CN101073173A - 燃料电池隔离器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种隔离器，其面对MEA的区域是平的，该隔离器包括面对第一电极板和面对第二电极板。该隔离器包括反应气体供给歧管，反应气体供给到该反应气体供给歧管。面对第一电极板包括形成在电池反应区域的端部处的多个反应气体供给孔。中间板包括多个反应气体供给路径槽，所述反应气体供给路径槽形成反应气体供给路径，其中，每个反应气体供给路径的一端连接到反应气体供给路径，另一端连接到多个反应气体供给孔中的至少一个。

Description

燃料电池隔离器
技术领域
本发明涉及燃料电池隔离器，具体而言，涉及反应气体的供给。
背景技术
对于燃料电池，例如，质子交换膜燃料电池(PEFC)，通过将含有氢的燃料气体和含有氧的氧化气体分别供给彼此面对并夹有电解质膜的两个电极(阴极和阳极)，来进行下面的式(1)和式(2)所示的反应，将化学能直接转换成电能。
阴极反应：2H++2e-+(1/2)O2→H2O    (1)
阳极反应：H2→2H++2e-             (2)
作为燃料电池的主要结构，开发了所谓的堆结构(stack structure)。燃料电池的堆结构具有基本上平坦形的膜电极组件(MEA)和隔离器，所述膜电极组件和隔离器层叠并沿层叠方向接合。
这里，所称的燃料电池隔离器是具有三层结构的物品，所述三层结构由阳极侧板、阴极侧板和夹在阴极侧板与阳极侧板之间的中间板构成。这种三层结构的隔离器包括穿透三层板的反应气体歧管、设在中间板中的传输路径、以及长孔形通孔，所述通孔设在阳极侧板和阴极侧板处半刻蚀的反应气体流动路径末端。因此，反应气体从传输路径经由长孔形通孔分配到反应气体流动路径。
但是，采用上述的现有技术，由于设在阳极侧板和阴极侧板上的通孔是长孔形，所以在用于阳极侧板和阴极侧板中并不设有反应气体流动路径的隔离器(下文中称为平隔离器)时，存在反应气体的供给不稳定的风险。具体而言，采用平隔离器，由于阴极侧板和阳极侧板中并不设有反应气体流动路径，所以可以将这些板制造得薄且平。在此情况下，当形成长孔形通孔处的部件强度不足时，随着形变，反应气体的供给变得不稳定，并可能存在燃料电池性能下降的风险。另外，由于平隔离器在阳极侧板和阴极侧板中没有反应气体流动路径，所以平隔离器不能通过反应气体流动路径来控制反应气体的分配。对于上述现有技术，没有考虑到在未设有反应气体流动路径时的反应气体分配均匀性。因此，存在反应气体分配变得不均匀，造成燃料电池性能下降的风险。
发明内容
本发明希望解决上述传统缺点，其一个目的是改进反应气体供给并使采用平隔离器的燃料电池的性能提高。
为了达到上述目的，本发明的一个方面提供了一种燃料电池隔离器，包括：面对第一电极板，具有面对膜电极组件中第一电极的第一电池反应区域，其中所述第一电池反应区域是平坦的；面对第二电极板，具有面对所述膜电极组件中第二电极的第二电池反应区域，其中所述第二电池反应区域是平坦的；和中间板，保持在所述面对第一电极板和所述面对第二电极板之间。在本发明的该方面的燃料电池隔离器中，所述面对第一电极板、所述面对第二电极板和所述中间板分别包括反应气体供给歧管开口，所述反应气体供给歧管开口形成反应气体供给歧管，所述反应气体被供给到所述反应气体供给歧管，其中所述反应气体供给歧管在厚度方向上穿透所述隔离器。所述面对第一电极板还包括多个反应气体供给孔，所述反应气体供给孔在厚度方向上穿透所述面对第一电极板并形成在所述第一电池反应区域的端部处。所述中间板还包括多个反应气体供给路径开口，所述多个反应气体供给路径开口形成反应气体供给路径，其中每个所述反应气体供给路径的一端连接到所述反应气体供给歧管，另一端连接到形成于所述面对第一电极板上的所述多个反应气体供给孔中的至少一个，其中所述多个反应气体供给路径开口在厚度方向上穿透所述中间板。
本发明这个方面的隔离器设有与反应气体供给路径相连接的多个气体供给孔。因此，与由一个长孔形成反应气体供给孔的情况相比，面对第一电极板的穿透部分的面积更小，所以提高了面对第一电极板的强度。由此，即使将面对第一电极板制成薄板，也可以实现向第一电极稳定地供给反应气体。
在本发明这个方面的隔离器中，反应气体供给路径开口的数量与反应气体供给孔的数量可以相同，并且反应气体供给路径开口可以与反应气体供给孔一一对应。在此情况下，由于中间板的穿透部分面积更小，所以隔离器强度进一步提高。由此，可以实现更加稳定的反应气体供给。
在本发明这个方面的隔离器中，可以根据反应气体供给路径和反应气体供给孔的形状和尺寸，来控制从多个反应气体供给孔供给到第一电极的反应气体的流量。在此情况下，可以容易地控制从各个反应气体供给孔供给的反应气体流体积，并可以使反应气体稳定地分配到第一电极。
在根据本发明这个方面的隔离器中，在构成燃料电池时，布置在第一电极与面对第一电极板之间的多孔层可以作为用于使反应气体流动的反应气体流动路径。而且，反应气体供给路径和反应气体供给孔的反应气体压力损失可以大于多孔层的反应气体压力损失，从而通过反应气体供给路径和反应气体供给孔的反应气体压力损失来控制从多个反应气体供给孔供给到第一电极的反应气体的流量。在此情况下，与难以控制其流量的多孔层不同，可以容易地控制隔离器处的反应气体流量。
