CN102598379A - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

电极结构15容纳在框架13和14的连结部中。电极结构15的第一表面上设有第一气体扩散层19和第一气体通路形成部件21。电极结构15的第二表面上形成有第二气体扩散层20和第二气体通路形成部件22。隔板23与框架13的表面以及气体通路形成部件21的表面连结。隔板24与框架14的表面以及气体通路形成部件22的表面连结。气体通路形成部件22的平板25与隔板24之间形成有水通路28。水通路28的深度设为小于气体通路形成部件22的气体通路T2之深度的值。经由连通孔29通过毛细管作用将所生成的水从气体通路形成部件22的气体通路T2引入水通路28。通过氧化气体所产生的压力使得水通路28中的生成水移动至水通路28的下游侧。这防止了阴极侧电极催化剂层的腐蚀，并且增进了阳极侧气体通路形成部件的耐用性。从而，提供了一种能够防止发电效率降低的燃料电池。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及一种安装在例如电动汽车上的燃料电池。
技术背景
一般的燃料电池包括由多个堆叠在一起的发电电池构成的电池堆。下文将参考图23～25描述现有的发电电池。如图23所示，电极结构15安装在一对框架13和14之间的连结部上。电极结构15配置为包括固体电解质膜16、阳极侧电极催化剂层17、及阴极侧电极催化剂层18。固体电解质膜16的外周夹在框架13和14之间。阳极侧电极催化剂层17堆叠在电解质膜16的顶面上。阴极侧电极催化剂层18铺放在电解质膜16的底面上。阳极侧气体扩散层19铺放在电极催化剂层17的顶面上。阴极侧气体扩散层20铺放在电极催化剂层18的底面上。阳极侧气体通路形成部件21铺放在气体扩散层19的顶面上。阴极侧气体通路形成部件22形成在气体扩散层20的底面上。
如图24所示，气体通路形成部件21(22)由金属网形成。金属网中，以蛇形的方式形成多个六边形环部21a(22a)。在各环部21a(22a)中形成通孔21b(22b)。燃料气体(氧化气体)流入由环部21a(22a)和通孔21b(22b)形成的气体通路中。图25为示出气体通路形成部件21和22的部分的放大图。
参考图23，燃料气体供给通路M1和燃料气体排出通路M2形成在框架13和14中。燃料电池供给通路M1是这样的通路，作为燃料气体的氢气经由该通路供给入阳极侧气体通路形成部件21中的气体流路中。燃料气体排出通路M2是这样的通路，已经过气体通路形成部件21的气体流路的燃料气体(其为燃料废气)经由该通路排到外部。框架13和14中形成氧化气体供给通路和氧化气体排出通路。氧化气体供给通路位于如图23所示纸面的背面侧。氧化气体供给通路是这样的通路，作为氧化气体的空气经由该通路供给至阴极侧气体通路形成部件22中的气体流路中。氧化气体排出通路位于图23所示纸面的正面侧。氧化气体排出通路是这样的通路，已经过气体通路形成部件22的气体通路的氧化气体(其为氧化废气)经由该通路排到外部。
氢气从未示出的氢气供给源经由燃料气体供给通路M1沿由图23中的箭头所表示的气流方向P供给至气体通路形成部件21。并且，空气从未示出的空气供给源供给至气体通路形成部件22。这导致了电化学反应以在发电电池中产生电力。
专利文献1公开了类似于图23所示结构的燃料电池。
作为现有的燃料电池，提出了专利文献2所公开的燃料电池。如图26所示，燃料电池具有隔离基板73，其设在空气-电极侧集电极71与燃料-电极侧集电极72之间。参考图27，空气-电极侧集电极71保持与固体电解质膜74接触。空气-电极侧集电极71配置为包括保持为与具有拨水层(water re-pellent layer)的空气-电极侧扩散层75接触的底部71a、保持为与隔离基板73接触的顶部71b、及形成在底部71a和顶部71b中的网格状开口部71c。氧化气体经由形成在空气-电极侧集电极71中的气体通路供给至空气-电极侧扩散层75。通过发电而在气体通路中生成的水从气体通路向下游流动。
作为另一现有燃料电池，提出了专利文献3所公开的燃料电池。如图28所示，所述燃料电池中，在保持为与电极结构15接触的气体扩散层81与由多孔体形成的排水层82之间形成电解质侧气体供给通路83。排水层82的表面84上形成排水通路85。排水通路85中设有特定的抽吸机构(未示)。排水通路85使得通过发电而在气体供给通路83中生成的水渗入排水层82中形成的槽并且将水导引至排水通路85。
已提出了专利文献4中公开的燃料电池作为现有的燃料电池。侧壁上形成有通孔(生成的水渗入其中)的排水管嵌入阴极侧催化剂层。排水泵通过管道连接到排水管。排水泵给排水管的内部减压，由此将生成的水从阴极侧催化剂层吸入排水管。然后，将水导向至膜电极装配件的外部。
现有技术参考
专利文献
专利文献1：第2007-87768号日本专利公开
专利文献2：第2007-27055号日本专利公开
专利文献3：第2005-158670号日本专利公开
专利文献4：第2007-294339号日本专利公开
发明内容
要解决的技术问题
在专利文献1所公开的燃料电池中，如图25所示，在气体通路形成部件21(22)中以蛇形的方式形成有多个六边形环部21a(22a)。燃料气体流入由环部21a(22a)和通孔21b(22b)形成的气体通路中。这一结构中，通过发电生成水会容易地通过表面张力粘附至呈复杂的蛇形方式延伸的气体通路的壁表面。从而，一些生成的水会留在气体通路中作为水滴，而没有从气体通路形成部件21(22)的气体通路排到外部。这样，会发生如下所述的问题。
具体地，若水滴W粘附至气体扩散层19和20的表面，如图24所述，则水滴W会阻碍燃料气体(氧化气体)，由此妨碍了燃料气体(氧化气体)供给至与气体扩散层19和20以及电极催化剂层17和18中的水滴W相对应的部分。从而，使得电极催化剂层17和18中没有燃料气体(氧化气体)的部分无法发生合适的电池反应，由此降低了发电效率。并且，粘附至气体扩散层19和20表面的水滴W减小了气体通路的截面面积。这阻碍了燃料气体(氧化气体)的流动，并且增加了燃料气体(氧化气体)的压力损失，由此降低了发电效率。此外，不同发电电池中残留在气体通路形成部件21(22)的气体通路中的水滴W的量差使得发电电池中的燃料气体(氧化气体)的流量以及由发电电池所生成之电力的电压发生变化。这减小了燃料电池堆作为整体所生成的电力输出，或者说，这是发电效率降低的另一因素。
相反，专利文献2中公开的燃料电池防止在具有拨水层的空气-电极侧扩散层75的表面形成水膜。然而，参考图27，由于空气-电极侧集电极71具有网格状的开口部71c，生成的水可容易地粘附。从而，生成水的水滴被截留在与隔离基板73接触的各相邻一对顶部71b之间的槽部中，或者说，水滴被截留在与底部71a相反一侧的气体通路中。这阻碍了气体的供给，并且由此降低了发电效率。
