样的阳极侧间隙10a和阴极侧间隙10b时，(部分)反应气体不流经气体通道7a或气体通道7b，而是泄漏并流入阳极侧间隙10a或阴极侧间隙10b。并且，(部分)反应气体不流经阳极4a或阴极4b，而是流经阳极侧间隙10a或阴极侧间隙10b到达MEA5的外部。因此，认为这样难以维持有效的发电性能，并且该问题不能通过传统技术彻底解决。
考虑到此，如图1、2和3所示，在燃料电池10中，为了使流入形成于阳极侧密封垫9a和膜电极接合体5之间的阳极侧间隙10a的反应气体中含有的水蒸汽在阳极侧间隙10a的至少一部分中冷凝并使冷凝水充满阳极侧间隙10a，冷却流体通道8a的上游部分在对应于阳极侧间隙10a的上游区域形成，这样其包括对应于燃料气体通道和氧化剂气体通道中至少一种的中游区域和后续区域的区域。
在图2中，“对应于阳极侧间隙10a的区域”是这样的区域：其包括图2中点线所示的A1区域，“对应于阳极侧间隙10a的区域附近”是包括环绕A1区域的A2区域(其位于相对于A1区域的内部)和A3区域(其位于相对于A1区域的外部)的区域。在燃料电池10中，如图1和2所示，冷却流体通道8a的上游部分以下述方式形成：上游部分的一部分位于“对应于阳极侧间隙10a的区域附近”的A2区域。此外，如图1和2所示，阳极侧隔离物6a的气体通道7a的中游和后续部分以下述方式形成：中游和后续部分的一部分位于图1的B2区域。该B2区域也是“对应于阳极侧间隙10a的区域附近”的一部分，当从MEA5主表面的法线方向观察时，其与A2区域重合。如前所述，该“对应于阳极侧间隙10a的区域附近”的尺寸根据燃料电池的操作条件和构造条件而变化，例如阳极侧隔离物(构成材料)的导热性、阳极侧隔离物的温度、反应气体的温度和流速(流量)、冷却流体(例如，冷却水)的温度和流速(流量)、以及发电的输出。
特别是，在阳极侧间隙10a中，将靠近供给具有图2所示冷却流体通道8a的上游部分的最低温度的冷却流体的歧管孔16的区域20和靠近排出具有图3所示气体通道7a的中游部分和后续部分的最高含水量的燃料气体的歧管孔15的区域21设置成靠近对应于阳极侧间隙10a的区域的一部分。从而，用冷凝水充满阳极侧间隙10a，因此比传统燃料电池更有效地利用反应气体。
如图5所示，在燃料电池堆30中，阴极侧隔离物6b的冷却流体通道8b的形状与图2所示的阳极侧隔离物6a的冷却流体通道8a相同，设置在两个相邻的MEA 5之间的阳极侧隔离物6a的整个冷却流体通道8a和阴极侧隔离物6b的整个冷却流体通道8b合在一起形成冷却流体通道8c。更具体地说，在阳极侧隔离物6a和阴极侧隔离物6b之间的接触面上，冷却流体通道8a和8b彼此为镜像关系。图5所示的各冷却流体通道8c在邻近各冷却流体通道8c的各阳极侧隔离物6a上的效果与上述冷却流体通道8a相同。
在图5所示的燃料电池堆30中，设置在燃料电池堆30一端的燃料电池10的外表面上设置了端隔离物6C。如图5所示，当设置在燃料电池堆30一端的燃料电池的外表面上设置的隔离物为阴极侧隔离物6b时，冷却流体通道8d在设置在阴极侧隔离物6b外表面上的端隔离物6C的内表面上形成，从而通过与整个冷却流体通道8b连接在一起而形成冷却流体通道8e。
更具体地说，在阴极侧隔离物6b和端隔离物6C之间的接触面上，冷却流体通道8a和8b彼此为镜像关系。
通过设置端隔离物6C，设置在燃料电池堆一端的燃料电池10的外部隔离物的冷却流体通道可以用作冷却流体通道。当燃料电池10在不使用设置在燃料电池堆一端的燃料电池10的外部隔离物的冷却流体通道的情况下能够被充分冷却时，则不需要形成流动着冷却流体的冷却流体通道(图10的冷却流体通道8e)。可以设置另一个端隔离物，该端隔离物具有嵌入到设置在燃料电池堆一端的燃料电池10的外部隔离物的冷却流体通道中的凸起。或者，除了端隔离物6C之外，在没有冷却流体通道(图10的冷却流体通道8d)的情况下，可以设置板状隔离物来代替设置在燃料电池堆一端的燃料电池10的外部隔离物。端隔离物还可以用作集电器板。或者，在没有冷却流体通道的情况下，设置平端隔离物来代替图10的端隔离物6C。
在具有上述结构的根据该实施方式的燃料电池10和燃料电池堆30中，具有大量水蒸汽的反应气体流入形成于阳极侧密封垫9a和膜电极接合体5之间的阳极侧间隙10a。通常，当气体的露点升高到超过室温时，反应气体中含有的水分开始冷凝。在燃料电池10和燃料电池堆30中，因为冷却流体通道8a的上游部分20和冷却流体通道8b的上游部分(未示出)在对应于阳极侧间隙10a的区域形成，这样，它们包括对应于燃料气体通道7a的中游部分和后续部分的区域，反应气体中含有的水蒸汽通过上游部分被有效地冷却，在该上游部分流动着刚刚以最低温度供给的冷却流体。因此，水蒸汽在阳极侧间隙10a的至少一部分冷凝，并且阳极侧间隙10a用冷凝水充满。
对于该燃料电池10，重要的是改善使用例如主要通过重整化石燃料而获得的重整气或者通过电解水而获得的氢气的高成本气体的阳极(而不是使用空气作为反应气体的阴极)中反应气体(燃料气体)的利用率。
因为水在阳极侧间隙10a中冷凝，反应气体不会流入除了气体通道7a和7b之外的部分，即，阳极侧间隙10a中，从而确保反应气体供给到气体通道7a和气体通道7b。因此，实现了反应气体的有效利用，提高发电性能。
在图2所示的阳极侧隔离物6a中，为了有效地利用尺寸有限的阳极侧隔离物6a的主表面(基本为矩形主表面)，冷却流体通道8a从供给冷却流体的歧管孔16延伸至对应于阳极4a的部分(电极区，即，对应于与电极相接触、并且被图2中的两条单点线中内侧那条所环绕的区域)，以与歧管孔16之间最短的距离与阳极侧间隙10a交叉。为了有效地利用阳极侧隔离物6a的主表面，冷却流体通道8a具有蛇形结构。更具体地解释，冷却流体通道8a具有13个在水平方向(基本平行于阳极侧隔离物6a上形成供给氧化剂气体的歧管孔18和排出燃料气体的歧管孔15的一侧的方向)延伸的直线部分77a(长通道)、12个将各对相邻的直线部分的末端从上游侧到下游侧地连接在一起的转角部分77b(短通道)。
如图2所示，冷却流体通道8a的靠近供给冷却流体的歧管孔16的区域20在对应于阳极侧间隙10a的区域形成。更具体地说，前文所述的冷却流体通道8a的“上游部分”在对应于阳极侧间隙10a的部分形成，该冷却流体通道8a的“上游部分”满足方程：L1≦L2{即，包括在最上游侧在水平方向延伸的5个直线部分77a(77a1到77a5)、和将上述5个直线部分77a中相邻的每一对连接在一起的4个转角部分77b(77b1到7764)}。
在该实施方式中，不但在水平方向延伸的最上游的直线部分77a，而且在水平方向延伸的最下游的直线部分在对应于阳极侧间隙10a的区域内形成(图2中，直线部分77a的一端与排出冷却流体的歧管孔17连接)。
而且，在该实施方式中，为了有效地利用尺寸有限的阳极侧隔离物6a的主表面，图3所示的阳极侧隔离物6a的气体通道7a从供给燃料气体的歧管孔14延伸至对应于阳极4a的部分(电极区)，以与歧管孔14之间最短的距离与阴极侧间隙10a交叉。在电极区内，气体通道7a具有蛇形结构。
更具体地解释，气体通道7a具有9个在水平方向(基本平行于阳极侧隔离物6a的形成排出燃料气体的歧管孔15和供给氧化剂气体的歧管孔18的一侧的方向)延伸的直线部分77a(长通道)、以及8个将各对相邻的直线部分的末端从上游侧到下游侧地连接在一起的转角部分77b(短通道)。气体通道7a还具有在垂直于水平方向的垂直方向延伸的、位于转角部分77b左侧(在图3的阳极侧隔离物6a中，形成排出燃料气体的歧管孔15和排出冷却流体的歧管孔17的一侧)的直线部分77c(长通道)。气体通道7a还在电极区的上部(在图2的阳极侧隔离物6a中，形成排出燃料气体的歧管孔15和供给氧化剂气体的歧管孔18的一侧)具有从直线部分77c水平延伸的直线部分77e(长通道)、一端与排出燃料气体的歧管孔15连接的最下游直线部分77f、以及将从直线部分77e和77f从上游侧到下游侧连接在一起的转角部分77d(短通道)
在气体通道7a中，与前述的、满足方程：L3≦{(1/3)×L4}的“中游部分和后续部分”差不多对应的区域21{即，直线部分77f、转角部分77d、直线部分77e、和直线部分77c的下游侧部分77c1}在对应于阳极侧间隙10a的区域内形成。区域21在上述与冷却流体通道8a的“上游部分”差不多对应的区域20的附近形成。
如图5所示，阴极侧隔离物6b的冷却流体通道8b与阳极侧隔离物6a的冷却流体通道8a具有相同的形状。
而且，如图4所示，阴极侧隔离物6b的气体通道7a从供给氧化剂气体的歧管孔18延伸至对应于阳极4a的部分(电极区)，以与歧管孔18之间最短的距离和阴极侧间隙10b交叉。在电极区内，气体通道7b具有蛇形结构。具体地说，气体通道7b具有11个在水平方向(基本平行于阴极侧隔离物6b的形成供给氧化剂气体的歧管孔18和排出燃料气体的歧管孔15的一侧的方向)延伸的直线部分77a(长通道)、以及10个将各对相邻的直线部分的末端从上游侧到下游侧地连接在一起的转角部分77b(短通道)。
如图3所示，在阳极侧隔离物6a中，通过气体通道7a连接的供给燃料气体的歧管孔14和排出燃料气体的歧管孔15在阳极侧密封垫9a的外部形成。换句话说，供给燃料气体的歧管孔14在具有矩形主表面的阳极侧隔离物6a的一侧的边缘部分上形成。排出燃料气体的歧管孔15在相对于上述阳极侧隔离物6a一侧的另一侧的边缘部分上形成。在阳极侧间隙10a中，存在下述两条路径作为反应气体从供给燃料气体的歧管孔14进入的路径：第一路径(图3中从靠近供给燃料气体的歧管孔14的点Q1开始、经过靠近供给氧化剂气体的歧管孔18的点Q2、到达靠近排出燃料气体的歧管孔15的点Q3的路径)；以及比第一路径长的第二路径(图3中从点Q1开始、经过点Q4和Q5、到达点Q3的路径，图2中从点P1开始、到达点P2的路径)。