在本发明这个方面的隔离器中，多个反应气体供给路径开口可以分别具有相同的形状和尺寸。在此情况下，对于各个反应气体供给路径，可以使各个反应气体供给路径的压力损失是均匀的。由此提高了向第一电极的反应气体供给的均匀性。
在本发明这个方面的隔离器中，多个反应气体供给孔可以分别具有相同的形状和尺寸。在此情况下，对于各个反应气体供给孔，可以使多个反应气体供给孔的压力损失均匀。由此，可以使经过各个反应气体供给路径和反应气体供给孔的反应气体流量均匀。因此提高了向第一电极的反应气体供给的均匀性。
在本发明这个方面的隔离器中，多个反应气体供给路径开口可以形成为分别彼此平行。在此情况下，向电池反应区域供给反应气体的方向是固定的，所以使反应气体供应稳定。
在本发明这个方面的隔离器中，面对第一电极板可以包括面对着阴极的面对阴极板。反应气体供给歧管可以包括用于供给氧化气体的氧化气体供给歧管。多个反应气体供给路径开口可以包括氧化气体流动所用的氧化气体供给路径开口，这些开口布置在第一电池反应区域的一个边缘从一端到另一端。在此情况下，扩散性比燃料气体差的氧化气体可以在整个第一电极上均匀地供给。
在本发明这个方面的隔离器中，面对第一电极板、面对第二电极板和中间板还可以分别包括反应气体排出歧管开口，所述反应气体排出歧管开口形成反应气体排出歧管，反应气体从反应气体排出歧管排出，其中反应气体排出歧管在厚度方向上穿透隔离器。面对第一电极板还可以包括多个反应气体排出孔，反应气体排出孔在厚度方向上穿透面对第一电极板，并形成在第一电池反应区域的与形成反应气体供给孔的端部相反那侧的端部处。而且，中间板还可以包括多个反应气体排出路径开口，所述多个反应气体排出路径开口形成反应气体排出路径，其中每个反应气体排出路径的一端连接到反应气体排出歧管，另一端连接到多个反应气体排出孔中的至少一个，其中多个反应气体排出路径开口在厚度方向上穿透所述中间板。在此情况下，可以增加用于第一电极的反应气体排出孔部分的强度。
在本发明这个方面的隔离器中，反应气体供给孔或反应气体排出孔的宽度可以比所连接的反应气体供给路径或所连接的反应气体排出路径的宽度更宽。在此情况下，在中间板与面对第一电极板之间由于安放误差等而在表面方向发生位移时，可以抑制反应气体供给路径与反应气体供给孔之间连接面积的减小或消失。
在根据本发明这个方面的隔离器中，面对第一电极板和面对第二电极板中至少其一可以包括第一层和第二层。第一层可以具有与中间板接触的接触表面。第二层可以具有在构成燃料电池时面对膜电极组件的面对表面，第二层可以比第一层材料具有更高抗腐蚀性的材料制成。在此情况下，可以使与膜电极组件接触的、易于发生腐蚀的表面提高抗腐蚀性。例如，第一层的材料与第二层的材料的组合可以是以下情形之一：a)第一层是不锈钢，第二层是钛或钛合金；b)第一层是钛，第二层是钛钯合金。
在根据本发明这个方面的隔离器中，反应气体供给歧管开口、反应气体供给孔和反应气体供给路径开口可以通过冲裁处理形成。另外，反应气体排出歧管开口、反应气体排出孔和反应气体排出路径开口可以通过冲裁处理形成。在此情况下，可以通过冲裁处理容易地制造上述方面的面对第一电极板、面对第二电极板和中间板，冲裁处理是具有高生产率的处理方法。因此，可以提高隔离器生产率。
根据下面的详细说明和附图，本发明的上述以及其他的目的、特征、方面和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1示意性图示了使用本实施例的隔离器构成的燃料电池的结构。
图2示意性图示了构成本实施例燃料电池的模块的结构。
图3示出了密封一体式MEA和隔离器的各个结构部分的俯视图。
图4示出了隔离器与密封一体式MEA重叠状态的俯视图和剖视图。
图5示出了图4中B-B截面的剖视图。
图6示意性图示了图4中AA部分的放大图。
图7示出了图4中D-D截面的剖视图。
图8示出了第一修改方案的隔离器的俯视图。
图9示出了将第二修改方案的隔离器与密封一体式MEA层叠在一起构成的模块的剖视图。
图10示出了密封一体式MEA和第三修改方案的隔离器的各个结构部分的俯视图。
具体实施方式
下面将参考附图对本发明的实施例进行说明。
A.实施例
燃料电池和隔离器构造
参考图1至图3，对本实施例的隔离器示意性构造以及使用本实施例的隔离器构成的燃料电池进行说明。图1示意性图示了使用本实施例的隔离器构成的燃料电池的构造。图2示意性图示了构成本实施例燃料电池的模块的结构。图3示出了隔离器的各结构部件以及一体式膜电极组件(MEA)的俯视图。
燃料电池10是质子交换膜燃料电池(PEFC)，它比较紧凑并具有优良的发电效率。燃料电池10包括多个模块20、端板30、张紧板31、绝缘体33和端子23。多个模块20夹住绝缘体33和端子23，并被夹在两个端板30之间。具体而言，燃料电池10具有将多个模块20层叠的分层结构。另外，通过由螺栓32接合到各个端板30的张紧板31，各个模块20通过沿层叠方向的特定压紧力而接合。
用于电池反应而供给的反应气体(燃料气体和氧化气体)、以及用于对燃料电池10进行冷却的冷却介质被供给到燃料电池10。作为一个简洁的说明，氢气从存储高压氢气的氢气箱210经由管道250供给到燃料电池10作为燃料气体。也可以用醇、烃等作为原料利用重整反应来产生氢气，来代替氢气箱210。为了对氢气供给进行调整，管道250中布置有关断阀220和调压阀230。从燃料电池10的阳极排出的氢气经由管道260回到管道250，并在燃料电池10中再次循环。用于循环的循环泵240布置在管道260上。