专利文献3所公开的燃料电池必须包括特定的抽吸机构，以通过由多孔体形成的排水层82中的槽将生成的水从气体供给通路83引入排水通路85。这耗费了所生成的电力，并且由此阻碍了发电效率的增进。
由于专利文献4所公开的燃料电池必须具有排出生成水的排水泵，因此相应地耗费了所生成的电力。由此阻碍了发电效率的增进。
因此，本发明的第一目的系提供能够通过解决上述现有技术问题来改进发电效率的燃料电池。本发明的第二目的系提供改进发电效率并且延长阳极侧气体流路形成部件与阴极侧电极催化剂层的耐用性的燃料电池。
解决问题的手段
为了达成本发明的第一目的，并且根据本发明的第一方面，提供了一种燃料电池，其包括铺放在电解质膜的阳极侧表面上的第一电极催化剂层；铺放在所述电解质膜的阴极侧表面上的第二电极催化剂层；第一气体通路形成部件，其铺放在所述第一电极催化剂层的表面上，并且具有用于供给燃料气体的第一气体通路；第二气体通路形成部件，其铺放在所述第二电极催化剂层的表面上，并且具有用于供给氧化气体的第二气体通路；设在所述第一气体通路形成部件中的第一隔板；铺放在所述第二气体通路形成部件的表面上的第二隔板；用于所述燃料气体的引入通路和排出通路；及用于所述氧化气体的引入通路和排出通路。所述第二气体通路形成部件包括平板和多个与所述平板一体形成以形成所述第二气体通路的凸部。所述第二气体通路形成部件的所述平板的表面和与所述第二气体通路形成部件相对应的所述第二隔板的背面之间形成有水通路。所述水通路和所述第二气体通路经由连通孔彼此连通，所述连通孔由各所述凸部形成，通过所述第二气体通路形成部件上的切割和抬升而形成所述凸部的形状。所述水通路的深度设为小于所述第二气体通路之深度的值。通过在所述第二气体通路中流动的所述氧化气体所形成的压力，将通过毛细管作用从所述第二气体通路经由所述连通孔吸入所述水通路的水排入所述氧化气体排出通路。
根据本发明的燃料电池中，所述水通路最好沿从所述第二气体通路形成部件的位于与所述氧化气体引入通路相对应侧的端部到所述第二气体通路形成部件的位于与所述燃料气体排出通路相对应侧的端部的整个长度连续延伸。
根据本发明的燃料电池中，较佳的，由具有连续孔的多孔体形成的排水促进部件容纳在所述第二气体通路形成部件的这样一部分中，即所述氧化气体排出通路和所述水通路在所述部分中连结在一起，并且选择下列结构中的一种：所述排水促进部件的连续孔的平均孔径设为小于所述水通路之深度的值的结构；所述排水促进部件的连续孔的润湿性设为大于所述水通路之润湿性的值的结构；及所述排水促进部件的连续孔的水合性设为大于所述水通路之水合性的值的结构。
并且，根据本发明的燃料电池中，较佳的，所述第二气体通路形成部件配置为包括所述平板、形成在所述平板上以形成所述第二气体通路的第一凸部、及形成在所述平板上以形成所述水通路的第二凸部。并且最好这样：通过以这种方式朝向所述第二电极催化剂层进行切割并且抬升形成所述第一凸部的形状，使得所述第一凸部相互独立地设置在所述平板材料的多个位置上；所述第二凸部朝向所述第二隔板凸出，并且通过以这样的方式进行挤压而形成所述第二凸部的形状，使得所述第二凸部相互独立地设置在所述平板材料的多个位置上；并且所述连通孔为通过所述第一凸部的切割和抬升而在所述平板中形成的孔。
根据本发明的燃料电池中，最好这样：所述第一凸部形成为桥状；各所述连通孔以这样的方式形成，即，沿垂直于气体流动方向之方向延伸穿过相应的第一凸部，并且在两个位置具有开口，所述两个位置为沿所述气体流动方向上看的第一凸部的左端和右端；各对第一凸部沿所述垂直于所述气体流动方向之方向彼此相邻，在一对第一凸部中，位于所述气体流动方向的上游的第一凸部具有与位于所述气体流动方向下游的第一凸部的上游端相邻的下游端；并且所述第二凸部设为从所述气体流动方向的下游侧与相应的第一凸部相邻。
根据本发明的燃料电池中，最好这样：所述第一凸部和所述第二凸部沿所述垂直于气体流动方向之方向交替设置，并且配置形成多个排状的凸部组；所述凸部组设为沿所述气体流动方向相互平行并且以预定间隔隔开；各相邻一对的凸部组排之间形成有带状平板部，并且所述水通路形成在所述平板部与所述第二隔板之间；并且各所述连通孔以这样的方式形成，即，在相应第一凸部中具有朝向所述气体流动方向的上游的开口。
根据本发明的燃料电池中，最好这样：所述第二气体通路形成部件配置为包括所述平板以及形成在所述平板上以形成所述第二气体通路的第一凸部；通过以这种方式朝向所述第二电极催化剂层进行切割并且抬升形成所述第一凸部的形状，使得所述第一凸部相互独立地设置在所述平板材料的多个位置上；所述第二隔板包括第二凸部，其朝向所述平板凸出以形成所述第二隔板与所述平板之间的水通路，通过以这样的方式挤压而形成所述第二凸部的形状，使得所述第二凸部相互独立地设置在所述第二隔板的多个位置上；并且通过所述第一凸部的切割和抬升而在所述平板中形成所述连通孔。
根据本发明的燃料电池中，最好以这样的方式将各所述第一凸部形成为半圆柱形，使得所述相应连通孔具有沿垂直于气体流动方向之方向上看的半圆形状。
根据本发明的燃料电池中，所述第一凸部最好包括两种类型，其为半圆柱形凸部和平台状凸部，所述两种类型的凸部交替设置并且相互独立，各所述平台状凸部上保持与所述第二电极催化剂层接触的表面为平面，并且各所述半圆柱形凸部上保持与所述第二电极催化剂层接触的表面为圆弧面。
根据本发明的燃料电池中，最好这样：所述第二气体通路形成部件配置为包括所述平板、第一隆起部、及第二隆起部，所述第一隆起部形成在所述平板上并且用作形成所述水通路和所述第二气体通路的凸部、第二隆起部形成在所述平板上并且用作形成所述第二气体通路的凸部；通过以这样的方式朝向所述第二电极催化剂层挤压而形成所述第一隆起部的形状，使得所述第一隆起部相互独立地设置在所述平板材料的多个位置上；通过以这样的方式朝向所述第二隔板挤压而形成所述第二凸部的形状，使得所述第二凸部相互独立地设置在所述平板材料的多个位置上；所述第一隆起部和所述第二隆起部沿垂直于气体流动方向之方向以预定间距交替形成，藉此配置形成沿所述垂直于气体流动方向之方向延伸的隆起部组；通过在所述气体流动方向上彼此相邻的相应一对隆起部的切割和抬升而形成各所述连通孔；各所述第一和第二隆起部的顶部形成有平面部；并且在所述平面部中，与所述第二隔板相对应的各第一隆起部的平面部具有凸起，所述凸起与所述第二隔板接触以形成所述平面部与所述第二隔板之间的所述水通路。
根据本发明的燃料电池中，较佳的，所述第一凸部或所述第一隆起部以这样的方式对齐，即，所述第二气体通路包括直通路部和蛇行通路部这两种类型。