阳极侧隔离物6a的冷却流体通道8a的上游部分20和气体通道7a的中游部分和后续部分的区域21在对应于阳极侧间隙10a的第一路径的一部分的区域和对应于靠近排出燃料气体的歧管孔15的第二路径下游的一部分的区域的附近形成。由此，阳极侧间隙10a的第一路径和第二路径均用冷凝水充满，所以可以比传统燃料电池更有效地利用反应气体。特别是，在该结构中，反应气体流入短的第一路径而不是长的第二路径。因为在冷却流体通道8a中具有最低温度的最上游直线部分77a可以配置为靠近第一路径，水能够在第二路径之前就在第一路径中冷凝，从而防止反应气体流入间隙中。
在燃料电池10和燃料电池堆30中，如图2、3、4、5、7和8所示，在所有的阳极侧隔离物6a和所有的阴极侧隔离物6b中，如前所述，冷却流体通道8a和8b、以及燃料气体通道7a和7b以下述方式形成：“其主要部分彼此基本平行”。
由此，在所有MEA 5中，当在平行于阳极侧隔离物6a主表面和所有阴极侧隔离物6b主表面的平面内观察时，可以以非常简单的方法，使冷却流体通道从上游到下游的冷却流体的整体流动方向(运动方向)和反应气体(燃料气体和氧化剂气体)的整体流动方向(运动方向)基本相同。
结果，因为流动着具有大量水蒸汽的气体的气体通道的下游部分与流动着高温冷却流体的冷却流体通道的下游部分相对应，饱和蒸汽压(P0 H2O)在反应气流的下游侧升高，从而减少了过量产生的冷凝水。因此，电极表面的含水量保持在良好的水平，并确保防止在催化剂层2a和2b的溢流。
在这种情况下，通过减少反应气流上游侧的饱和蒸汽压(P0 H2O)，可以进一步确保防止高分子电解质膜1的干燥。而且，在这种情况下，因为具有更高浓度的反应物和大量反应热的反应气流的上游部分对应于低温冷却流体流的上游部分，可以充分减少在阳极4a主表面和阴极4b主表面上的温度分布的差异，从而能够更有效地冷却燃料电池和含有多个堆叠的燃料电池的燃料电池堆。
为了更具体地解释，如图7和8所示，在该实施方式中，在冷却流体通道8a的内部区域从上游到下游流动的冷却流体的整体流动方向D1和在气体通道7a的内部区域从上游到下游流动的反应气体(在这种情况下，为燃料气体)的整体流动方向D2可以构造为基本相同。换句话说，冷却流体从上游到下游的整体流动方向D1和反应气体从上游流到下游的整体流动方向D2构造为基本相同。根据该结构，因为流动着具有大量水蒸汽的反应气体的气体通道的下游部分与流动着高温冷却流体的冷却流体通道的下游部分相对应，饱和蒸汽压(P0 H2O)在反应气流的下游侧增加，从而减少冷凝水的过量产生。因此，电极表面的含水量保持在良好的水平，并且确保防止在催化剂层2a和2b的溢流。而且，根据该结构，通过减少反应气流上游侧的饱和蒸汽压(P0 H2O)，可以进一步确保防止高分子电解质膜1的干燥。而且，根据该结构，由于具有更高浓度的反应物和大量反应热的反应气流的上游部分对应于低温冷却流体流的上游部分，可以充分减少气体扩散电极3a和3b主表面上的温度分布的差异，从而能够更有效地冷却燃料电池10(燃料电池堆30)。
如图9所示，在燃料电池10中，在从阴极侧隔离物6b的供给氧化剂气体的歧管孔18经过阴极侧间隙10b到电极的部分中，设置屏蔽板23以防止氧化剂气体直接流入阴极侧间隙10b中。可以适当设定该屏蔽板23的尺寸和形状，只要其在上述部分中封闭了阴极侧间隙10b，从而有效地防止氧化剂气体经过气体通道7b流入阴极侧间隙10a中，并且只要不会损害本发明的效果。
因此，尽管未在附图中示出，屏蔽板也优选分别设置在从排出燃料气体的歧管孔15、供给冷却流体的歧管孔16或排出氧化剂气体的歧管孔19的气体通道与阳极侧间隙10a或阴极侧间隙10b的结点处。屏蔽板的材料没有特别限制，只要该屏蔽板由耐反应气体的渗透和腐蚀的材料制成。只要不损害本发明的效果，可以选择适当的材料。
现在对制造燃料电池10和燃料电池堆的方法进行描述。
首先，制造膜电极接合体5。制造膜电极接合体5的方法没有特别限制，其可以通过用于制造已知的高分子电解质燃料电池的膜电极接合体的任意的薄膜成型技术来制造。例如，阴极催化剂层2b可以使用用于形成阴极催化剂层的膏剂来形成，该膏剂的制备如下所述。具体地说，将阳离子交换树脂溶液，即，与例如高分子电解质膜1具有相同质量的氟碳磺酸(fluorocarbon sulfonic acid)聚合物树脂的溶液(例如，通过将固含量为10重量％的树脂与乙醇和水的混合溶液混合在一起而制备的溶液)慢慢加入负载了例如Pt作为催化剂的碳颗粒上，直到每单位面积的催化剂的树脂固含量达到大约2毫克/平方米，例如，从而制备形成阴极催化剂层的膏剂。
形成阴极催化剂层的膏剂中所含的阳离子交换树脂溶液的量取决于碳颗粒的比表面积、孔尺寸和分散性。当比表面积增加和分散性增加时，树脂量增加。例如，当比表面积通过形成树脂不能进入的小孔而增加时，最佳树脂量小。在采用ketjen black的情况下，例如，每单位克的最佳树脂量为1.4克/克。作为所使用的碳的类型，更优选结晶碳和石墨化碳，因为可以防止碳的氧化。
阳极催化剂层2a可以使用用于形成阳极催化剂层的膏剂形成，该膏剂的制备如下所述。形成阳极催化剂层的膏剂可以通过与形成上述阴极催化剂层的膏剂的相同方法制备，除了使用负载了含有Pt和Ru作为构成成分的微细颗粒来代替负载了Pt的碳颗粒之外。
具体地说，形成阳极催化剂层的膏剂通过下述方式制备：将阳离子交换树脂溶液，即，与例如高分子电解质膜1具有相同质量的氟碳磺酸聚合物树脂溶液(例如，通过将固含量为10重量％的树脂与乙醇和水的混合溶液混合在一起而制备的溶液)慢慢加入到通过使碳负载含有例如Pt和Ru作为构成成分的微细颗粒而制备的阳极电极催化剂上。
当使用通过使碳粉负载阳极电极催化剂而制备的负载催化剂的碳的情况下，形成阳极催化剂层的膏剂中含有的阳离子交换树脂溶液的量与形成阴极催化剂层的膏剂相同。
按照上述方法制造的形成阴极催化剂层的膏剂和形成阳极催化剂层的膏剂通过刮棒涂布机涂覆在例如PP膜的合成树脂膜上，随后干燥。随后，将所得到的膜切割成希望的电极尺寸，通过热压转移将其转移到高分子电解质膜上，由此形成阴极催化剂层2b和阳极催化剂层2a。形成催化剂层的方法不限于该方法。形成方法可以是下述方法：其中，形成催化剂层的膏剂被印刷到高分子电解质膜上；或者可以是下述方法：其中，形成催化剂层的膏剂被喷洒到高分子电解质膜上。所使用的高分子电解质膜没有特别限制，并且可以使用如前所述的具有磺酸基的高分子电解质交换膜。
使用制造薄膜层积体的传统方法，分别将气体扩散层3a和3b层积到阳极催化剂层2a和2b的外表面上。随后，将高分子电解质膜1夹在阳极4a和阴极4b中间。此时，分别将密封垫9a和9b设置在阳极4a和阴极4b的周围(peripheries)。
将阳极侧隔离物6a和阴极侧隔离物6b设置在图1所示的膜电极接合体5的外表面上，由此形成燃料电池。随后，将多个燃料电池10堆叠以制造燃料电池堆30。
阳极侧隔离物6a和阴极侧隔离物6b可以通过用于制造高分子电解质燃料电池的传统方法来制造，除了按照前述方法形成气体通道7a和7b、冷却流体通道8a和8b。隔离物的构成材料可以是传统的高分子电解质燃料电池的隔离物的任意构成材料。阳极侧隔离物6a和阴极侧间隙10b可以通过以下方法形成，例如，包括加工导电性平板步骤的制造方法、或包括使用金属模的步骤，例如将含有构成成分的液体注射到金属模，随后进行造型工艺的制造方法(包括压塑技术的方法)。
使用下述模拟结果对上述燃料电池10(单电池)的效果进行更详细的解释，在该模拟结果中对单个燃料电池10进行操作，上述燃料电池10的阳极4a和阴极4b的主表面积为100平方厘米，阳极侧隔离物6a(具有图2所示的冷却流体通道8a和图3所示的燃料气体的气体通道7a)和阴极侧隔离物6b(具有图4所示的氧化剂气体的气体通道7b和图2所示的冷却流体通道8a)的尺寸与阳极4a和阴极4b相对应。
供给到冷却流体通道8a的冷却水设定为使得从供给冷却流体的歧管孔16供给70℃的水，并且从排出冷却流体的歧管孔17排出74℃的冷却水。
作为燃料气体，使用由氢气和二氧化碳组成的混合气(比例为8：2)。燃料气体被加湿至露点为70℃，将其供给到供给燃料气体的歧管孔14，该燃料气体的利用率为70％。而且，作为氧化剂气体的空气被加湿至露点为68℃，将其供给到供给氧化剂气体的歧管孔18，该氧化剂气体的利用率为45％。排出燃料气体的歧管孔15和排出氧化剂气体的歧管孔19开放至大气(常压)。图1所示的燃料电池10设置在一对彼此面对面的集电器板之间。通过集电器板，以0.3A/cm2进行连续操作。
从上述电流密度和电极面积出发，燃料电池10在一秒钟的发电过程中产生的理论水量为1.55×10-4摩尔/秒。如果这些产生的水没有从阴极4b经过高分子电解质膜1移到阳极4a，从排出燃料气体的歧管孔15释放的水蒸汽的量与从供给燃料气体的歧管孔14供给的湿化燃料气体中含有的水量相等。
同时，基于这样的假设进行计算：供给燃料气体的歧管孔14中的燃料气体和供给氧化剂气体的歧管孔18中的氧化剂气体的露点分别在相对于阳极侧隔离物6a和阴极侧隔离物6b的最低温的—4℃到+4℃范围内变化。甚至在该操作条件下，已经确认，即使在产物水经过高分子电解质膜1从阴极4b移到阳极4a，也可以获得类似的结果。
从排出燃料气体的歧管孔15排出的气体的组成可以通过将外部供给的燃料气体减去发电所消耗的氢气而得到。根据该计算，水蒸汽分压等于296.8毫米汞柱。此时，排出的气体的露点为75.6℃。在燃料气体的气体通道7a中，随后计算供给燃料气体的歧管孔14和排出燃料气体的歧管孔15之间的燃料气体的露点变化，并且发现燃料气体的露点从70℃缓慢变化到75.6℃。