空气从空气泵310经由管道350供给到燃料电池10的阴极作为氧化气体。从燃料电池10的阴极排出的空气经由管道360排放到大气中。还将冷却介质从散热器420经由管道450供给到燃料电池10。作为冷却介质，可以使用水、不冻水(例如乙二醇)、空气等。从燃料电池10排出的冷却介质经由管道460传送到散热器420并在燃料电池10中再次循环。用于循环的循环泵410布置在管道460上。
如图2所示，模块20由隔离器25与密封一体式MEA 21的交替层叠构成。
如图2所示，隔离器25包括面对密封一体式MEA 21中阴极侧的而对阴极板22、面对阳极侧的面对阳极板23、以及夹在面对阴极板22与面对阳极板23之间的中间板24。这三种板重叠并通过热压接合。
面对阴极板22是大致四边形的金属薄板。该金属薄板例如可以是钛、钛合金或SUS(不锈钢)板，其表面上经过电镀以防受到腐蚀。如图3的(a)所示，面对阴极板22具有电池反应区域DA，电池反应区域DA是面对阴极的部分，电池反应区域DA是平坦的，并且电池反应区域DA上没有形成氧化气体流动路径。面对阴极板22在电池反应区域DA外侧的外周边边缘处包括燃料气体供给歧管形成开口221a、燃料气体排出歧管形成开口221b、氧化气体供给歧管形成开口222a、氧化气体排出歧管形成开口222b、冷却介质供给歧管形成开  223a和冷却介质排出歧管形成开口223b。面对阴极板22还包括多个氧化气体供给孔225和多个氧化气体排出孔226。多个氧化气体供给孔225布置在图3的(a)中电池反应区域DA的顶边缘部分。多个氧化气体供给孔225横跨电池反应区域DA从左边缘到右边缘排列布置。多个氧化气体排出孔226布置在电池反应区域DA中与氧化气体供给孔225相反那侧的端部处，也就是图3的(a)中的底边缘处。多个氧化气体排出孔226横跨电池反应区域DA从左边缘到右边缘排列布置。这些不同类型的歧管形成开口、氧化气体供给孔225和氧化气体排出孔226全都形成为在厚度方向上穿透面对阴极板22的穿透部分。对于面对阴极板22，除了这些穿透部分之外的部分是未经处理的平板。因此，简单地通过在大致为四边形的金属薄板上进行冲裁处理即可制造面对阴极板22。
面对阳极板23是与面对阴极板22尺寸相同的、大致为四边形的金属薄板。面对阳极板23的材料可以使用与面对阴极板22相同的材料。如图3的(b)所示，与面对阴极板22一样，面对阳极板23的电池反应区域DA是平坦的，电池反应区域DA上没有形成燃料气体流动路径。面对阳极板23在与面对阴极板22相同的位置处包括燃料气体供给歧管形成开口231a、燃料气体排出歧管形成开口231b、氧化气体供给歧管形成开口232a、氧化气体排出歧管形成开口232b、冷却介质供给歧管形成开口233a和冷却介质排出歧管形成开口233b。面对阳极板23还包括多个燃料气体供给孔237和多个燃料气体排出孔238。多个燃料气体供给孔237在图3(b)中电池反应区域DA的左边缘的顶部处排列布置。多个燃料气体排出孔238在电池反应区域DA中的与燃料气体供给孔237相反的那侧上的边缘处排列布置，也就是说在图3(a)中右边缘的底部处排列布置。这些不同类型的歧管形成开口、燃料气体供给孔237以及燃料气体排出孔238都形成为在厚度方向上穿透面对阳极板23的穿透部分。对于面对阳极板23，除了这些穿透部分之外的部分是未经处理的平板。因此，简单地通过在大致为四边形的金属薄板上进行冲裁处理即可制造面对阳极板23。
中间板24是与面对阴极板22和面对阳极板23尺寸相同的、大致为四边形的金属薄板。其材料也可以使用与面对阴极板22和面对阳极板23相同的材料。如图3的(c)所示，中间板24在与面对阴极板22和面对阳极板23相同的位置处包括燃料气体供给歧管形成开口241a、燃料气体排出歧管形成开口241b、氧化气体供给歧管形成开口242a和氧化气体排出歧管形成开口242b。
如图3的(c)所示，具有长孔形状的多个氧化气体供给路径槽245排列形成在中间板24上。多个氧化气体供给路径槽245的一端连接到氧化气体供给歧管形成开口242a。多个氧化气体供给路径槽245的另一端在接合期间连接到形成于面对阴极板22上的氧化气体供给孔225。氧化气体供给路径槽245在数量上形成为与氧化气体供给孔225一致，从而与氧化气体供给孔225一一对应。因此，多个氧化气体供给路径槽245相互平行，并垂直于电池反应区域DA的上边缘。多个氧化气体供给路径槽245布置在从电池反应区域DA的左边缘到右边缘的范围上。另外，多个氧化气体排出路径槽246形成在中间板24上，并且是与氧化气体供给路径槽245具有相同形状的长孔。多个氧化气体排出路径槽246的一端连接到氧化气体排出歧管形成开口242b。多个氧化气体排出路径槽246的另一端在接合期间连接到形成于面对阴极板22上的氧化气体排出孔226。类似地，多个燃料气体供给路径槽247和多个燃料气体排出路径槽248形成在中间板24上。燃料气体供给路径槽247的一端连接到燃料气体供给歧管形成开口241a，燃料气体供给路径槽247的另一端连接到面对阳极板23的燃料气体供给孔237。燃料气体排出路径槽248的一端连接到燃料气体排出歧管形成开口241b，燃料气体排出路径槽248的另一端连接到面对阳极板23的燃料气体排出孔238。