根据本发明的燃料电池中，较佳的，所述第一气体通路形成部件与所述第一隔板之间形成有与所述水通路类似的水通路，以与所述第二气体通路形成部件相同的方式配置所述第一水通路形成部件。
根据本发明的燃料电池中，较佳的，所述水通路的深度设为10～50μm的范围，并且所述第一气体通路或所述第二气体通路的深度设为30～1000μm。
根据本发明的燃料电池中，较佳的，所述水通路的下游开口延伸至与气体排出通路相对应的位置，并且以这样的方式在所述排出通路上与所述开口相对应的位置形成收缩部，以加快气体流速。
根据本发明的燃料电池中，较佳的，以这样的方式在所述气体通路形成部件的平板和所述隔板之间形成气体通路，即，所述气体通路与所述水通路的下游侧相对应，并且延伸穿过所述平板和所述隔板，所述气体通路为用于加快气体流速的收缩部。
为了达成本发明的第二目的，并且根据本发明的第二方面，提供了一种燃料电池，其包括铺放在电解质膜的阳极侧表面上的第一电极催化剂层；铺放在所述电解质膜的阴极侧表面上的第二电极催化剂层；第一气体通路形成部件，其铺放在所述第一电极催化剂层的表面上，并且具有用于供给燃料气体的第一气体通路；第二气体通路形成部件，其铺放在所述第二电极催化剂层的表面上，并且具有用于供给氧化气体的第二气体通路；铺放在所述第一气体通路形成部件表面上的第一隔板；设在所述第二气体通路形成部件中的第二隔板；用于所述燃料气体的引入通路和排出通路；及用于所述氧化气体的引入通路和排出通路。所述第一气体通路形成部件包括平板和多个与所述平板一体形成以形成所述第一气体通路的凸部。所述第一气体通路形成部件的所述平板的表面和与所述第一气体通路形成部件相对应的所述第一隔板的背面之间形成有水通路。所述水通路和所述第一气体通路经由连通孔彼此连通，所述连通孔由各所述凸部形成，通过所述第一气体通路形成部件上的切割和抬升而形成所述凸部的形状。所述水通路的深度设为小于所述第一气体通路之深度的值。通过在所述第一气体通路中流动的所述燃料气体所形成的压力，将通过毛细管作用从所述第一气体通路经由所述连通孔吸入所述水通路的水排入所述燃料气体排出通路。
根据本发明的燃料电池中，较佳的，所述水通路沿从所述第一气体通路形成部件上位于与所述燃料气体引入通路相对应侧的端部到所述第一气体通路形成部件的位于与所述燃料气体排出通路相对应侧的端部的整个范围连续延伸。
根据本发明的燃料电池中，较佳的，由具有连续孔的多孔体形成的排水促进部件容纳在所述第一气体通路形成部件中的这样一部分中，即所述燃料气体排出通路和所述水通路在所述部分中连结在一起，并且选择下列结构中的一种：所述排水促进部件的连续孔的平均孔径设为小于所述水通路之深度的值的结构；所述排水促进部件的连续孔的润湿性设为大于所述水通路之润湿性的值的结构；及所述排水促进部件的连续孔的水合性设为大于所述水通路之水合性的值的结构。
根据本发明的燃料电池中，最好这样：所述第一气体通路形成部件配置为包括所述平板、形成在所述平板上以形成所述第一气体通路的第一凸部、及形成在所述平板上以形成所述水通路的第二凸部；通过以这种方式朝向所述第一电极催化剂层进行切割并且抬升形成所述第一凸部的形状，使得所述第一凸部相互独立地设置在所述平板材料的多个位置上；所述第二凸部朝向所述第一隔板凸出，并且以这样的方式进行挤压而形成所述第二凸部的形状，即，所述第二凸部相互独立地设置在所述平板材料的多个位置上；并且所述连通孔为通过所述第一凸部的切割和抬升而在所述平板中形成的孔。
根据本发明的燃料电池中，最好这样：所述第一凸部形成为桥状；各所述连通孔以这样的方式形成，即，沿垂直于气体流动方向之方向延伸穿过相应的第一凸部，并且在两个位置具有开口，所述两个位置为沿所述气体流动方向上看的第一凸部的左端和右端；各对第一凸部沿所述垂直于所述气体流动方向之方向彼此相邻，在一对第一凸部中，位于所述气体流动方向的上游的第一凸部具有与位于所述气体流动方向下游的第一凸部的上游端相邻的下游端；并且所述第二凸部设为从所述气体流动方向的下游侧与相应的第一凸部相邻。
根据本发明的燃料电池中，最好这样：所述第一凸部和所述第二凸部沿所述垂直于气体流动方向之方向交替设置，并且配置形成多个排状的凸部组；所述凸部组设为沿所述气体流动方向相互平行并且以预定间隔隔开；各相邻一对的凸部组排之间形成有带状平板部，并且所述水通路形成在所述平板部与所述第一隔板之间；并且各所述连通孔形以这样的方式形成，即，在相应的第一凸部中具有朝向所述气体流动方向的上游的开口。
根据本发明的燃料电池中，最好这样：所述第一气体通路形成部件配置为包括所述平板以及形成在所述平板上以形成所述第一气体通路的第一凸部；通过以这种方式朝向所述第一电极催化剂层进行切割并且抬升形成所述第一凸部的形状，使得所述第一凸部相互独立地设置在所述平板材料的多个位置上；所述第一隔板具有第二凸部，以这样的方式进行挤压而形成其形状，即，所述第二凸部朝向所述平板凸出，并且相互独立地设置在所述第一隔板的多个位置上；并且通过所述第一凸部的切割和抬升而在所述平板中形成所述连通孔。
根据本发明的燃料电池中，较佳的，以这样的方式将各所述第一凸部形成为半圆柱形，即，相应的连通孔具有沿垂直于气体流动方向之方向上看的半圆形状。
根据本发明的燃料电池中，较佳的，所述第一凸部包括两种类型，其为半圆柱形凸部和平台状凸部，所述两种类型的凸部交替设置并且相互独立，各所述平台状凸部上保持与所述第二电极催化剂层接触的表面为平面，并且所述半圆柱形凸部上保持与所述第二电极催化剂层接触的表面为圆弧面。
据本发明的燃料电池中，最好这样：所述第一气体通路形成部件配置为包括所述平板、第一隆起部、及第二隆起部，所述第一隆起部形成在所述平板上并且用作形成所述水通路和所述第一气体通路的凸部，第二隆起部形成在所述平板上并且用作形成所述第二气体通路的凸部；通过以这样的方式朝向所述第一电极催化剂层挤压而形成所述第一隆起部的形状，即，所述第一隆起部相互独立地设置在所述平板材料的多个位置上；通过以这样的方式朝向所述第一隔板挤压而形成所述第二凸部的形状，即，所述第二凸部相互独立地设置在所述平板材料的多个位置上；所述第一隆起部和所述第二隆起部沿垂直于气体流动方向之方向以预定间距交替形成，藉此配置形成沿所述垂直于气体流动方向之方向延伸的隆起部组；通过所述气体流动方向上彼此相邻的相应一对所述隆起部的切割和抬升而形成各所述连通孔；各所述第一和第二隆起部的顶部形成有平面部；并且在所述平面部中，与所述第一隔板相对应的各第一隆起部的平面部具有凸起，所述凸起与所述第一隔板接触以形成所述平面部与所述第一隔板之间的所述水通路。
根据本发明的燃料电池中，较佳的，所述第一凸部或所述第一隆起部以这样的方式对齐，即，所述第二气体通路包括直通路部和蛇行通路部这两种类型。