在上述操作条件下，冷却水的温度比MEA 5的温度低大约2℃。当流经冷却流体通道8a的冷却水的温度改变时，MEA 5的温度也随着冷却流体通道8a一起变化。当计算MEA 5的温度的变化时，发现，在供给冷却流体的歧管孔16附近和排出冷却流体的歧管孔17附近之间的温度从72℃慢慢变至76℃。
在热力学上，当流过气体通道7a的燃料气体的露点超过MEA 5的温度时，燃料气体中含有的水冷凝。如上所解释的，燃料气体的露点从气体通道7a的上游到下游增加。因此，在热力学上，通过使用下游区域21(特别是位于最下游侧的直线部分77f)中含有的高水分含量反应气体，该区域是在对应于阳极侧间隙10a的区域中，如图3所示的气体通道7a的“中游部分和后续部分”的优选区域，可以使水在对应于阳极侧间隙10a的区域内冷凝。
在燃料电池10中，冷却流体通道8a的上游部分20和气体通道7a的下游区域21在对应于阳极侧间隙10a的区域内形成。由于上述冷却流体通道8a的上游部分20具有最高的冷却效果，并且燃料气体的露点在接近如上计算所示的上游部分20的气体通道7a的下游区域21达到最高，冷凝水可以在阳极侧间隙10a中容易和有效地产生。
在阳极侧间隙10a内部，不存在电极催化剂，并且热量不是通过发电产生，因此阳极侧间隙10a内部温度低。还是从该观点出发，水在阳极侧间隙10a内部容易地冷凝。
如上所述，在阳极侧间隙10a用冷凝水充满之后，反应气体除了气体通道7a外，不再流动，换句话说，不再在阳极侧间隙10a内流动。结果，确保反应气体供给到阳极4a。因此，燃料电池10可以有效利用反应气体并且显示优异的发电性能。
实施方式2
现在，描述根据本发明的实施方式2的燃料电池。根据实施方式2的燃料电池和燃料电池堆(未示出)具有和实施方式1的燃料电池10和燃料电池堆30的相同结构，除了阳极侧隔离物和阴极侧隔离物之外，因为阳极侧隔离物和阴极侧隔离物用不同结构代替。
根据实施方式2的燃料电池的阳极侧隔离物和阴极侧隔离物在下文描述。
图11是从冷却流体通道8a侧观察并入到根据本发明的实施方式2的燃料电池的阳极侧隔离物26a的主表面的正视图。图12是从气体通道7a侧观察并入到根据本发明的实施方式2的燃料电池的阳极侧隔离物26a的主表面的正视图。图13是从气体通道7b侧观察并入到根据本发明的实施方式2的燃料电池的阳极侧隔离物26b的主表面的正视图。图14是从冷却流体通道8b侧观察并入到根据本发明的实施方式2的燃料电池的阴极侧隔离物26b的主表面的正视图。
在该燃料电池中，如图11到14所示，阳极侧隔离物26a和阴极侧隔离物26b具有以下结构，从而获得本发明的效果。
具体地说，在阳极侧隔离物26a中，形成了这样的部分，其中阳极侧间隙10a(见图1)在阳极侧密封垫9a(见图1)和MEA 5(见图1)之间形成，冷却流体通道8a的“上游部分”和燃料气体通道7a的“中游部分和后续部分”(在该燃料电池中，特别是下游部分)配置为使其彼此接近以满足条件(I)和(II)。从而，阳极侧间隙10a用冷凝水充满，从而比传统等燃料电池更有效地利用反应气体。
同样，在阴极侧隔离物26b中，形成这样的部分，其中阴极侧间隙10b(见图1)在阴极侧密封垫9b(见图1)和MEA 5(见图1)之间形成，冷却流体通道8b的“上游部分”和燃料气体通道7b的“中游部分和后续部分”(在该燃料电池中，特别是下游部分)配置为彼此接近以满足条件(I)和(II)。从而，阴极侧间隙10b用冷凝水充满，从而比传统等燃料电池更有效地利用反应气体。
图11和12中所示的阳极侧隔离物26a以及图13和14中所示的阴极侧隔离物26b、阳极侧隔离物26a的冷却流体通道8a和阴极侧隔离物26b的冷却流体通道8b具有相同的结构。当它们以与图10所示的燃料电池堆30的相同方法堆叠时(当它们堆积为使得相同类型的歧管孔相连通时)，例如，冷却流体通道8a和冷却流体通道8b彼此基本完全重合。同样，阳极侧隔离物26a的气体通道7a和阴极侧隔离物26b的气体通道7b具有相同的结构。当它们以与图10所示的燃料电池堆30的相同方法堆叠时(当它们堆积为使得相同类型的歧管孔相连通时)，例如，气体通道7a和气体通道7b彼此基本完全重合。
同样，下面的描述主要集中在阳极侧隔离物26a上，并且将重复描述省略，至于阴极侧隔离物26b，只描述与阳极侧隔离物26a不同的部分。
在图11所示的阳极侧隔离物26a中，冷却流体通道8a从供给冷却流体的歧管孔16延伸至对应于阳极4a的部分(电极区，即，对应于与电极相接触的范围并且被图11中的两条单点线(one-dot chain line)中的里面那条环绕的部分)，以与歧管孔16之间最短的距离与阳极侧间隙10a相交。为了有效地利用阳极侧隔离物6a的主表面，冷却流体通道8a具有蛇形结构。更具体地解释，冷却流体通道8a具有在水平方向(基本平行于阳极侧隔离物26a的形成供给冷却流体的歧管孔16和排出氧化剂气体的歧管孔19的一侧的方向)延伸的直线部分77a1(长通道)、在垂直于水平方向的垂直方向内延伸的直线部分77c、11个在水平方向延伸的直线部分77a(长通道)、以及10个将每一对相邻直线部分的末端从上游侧到下游侧地连接在一起的转角部分77b(短通道)。
如图11所示，冷却流体通道8a的靠近供给冷却流体的歧管孔16的区域20在对应于阳极侧间隙10a的区域内形成。更具体地说，前述冷却流体通道8a满足方程：L1≦L2的“上游部分”{即，上述上游侧直线部分77a1、直线部分77c、直线部分77e和转角部分77b1(位于最上游侧的4个转角部分中的一个)}在对应于阳极侧间隙10a的区域内形成。
图12所示的阳极侧隔离物26a的气体通道7a与图3所示的设置在实施方式1的燃料电池10中的阳极侧隔离物26a的气体通道7a具有相同结构。
即，为了更具体地解释，气体通道7a具有9个在水平方向(基本平行于阳极侧隔离物26a的形成排出燃料气体的歧管孔15和供给氧化剂气体的歧管孔18的一侧的方向)延伸的直线部分77a(长通道)、以及8个将每一对相邻直线部分的末端从上游侧到下游侧地连接在一起的转角部分77b(短通道)。气体通道7a进一步具有在垂直于水平方向的垂直方向内延伸的、位于电极区左侧(在图12的阳极侧隔离物6a中，形成排出燃料气体的歧管孔15和排出氧化剂气体的歧管孔19的一侧)的直线部分77c(长通道)。气体通道7a在电极区上部(在图12的阳极侧隔离物6a中，形成排出燃料气体的歧管孔15和供给氧化剂气体的歧管孔18的一侧)进一步具有从直线部分77c水平延伸的直线部分77e(长通道)、一端与排出燃料气体的歧管孔15连接的最下游直线部分77f(长通道)、以及将直线部分77e和77f从上游侧到下游侧地连接在一起的转角部分77d(短通道)
在气体通道7a中，与前述满足方程：L3≦{(1/3)×L4}的“气体通道的中游部分和后续部分”最相对应的区域21{即，直线部分77f、转角部分77d、直线部分77e和直线部分77c的下游侧部分77c1}在对应于阳极侧间隙10a的区域内形成。区域21靠近最对应于图11的冷却流体通道8a的“上游部分”的上述区域20而形成。
在根据该实施方式具有上述结构的燃料电池10和燃料电池堆30中，具有大量水蒸汽的反应气体流入形成于阳极侧密封垫9a和膜电极接合体5之间的阳极侧间隙10a和形成于阴极侧密封垫9b和膜电极接合体5之间的阴极侧间隙10b中的至少一个。通常，当气体的露点上升至超过室温时，反应气体中含有的水分开始冷凝。在燃料电池10和燃料电池堆30中，因为冷却流体通道8a的上游部分20在对应于阳极侧间隙10a的区域内形成并且冷却流体通道8a的上游部分20在对应于阴极侧间隙10b的区域内形成，反应气体中含有的水蒸汽在阳极侧间隙10a和阴极侧间隙10b被有效地冷却。因此，水蒸汽在阳极侧间隙10a的至少一部分和阴极侧间隙10b的至少一部分冷凝，并且阳极侧间隙10a和阴极侧间隙10b用冷凝水充满。
作为水在阳极侧间隙10a和阴极侧间隙10b中冷凝的结果，阳极侧间隙10a和阴极侧间隙10b被充满，因此反应气体不会流入除了气体通道7a和7b之外的部分，即，阳极侧间隙10a和阴极侧间隙10b，从而确保反应气体供给到气体通道7a和气体通道7b。因此，实现反应气体的有效利用，提高发电性能。
在该实施方式中，在阳极侧间隙10a中，作为反应气体从供给燃料气体的歧管孔14进入的路径，有如下两条路径：第一路径(类似于图3，图12中的路径从靠近供给燃料气体的歧管孔14的点Q1开始，经过靠近供给氧化剂气体的歧管孔18的点Q2，到达靠近排出燃料气体的歧管孔15的点Q3)；以及比第一路径长的第二路径(类似于图3，图12中的路径从点Q1开始，经过点Q4和Q5，到达Q3)。
阳极侧隔离物26a的冷却流体通道8a的上游部分20和气体通道7a的区域21(中游部分和后续部分)既靠近对应于阳极侧间隙10a的第一路径的一部分的区域又靠近对应于靠近排出燃料气体的歧管孔15的第二路径的下游的一部分的区域而形成。从而，阳极侧间隙10a的第一路径和第二路径均用冷凝水充满，所以可以比传统燃料电池更有效地使用反应气体。特别是，在该结构中，反应气体流入短的第一路径而不是长的第二路径。因为具有冷却流体通道8a的最低温的最上游直线部分77a可以配置为靠近第一路径，水可以在流入第二路径之前在第一路径中冷凝，从而防止反应气体流入间隙中。
由于阴极侧隔离物46b具有和阳极侧隔离物46a相同的结构，在上述阳极侧隔离物26a中获得的效果显然可以在阴极侧隔离物26b中获得。