中间板24还包括多个冷却介质流动路径槽243。多个冷却介质流动路径槽243是从中间板24在图3的(c)中的右侧端部区域到左侧边缘区域的长孔。多个冷却介质流动路径槽243沿图3的(c)中的竖直方向排列形成。
对于中间板24，上述各种类型的歧管形成开口和各种类型的路径槽都是沿厚度方向穿透中间板24的穿透部分。除了这些穿透部分，中间板24是未经处理的平板。因此，与面对阴极板22和面对阳极板23一样，简单地通过在大致为四边形的金属薄板上进行冲裁处理即可制造中间板24。
如图3的(d)所示，密封一体式MEA 21包括MEA和密封构件50。密封构件50连接到MEA的外边缘部分。如图2所示，MEA包括由离子交换膜制成的电解质膜211、未示出的阳极、未示出的阴极和多孔层212。阳极是布置在电解质膜211的一个表面上的催化层。阴极是布置在电解质膜211的另一个表面上的催化层。多孔层212布置在每个催化层(电极)的面对隔离器的表面上。多孔层212具有较高的内部孔隙率(internal porosity)，由此，当反应气体(氧化气体和燃料气体)在内部流动时，多孔层212的压力损失较小。使用金属(例如钛)多孔片构成阴极侧多孔层212。使用碳多孔片构成阳极侧多孔层212。下文中会对多孔层212进行进一步说明。
密封构件50使用树脂材料，例如硅橡胶、丁基橡胶、氟橡胶。密封构件50是通过使MEA的外边缘部分接近金属空腔并对树脂材料进行注模来生产的。通过这种方式工作，使膜电极组件21和密封构件50无间隙地接合，并可以防止氧化气体和燃料气体从接合部分泄漏出来。密封构件50与面对阴极板22和面对阳极板23一样，包括氧化气体供给歧管形成开口501a、氧化气体排出歧管形成开口501b、燃料气体供给歧管形成开口502a、燃料气体排出歧管形成开口502b、冷却介质供给歧管形成开口503a和冷却介质排出歧管形成开口503b。如图2所示，在构成燃料电池10时，密封构件50密封在与该密封构件50的一个表面接触的隔离器25和与该密封构件50的另一表面接触的隔离器25之间。如图3的(d)所示，将密封构件50密封，以绕MEA的外边缘或燃料电池的电池反应区域DA的外边缘以及各个歧管的外边缘包围。根据图3的(d)，为了更容易地看到附图，对于密封构件50，示出了密封线SL，该密封线表示与隔离器25的接触部分。
将参考图4到图7对隔离器25上形成的每种类型路径的构造进行说明。图4示出了隔离器与密封一体式MEA重叠状态的俯视图和剖视图，图5示出了图4中B-B截面的剖视图。图6示意性示出了图4中AA部分的放大图。图7示出了图4中D-D截面的剖视图。另外，上述图2对应于图4的A-A截面。
如图4的(a)中的阴影线所示，沿厚度方向穿透的各种类型歧管形成在隔离器25上。例如，燃料气体供给歧管是由分别形成于上述面对阴极板22、面对阳极板23和中间板24上的燃料气体供给歧管形成开口221a、燃料气体供给歧管形成开口231a和燃料气体供给歧管形成开口241a形成的。类似地，隔离器25上分别形成有燃料气体排出歧管、氧化气体供给歧管、氧化气体排出歧管、冷却介质供给歧管和冷却介质排出歧管。
如图4和图5所示，在隔离器25上，氧化气体供给路径63由形成于中间板24上的氧化气体供给路径槽245、面对阳极板23上的与中间板24的接触表面23a和面对阴极板22上的与中间板24的接触表面22a上形成。氧化气体供给路径63的一端连接到氧化气体供给歧管，另一端连接到形成于面对阴极板22上的氧化气体供给孔225。
这里，如图6所示，中间板24上形成的每个氧化气体供给路径槽245分别具有相同的形状和尺寸。具体而言，如图6所示，对于每个氧化气体供给路径槽245，从连接到氧化气体供给歧管的一端到连接到氧化气体供给孔225的另一端之间的长度L1都各自相同。对于每个氧化气体供给孔225，其流动路径宽度W1也相同。此外，多个氧化气体供给孔225也各自具有相同的形状和尺寸。具体而言，采用这种实施例，存在具有相同直径的圆形通孔。结果，对于从氧化气体供给歧管经过氧化气体供给路径63和氧化气体供给孔225到多孔层212的路线(氧化气体供给路线)，每条路线的氧化气体压力损失都相等。
如图4和图5所示，隔离器25包括氧化气体排出路径64。氧化气体排出路径64是由形成于中间板24上的氧化气体排出路径槽246、面对阳极板23上的与中间板24的接触表面23a以及面对阴极板22上的与中间板24的接触表面24a形成的。氧化气体排出路径64的一端连接到氧化气体排出歧管，另一端连接到形成于面对阴极板22上的氧化气体排出孔226。
尽管未示出，但其结构与图4的(a)中的C-C截面和C’-C’截面以及图5中所示的B-B截面相同。具体而言，隔离器25在图4的(a)所示C-C区域处包括燃料气体供给路径61。与上述氧化气体供给路径63一样，燃料气体供给路径61由形成于中间板24上的燃料气体供给路径槽247、面对阳极板23上的与中间板24的接触表面23a和面对阴极板22上的与中间板24的接触表面22a形成。因此，隔离器25包括图4的(a)中C’-C’区域处的燃料气体排出路径62。与上述氧化气体排出路径64一样，燃料气体排出路径62由形成于中间板24上的燃料气体排出路径槽248、面对阳极板23上的与中间板24的接触表面23a和面对阴极板22上的与中间板24的接触表面22a形成。因此，与氧化气体供给路径槽245和氧化气体供给孔225一样，每个燃料气体供给路径槽247和每个燃料气体供给孔237具有相同的形状和尺寸，使得在各个燃料气体供给路线中，燃料气体的压力损失相等。