根据本发明的燃料电池中，较佳的，所述水通路的深度设为10～50μm的范围，并且所述第一气体通路的深度设为30～1000μm。
根据本发明的燃料电池中，较佳的，所述水通路的下游开口延伸至与气体排出通路相对应的位置，并且将与所述开口相对应的所述排出通路的截面面积设为使得气体流速加快的较小值。
根据本发明的燃料电池中，最好在所述气体通路形成部件的平板和所述隔板中形成排水通路，并且所述排水通路沿垂直于所述平板和所述隔板的方向延伸，所述排水通路的截面面积设为使得气体流速加快的较小值。
(操作)
若所述水通路形成在阴极侧，经由所述连通孔通过毛细管作用将所述阴极侧气体通路形成部件的气体通路中的生成水吸入所述水通路。然后，通过由在所述气体通路中流动的氧化气体所产生的压力将所述水通路中的水排入所述排出通路。从而，充分地将所述氧化气体供给至所述电极催化剂层。这防止了氧化气体的不足，并且增进了发电效率。即，防止生成水残留在所述气体通路中，并且减小了由生成水造成的气体通路中流动的氧化气体的压力损失。由此，增强发电效率。
若所述水通路形成在阳极侧，经由所述流通孔通过毛细管作用将所述阳极侧气体通路形成部件的气体通路中的渗流水吸入所述水通路。然后，通过由在所述气体通路中流动的燃料气体所产生的压力将所述水通路中的水排入所述排出通路。从而，充分地将所述燃料气体供给至所述电极催化剂层。这防止了燃料气体的不足，并且增进了发电效率。即，防止渗流水残留在所述气体通路形成部件的气体通路中，并且减小了由渗流水造成的气体通路中流动的的燃料气体的压力损失。由此，增进发电效率。由于防止水进入阳极侧的电极催化剂层，由此避免了电极催化剂层的燃料不足。这防止了电极催化剂层的电位因燃料不足而升高。从而，防止气体通路形成部件因电极催化剂层的电位上升而腐蚀。
本发明的有效效果
根据本发明，当水通路形成在阳极侧，发电效率得以增进。并且，阳极侧气体通路形成部件的耐用性和阴极侧电极催化剂层的耐用性得以增进。若水通路设置在阴极侧，则发电效率得以增进。
附图说明
图1为示出本发明燃料电池第一实施例的纵向剖视图；
图2为示出燃料电池的纵向剖视图；
图3为示出第一和第二框架、电极结构、第一和第二气体通路形成部件、及隔板的分解立体图；
图4为示出与气体通路形成部件相对应之部分的立体图；
图5为示出发电电池一部分的放大纵向剖视图；
图6为示出本发明燃料电池第二实施例的纵向剖视图；
图7为图6所示燃料电池的与气体通路形成部件相对应之部分的立体图；
图8为示出图6所示燃料电池一部分的放大剖视图；
图9为示出本发明燃料电池第三实施例的纵向剖视图；
图10为与图9所示燃料电池的气体通路形成部件相对应之部分的平面图；
图11为示出图9所示燃料电池的气体通路形成部件相对应之部分的立体图；
图12示出本发明燃料电池之修改的纵向剖视图；
图13示出本发明燃料电池之另一修改的纵向剖视图；
图14示出本发明燃料电池之另一修改的纵向剖视图；
图15示出本发明燃料电池之另一修改的纵向剖视图；
图16为示出本发明燃料电池之另一修改的一部分的立体图；
图17为采用图16所示气体通路形成部件的燃料电池的纵向剖视图；
图18为本发明燃料电池之另一修改的一部分的立体图；
图19为采用图18所示气体通路形成部件的燃料电池的纵向剖视图；
图20为图18所示气体通路形成部件的一部分的平面图；
图21示出本发明燃料电池之另一修改的纵向剖视图；
图22示出本发明燃料电池之另一修改的纵向剖视图；
图23示出现有燃料电池的纵向剖视图；
图24为图23所示燃料电池的一部分的放大剖视图；
图25为示出与图23所示燃料电池所使用之气体通路形成部件相对应之部分的立体图；
图26为示出另一现有燃料电池的一部分的立体图；
图27为图26所示燃料电池一部分的剖视平面图；及
图28为示出另一现有燃料电池的纵向剖视图。
具体实施方式
(第一实施例)
现参考图1～5描述根据本发明的燃料电池的第一实施例。
如图1所示，根据第一实施例的燃料电池堆11为聚合物电解质型燃料电池，并且配置为包括堆叠在一起的多个发电电池12。
参考图3，各发电电池12具有矩形的框状形状，并且包括由合成橡胶(或合成树脂)形成的第一框架13和第二框架14，以及用作电极结构的MEA(膜电极组件)15。燃料气体通路空间S1界定在第一框架13的内部。氧化气体通路空间S2界定在第二框架14的内部。MEA15设在框架13和14之间。如图1和2所示，各发电电池12具有第一气体通路形成部件21和第二气体通路形成部件22。第一气体通路形成部件21由铁素体系SUS(不锈钢)形成，并且容纳在燃料气体通路S1中。第二气体通路形成部件22由钛或金形成，并且容纳在氧化气体通路空间S2中。发电电池12还具有钛制的第一隔板23和第二隔板24。第一隔板23为平板形，并且连结至第一框架13的顶面以及第一气体通路形成部件21的顶面，如图所示。第二隔板24连结至框架14的底面以及第二气体通路形成部件22的底面，如图所示。简明起见，图3中，各气体通路形成部件21和22的结构示出为平板。
如图1和2所示，MEA15配置为包括电解质膜16、第一电极催化剂层17、第二电极催化剂层18、导电性第一气体扩散层19、及导电性第二气体扩散层20。第一电极催化剂层17由铺放在电解质膜16的阳极侧表面(图示为顶面)上的催化剂形成。第二电极催化剂层18由铺放在电解质膜16的阴极侧表面(图示为底面)上的催化剂形成。气体扩散层19和气体扩散层20分别连结至电极催化剂层17的表面和电极催化剂层18的表面。当使用根据第一实施例的燃料电池时，图1所示的燃料电池堆11中的各发电电池12的电极结构15平行于垂直方向延伸。
固体电解质膜16由含氟聚合物膜形成。如图5所示，各电极催化剂层17和18具有支撑催化剂的碳颗粒。多个由铂(Pt)形成的催化剂颗粒52粘附至各碳颗粒51的表面。使用形成电极催化剂层的糊剂将电极催化剂层17和18粘接至固体电解质膜16。由燃料电池生成电力时，用作催化剂的催化剂颗粒52增进发电效率。第一实施例中，各碳颗粒51的颗粒尺寸为几微米和各催化剂颗粒52的颗粒尺寸为2nm。气体扩散层19和20由碳纸片形成。
现参考图4描述气体通路形成部件21和22。位于阳极侧的第一气体通路形成部件21和位于阴极侧的第二气体通路形成部件22的结构相同。因此，仅描述第一气体通路形成部件21。
如图4所示，第一气体通路形成部件21具有平板25。平板25的多个位置上相互分开地形成有多个第一凸部25和多个第二凸部27。第一凸部26为用于形成气体通路的凸部，并且其形状为切割并且抬升平板25以使之朝向第一气体扩散层19(见图2)凸出。第二凸部27为形成水通路的凸部，并且其形状为挤压平板25以使之朝向隔板23凸出。通过使得第一凸部26与第一气体扩散层19保持接触，如图2所示，在平板25与第一气体扩散层19之间形成燃料气体通路T1(其亦为燃料气体通路空间S1)。通过使得第二凸部27与隔板25保持接触，在平板25与隔板23之间形成水通路28。