类似于前述根据实施方式1的燃料电池10和燃料电池堆30，在根据本实施方式的燃料电池10和燃料电池堆30中，在如图11到14的所有阳极侧隔离物26a和所有阴极侧隔离物26b中，冷却流体通道8a、冷却流体通道8b、燃料气体通道7a和氧化剂气体7b这样形成，“其主要部分彼此基本平行”。
从而，在所有的MEA5中，当在平行于阳极侧隔离物6a主表面和所有阴极侧隔离物6b主表面的平面内观察时，可以以非常简单的方式，使冷却流体从冷却流体通道上游到下游的整体流动方向(运动方向)和反应气体(燃料气体和氧化剂气体)的整体流动方向(运动方向)基本相同。
结果，因为流动着具有大量水蒸汽的反应气体的气体通道的下游部分与流动着高温冷却流体的冷却流体通道的下游部分相对应，饱和蒸汽压(P0 H2O)在反应气流的下游侧增加，从而减少了冷凝水的过度产生。因此，电极表面的含水量保持在良好的水平，并且确保防止在催化剂层2a和2b的溢流。
这样，通过减少反应气流上游侧的饱和蒸汽压(P0 H2O)，可以进一步确保防止高分子电解质膜1的干燥。而且，这样，具有更高浓度的反应物和大量反应热的反应气流的上游部分对应于低温的冷却流体流的上游部分，可以充分减少在阳极4a的主表面和阴极4b的主表面上的温度分布的差异，从而能够确保更有效地冷却燃料电池和包括多个堆叠的燃料电池的燃料电池堆。
上述根据实施方式2的燃料电池中获得的效果通过使用如下模拟结果进行更详细的解释，其中阳极4a和阴极4b的主表面积为100平方厘米。这里，类似于使用根据实施方式1的燃料电池进行的模拟来进行模拟，除了使用图11到14所示的阳极侧隔离物26a和阴极侧隔离物26b之外。
结果，燃料气体的露点从气体通道7a的上游到下游增加。在热力学上，通过使用在下游区域21含有的高水分含量的反应气体(特别是位于最下游侧的直线部分77f)，其中所述下游区域21为图11中的气体通道7a的“中游部分和后续部分”的优选部分，在对应于阳极侧间隙10a的区域，可以使水在对应于阳极侧间隙10a的区域内冷凝。
还是在该燃料电池中，冷却流体通道8a的上游部分20和气体通道7a的下游区域21在对应于阳极侧间隙10的区域内形成。因为上述冷却流体通道8a的上游部分20具有最高的冷却效果，燃料气体的露点在位于靠近如上计算所示的上游部分20的气体通道7a的下游区域21达到最高，冷凝水在阳极侧间隙10a内可以容易和有效地产生。
在阳极侧间隙10a内，不存在电极催化剂并且没有通过发电产生热，因此阳极侧间隙10a内的温度低。从该观点出发，水在阳极侧间隙10a内冷凝。
如上所述，在阳极侧间隙10a用冷凝水充满之后，反应气体不会在除了气体通道7a之外流动，换句话说，其不会在阳极侧间隙10a内流动。结果，确保反应气体供给到阳极4a。
因为阴极侧隔离物26b具有和阳极侧隔离物26a的相同结构，显然上述在阳极侧隔离物26a中获得的效果与阴极侧隔离物26b中获得的相同。
因此，根据实施方式2的燃料电池有效使用反应气体并且确保提供优异的发电性能。
实施方式3
现在对根据本发明的实施方式3的燃料电池进行描述。根据实施方式3的燃料电池和燃料电池堆(未示出)具有与实施方式1的燃料电池10和燃料电池堆30的相同结构，除了阳极侧隔离物和阴极侧隔离物之外，因为阳极侧隔离物和阴极侧隔离物用不同结构代替。
根据实施方式3的燃料电池的阳极侧隔离物和阴极侧隔离物在下文描述。
图15是从冷却流体通道8b侧观察并入到根据本发明的实施方式3的燃料电池的阳极侧隔离物46a的主表面的正视图。图16是从气体通道7a侧观察并入到根据本发明的实施方式3的燃料电池的阳极侧隔离物46a的主表面的正视图。图17是从气体通道7b侧观察并入到根据本发明的实施方式3的燃料电池的阴极侧隔离物46b的主表面的正视图。图18是从冷却流体通道8b侧观察并入到根据本发明的实施方式3的燃料电池的阴极侧隔离物46b的主表面的正视图。
在该燃料电池和燃料电池堆中，如图15到18所示，阳极侧隔离物46a和阴极侧隔离物46b具有如下的结构，从而获得本发明的效果。
具体地说，在阳极侧隔离物46a中，形成了这样的部分，其中阳极侧间隙10a(见图1)在阳极侧密封垫9a(见图1)和MEA5(见图1)之间形成，冷却流体通道8a的“上游部分”和燃料气体通道7a的“中游部分和后续部分”(在该燃料电池中，特别是下游部分)配置为使其彼此靠近以满足条件(I)和(II)。从而，阳极侧间隙10a用冷凝水充满，从而比传统等燃料电池更有效地利用反应气体。
同样，在阴极侧隔离物46b中，形成这样的部分，其中阴极侧间隙10b(见图1)在阴极侧密封垫9b(见图1)和MEA5(见图1)之间形成，配置冷却流体通道8b的“上游部分”和燃料气体通道7b的“中游部分和后续部分”(在该燃料电池中，特别是下游部分)使气彼此靠近以满足条件(I)和(II)。从而，阴极侧间隙10b用冷凝水充满，从而比传统等燃料电池更有效地利用反应气体。
图15和16中所示的阳极侧隔离物46a和图17和18中所示的阴极侧隔离物26b、阳极侧隔离物46a的冷却流体通道8a和阴极侧隔离物26b的冷却流体通道8b具有相同的结构。当它们以与图10所示的燃料电池堆30的相同方法堆叠时(当它们堆叠为相同类型的歧管孔相连通时)，例如，冷却流体通道8a和冷却流体通道8b彼此基本完全重合。同样，阳极侧隔离物46a的气体通道7a和阴极侧隔离物46b的气体通道7b具有相同的结构。当它们以与图10所示的燃料电池堆30的相同方式堆叠时(当它们堆叠为使得相同类型的歧管孔相连通时)，例如，气体通道7a和气体通道7b彼此基本完全重合。
同样，下面的描述主要集中在阳极侧隔离物46a上，并且将重复描述省略，至于阴极侧隔离物26b，只描述与阳极侧隔离物46a不同的部分。
在图15所示的阳极侧隔离物46a中，包括两条冷却流体通道8a的冷却流体通道8a从供给冷却流体的歧管孔16沿着区域A1(对应于阳极侧间隙10a的区域所包含的区域)延伸至对应于阳极4a的部分(电极区，即，对应于与电极相接触的范围并且被图15中的两条单点线中的里面那条所环绕的部分)。两条冷却流体通道包含通道77a和通道77e，其中通道77a从图15的区域A1中最靠近供给冷却流体的歧管孔16的T4点、经过最靠近供给燃料气体的歧管孔14的T3点、延伸至最靠近排出冷却流体的歧管孔17的T2点，通道77e从图15的区域A1中最靠近供给冷却流体的歧管孔16的T4点、经过最靠近排出燃料气体的歧管孔15的T1点、延伸至最靠近排出冷却流体的歧管孔17的T2点。
更具体地解释，从供给冷却流体的歧管孔16延伸的通道77a以下述方式形成：其沿着区域A1以水平方向(基本平行于图15的阳极侧隔离物46a侧的形成供给冷却流体的歧管孔16和供给燃料气体的歧管孔14的方向)延伸(更具体地说，当从阳极侧隔离物46a主表面的法线方向观察时，通道77a的形成位置与区域A1基本重合)，并且通道77a与靠近排出燃料气体的歧管孔15的T3点附近的直线部分77b相连。而且，直线部分77b以下述方式形成：其沿着区域A1以垂直方向(基本平行于图18的阳极侧隔离物46a侧的形成供给燃料气体的歧管孔14和排出冷却流体的歧管孔17的方向)延伸(更具体地说，当从阳极侧隔离物46a主表面的法线方向观察时，直线部分77b的形成位置与区域A1基本重合)，并且直线部分77b与靠近排出冷却流体的歧管孔17的T3点附近的直线部分77c相连。
直线部分77c在对应于阳极侧间隙10a的区域内以垂直方向形成(更具体地说，当从阳极侧隔离物46a主表面的法线方向观察时，直线部分77c的形成位置与区域A1基本重合)，并且直线部分77c与在供给燃料气体的歧管孔14附近的水平方向内延伸的直线部分77d相连。
特别是当从阳极侧隔离物46a主表面的法线方向观察时，直线部分77b和通道77a的77c是这样设置的，区域A1的一部分设置在直线部分77b和77c之间。
另一方面，供给冷却流体的歧管孔16延伸的通道77e以下述方式形成：其沿着区域A1以垂直方向延伸(更具体地说，当从阳极侧隔离物46a主表面的法线方向观察时，通道77e的形成位置与区域A1基本重合)，并且通道77e与区域A1内的T1点附近的直线部分77f相连。
直线部分77f以下述方式形成：其沿着区域A1以水平方向延伸(更具体地说，当从阳极侧隔离物46a主表面的法线方向观察时，直线部分77f的形成位置与区域A1基本重合)，并且直线部分77f与排出氧化剂气体的歧管孔19附近的直线部分77g相连。
直线部分77g以下述方式形成：其沿着区域A1以水平方向延伸(更具体地说，当从阳极侧隔离物46a主表面的法线方向观察时，直线部分77g的形成位置与区域A1基本重合)，并且直线部分77g与与区域A1内的T1点附近的直线部分77h相连。
同样，直线部分77h以下述方式形成：其沿着区域A1以水平方向延伸(更具体地说，当从阳极侧隔离物46a主表面的法线方向观察时，直线部分77h的形成位置与区域A1基本重合)。
特别是，当从阳极侧隔离物46a的主表面的法线方向观察时，直线部分77f和通道77e的77g是这样设置的，区域A1的一部分设置在直线部分77f和77g之间。而且，当从阳极侧隔离物46a主表面的法线方向观察时，直线部分77m和通道77e的77f是这样设置的，区域A1的一部分设置在直线部分77m和77f之间。
而且，图15所示的包含上述从供给冷却流体的歧管孔16延伸的两个通道77a和77e的冷却流体通道8a在图18所示的点C处，与通道77a的直线部分77d和通道77e的直线部分77h连接在一起以形成单一通道。为了有效地利用阳极侧隔离物46a的主表面，冷却流体通道8a在从图18中的点C的下游侧具有蛇形结构，该蛇形结构包括7个在水平方向延伸的直线部分77i(长通道)和6个将每一对相邻直线部分77i的末端将从上游侧到下游侧地连接在一起的转角部分77j(短通道)。