如图4和图7所示，冷却介质流动路径65是在隔离器25上由形成于中间板24上的冷却介质流动路径槽243、面对阳极板23的与中间板24的接触表面23a和面对阴极板22的与中间板24的接触表面22a形成的。冷却介质流动路径65的一端连接到冷却介质供给歧管，另一端连接到冷却介质排出歧管。
另外，如图4的(a)所示，燃料气体供给歧管、燃料气体排出歧管、氧化气体供给歧管和氧化气体排出歧管每个都位于电池反应区域外边界密封部分的外侧。电池反应区域外边界部分是密封构件50与隔离器25的接触部分中围绕燃料电池的电池反应区域DA的外边界(图4的(a)：密封线SL)的接触部分。同时，氧化气体供给孔225、氧化气体排出孔226、燃料气体供给孔237和燃料气体排出孔238每个都位于电池反应区域DA的端部，换言之，位于上述电池反应区域外边界密封部分内。由此，燃料气体供给路径61、燃料气体排出路径62、氧化气体供给路径63和氧化气体排出路径64每个都从隔离器25内部穿过电池反应区域外边界密封部分。另外类似地，冷却介质流动路径65连接到分别位于电池反应区域外边界密封部分外侧的冷却介质供给歧管和冷却介质排出歧管，并从隔离器25内部穿过电池反应区域外边界密封部分。
图4的(b)示出了图4的(a)的sl1-sl1截面，换言之，示出了电池反应区域外边界密封部件处的隔离器25和密封一体式MEA 21的截面。如图4的(b)所示，电池反应区域外边界密封部分处的截面具有交替排列的间隔部分和实体部分S，氧化气体供给路径63形成于所述间隔部分上。由此，实体部件S成为支撑物，抑制了面对阴极板22和面对阳极板23由于密封压力造成的形变。注意，图4的(a)中的sl3-sl3截面也具有相同的结构。
图4的(c)示出了图4的(a)中的sl2-sl2截面，换言之，示出了电池反应区域外边界密封部分处的隔离器25和密封一体式MEA 21的截面。在该截面中，间隔部分和实体部分S交替排列，冷却介质流动路径65和燃料气体排出路径62形成于所述间隔部分上。由此，实体部件S成为支撑物，抑制了面对阴极板22和面对阳极板23由于密封压力造成的形变。注意，图4的(a)中的sl4-sl4截面也具有相同的构造。
燃料电池操作
类似地，参考图4到图7对使用本实施例中隔离器构成的燃料电池的操作以及本实施例的隔离器的操作进行说明。
如图5中箭头所示，供给燃料电池10的氧化气体经过上述氧化气体供给路线，即氧化气体供给歧管-氧化气体供给路径63-氧化气体供给孔225这样的路线行进，使氧化气体供给到阴极侧多孔层212。供给到多孔层212的氧化气体被提供给阴极处的电化学反应。此后，如图5中箭头所示，氧化气体经过氧化气体排出孔226-氧化气体排出路径64-氧化气体排出歧管，使氧化气体排出到外部。这里，如上所述，多孔层212具有较高的孔隙率，并在氧化气体流过时具有足够低的压力损失，因此经过各个氧化气体供给路线供给到阴极的氧化气体的流量(flow volume)分布取决于各个氧化气体供给路线各自的压力损失。所以，氧化气体供给路线的压力损失基本上取决于氧化气体供给路径槽245和氧化气体供给孔225的形状和尺寸。因此，通过氧化气体供给路径槽245和氧化气体供给孔225的形状和尺寸，来对经过各个氧化气体供给路线供给到阴极的反应气体的流量进行控制。
采用这种实施例，如参考图6所作的说明，氧化气体供给路径槽245和氧化气体供给孔225具有相同的形状和尺寸，所以每个氧化气体供给路线的压力损失相等。因此，经过各个氧化气体供给路线供给到阴极的氧化气体流量对于各个氧化气体供给路线是相等的。
与氧化气体一样，供给到燃料电池10的燃料电池经过上述燃料气体供给路线，即燃料气体供给歧管-燃料气体供给路径61-燃料气体供给孔237这样的路线行进，使燃料气体供给到阳极侧多孔层212。供给到多孔层212的燃料气体扩散在整个电池反应区域DA(未示出)，并被提供给阳极的电化学反应。此后，与氧化气体一样，燃料气体经过燃料气体排出孔238-燃料气体排出路径62-燃料气体排出歧管，并排出到外部。
与氧化气体供给路线一样，各个燃料气体供给路径槽247和各个燃料气体供给孔237的形状和尺寸分别相等。因此，经过各个燃料气体供给路线供给到阳极的燃料气体流量对于各个燃料气体供给路线是相等的。
如图7中箭头所示，供给到燃料电池10的冷却介质经过冷却介质供给歧管-冷却介质流动路径65-冷却介质排出歧管行进，使冷却介质排出到外部。冷却介质主要在冷却介质流动路径65内的流动中通过吸收燃料电池10的热能来冷却燃料电池10。
如上所述，采用本实施例的隔离器25，设置了多个氧化气体供给孔225而不是一个长孔，以用于各个氧化气体供给路径槽245。因此，隔离器25的氧化气体供给孔225部分的强度提高，使氧化气体的供给稳定。此外，由于能够确保氧化气体供给孔225部分的强度，所以可以将面对阴极板22制成薄板，使得燃料电池10制造得紧凑。此外，即使在彼此相邻的一个氧化气体供给孔225与另一个氧化气体供给孔225之间的区域(图6中阴影线所示区域)，隔离器25也与多孔层212接触。因此，即使对于MEA中的与上述阴影部分对应的区域，所执行的电能产生也与电池反应区域DA的中央部分一样，所以提高了燃料电池性能。并且，在隔离器的上述阴影部分处，通过对多孔层212进行限制，可以抑制多孔层212的形变。特别是，当氧化气体供给孔225是一个长孔时，可能发生形变，例如发生多孔层212部分的弯曲；但是对于本实施例，这种情况得到了抑制。由此，在氧化气体供给孔225部分及其周边区域，减小了多孔层212与隔离器25的接触电阻，提高了燃料电池性能。