参考图4，各第一凸部26的形状为桥状。各第一凸部26具有沿方向Q(其垂直于气体流动方向P)延伸穿过第一凸部26的连通孔29。换言之，沿气体流动方向P观察，各连通孔20在相关的一个第一凸部26的左右两端具有两个开口。连通孔29允许气体通路T1和水通路28之间的连通。各对第一凸部26沿方向Q(其垂直于气体流动方向P)彼此邻接。各对第一凸部26中，位于气体流动方向P的上游的凸部的下游端邻接气体流动方向P的下游凸部的上游端。各第二凸部27设为从气体流动方向P的下游侧邻接至相关的一个第一凸部26的下游端。
如图4所示，第一凸部26排列成排，沿气体流动方向P以预定间隔隔开。多排第一凸部26沿垂直于气体流动方向P的方向Q以预定宽度D隔开。平板25上形成有多个平行的带状平板部25a。各带状平板部25a沿气体流动方向P在平板25的整个长度上延伸。带状平板部25a与隔板23之间形成有作为水通路28一部分的带状水通路部28a。各带状水通路部28a沿气体流动方向P在平板25和隔板23的整个长度上延伸。所述各对第一凸部26沿气体流动方向P以预定间隔E隔开。平板25具有平板部25b，其与相应的带状平板部25a交叉。在平板部25b与隔板23之间形成有作为水通路28一部分的水通路支路28b。
如图3所示，第一框架13中的燃料气体通路空间S1的形状从上看下去为矩形形状。第一框架13的相互平行的一侧131和相对侧132分别形成有与燃料气体通路空间S1连通的细长燃料气体入口13a和细长燃料气体出口13b。框架13的与相应侧131和132相邻的一侧133和相对侧134分别形成有细长氧化气体入口13c和细长氧化气体出口13d。
第二框架14配置为与第一框架13相同。第二框架14具有燃料气体入口14a、燃料气体出口14b、氧化气体入口14c、及氧化气体出口14d，其与框架13的燃料气体入口13a、燃料气体出口13b、氧化气体入口13c、及氧化气体出口13d相对应地形成。
与第一框架13中形成的燃料气体入口13a、燃料气体出口13b、氧化气体入口13c、及氧化气体出口13d相对应地在第一隔板23的四侧形成燃料气体入口23a、燃料气体出口23b、氧化气体入口23c、及氧化气体出口23d。类似地，与第二框架14中的燃料气体入口14a、燃料气体出口14b、氧化气体入口14c、及氧化气体出口14d相对应地在第二隔板24的四侧形成燃料气体入口24a、燃料气体出口24b、氧化气体入口24c、及氧化气体出口24d。
参考图1，第一(第二)气体通路形成部件21(22)与框架13(14)中的燃料气体通路空间S1(氧化气体通路空间S2)中的气体扩散层19(20)的表面以及第一(第二)隔板23(24)的背面接触。
参考图1和3，第一隔板23的燃料气体入口23a、框架13的燃料气体入口13a、第二框架14的燃料气体入口14a、及第二隔板24的燃料气体入口24a形成各发电电池12中的燃料气体供给通路M1。第一隔板23的燃料气体出口23b、第一框架13的燃料气体出口13b、第二框架14的燃料气体出口14b、及第二隔板24的燃料气体出口24b形成各发电电池12中的燃料气体排出通路M2。在从燃料电池的外部供给至燃料气体供给通路M1之后，燃料气体流过第一气体通路形成部件21中的气体通路T1并且用以发电。然后将燃料气体作为燃料废气引入燃料气体排出通路M2。
第一隔板23的氧化气体入口23c、框架13的氧化气体入口13c、第二框架14的氧化气体入口14c、及第二隔板24的氧化气体入口24c形成各发电电池12中的氧化气体供给通路R1。第一隔板23的氧化气体出口23d、第一框架13的氧化气体出口13d、第二框架14的氧化气体出口14d、及第二隔板24的氧化气体出口24d形成各发电电池12中的排出通路R2，以排出氧化废气。在从燃料电池的外部供给至氧化气体供给通路R1之后，氧化气体流过第二气体通路形成部件22中的气体通路T2并且用以发电。然后将氧化气体作为氧化废气导入氧化气体排出通路R2。
第一实施例中，各凸部26从相应的带状平板部25a凸出之部分的高度，或者说，第一或第二气体通路形成部件21和22中气体通路T1和T2的深度，设为例如30～1000μm的范围，或较佳设为30～300μm的范围。一示例中，前述的高度或深度设为200μm。各第二凸部27从相应的平板部25a凸出之部分的高度，或者说，水通路28的深度，设为10～50μm的范围。一示例中，前述的高度或深度设为30μm。这样，以细隙状的方式形成水通路28，并且其深度小于各气体通路T1和T2的深度。从而，通过细隙状水通路28的毛细管作用，可容易地经由连通孔29将气体通路T1和T2中的水吸入水通路28。图4表示的各带状平板部25a的宽度D设为100～300μm的范围。平板部25b之间的间隔E设为50～150μm的范围。
下文将描述上述结构的燃料电池的操作。
参考图2，当燃料气体在已供给至燃料气体供给通路M1之后沿由相应箭头表示的方向流入第一气体通路形成部件21中的气体通路T1时，燃料气体撞击多个第一凸部26并且造成燃料气体发生湍流。这使得燃料气体在气体通路T1中扩散。然后，通过穿过第一气体扩散层19，燃料气体更充分地扩散，并且由此均匀地分布在第一电极催化剂层17中。
如图1所示，当氧化气体在已供给至氧化气体供给通路R1之后沿由相应箭头表示的方向流入第二气体通路形成部件22中的气体通路T2时，氧化气体撞击多个第一凸部26并且造成氧化气体发生湍流。这使得氧化气体在气体通路T2中扩散。然后，通过穿过第二气体扩散层20，氧化气体更充分地扩散，并且由此均匀地分布在电极催化剂层18中。随着供给燃料气体和氧化气体，在MEA15中发生电极反应，从而发电。由此从配置为包括堆叠发电电池12的燃料电池堆11中输出所需的电量。
当如前所述地生成电力时，阴极侧的第二气体通路形成部件22的气体通路T2中生成水。一些发电未用完的氢气流过第一气体通路形成部件21中的第一气体通路和燃料气体排出通路M2，并且作为燃料废气排出至外部。一些在发电过程中未发生氧化的氧化气体流过形成在框架13和14中的氧化气体排出通路R2，并且与氮气一起作为氧化废气排出至外部。一些生成水渗入阴极侧的第二电极催化剂层18、固体电解质膜16、第一电极催化剂层17、及第一气体扩散层19，并且作为渗流水流至第一气体通路形成部件21中的气体通路T1。