如图15所示，冷却流体通道8a的靠近供给冷却流体的歧管孔的区域20在对应于阳极侧间隙10a的区域内形成。更具体地说，前文所述冷却流体通道8a的满足方程：L1≦L2的“上游部分”{即，上游侧通道77a(包括直线部分77k、77b、77c和77d的通道)和通道77e(包括直线部分77m、77f、77g和77h)}在对应于阳极侧间隙10a的区域内形成。
图16所示的阳极侧隔离物46a中，气体通道7a具有蛇形结构，该蛇形结构包括在对应于阳极4a的部分内形成的下列直线部分和转角部分(电极区，即，对应于与电极相接触的范围并且被图16中的两条单点线中的里面那条所环绕的部分)。
为了更具体地解释，图16所示的气体通道7a从供给燃料气体的歧管孔14延伸至对应于阳极4a的部分(电极区)，以与歧管孔14之间最短的距离和阳极侧间隙10a重合。而且，气体通道7a具有11个在水平方向(基本平行于图16的阳极侧隔离物26a的形成供给燃料气体的歧管孔14和供给氧化剂气体的歧管孔18的一侧的方向)延伸的直线部分77a(长通道)、以及10个将每一对相邻直线部分的末端从上游侧到下游侧地连接在一起的转角部分77b(短通道)。气体通道7a进一步具有直线部分77g，其一端与直线部分77a的最下游端(后述的直线部分77f)相连，并且其另一端连接排出燃料气体的歧管孔15。
在气体通道7a中，与前述满足方程：L3≦{(1/3)×L4}的“气体通道的中游部分和后续部分”最相对应的区域21{即，图16中包括直线部分77g和77f、转角部分77d、直线部分77e、转角部分77h、直线部分77c、转角部分77i、直线部分77j和转角部分77k的区域}在对应于阳极侧间隙10a的区域内形成。区域21靠近最对应于图15的冷却流体通道8a的“上游部分”的上述区域20而形成。
在根据该实施方式的具有上述结构的燃料电池和燃料电池堆中，具有大量水蒸汽的反应气体流入形成于阳极侧密封垫9a和膜电极接合体5之间的阳极侧间隙10a和形成于阴极侧密封垫9b和膜电极接合体5之间的阴极侧间隙10b中的至少一个。通常，当气体的露点上升至超过室温时，反应气体中含有的水分开始冷凝。在燃料电池和燃料电池堆中，因为冷却流体通道8a的上游部分20在对应于阳极侧间隙10a的区域内形成并且冷却流体通道8a的上游部分20在对应于阴极侧间隙10b的区域内形成，反应气体中含有的水蒸汽在阳极侧间隙10a和阴极侧间隙10b被有效地冷却。因此，水蒸汽在阳极侧间隙10a的至少一部分和阴极侧间隙10b的至少一部分冷凝，并且阳极侧间隙10a和阴极侧间隙10b用冷凝水充满。
作为水在阳极侧间隙10a和阴极侧间隙10b中冷凝的结果，阳极侧间隙10a和阴极侧间隙10b被充满，反应气体不会流入除了气体通道7a和7b之外的部分，即，阳极侧间隙10a和阴极侧间隙10b，从而确保反应气体供给到气体通道7a和气体通道7b。因此，实现反应气体的有效利用，提高发电性能。
在该实施方式中，在阳极侧间隙10a中，作为反应气体从供给燃料气体的歧管孔14进入的路径，有如下两条路径：第一路径(图15中，该路径从靠近供给燃料气体的歧管孔14的点T3开始、经过靠近排出冷却流体的歧管孔17的点T2、到达靠近排出燃料气体的歧管孔15的点T1)；以及比第一路径长的第二路径(图15中，该路径从靠近供给燃料气体的歧管孔14的点T1开始、经过靠近供给氧化剂气体的歧管孔18的点T4、到达靠近排出燃料气体的歧管孔15的点T1)。
阳极侧隔离物46a的冷却流体通道8a的上游部分20和气体通道7a(中游部分和后续部分)的区域21既靠近对应于阳极侧间隙10a的第一路径的一部分的区域又靠近对应于靠近排出燃料气体的歧管孔15的第二路径的下游的一部分的区域而形成。从而，阳极侧间隙10a的第一路径和第二路径均用冷凝水充满，所以可以比传统燃料电池更有效地使用反应气体。特别是，在该结构中，反应气体流入短的第一路径而不是长的第二路径。因为具有冷却流体通道8a的最低温的最上游直线部分77a和77e可以配置为靠近第一路径，水可以在第二路径之前在第一路径中冷凝，以防止反应气体流入间隙中。
由于阴极侧隔离物26b具有和阳极侧隔离物26a相同结构，在上述阳极侧隔离物26a中获得的效果显然可以在阴极侧隔离物26b中获得。
类似于前述根据实施方式1的燃料电池10和燃料电池堆30，在根据该实施方式的燃料电池和燃料电池堆中，在如图15到18的所有阳极侧隔离物46a和所有阴极侧隔离物46b中，冷却流体通道8a、冷却流体通道8b、燃料气体通道7a和氧化剂气体7b以下述方式形成：“其主要部分彼此基本平行”。
从而，在所有MEA 5中，当在平行于阳极侧隔离物46a主表面和所有阴极侧隔离物46b主表面的平面内观察时，可以以非常简单的方式，使冷却流体从冷却流体通道上游到下游的整体流动方向(运动方向)和反应气体(燃料气体和氧化剂气体)的整体流动方向(运动方向)基本相同。
结果，因为流动着具有大量水蒸汽的气体的气体通道的下游部分与流动着高温冷却流体的冷却流体通道的下游部分相对应，饱和蒸汽压(P0 H2O)在反应气流的下游侧增加，从而减少了冷凝水的过度产生。因此，电极表面的含水量保持在良好的水平，并且确保防止在催化剂层2a和2b的溢流。
这样，通过减少反应气流上游侧的饱和蒸汽压(P0 H2O)，可以进一步确保防止高分子电解质膜1的干燥。而且，这样，具有更高浓度的反应物和大量反应热的反应气流的上游部分对应于低温的冷却流体流的上游部分，可以充分减少在阳极4a的主表面和阴极4b的主表面上的温度分布的差异，从而能够确保更有效地冷却燃料电池和含有大量燃料电池堆积的燃料电池堆。
实施方式4
现在对本发明的实施方式4进行描述。
图19是根据本发明的实施方式4的燃料电池和燃料电池堆的相关部分的截面示意图，说明了其基本结构。
根据图19所示的实施方式4的燃料电池堆30A具有和图10所示的根据实施方式1的燃料电池堆30的相同结构，除了加入多个结构与图10中所示的燃料电池10不同的燃料电池10A，并且用端隔离物6d代替图10所示的端隔离物6C。
更具体地说，图19中的燃料电池10A具有与图1的燃料电池10的相同结构，除了其具有未设置冷却流体通道的阳极侧隔离物6A来代替图1的燃料电池10的阳极侧隔离物6a。图19中的端隔离物6d具有和图10中的端隔离物6c相同结构，除了端隔离物6d未设置冷却流体通道8d。根据该结构，可以减少从外部向燃料电池30A供给冷却流体的供给设备(例如，在冷却流体为冷却水的情况下的水泵)的负荷，改善发电系统的系统效率。
即使冷却流体通道6b仅仅在阴极侧隔离物8b内形成，燃料电池堆30A仍可以提供前述的本发明的效果。在燃料电池堆30A中，每一个冷却流体通道6b充分地冷却与冷却流体通道6b密切接触的阳极侧隔离物6A和阴极侧隔离物6b。
换句话说，在阳极侧隔离物6a中，形成了这样的部分，其中在阳极侧密封垫9a(见图1)和MEA 5(见图1)之间形成阳极侧间隙10a(见图1)，冷却流体通道“8a”的“上游部分”和气体通道7a的“中游部分和后续部分”(特别是在燃料电池的下游部分)彼此接近地形成，从而满足前述条件(I)和(II)。从而，阳极侧间隙10a用冷凝水充满，因此反应气体可以比传统燃料电池更有效地使用。
而且在阴极侧隔离物6b中，形成了这样的部分，其中在阴极侧密封垫9b(见图1)和MEA 5(见图1)之间形成阴极侧间隙10b(见图1)，冷却流体通道“8b”的“上游部分”和气体通道7a的“中游部分和后续部分”(特别是在燃料电池的下游部分)彼此接近形成，从而满足前述条件(I)和(II)。从而，阴极侧间隙10b用冷凝水充满，因此反应气体可以比传统燃料电池更有效地使用。
注意，即使当该结构与本实施方式相反，仍可以类似地获得本发明的效果。换句话说，甚至当使用没有冷却流体通道8b的阴极侧隔离物(未示出)来代替图1中所示的燃料电池10的阴极侧隔离物6b时，可以类似地获得本发明的效果。
实施方式5
现在对本发明的实施方式5进行描述。
图20是根据本发明的实施方式5的燃料电池堆的相关部分的截面示意图，说明了其基本结果。图21是图20所示的根据实施方式5的具有燃料电池堆30B的结构的燃料电池堆的截面示意图。
图20所示的根据实施方式5的燃料电池堆30B具有与图19所示的根据实施方式4的燃料电池堆30A的相同结构，除了结构与图19所示的根据实施方式4的燃料电池10A不同的燃料电池10B配置在两个燃料电池10A之间。
更具体地解释，图20所示的燃料电池10B具有和图19所示的燃料电池10的相同结构，除了燃料电池10B用没有冷却流体通道的阴极侧隔离物6b来代替图19所示的燃料电池30A的阴极侧隔离物6b。
作为图20所示的堆叠了4个MEA 5的燃料电池堆30B的具体例子，给出了具有图21所示的结构的燃料电池堆30C。图21所示的燃料电池堆30C是如下构筑的：将第二燃料电池10B设置在距离图20所示的燃料电池堆30B的端隔离物6e的最远的燃料电池10A上，并且将另一个端隔离物6d设置在第二燃料电池10B上。在该实施方式中，与燃料电池堆30C的阴极侧隔离物6b的冷却流体通道(未示出)相同的冷却流体通道(未示出)在与图21所示的端隔离物6e紧密接触的阳极侧隔离物6A的主表面上形成。
类似于图19所示的燃料电池堆30A，在燃料电池堆30B中，可以减少从外部向燃料电池30B供给冷却流体的供给设备(例如，在冷却流体为冷却水的情况下的水泵)的负荷，改善发电系统的系统效率。
甚至当没有冷却流体通道8b的燃料电池10B被设置在仅仅在其阴极侧隔离物6b中具有冷却流体通道6b的燃料电池10A之间时，仍可以获得前述本发明的效果。具体地说，在燃料电池堆30B中，两个燃料电池10A以及设置在两个燃料电池10A之间的燃料电池10B可以通过两个相邻燃料电池10A的两个冷却流体通道8b而被充分冷却。