此外，对于氧化气体排出孔226、燃料气体供给孔237和燃料气体排出孔238部分，也具有与氧化气体供给孔225相同的构造，所以对于氧化气体排出孔226部分、燃料气体供给孔237部分和燃料气体排出孔238部分，也可以获得相同的操作和效果。
另外，对于本实施例的隔离器25，并未形成通过用于传统隔离器的半刻蚀处理而在面对阴极板22的整个电池反应区域DA上形成的氧化气体流动路径。对于本实施例的燃料电池10，多孔层212扮演了氧化气体流动路径的角色。在此情况下，为了实现氧化气体的均匀供给，对氧化气体分布进行控制就成为一个问题。具体而言，对于传统的燃料电池，通过由半刻蚀处理在隔离器上形成的氧化气体流动路径的形状(宽度、深度等)来控制氧化气体流动时的压力损失。由此，可以使流动到电池反应区域Da各个部分的氧化气体的流量均匀。但是，对于本实施例的燃料电池10，将扮演了氧化气体流动路径角色的多孔层212的压力损失在电池反应区域DA的各个部分处控制得均匀较为困难。这是因为难以对多孔层212上形成的细小孔的尺寸和分布进行控制。
考虑到这点，对于本实施例，采用具有足够高孔隙率的物品作为多孔层212充分降低了多孔层212处的压力损失。由此，在确定供给到电池反应区域DA各个位置的氧化气体的流量时，上述氧化气体供给路线(氧化气体供给路径槽245和氧化气体供给孔225)处的压力损失是主要因素。具体而言，通过氧化气体供给路径63和氧化气体供给孔225的形状和尺寸来控制所供给的氧化气体的流量，所述形状和尺寸确定了氧化气体供给路线的压力损失。由此，可以稳定地将氧化气体供给到电池反应区域DA而不受多孔层212处压力损失变化的影响。
此外，对于本实施例，使氧化气体供给路径槽245和氧化气体供给孔225的形状和尺寸相同，所以对于多个氧化气体供给路径的压力损失相同。因此，从多个氧化气体供给孔225供给的氧化气体的流量对于各个氧化气体供给孔225是相等的。由此，可以在整个电池反应区域DA上均匀地供给氧化气体。
此外，在本实施例的隔离器25处，多个氧化气体供给路径槽245平行排列为沿电池反应区域DA的一侧从一个边缘延伸到另一个边缘(对于图4中的示例，从电池反应区域DA的上侧的左边缘延伸到右边缘)。由此，可以将氧化气体更均匀地供给到电池反应区域DA。
注意，对于本实施例，燃料气体供给路径槽247并未形成为从电池反应区域DA一侧的一个边缘延伸到另一个边缘。燃料气体(氢气)具有比氧化气体(空气中的氧气)更快的扩散速度。扩散速度主要取决于扩散系数和浓度梯度。氢气的扩散系数约为氧气扩散系数的四倍。而且，与燃料气体使用纯氢气(氢气浓度约为100％)的情况不同，氧化气体使用了空气(氧气浓度约为20％)。因此可以看到，与燃料气体中氢气的扩散速度相比，氧化气体中氧气的扩散速度相当低。因此，如果在电池反应区域DA一侧的一小部分处形成燃料气体供给孔237，就可以充足地供给电池反应所需的氢气。换句话说，对于燃料电池的电化学反应，氧气分子的扩散速度较低，所以在阴极的三相界面处，通常存在对反应(2H++2e-+(1/2)O2·H2O)的速率限制。因此，采用重点集中在氧化气体供给能力上的流动路径设置与燃料电池性能的进一步提高相关。
另外，反应气体(氧化气体和燃料气体)的供给和排出是通过从隔离器25内侧穿过电池反应区域外边缘密封部分的路径(燃料气体供给路径61、燃料气体排出路径62、氧化气体供给路径63和氧化气体排出路径64)进行的，所以与密封部件50的接触部分较平，隔离器与隔离器之间有优良的密封特性。
另外，隔离器25内部包括冷却介质流动路径65，燃料电池10的电池反应区域DA(MEA)得到了冷却，所以可以抑制MEA的劣化。
此外，如参考图4的(b)和图4的(c)所述，在电池反应区域外边缘密封部分上方的截面处，多个燃料气体供给路径61、燃料气体排出路径62、氧化气体供给路径63、氧化气体排出路径64和冷却介质流动路径65沿密封方向对准，使得间隔部分和实体部分交替布置。由此，抑制了面对阴极板22和面对阳极板23由于密封压力而发生的形变。因此，可以抑制由于面对阴极板22和面对阳极板23的形变而造成的密封性能恶化和这些路径61至65的堵塞。注意，抑制上述形变使得可以将面对阴极板22和面对阳极板23制成薄板。
另外，隔离器25的面对MEA的面对表面(面对阴极板22和面对阳极板23的MEA侧表面)是平表面，所以MEA与隔离器25之间的接触性能良好。特别是，MEA与隔离器25在整个表面上接触，所以可以使内表面上的接触压力均匀。此外，由于外形不是在板22、23、24上模制的，所以可以抑制对于各个隔离器25的制造波动，并抑制燃料电池10中所含各个MEA与隔离器25之间的接触压力变化。由此，减小了MEA与隔离器25的接触电阻并提高了燃料电池性能。
此外，可以降低层叠方向所需的压力并降低由于燃料电池10结构部件(MEA和隔离器)上的压力造成的破坏。因此，提高了燃料电池10的耐久度。