当沿由图2中的相应箭头所示的方向流入气体通路T1时，燃料气体撞击多个第一凸部26，如图4所示。这一阶段中，燃料气体所含的渗流水粘附至第一凸部26的前表面成为水滴W。通过燃料气体流动形成的压力，水滴W(渗流水)经由形成在第一凸部26中的连通孔29流入第一凸部26的内部。通过形成为细隙状的水通路28的毛细管作用，渗流水被引入水通路28中。在被吸入水通路28之后，渗流水通过水的表面张力保持在水通路28中作为保持水。保持水用以使得水滴(渗流水)从气体通路T1经由连通孔29暴露至保留水。在这一阶段，水滴的使表面积减小的性质朝向水通路28中的保留水吸引水滴。通过在气体通路T1中流动的燃料气体所产生的压力，沿气体流动方向P将已进入水通路28的保留水(渗流水)导向至下游，并且由此被导入燃料气体排出通路M2。
以与以上述方式排出的阳极侧水滴(渗流水)相同的方法，将阴极侧的第二气体通路形成部件22中的气体通路T2中生成的水导向至氧化气体排出通路R2。
根据第一实施例的燃料电池具有如下优点。
(1)第一实施例中，位于阳极侧的具有第一和第二凸部26和27的第一气体通路形成部件21的隔板23和平板25之间形成有水通路28。水通路28的深度小于气体通路T1的深度。通过形成在第一凸部26中的连通孔29将形成在平板25和第一气体扩散层19之间的气体通路T1中的渗流水引入水通路28。通过燃料气体流动所产生的压力将已引入水通路28的渗流水导向燃料气体排出通路M2。这一结构中，由于向第一电极催化剂层17供给了充足的燃料气体，避免了第一电极催化剂层17中发生氢气不足。由此增进发电效率。
第一气体通路形成部件21中气体通路T1内的渗流水通过连通孔29流入水通路28，并且被导向燃料气体排出通路M2。这防止了渗流水残留在气体通路T1中，并且减小了由渗流水造成的在气体通路T1中流动的燃料气体的压力损失，由此改进了发电效率。这也防止了由于阳极侧的第一电极催化剂层17中的电位上升而造成的第一气体通路形成部件21的腐蚀，所述电位上升由第一电极催化剂层17中的氢气不足造成，由此增强了第一气体通路形成部件21的耐用性。从而，可更灵活地选择第一气体通路形成部件21的材料。即，便宜的材料可用作第一气体通路形成部件21的材料，并且降低材料成本。
(2)第一实施例中，阴极侧的第二气体通路形成部件22的隔板24和平板25之间设有水通路28。阴极侧的第二气体通路形成部件22中的气体通路T2中形成的水通过水通路28被引入氧化气体排出通路R2。这防止了生成的水残留在第二气体通路形成部件22中的气体通路T2中，并且减小了由生成的水造成的在气体通路T2中流动的氧化气体的压力损失，由此改进了发电效率。并且，向电极催化剂层18供给了充足的氧化气体，由此防止了氧化气体的不足。这增进了发电效率。
(3)第一实施例中，在阳极侧和阴极侧设有水通路28。由此，将气体通路T1和T2中的渗流水和生成水充分地引入燃料气体排出通路M2和R2。这防止了发电电池12所生成之电力输出的变化，由此使得燃料电池的发电性能较稳定。例如，当燃料电池处于低负荷运行状态，在气体通路形成部件21和22的各气体通路T1和T2中流动的气体流速较低。由此，残留在气体通路T1和T2中的渗流水和生成水的量变得不平衡。然而，第一实施例中，水通路28充分地排出各发电电池12中的水。这消除了发电电池12所产生的电力输出的变化，并且改进了电池性能。相反，当燃料电池处于高负荷运行时，阴极侧的第二气体通路形成部件22的气体通路T2中生成水的量较大。由于经由水通路28充分地排出生成水，改进了气体通路T2中的氧化气体的扩散性能，并且使得发电输出较为稳定。
(4)第一实施例中，如图4所示，燃料电池撞击处于气体流动方向P上的上游侧的各第一凸部26的前表面。这使得燃料气体中的渗流水易于作为水滴W粘附至第一凸部26。然而，第二凸部27设在相应第一凸部26的下游。因此，使得已通过连通孔29进入第一凸部26内部的水滴W撞击相应的第二凸部27。由此，充分地将水滴W分开，并且将其导入相应的带状水通路部28a和相应的水通路支路28b。
(5)第一实施例中，参考图4，在气体流动方向P上沿平板25的整个长度连续延伸的带状水通路部28a用作水通路28。从而，可流畅地将已进入带状水通路部28a的渗流水(生成水)导入燃料气体排出通路M2(R2)。
(6)第一实施例中，多排带状水通路部28a之间形成有水通路支路28b。因此，如图4所示，渗流水(生成水)经由位于相关的一对第一凸部26下游的第一凸部26的连通孔29被导入相应的水通路支路28b。然后，流畅地将渗流水从水通路支路28b导向带状水通路部28a。从而，可充分排出渗流水(生成水)。
(第二实施例)
下文将参考图6～8描述本发明的第二实施例。下文所述的实施例中，对于与第一实施例的相应部件具有相同或类似功能的部件给予相同或类似的标号，并且省略其描述。即，下文的描述集中在第一实施例与其它实施例在结构、操作、及效果上的不同。
如图7所示，第二实施例中，形成在各气体通路形成部件21和22中的第一凸部26和第二凸部27沿垂直于气体流动方向P的方向Q交替地排列成排。各第一凸部26连接至沿方向Q与该第一凸部26相邻的两个第二凸部27。第一凸部26和第二凸部27形成多个在平板25中沿方向Q延伸的排状凸部组。凸部组设为沿气体流动方向P相互平行并以预定间隔隔开。平板25中的凸部组之间形成沿方向Q延伸的多个带状平板部25a，并且所述多个带状平板部25a设为相互平行。连通孔29形成在第一凸部26中，各连通孔29具有朝向沿燃料气体(氧化气体)的流动方向的上游的开口。连通孔29与形成在带状平板部25a和隔板23(24)之间的相应带状水通路部28a连通。
带状水通路部28a沿方向Q延伸，如图7所示，并且通过沿气体流动方向P的凸部组使其互相分开，如图6和8所示。
参考图6和8，在第二气体通路形成部件22中氧化气体排出通路R2、第二气体通路形成部件22的气体通路T2、及水通路28连结在一起的一部分中容纳有排水促进部件30，排水促进部件30例如由聚氨酯海绵或海绵之类的具有连续孔的多孔体形成。排水促进部件30的连续孔的孔隙率(porosity)设为50～80体积百分比的范围。连续孔的平均直径设为小于水通路28深度(10～50μm)的值(其例如为50～25μm)。排水促进部件30允许来自气体通路T2的氧化废气流畅地流经排水促进部件30，并且通过连续孔的毛细管作用吸收从水通路28流出的渗流水(生成水)。
第二实施例中，作为整体的第一气体通路形成部件21的厚度设为例如300μm。各第一凸部26从平板25凸出之部分的高度设为170μm。各第二凸部27从平板25凸出之部分的高度设为30μm。各第一凸部26和各带状平板部25a的沿气体流动方向P的宽度都设为200μm。
现描述具有上述结构的第二实施例的燃料电池的操作。
渗流水和生成水以相同的方式从阳极侧的气体通路T1和阴极侧的气体通路T2排出。因此，参考图7和8，下文仅描述阴极侧的生成水的排出。