只要获得本发明的效果，可以将包含有两个或更多个燃料电池10B的层积体设置在两个燃料电池10A之间。从确保本发明的效果的观点出发，使用包含有两个或更多个燃料电池10B的层积体的燃料电池10B的数量优选为两个。
当燃料电池10B的阴极侧隔离物6B设置在燃料电池10A的阳极侧隔离物6A上，可以将阳极侧隔离物6A和阴极侧隔离物6B连接在一起形成单一隔离物。
实施方式6
现在对本发明的实施方式6进行描述。根据实施方式6的燃料电池堆通过改变图21中所示的燃料电池10A和燃料电池堆30C的阴极侧隔离物6b、阳极侧隔离物6A、阴极侧隔离物6B和端隔离物6e的结构而构筑，因此除了阳极侧隔离物和阴极侧隔离物之外具有与图21中所示的燃料电池10A和燃料电池堆30C的相同结构。
下面描述根据实施方式6用于燃料电池堆的阴极侧隔离物6b、阳极侧隔离物6A、阴极侧隔离物6B和端隔离物6e。
图22是从冷却流体通道8b侧观察并入到根据本发明的实施方式6的燃料电池和燃料电池堆的阴极侧隔离物46b的主表面的正视图。图23是从气体通道7b侧观察并入到根据本发明的实施方式6的燃料电池和燃料电池堆的阴极侧隔离物6b的主表面的正视图。图24是从气体通道7a侧观察并入到根据本发明的实施方式6的燃料电池和燃料电池堆的阳极侧隔离物6A的主表面的正视图。图25是从气体通道7b侧观察并入到根据本发明的实施方式6的燃料电池和燃料电池堆的阳极侧隔离物6B的主表面的正视图。图26是从不形成气体通道7a的一侧观察并入到根据本发明的实施方式6的燃料电池和燃料电池堆的阳极侧隔离物6A的主表面的正视图。
用于根据实施方式6的燃料电池堆的阴极侧隔离物6b用如图22所示的多个冷却流体通道8b来代替图21中所示的阴极侧隔离物6b的冷却流体通道8b。同样，用于根据实施方式6的燃料电池堆的阴极侧隔离物6b用如图22所示的多个气体通道7a来代替图21中所示的阴极侧隔离物6b的气体通道7b。
在图22中，交叉点/分叉点C前的冷却流体通道8b具有的结构与位于图15所示的上游侧的交叉点/分叉点C前的冷却流体通道8a的相同。即，2个通道8b1(对应于图15的77a)和8b2(对应于图15的77e)这样形成：其从供给冷却流体的歧管16沿着区域A1延伸。图22中所示的冷却流体通道8b和图15中所示的冷却流体通道8a之间的差异在于冷却流体通道8b从交叉点/分叉点C分叉成4个通道(通道8b3、通道8b4、通道8b5和通道8b6)。类似于图15所示的冷却流体通道8a，图22所示的冷却流体通道8b的4个通道(通道8b3、通道8b4、通道8b5和通道8b6)具有7个直线部分和6个转角部分。
而且，在图22所示的阴极侧隔离物6b中，供给冷却流体的歧管16和供给氧化剂气体的歧管18按照与图15所示的阳极侧隔离物6a的歧管16和18的相反方式配置。在图22所示的阴极侧隔离物6b中，排出冷却流体的歧管17和排出氧化剂气体的歧管19按照与图15所示的阳极侧隔离物6a的歧管17和19的相反方式配置。
注意，图15所示的冷却流体通道8a是阳极侧隔离物6a的通道，并且，图22所示的冷却流体通道8b是阴极侧隔离物6b的通道。
在图22所示的阴极侧隔离物6b的另一个表面上(在图22所示的阴极侧隔离物6b的与其形成冷却流体通道8b的主表面相对的表面上)形成氧化剂气体通道7b。该气体通道7b包含4个通道(通道7b1、通道7b2、通道7b3和通道7b4)。4个通道的一端连接供给氧化剂气体的歧管18。4个通道的另一端连接排出氧化剂气体的歧管19。
4个通道各自具有蛇形结构，该蛇形结构具有7个直线部分和6个转角部分。这4个通道以相等的间隔彼此平行形成。4个通道(通道7b1、通道7b2、通道7b3和通道7b4)的相邻通道之间的间隔与图22所示的冷却流体通道8b的4个通道(通道8b3、通道8b4、通道8b5和通道8b6)之间的间隔几乎相等。这4个通道(通道7b1、通道7b2、通道7b3和通道7b4)和那4个通道(通道8b3、通道8b4、通道8b5和通道8b6)以下述方式形成：如前所述“其主要部分基本彼此平行”。
为了用图表示阴极侧隔离物6b的气体通道7b和冷却流体通道8b的位置关系，气体通道7b用图22中的单点线来表示，冷却流体通道8b用图23中的单点线来表示。
用于根据实施方式6的燃料电池堆的阳极侧隔离物6A用图24所示的气体通道7a来代替图21中所示的阳极侧隔离物6A的气体通道7a。该气体通道7a包含3个通道(通道7a1、通道7a2和通道7a3)。3个通道的一端连接供给燃料气体的歧管14。3个通道的另一端连接排出燃料气体的歧管15。
3个通道各自具有蛇形结构，该蛇形结构具有9个直线部分和8个转角部分。这3个通道以相等的间隔彼此平行形成。3个通道(通道7a1、通道7a2和通道7a3)的相邻通道之间的间隔与图22所示的冷却流体通道8b的4个通道(通道8b3、通道8b4、通道8b5和通道8b6)之间的间隔几乎相等。这3个通道(通道7a1、通道7a2和通道7a3)和那4个通道(通道8b3、通道8b4、通道8b5和通道8b6)以下述方式形成：如前所述“其主要部分基本彼此平行”。
为了用图表示阳极侧隔离物6A的气体通道7a和阴极侧隔离物6B的气体通道7b的位置关系，气体通道7b用图24中的单点线来表示，气体通道7a用后面的图25中的单点线来表示。图26显示了没有形成气体通道7a的阳极侧隔离物6A的主表面。
如图25所示，用于根据实施方式6的燃料电池堆的阴极侧隔离物6B具有与图23所示的阴极侧隔离物6b的相同结构，除了阴极侧隔离物6B没有冷却流体通道。具体地说，用于根据实施方式6的燃料电池堆的阴极侧隔离物6B具有与图23所示的气体通道7b相同的气体通道(4个通道)。同样，图22中所示的气体通道和冷却流体通道8b的4个通道以下述方式形成：如前所述“其主要部分彼此基本平行”。
用于根据实施方式6的燃料电池堆的端隔离物6e具有与图21所示的端隔离物6e的相同结构，除了根据实施方式6的端隔离物6e具有图27所示的冷却流体通道8b。用于根据实施方式6的燃料电池堆的端隔离物6e具有与图22所示的用于根据实施方式6的燃料电池堆的阴极隔离物6b中形成的冷却流体通道8b相同的气体通道。图27所示的气体通道8b和图23所示的气体通道7b以下述方式形成：如前所述“其主要部分彼此基本平行”。
在具有上述结构的根据实施方式6的燃料电池堆中，例如，在插入燃料电池10A和10B之间的阴极侧隔离物6b和阳极侧隔离物6A中，形成这样的部分(例如，包括图22的R3和R4范围的范围)，其中阴极侧间隙10b在阴极侧密封垫9b和MEA 5之间形成，阳极侧间隙10a在阳极侧密封垫9a和MEA 5之间形成，阴极侧隔离物6b的冷却流体通道8b的“上游部分”、阴极侧隔离物6b的氧化剂气体通道7b的“中游部分和后续部分”(在该燃料电池中，特别是下游部分)、以及阳极侧隔离物6A的燃料气体通道7a的“中游部分和后续部分”(在该燃料电池中，特别是下游部分)互相靠近地形成从而满足条件(I)和(II)。从而，面对阳极侧隔离物6A的阴极侧间隙10b和面对阴极侧隔离物6b的阳极侧间隙10a用冷凝水充满，并且因此反应气体比传统的燃料电池更有效地使用。
在图27所示的端隔离物6e的冷却流体通道8b中，例如，在含有图27的区域3和4的区域内，面对阳极侧隔离物6A的阴极侧间隙10b用冷凝水充满。
从观察的设计点出发，隔离物的冷却流体通道的条件，例如通道的截面积、直线部分的数量和转角部分的数量，根据向通道供给冷却流体的供给设备(例如，水泵)的负荷、从供给设备(例如，水泵)到多个隔离物的冷却流体通道的冷却水分布等来确定。因此，包含多个通道的冷却流体通道可以如同本实施方式6的情况而形成。
隔离物的冷却流体通道的条件，例如通道的截面积、直线部分的数量和转角部分的数量，除了基于与隔离物另一表面上形成的冷却水通道的关系来确定之外，有时还基于与隔离物的阳极燃料气体通道的关系来确定，其中该隔离物面对着将电解质膜夹在中间的隔离物。这是因为，在设计燃料气体通道和氧化剂气体通道过程中，从防止例如对高分子电解质膜的机械损害和气体泄漏的麻烦的观点出发，有必要充分减少氧化剂气体和燃料气体之间的气压的差异，并且考虑氧化剂和燃料(还原剂)之间的化学计量比、氧化剂气体中含有的活性物质(氧化剂)的浓度以及燃料气体中含有的活性物质(还原剂)的浓度。因此，包含多个通道的冷却流体通道可以如实施方式6的情况而形成。
在本发明中，甚至在形成包含多个通道的冷却流体通道和形成包含多个通道的反应气体通道的情况下，阴极侧间隙10b和阳极侧间隙10a中的至少一个可以用冷凝水充满，因此反应气体可以比传统的燃料电池更有效地利用。
尽管上面详细描述了本发明的实施方式，可以理解本发明不限于上面给出的这些实施方式。注意，上述每一个实施方式均可以部分地与本说明书中描述的任意其它实施方式结合在一起。
例如，考虑到氢气和氧气之间的化学计算反应，氢气的量应该是氧气的体积的两倍。但是，当使用空气作为氧化剂气体时，由于空气中氧气的浓度为大约20体积％，空气流入阴极的流速比燃料气体流入阳极的流速大。而且，依照改善燃料利用率，应该减少燃料气体的流速。因此，燃料气体通道比氧化剂气体通道具有更多的蛇形部分并且更长，因此阳极侧气体通道和阳极侧间隙之间的长度的差异比阴极侧气体通道和阴极侧间隙的差异变得更大，使得反应气体不但容易流入阴极侧间隙，还流入阳极侧间隙。因此，有效地充满阳极侧间隙。