此外，隔离器25是三个平板(面对阴极板22、面对阳极板23和中间板24)接合得到的，所以各个平板之间的结合特性良好。由此，降低了隔离器25中的接触电阻并提高了燃料电池性能。采用本实施例，可以用热压将三个板接合，但是除此之外也可以采用各种接合方法，例如扩散结合(diffused junction)、钎焊、焊接等。特别是，本实施例的三个板都用平板，所以容易接合，使得接合方法更具灵活性。
此外，本实施例的燃料电池10使用了密封一体式MEA 21，其MEA部分和密封部件50是一体的，所以模块20具有由隔离器25与密封一体式MEA 21交替层叠的简单结构。因此提高了燃料电池的生产率。
修改方案
将参考图8对第一修改方案的隔离器25进行说明。图8示出了第一修改方案的隔离器俯视图。图8的(a)示出了整个隔离器25的俯视图。图8的(b)示出了图8(a)中BB部分的放大俯视图。图8的(c)示出了图8(a)中CC部分的放大俯视图。对于此修改方案，只对与上述实施例的隔离器25不同的结构部分进行说明，而略去了对于那些相同结构部分的说明。
如图8的(b)所示，在第一修改方案的隔离器25的面对阴极板22处，氧化气体供给孔225大体上形成为四边形。氧化气体供给孔225的宽度形成为比氧化气体供给路径槽245的宽度(氧化气体供给路径63的宽度)大2×Δh。因此，在接合三个平板形成隔离器25时，即使在面对阴极板22相对于中间板24沿图8(b)中的左右方向有位移时，只要左右方向两者上的位移量在Δh内，则氧化气体供给路径63与氧化气体供给孔225之间的连接区域也不会减小。多个氧化气体供给路径63具有如上所述得到抑制的、由于密封压力造成的形变，所以需要某种程度的间隙，但是通过以此方式将氧化气体供给孔225的宽度略微加宽，可以使所供给的氧化气体在阴极侧的电池反应区域DA处的分布更加均匀。
此外，对于该俯视图，氧化气体供给路径槽245在与氧化气体供给孔225相连的方向上的最远端部分沿该方向比氧化气体供给孔225在该方向的最远端点突出Δh的量。因此，在将三个平板接合形成隔离器25时，由于安放误差，即使当面对阴极板22相对于中间板24沿图8的(b)中向下方向有位移时，如果沿向下方向位移量在Δh以内，则氧化气体供给路径63与氧化气体供给孔225之间的连接面积不会减小。
如图8的(c)所示，面对阳极板23上的燃料气体供给孔237和中间板24上的燃料气体供给路径槽247具有相同构造。虽然略去了放大视图，但是氧化气体排出孔226与氧化气体排出路径槽246、以及燃料气体排出孔238与燃料气体排出路径槽248也具有相同构造。因此，对于第一修改方案的隔离器25，在接合三个平板并形成隔离器25时，在面对阴极板22或面对阳极板23由于安放误差而相对于中间板24沿上下方向或左右方向有位移时，可以抑制各个反应气体流动路径(61至64)与各个相应的反应气体供给或排出孔(225、226、227、228)之间连接面积的减小或消失。
将参考图9对第二修改方案的隔离器25进行说明。图9是通过将第二修改方案的隔离器25与密封一体式MEA 21层叠在一起构成的模块20的剖视图。与上述实施例的隔离器25(参见图2)不同，对于第二修改方案的隔离器25，面对阴极板22和面对阳极板23是用具有两层结构的包层材料构成的。包层材料表示由通过轧制等方式接合的不同类型金属制成的材料。
包层材料制成的面对阴极板22包括第一层22A和第二层22B，第一层22A具有与中间板24接触的接触表面，第二层22B具有面对MEA的面对表面。类似地，包层材料制成的面对阳极板23包括第一层23A和第二层23B，第一层23A具有与中间板24接触的接触表面，第二层23B具有面对MEA的面对表面。第二层22B和23B由抗腐蚀性比第一层22A和22B高的材料制成。例如，第一层22A和22B由不锈钢(SUS)构成，第二层23A和23B由钛或钛合金构成。第一层22A和22B可以由钛构成，第二层22B和23B可以由钛钯合金构成。
随着燃料电池的电化学反应，产生了氢离子，所以产生的水是酸性的。面对阴极板22和面对阳极板23中的面对MEA的表面与这样产生的水接触，所以在通过发电而施加电势时，容易发生腐蚀。对于第二修改方案的隔离器25，位于面对MEA的表面那侧的层由具有高抗腐蚀性的材料构成，所以提高了抗腐蚀性。另外，通过使用包层材料，可以比使用单独抗腐蚀材料的情况更好地抑制接触电阻的增大。
将参考图10对第三修改方案的隔离器25进行说明。图10示出了第三修改方案的密封一体式MEA和隔离器的各个结构部分的俯视图。对于上述实施例，面对阴极板22上形成的氧化气体供给孔225以及中间板24上形成的氧化气体供给路径槽245具有相同数量，氧化气体供给孔225与氧化气体供给路径槽245之间具有一一对应关系。与此相比，对于第三修改方案的隔离器25，面对阴极板22上形成有2n(偶数)个氧化气体供给孔225，中间板24上形成有n个氧化气体供给路径槽245。具体而言，氧化气体供给孔225与氧化气体供给路径槽245之间具有二对一的对应关系。在此情况下，具有可以将氧化气体供给路径63的宽度设定得较宽的优点。由此，氧化气体供给孔225与氧化气体供给路径槽245之间的关系不一定是一一对应，只要其设定能够确保必要强度以抑制形变并考虑到确保必要的流动路径宽度即可。
尽管已经在这些实施例和修改方案的基础上对本发明进行了说明，但是此处所述的本发明的这些实施例和修改方案仅仅是为了便于理解本发明，而不表示对其的限制。在不偏离权利要求记载的本发明精神和范围的情况下，本发明可以有多种修改方案和改进方案，这些修改方案和改进方案当然也包括在本发明的等同形式中。