如图7所示，形成在各第一凸部26中的连通孔29具有朝向沿气体流动方向P的上游的开口。从而，由氧化气体流动产生的压力使得粘附至带状平板部25a的顶面的生成水的水滴W经由相应的连通孔29进入带状水通路部28a。
参考图8，已从气体通路T2进入一个上游连通孔29的生成水W粘附至隔板24的背面，并且通过从气体通路T2流至连通孔29的氧化气体所产生的压力而流至水通路28。通过流入连通孔29的氧化气体所产生的压力，水通路28中的生成水被导向一个下游连通孔29，并且沿隔板24的背面进一步向下游流动。然后，生成水W被引入一个下游带状水通路部28a。随着依次重复这一操作，生成水排入氧化气体排出通路R2。因此，在第二实施例的情况下，即使第一凸部26沿气体流动方向P划分带状水通路部28a，水通路28所起的作用与沿气体流动方向P相互连通的带状水通路部28a的作用基本相同。
从第二气体通路形成部件22的气体通路T2流出的氧化废气穿过排水促进部件30的连续孔，然后排入氧化气体排出通路R2。通过排水促进部件30的毛细管作用，将最下游的一个带状水通路部28a中的生成水引入排水促进部件30。进入排水促进部件30之后，通过流经排水促进部件30的连续孔的氧化废气所产生的压力积极地排出生成水。由此，有效地将生成水排入氧化气体排出通路R2。
如前所述，在第二实施例中也一样，通过水通路28(带状水通路部28a)，充分地排出阳极侧气体通路形成部件21中气体通路T1中的和阴极侧气体通路形成部件22中气体通路T2中的渗流水和生成水。换言之，第二实施例的燃料电池具有与第一实施例的燃料电池一样的优点。
此外，较之不包括排水促进部件30的结构，第二实施例的排水促进部件30改进了排水性能。
(第三实施例)
现参考图9～13描述本发明的第三实施例。
如图10和11所示，阳极侧的第一气体通路形成部件21包括多个朝向第一隔板23挤压出的第一隆起部31，其用作形成水通路28和气体通路T1的凸部。第一气体通路形成部件21还包括多个朝向气体扩散层19挤压出的第二隆起部32，其用作形成气体通路T1的凸部。第一隆起部31和第二隆起部32沿垂直于气体流动方向P的方向Q等距交替设置，并且形成多个沿方向Q延伸的隆起部组。在各第一隆起部31的顶部形成有与隔板23的背面对应的平面部31a。在平面部31a上形成有平行于气体流动方向P延伸的条状凸起31b。凸起31b保持为以这样的方式与隔板23的背面接触，即，水通路28形成在平面部31a和隔板23之间。类似地，平面部32a形成在各第二隆起部32的顶部。平面部32a保持为与第一气体扩散层19形成面接触。条状凸起31b可由其它形状(包括球形)的凸起代替。
参考图10，在各隆起部组中，第一隆起部31的沿垂直于气体流动方向P的方向Q的准直间距(alignment pitch)F为相等间距。后文，图10中的隆起部组沿流动方向P依次称为第一～第九隆起部组。第二～第五隆起部组设为沿垂直于气体流动方向P的方向Q从第一隆起部组向右依次偏移四分之一准直间距F。第六～第九隆起部组设为沿垂直于气体流动方向P的方向Q从第五隆起部组向左依次偏移四分之一准直间距F。除第一至第九隆起部组之外的第一气体通路形成部件21的隆起部组以相同的方式设置。
各连通孔29形成在相应的第一隆起部31和沿气体流动方向P相邻的第二隆起部32之间。当从平板锻造隆起部31和32时，通过切割以及抬升形成连通孔29的形状。第一气体通路形成部件21中的第一隆起部31和第二隆起部32形成气体通路T1。当气体流入气体通路T1时，发生气体湍流。
以与第一气体通路形成部件21相同的方式形成阴极侧的第二气体通路形成部件22。
第三实施例中，如图9所示，已从阴极侧供给通路R1进入气体通路形成部件22的气体通路T2的氧化气体如图10相应箭头所示地蛇行且以湍流状态扩散，并且由此流入氧化气体排出通路R2。气体通路T2中的生成水的水滴W通过水通路28的毛细管作用经由连通孔29流至水通路28，所述水通路28由相互独立设置的多个平面部31a和隔板24形成。流入水通路28之后，生成水通过气体通路T2中流动的气体所产生的压力经由水通路28沿隔板24的背面向下游移动。随着重复这一操作，水通路28将生成水流畅地导向至下游侧。图10中，由箭头L1和L2表示生成水W的流动路径。
第三实施例也包括排水促进部件30。较之不包括排水促进部件30的结构，排水促进部件30改进了排水性能。
(修改)
所示实施例可作如下修改。
如图12所示，在根据第一实施例的燃料电池中，排水促进部件30可设在第二气体通路形成部件22中氧化气体排出通路R2和水通路28连结在一起的部分中。类似地，尽管未予以图示，排水促进部件30可设在第一气体通路形成部件21上燃料气体排出通路M2和水通路28连结在一起的部分中。这一结构保证了通过排水促进部件30的有效地将生成水(渗流水)从各水通路28排出。
如图13所示，第一实施例的燃料电池中，可在隔板24中形成多个排水孔35。这样，在隔板23的与排水孔35相对应的部分形成连通通路36。这一结构中，氧化废气和生成水通过排水孔35排入氧化气体排出通路R2。或者，参考图14，可在隔板24中形成单独的排水口37，而排水促进部件30容纳在排水口37中。
如图15(a)所示，第一气体通路形成部件21可省略第二凸部27，并且可通过按压在第一隔板23中形成与第二凸部27起相同作用的第二凸部23e。类似地，参考图15(b)，第二气体通路形成部件22可省略第二凸部27，并且可通过按压在第二隔板24中形成与第二凸部27起相同作用的第二凸部24e。
第一实施例中，如图4所示，各连通孔29在沿气体流动方向P所示的左端和右端具有开口。然而，本发明不限于此。即，各连通孔29可具有一个开口，或三个或三个以上的开口。
如图16和17所示，各第一凸部26可为半圆柱形。具体地，沿垂直于气体流动方向P的方向Q所示，各第一凸部26的形状为半环形，并且各连通孔29的形状为半圆形。参考图17，各第一凸部26的高度h与第一凸部26的沿气体流动方向P的宽度n之比可为较小。本实施例中，第二凸部27位于第一凸部26的上游。第一凸部26以这样的方式位于相互独立的位置，即，水通路28如虚线所示地蛇行。
本实施例中，各第一凸部26的内空间的内周面的形状设为如图17所示的圆弧面。因此，在气体通路T2中生成的水被引入相应第一凸部26的内空间，并且稳定地保持。这改进了第一凸部26的水保持性能。具体地，粘附至第二气体扩散层20之表面的水滴通过表面张力趋向于变成球形。这使得水滴易于进入相应第一凸部26的半圆柱形内空间。由此防止第二气体扩散层20之表面上的水滴发展，并且避免了由水滴造成的气体不足。由此增进发电效率。并且，防止第二气体扩散层20因水滴粘附而发生局部劣化。由此增强了扩散层20的耐用性。