根据本发明的概念，阳极侧隔离物和阴极侧隔离物中的任意一个或两个的冷却流体通道的上游部分可以在对应于阳极侧间隙和阴极侧间隙的区域内形成。从而，流入阳极侧密封垫和膜电极接合体之间形成的阳极侧间隙和在阴极侧密封垫和膜电极接合体之间形成的阴极侧间隙的反应气体中含有的水蒸汽可以在至少一部分阳极侧间隙和阴极侧间隙中冷凝，所以确保阳极侧间隙和阴极侧间隙中的任意一个可以用冷凝水充满。
而且，当阳极侧间隙和阴极侧间隙中的至少一个各自具有第一路径和比第一路径长的第二路径时，如前所述，优选冷却流体通道的上游部分设置在对应于其中反应气体可以更轻易流动的短的第一路径的区域内。但是，冷却流体通道的上游部分可以在对应于第一路径的区域和对应于第二路径的区域中的任意一个或者两个内形成。反应气体流入第二路径，并且进一步，通过将冷却流体通道的上游部分设置在对应于第一和二路径的附近的区域内，确保防止反应气体流入第一和二路径。
而且，当气体通道含有多个凹槽时，例如，多个凹槽之间的通道长度(总路径长度)由于它们具有不同数量的转角而产生差异。在这种情况下，多个凹槽中，从供给反应气体的歧管孔到排出反应气体的歧管孔的距离较远的凹槽的截面积比从供给反应气体的歧管孔到排出反应气体的歧管孔的距离较短的凹槽的截面积大。在该结构的情况下，可以减少具有不同通道长度的凹槽之间的压力损失的差异，从而实现反应气体的稳定流动。
在气体通道的上游部分和其下游部分彼此相邻的区域内，优选气体通道之间的宽度(即，凸缘的宽度)较宽。由此防止反应气体直接从气体通道的上游部分流入其下游部分。
为了防止燃料气体和氧化剂气体之间的相互泄漏，以及有效防止两种气体一起流经同一气体通道，优选，如图3所示，供给燃料气体的歧管孔14和排出燃料气体的歧管孔15在阳极侧隔离物6a中，彼此远离地形成，并且如图4所示，供给氧化剂气体的歧管孔18和排出氧化剂气体的歧管孔19在阴极侧隔离物6b中彼此远离地形成。在歧管孔间隔靠近的情况下，优选连接歧管孔的气体通道之间的每一个凸缘的宽度在歧管孔附近比较宽。
在本发明中，阳极侧隔离物的冷却流体通道的结构可以用阴极侧隔离物的冷却流体通道来代替，或者用类似方法代理。或者，阳极侧隔离物的冷却流体通道和阴极侧隔离物的冷却流体通道可以具有相同的结构。直线部分的数量和转角部分的数量没有具体限制，只要不损害本发明的效果，可以适当设定。
此外，阳极侧隔离物和阴极侧隔离物的气体通道的形状也可以不限于上面给出的实施方式。只要不损害本发明的效果，可以采用传统的结构，其中供给反应气体的歧管孔和排出反应气体的歧管孔彼此相通。
冷却流体通道可以在阳极侧隔离物和阴极侧隔离物之间的至少一个中形成，而不一定要在两种隔离物上形成。特别是当堆叠大量单电池时，冷却流体通道可以在每两个单电池中形成。在该情况下，可以采用这样的结构，其中燃料气体通道在阳极侧隔离物的一个表面上形成，冷却流体通道在其另一个表面上形成，并且氧化剂气体通道在阴极侧隔离物的一个表面上形成，其另一个表面为平面。
尽管上述实施方式解释了这样的情况，如图1所示，包含催化剂层和气体扩散层的电极用于本发明的燃料电池中作为气体扩散电极，但本发明不限于此。本发明的燃料电池可以具有例如在图1中的阳极气体扩散层3a和阳极催化剂层2a之间包含由疏水聚合物和碳粉构成的疏水碳层的阳极。而且，本发明的燃料电池可以具有例如在图1中的阴极气体扩散层3b和阴极催化剂层2b之间包含由疏水聚合物和碳粉构成的疏水碳层的阴极。通过形成疏水碳层，可以更轻易和准确地控制膜电极接合体中的水(保留必要的维持膜电极接合体的优异性质的水，并且快速除去不需要的水)。
而且，尽管采用上述实施方式，例如，如图1所示的燃料电池10中那样，气体通道7a包含的凹槽在阳极侧隔离物6a的主表面上形成，气体通道可以与阳极侧隔离物6a隔离地形成。
例如，通过设置大量比隔离物小的板，在隔离板的主表面上形成凹槽。其适用于阴极的气体通道7b。
尽管上述实施方式解释了如图1所示高分子电解质膜1的凸出部分P设置在阳极侧密封垫9a和阴极侧密封垫9b之间，并且阳极侧密封垫9a和阴极侧密封垫9b彼此不直接相互接触的情况，但本发明的结构不限于此。例如，在本发明的燃料电池中，如图28所示，部分阳极侧密封垫9a和部分阴极侧密封垫9b可以在高分子电解质膜1的凸出部分P的外部彼此直接接触。
在本发明的燃料电池中，从改善高分子电解质膜1的周围(高分子电解质膜1的凸出部分P)的机械强度的观点出发，可以在高分子电解质膜1面对阳极的周围的主表面和高分子电解质膜1面对阴极的周围的主表面中的至少一个上使用形状为环形的加强膜。该加强膜为粘附到高分子电解质膜上的薄膜。
当加强膜在高分子电解质膜面对阳极的周围(高分子电解质膜1的凸出部分P)的主表面上形成时，例如，可以采用如图29和30所示的结构。
图29和30所示的燃料电池(只要相关部件显示)具有与图1所示的燃料电池10的相同结构，除了加强膜12设置在高分子电解质膜面对阳极的凸出部分P的主表面上。
具体地说，在图29所示的燃料电池的情况下，加强膜12的外缘插入阳极侧密封垫9A1和高分子电解质膜1的凸出部分P之间，并且加强膜12的内缘与催化剂层2a相接触。而且，在图29所示的燃料电池的情况下，阳极侧密封垫9a1的外缘和高分子电解质膜1的凸出部分P的外缘之间彼此直接接触。与图29所示的燃料电池相比较，在图30所示的燃料电池中，插入阳极侧密封垫9a1和高分子电解质膜1的凸出部分P之间的加强膜12延伸至密封垫和凸出部分的外缘，并且因此阳极侧密封垫9a1和高分子电解质膜1的凸出部分P之间彼此不直接接触。
在图29和30所示的燃料电池的情况下，阳极侧间隙10a包含的空间由加强膜12、阳极侧密封垫9a、阳极侧隔离物6a和阳极4a的端面(气体扩散层3a的端面)形成。
尽管，在图29所示的结构中，解释了加强膜12的外缘插入到阳极侧密封垫9a1和高分子电解质膜1的凸出部分P之间的情况，加强膜12的配置不限于此。
例如，在图29中，加强膜12的外缘和阳极侧密封垫9a1之间存在间隙，换句话说，通过不将加强膜12的外缘插入阳极侧密封垫9a1和高分子电解质膜1的凸出部分P之间，加强膜12的外缘和阳极侧密封垫9a1之间彼此不相互接触。在这种情况下，部分高分子电解质膜1的凸出部分P暴露在加强膜12的外缘和阳极侧密封垫9a1之间形成的间隙中。
在该情况下，阳极侧间隙10a包含由加强膜12、高分子电解质膜1的凸出部分P的暴露部分、阳极侧密封垫9a、阳极侧隔离物6a和阳极4a的端面(气体扩散层3a的端面)形成的空间。
图29所示的结构还适用于高分子电解质膜1面向阴极4b的凸出部分P的表面。同样，图30所示的结构还适用于高分子电解质膜1的面向阴极4b的凸出部分P的表面
当形成图29所示的加强膜12和图30所示的加强膜12A时，从例如化学稳定性和机械稳定性之类的耐久性的观点出发，优选加强膜12和12A由选自聚萘二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、氟乙烯-丙烯共聚物、四氟乙烯全氟烷氧基乙烯共聚物、聚乙烯、聚丙烯、聚醚酰胺、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮、聚醚砜、聚苯硫醚、polyalylate、多硫化物、聚酰亚胺和聚酰亚胺酰胺的至少一种合成树脂制成。
实施例
下面用实施例对本发明进行详细描述，但是应当理解本发明不限于此。
实施例1
在该实施例中，所制造的燃料电池，除了下述[1]和[2]点之外，具有与上述根据实施方式6的燃料电池堆的相同结构。具体地说，所制造的燃料电池(4电池堆)包含如图21的燃料电池堆30C所示而堆叠的4个MEA，并且具有如图22到27所示的包括多个通道的反应气体通道和多个冷却流体通道的隔离物。
[1]：使用具有从图22和27所示的交叉点/分叉点C的8个冷却流体通道的阴极侧隔离物6a和端隔离物6e。[2]：图20和21所示的每一个阴极侧隔离物6b的阴极气体通道7b的数量和每一个阴极侧隔离物6B的阴极气体通道7b的数量设定为7。
作为阳极侧隔离物的气体通道，形成3个类似于图24所示的3个气体通道7a的通道。
作为MEA，准备4个购买自W.L.Gore & Associates，Inc.的PRIMEA(商品名)MEA。通过加热方法将密封垫粘附到如图1所示的每一个MEA的高分子电解质膜的周围。
将上述阳极侧隔离物、阴极侧隔离物、端隔离物设置在4个MEA的每一对之间，形成类似于图21所示的燃料电池堆30C的四电池堆。将集电器板和绝缘板设置在四电池堆的每一端。将由此获得的燃料电池堆设置在一对端板之间。使用弹簧和夹钳构件将燃料电池堆固定在一对端板之间。从而，获得实施例1的燃料电池。
阳极侧隔离物和阴极侧隔离物以下述方式形成：在尺寸适用于MEA的导电性平板的一个表面上形成气体通道，并且，任选地在与形成气体通道的主表面相反的另一面上形成冷却流体通道。在该实施例中，假设图22和23中的区域R3中，(100×L3/L4)等于大约16％到大约25％，并且在区域R4中，(100×L3/L4)等于大约5％到25％。
比较例1
制造结构与实施例1的四电池堆相同的四电池堆，除了阳极侧间隙和阴极侧间隙中的至少一个、冷却流体通道的上游部分和中游部分和后续部分彼此不相互靠近。
具体地说，制造的四电池堆具有和实施例1的相同结构，除了使用其中形成了类似于图31所示冷却流体通道(4个通道)的蛇形冷却流体通道(7个通道)的阴极侧隔离物和端隔离物，并且所使用的端隔离物中蛇形冷却流体通道(7个通道)类似于图33所示的冷却流体通道(4个通道，具有和图31的冷却流体通道的相同结构)。为了解释的方便(由于空间的限制)，在图31和33中，显示了包含4个通道的冷却流体通道。在比较例1中，但是，使用包含7个通道的气体通道。