Claims (14)

1.一种燃料电池隔离器，包括：
面对第一电极板，具有面对膜电极组件中第一电极的第一电池反应区域，其中所述第一电池反应区域是平坦的；
面对第二电极板，具有面对所述膜电极组件中第二电极的第二电池反应区域，其中所述第二电池反应区域是平坦的；
中间板，保持在所述面对第一电极板和所述面对第二电极板之间；
其中，所述面对第一电极板、所述面对第二电极板和所述中间板分别包括反应气体供给歧管开口，所述反应气体供给歧管开口形成反应气体供给歧管，所述反应气体被供给到所述反应气体供给歧管，其中所述反应气体供给歧管在厚度方向上穿透所述隔离器，
其中，所述面对第一电极板还包括多个反应气体供给孔，所述反应气体供给孔在厚度方向上穿透所述面对第一电极板并形成在所述第一电池反应区域的端部处，并且
其中，所述中间板还包括多个反应气体供给路径开口，所述多个反应气体供给路径开口形成反应气体供给路径，其中每个所述反应气体供给路径的一端连接到所述反应气体供给歧管，另一端连接到形成于所述面对第一电极板上的所述多个反应气体供给孔中的至少一个，其中所述多个反应气体供给路径开口在厚度方向上穿透所述中间板。
2.根据权利要求1所述的隔离器，
其中，所述反应气体供给路径开口的数量和所述反应气体供给孔的数量相同，并且
其中，所述反应气体供给路径开口与所述反应气体供给孔一一对应。
3.根据权利要求1或2所述的隔离器，其中，
根据所述反应气体供给路径和所述反应气体供给孔的形状和尺寸来控制从所述多个反应气体供给孔供给到所述第一电极的反应气体的流量。
4.根据权利要求3所述的隔离器，
其中，在构成燃料电池时，布置在所述第一电极与所述面对第一电极板之间的多孔层作为用于使所述反应气体流动的所述反应气体流动路径，并且
其中，所述反应气体供给路径和所述反应气体供给孔的反应气体压力损失大于所述多孔层的反应气体压力损失，从而通过所述反应气体供给路径和所述反应气体供给孔的反应气体压力损失来控制从所述多个反应气体供给孔供给到所述第一电极的所述反应气体的流量。
5.根据权利要求3或4所述的隔离器，其中，
所述多个反应气体供给路径开口分别具有相同的形状和尺寸。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的隔离器，其中，
所述多个反应气体供给孔分别具有相同的形状和尺寸。
7.根据权利要求5或6所述的隔离器，其中，
多个反应气体供给路径开口被形成为彼此分别平行。
8.根据权利要求7所述的隔离器，
其中，所述面对第一电极板包括面对阴极的面对阴极板，
其中，所述反应气体供给歧管包括用于供给氧化气体的氧化气体供给歧管，并且
其中，所述多个反应气体供给路径开口包括从所述第一电池反应区域的一个边缘的一端到另一端布置的、用于所述氧化气体流动的氧化气体供给路径开口。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的隔离器，
其中，所述面对第一电极板、所述面对第二电极板和所述中间板还分别包括反应气体排出歧管开口，所述反应气体排出歧管开口形成反应气体排出歧管，反应气体从所述反应气体排出歧管排出，其中所述反应气体排出歧管在厚度方向上穿透所述隔离器，
其中，所述面对第一电极板还包括多个反应气体排出孔，所述反应气体排出孔在厚度方向上穿透所述面对第一电极板，并形成在所述第一电池反应区域的与形成所述反应气体供给孔的所述端部相反那侧的端部处，并且
其中，所述中间板还包括多个反应气体排出路径开口，所述多个反应气体排出路径开口形成反应气体排出路径，其中每个反应气体排出路径的一端连接到所述反应气体排出歧管，另一端连接到所述多个反应气体排出孔中的至少一个，其中所述多个反应气体排出路径开口在厚度方向上穿透所述中间板。
10.根据权利要求2至9中任一项所述的隔离器，其中，
所述反应气体供给孔或所述反应气体排出孔的宽度比所连接的反应气体供给路径或所连接的反应气体排出路径的宽度更宽。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的隔离器，
其中，所述面对第一电极板和所述面对第二电极板中的至少一者包括：
第一层，具有与所述中间板接触的接触表面；和
第二层，具有在构成所述燃料电池时面对所述膜电极组件的面对表面，其中所述第二层由比所述第一层的材料具有更高抗腐蚀性的材料制成。
12.根据权利要求11所述的隔离器，其中，
所述第一层的材料与所述第二层的材料的组合是以下情况之一：
a)所述第一层是不锈钢，所述第二层是钛或钛合金
b)所述第一层是钛，所述第二层是钛钯合金。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的隔离器，其中，
所述反应气体供给歧管开口、所述反应气体供给孔和所述反应气体供给路径开口是通过冲裁处理形成的。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的隔离器，其中，
所述反应气体排出歧管开口、所述反应气体排出孔和所述反应气体排出路径开口是通过冲裁处理形成的。
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