为了大致解释冷却流体通道和阴极反应气体通道的位置关系，图32显示的蛇形气体通道(4个通道)类似于比较例1中使用的阴极侧隔离物的氧化剂气体通道(7个通道)。为了解释的方便(由于空间的限制)，在图32中，显示了包含4个通道的冷却流体通道。在比较例1中，但是，使用包含7个通道的气体通道。
如图31到33所示，在比较例1中，冷却流体通道的一端连接供给冷却流体的歧管孔160上，并且氧化剂气体通道的一端连接供给氧化剂气体的歧管孔180上。供给冷却流体的歧管孔160和供给氧化剂气体的歧管孔180紧密地设置在矩形隔离物的主表面的一角内。冷却流体通道的另一端连接排出冷却流体的歧管孔170上，并且氧化剂气体通道的另一端连接排出氧化剂气体的歧管孔190上。排出冷却流体的歧管孔170和排出氧化剂气体的歧管孔190紧密地设置在与上述隔离物的主表面的一角相对的那个角内。冷却流体通道和氧化剂气体通道彼此平行地设置在隔离物的主表面内。而且，从上游至下游地沿着对应于阴极间隙的区域或对应于阳极间隙的区域的附近形成位于7个冷却流体通道的两端的2个通道中的任意一个。同样，从上游至下游地沿着对应于阴极间隙的区域或对应于阳极间隙的区域的附近形成位于7个气体通道的两端的2个通道中的任意一个。因此，在比较例1中，冷却流体通道的上游部分、中游部分和下游部分以及氧化剂气体通道的这些部分彼此相互靠近地配置。
作为阳极侧隔离物的气体通道，形成类似于图24所示的3个通道7a的3个通道。
评价实验
使用实施例1的燃料电池堆(四电池堆)和比较例1的燃料电池堆(四电池堆)，在下列操作条件下，测量燃料气体利用率的限度。结果在表1中示出。
在该评价实验中，测定构成实施例1和比较例1的燃料电池堆的每一个单电池的燃料气体利用率的限度。随后，计算算术平均值并且表示为燃料气体利用率的限度。正如此处所用，“燃料气体利用率的限度”是最大的燃料气体利用率，其中燃料电池可以稳定地产生电，而不会造成电压降落。
燃料电池的操作温度：62℃
燃料气体(H2)的利用率：70到95％
氧化剂气体(O2)的利用率：45％固定
冷却水温度(入口)：61℃
冷却水温度(出口)：63℃
燃料气体和氧化剂气体的湿化温度：64℃
表1
 
燃料气体利用率的限度(％)
实施例1 95
比较例1 90
在实施例1中，甚至当燃料气体利用率为95时％，在所有的四个单电池中没有发生电压降落。另一方面，在比较例中，当燃料气体利用率超过90％时，电压开始降落。例如，在实施例1的燃料电池中燃料气体利用率为95％时，稳定地发电，而在比较例1的所有的四个单电池中观察到5到30mV的电压降落。
如表1所示结果清楚地显示，本发明的燃料电池和燃料电池堆具有的燃料气体利用率的限度高并且显示充分的发电能力。
工业实用性
本发明的固体聚合物燃料电池可以防止反应气体的利用率下降，并且适用于使用聚合物固体电解质膜的燃料电池，特别适用于固定的热电联合系统以及电动车辆。

Claims (15)

1.一种燃料电池，其至少包括：
膜电极接合体，其具有阳极、阴极和配置在所述阳极和所述阴极之间的高分子电解质膜；
阳极侧隔离物和阴极侧隔离物，其将所述膜电极接合体夹在中间并且彼此面对面地配置；
冷却流体通道，其用于供给和排出用于冷却所述膜电极接合体的冷却流体，所述冷却流体通道在所述阳极侧隔离物和所述阴极侧隔离物中的至少一个上形成；
燃料气体通道，其用于将作为反应气体的燃料气体供给到所述膜电极接合体和将该燃料气体从所述膜电极接合体排出，所述燃料气体通道在所述阳极侧隔离物上形成；
氧化剂气体通道，其用于将作为反应气体的氧化剂气体供给到所述膜电极接合体和将该氧化剂气体从所述膜电极接合体排出，所述氧化剂气体通道在所述阴极侧隔离物上形成；
阳极侧密封垫，其用于密封所述反应气体，所述阳极侧密封垫配置在所述膜电极接合体的外缘部，并且在所述阳极侧隔离物面对所述膜电极接合体的主表面上；和
阴极侧密封垫，其用于密封所述反应气体，所述阴极侧密封垫配置在所述膜电极接合体的外缘部，并且在所述阴极侧隔离物面对所述膜电极接合体的主表面上，这样所述阴极侧密封垫面对所述阳极侧密封垫；
其中，所述冷却流体通道、所述燃料气体通道和所述氧化剂气体通道以下述方式形成：它们的主要部分彼此基本平行；
所述阳极侧隔离物和所述阴极侧隔离物中至少一个的所述冷却流体通道的上游部分以下述方式形成：其包括对应于阳极侧间隙的区域和对应于阴极侧间隙的区域中的至少一个，所述阳极侧间隙形成于所述阳极侧密封垫和所述膜电极接合体之间，所述阴极侧间隙形成于所述阴极侧密封垫和所述膜电极接合体之间，所述冷却流体通道的上游部分还包括对应于所述燃料气体通道和所述氧化剂气体通道中至少一个气体通道的中游部分和后续部分的区域，从而使流入所述阳极侧间隙的所述反应气体中含有的水蒸汽以及流入所述阴极侧间隙的所述反应气体中含有的水蒸汽在所述阳极侧间隙和所述阴极侧间隙中的至少一部分中冷凝，由此使冷凝水充满所述阳极侧间隙和所述阴极侧间隙中的至少一个，
其中，所述冷却流体通道的上游部分指的是从连接用于供给冷却流体的歧管孔的冷却流体通道的一端延伸至满足式：L1≦L2的位置的部分；在该式中，L1表示冷却流体通道的上游部分的长度；假设当冷却流体通道在阳极侧隔离物中形成时，阳极侧间隙为气体通道，则L2表示阳极侧间隙的总长度；或者假设当冷却流体通道在阴极侧隔离物中形成时，阴极侧间隙为气体通道，则L2表示阴极侧间隙的总长度；
所述燃料气体通道和所述氧化剂气体通道中至少一个气体通道的中游部分和后续部分指的是从连接用于排出反应气体的歧管孔的所述气体通道的一端延伸至满足式：L3≦{(2/3)×L4}的位置的部分；在该式中，L3表示该气体通道的中游部分和后续部分的长度；L4表示燃料气体通道或氧化剂气体通道的总长度。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，
其中，所述高分子电解质膜的所述阳极侧和所述阴极侧的主表面比所述阳极的所述高分子电解质膜侧的主表面和所述阴极的所述高分子电解质膜侧的主表面大，并且所述高分子电解质膜的所述阳极侧和所述阴极侧的主表面的整个外围向外延伸超过所述阳极的所述高分子电解质膜侧的主表面的外围和所述阴极的所述高分子电解质膜侧的主表面的外围，
所述阳极侧密封垫和所述阴极侧密封垫配置在所述阳极侧隔离物和所述阴极侧隔离物之间，这样所述阳极侧密封垫和所述阴极侧密封垫彼此面对，并且它们将所述高分子电解质膜的整个外围夹在中间；
所述阳极侧间隙至少包括下述空间：该空间由所述高分子电解质膜、所述阳极侧密封垫、所述阳极侧隔离物和所述阳极的端面所围成；并且
所述阴极侧间隙至少包含下述空间：该空间由所述高分子电解质膜、所述阴极侧密封垫、所述阴极侧隔离物和所述阴极的端面所围成。
3.根据权利要求1所述的燃料电池，
其中，所述阳极侧隔离物的所述冷却流体通道的所述上游部分在对应于所述阳极侧间隙的区域中形成，这样，流入所述阳极侧间隙的所述反应气体的所述水蒸汽在所述阳极侧间隙的至少一部分中冷凝，并且用冷凝水充满所述阳极侧间隙。
4.根据权利要求1所述的燃料电池，
其中，所述阳极侧隔离物和所述阴极侧隔离物的所述冷却流体通道的所述上游部分以下述方式形成：其包括对应于所述阳极侧间隙的所述区域和对应于所述阴极侧间隙的所述区域中的至少一个，并且
所述冷却流体通道的所述上游部分以下述方式形成：其包括对应于所述燃料气体通道和所述氧化剂气体通道中至少一个气体通道的中游部分和后续部分的区域。
5.根据权利要求1所述的燃料电池，
其中，所述阳极侧密封垫和所述阴极侧密封垫为连续环状体，
在所述阳极侧隔离物和所述阴极侧隔离物中，通过所述冷却流体通道连接的用于供给冷却流体的歧管孔和用于排出冷却流体的歧管孔分别在所述阳极侧密封垫和所述阴极侧密封垫的外部形成，并且
所述阳极侧间隙和所述阴极侧间隙均具有从反应气体供给用歧管孔至反应气体排出用歧管孔的沿着阳极或者阴极的外缘部的第一和第二路径，所述第二路径比所述第一路径长。
6.根据权利要求5所述的燃料电池，
其中，所述阳极侧隔离物和所述阴极侧隔离物中至少一个的所述冷却流体通道的所述上游部分，在对应于所述阳极侧间隙和所述阴极侧间隙的所述第一路径的区域内形成。
7.根据权利要求5所述的燃料电池，
其中，所述阳极侧隔离物和所述阴极侧隔离物中至少一个的所述冷却流体通道的所述上游部分，在对应于所述阳极侧间隙和所述阴极侧间隙的所述第二路径的区域内形成。
8.根据权利要求1所述的燃料电池，
所述气体通道的中游部分和后续部分满足式：L3≦{(1/2)×L4}。
9.根据权利要求1所述的燃料电池，
其中，在所述阳极侧隔离物和所述阴极侧隔离物中的至少一个中，在所述冷却流体通道的内部区域中从上游到下游流动的所述冷却流体的流动方向、以及在所述气体通道的内部区域中从上游到下游流动的所述反应气体的流动方向并行。
10.根据权利要求1所述的燃料电池，
其中，所述冷却流体通道、所述燃料气体通道和所述氧化剂气体通道各自具有蛇形结构。
11.根据权利要求1所述的燃料电池，
所述阳极侧隔离物和所述阴极侧隔离物都具有冷却流体通道，所述冷却流体通道具有相同的结构。
12.根据权利要求1所述的燃料电池，
所述阳极侧隔离物和所述阴极侧隔离物都具有冷却流体通道，所述冷却流体通道在所述阳极侧隔离物和所述阴极侧隔离物的接触面上彼此为镜像关系。
13.根据权利要求8所述的燃料电池，
所述气体通道的中游部分和后续部分满足式：L3≦{(1/3)×L4}。
14.根据权利要求9所述的燃料电池，
所述反应气体的上游侧的饱和蒸汽压低于所述反应气体的下游侧的饱和蒸汽压。
15.一种燃料电池堆，其含有多个堆叠的燃料电池，
其中，至少一个根据权利要求1所述的燃料电池被加入到所述燃料电池堆中作为燃料电池。
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