如图18～20所示，可采用不同形状的第一凸部。具体地，隔板23包括相互独立设置的多个半圆柱形第一凸部26和多个平台状第一凸部261。如沿垂直于前述气体流动方向P的方向Q所示，各第一凸部26具有半圆柱形形状。由于各第一凸部261具有平台状的形状，第一凸部261和第二气体扩散层20之间的接触面积增大。如图20所示，相对于气体流动方向P而言，形成既不包括两种类型的第一凸部26和261也不包括第二凸部27的带状平板部25a。换言之，气体通路T2具有由带状平板部25形成的直的带状气体通路部T2s。除气体通路T2s之外，气体通路T2具有蛇形气体通路部T2d。相对于气体流动方向P而言，各气体通路部T2d由相应的第一凸部26(在相对两侧交替设置)和相应的平板部25c(由相应的平台状第一凸部261形成)形成。在两种类型的气体通路部T2s、T2d的背面，形成与气体通路部T2s和T2d类似的平面形状的水通路28。
本实施例中，较之仅包括相互独立设置的半圆柱形第一凸部26的隔板，平台状第一凸部261增大了与第二气体扩散层20的接触面积。这防止了第一凸部26侵入第二气体扩散层20，并且减小了通路对于生成电力的阻力。并且还增强了多个半圆柱形第一凸部26保持水滴形式的生成水的性能，并且保证了图16所示之结构的效力。此外，直的带状气体通路部T2s减小了通路中的气体压力损失，由此减小了压缩机之类气体供给外围装置的电力损失。
如图21所示，气体通路形成部件21的下游端21a(水通路28的下游开口)可延伸至排出通路M2。框体13的燃料气体出口13b的朝向下游端21a的壁面上形成凸部13e。此外，凸部13e和端部21a之间形成有减小排出通路M2的截面面积并且加快燃料气体流速的收缩部(constriction)41。本实施例中，通过在高速流入收缩部41的气流的文丘里效应，可充分地将水从水通路28吸出。由此更充分地进行排水。
参考图22，气体通路部21b可形成在气体通路形成部件21的平板25中，以使形成在隔板24中的排水孔35可用作气体通路部。并且，气体通路部21b和排水孔35都可用作收缩部38。并且，本实施例中，通过在高速流入收缩部38的气流的文丘里效应，可充分地将水从水通路28吸出，并且进一步增强了排水。
上述修改实施例中，可通过改变凸部或隆起部的设计来形成上述的两种类型的气体通路部T2s和T2d。
第二实施例中，排水促进部件30的连续孔的平均直径设为小于水通路28的深度(10～50μm)的值(例如，5～25μm)。这样，水通过毛细管作用从水通路28排入排水促进部件30的连续孔中。或者，排水促进部件30的连续孔的润湿性(wettability)可设为大于水通路28之润湿性的值。换言之，排水促进部件30的连续孔的水滴接触角可设为大于水通路28的水滴接触角的值。作为另一代替，排水促进部件30的连续孔的水合性可设为大于水通路28之水合性的值。这些情况下，即使排水促进部件30的连续孔平均直径大于水通路28的深度，仍然可充分地使得水从水通路28排入排水促进部件30的连续孔。
第三实施例中，形成在各气体通路形成部件21和22的第一隆起部31的平面部31a中形成有凸起31b。然而，可省略凸起31b。或者，可在各隔板23和24中形成与凸起31b相同作用的凸起。
尽管未予以图示，各所示实施例中，水通路28可仅设在阳极侧。这一结构增进了燃料电池的发电效率，并且增强了阳极侧的第二气体通路形成部件22的耐用性以及阴极侧电极催化剂层18的耐用性。或者，水通路28可仅设在阴极侧。这一结构增进了燃料电池的发电效率。
各所示实施例的燃料电池中，可在发电电池12的各个隔板23和24中形成用于冷却剂的槽。
各所示实施例的燃料电池中，可省略气体扩散层19和20。
仅在阴极侧设有水通路28的燃料电池中，阳极侧的第一气体通路形成部件21和第一隔板23可彼此一体形成。或者，框架13和第一隔板23可例如通过锻造由金属材料形成为整体。
仅在阳极侧设有水通路28的燃料电池中，阴极侧的第二气体通路形成部件22和第二隔板24可彼此一体形成。或者，框架14和第二隔板24可例如通过锻造由金属材料形成为整体。

Claims (29)

1.一种燃料电池，包括：
铺放在电解质膜的阳极侧表面上的第一电极催化剂层；
铺放在所述电解质膜的阴极侧表面上的第二电极催化剂层；
第一气体通路形成部件，其铺放在所述第一电极催化剂层的表面上，并且具有用于供给燃料气体的第一气体通路；
第二气体通路形成部件，其铺放在所述第二电极催化剂层的表面上，并且具有用于供给氧化气体的第二气体通路；
设在所述第一气体通路形成部件中的第一隔板；
铺放在所述第二气体通路形成部件的表面上的第二隔板；
用于所述燃料气体的引入通路和排出通路；及
用于所述氧化气体的引入通路和排出通路；
所述燃料电池的特征在于，
所述第二气体通路形成部件包括平板和多个与所述平板一体形成以形成所述第二气体通路的凸部，
在所述第二气体通路形成部件的所述平板的表面和与所述第二气体通路形成部件相对应的所述第二隔板的背面之间形成有水通路，
所述水通路和所述第二气体通路经由连通孔彼此连通，所述连通孔由各所述凸部形成，通过所述第二气体通路形成部件上的切割和抬升而形成所述凸部的形状，
所述水通路的深度设为小于所述第二气体通路之深度的值，并且
通过在所述第二气体通路中流动的所述氧化气体所形成的压力，将通过毛细管作用经由所述连通孔从所述第二气体通路吸入所述水通路的水排到所述氧化气体排出通路。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述水通路沿从所述第二气体通路形成部件的位于与所述氧化气体引入通路相对应侧的端部到所述第二气体通路形成部件的位于与所述燃料气体排出通路相对应另一侧的端部的整个长度连续延伸。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于，由具有连续孔的多孔体形成的排水促进部件容纳在所述第二气体通路形成部件的这样一部分中，即所述氧化气体排出通路和所述水通路在所述部分中连结在一起，并且选择下列结构中的一种：所述排水促进部件的连续孔的平均孔径设为小于所述水通路之深度的值的结构；所述排水促进部件的连续孔的润湿性设为大于所述水通路之润湿性的值的结构；及所述排水促进部件的连续孔的水合性设为大于所述水通路之水合性的值的结构。
4.如权利要求1～3中任一项所述的燃料电池，其特征在于：
所述第二气体通路形成部件配置为包括所述平板、形成在所述平板上以形成所述第二气体通路的第一凸部、及形成在所述平板上以形成所述水通路的第二凸部，
通过以这种方式朝向所述第二电极催化剂层进行切割并且抬升形成所述第一凸部的形状，使得所述第一凸部相互独立地设置在所述平板材料的多个位置上，
所述第二凸部朝向所述第二隔板凸出，并且通过以这样的方式挤压而形成所述第二凸部的形状，使得所述第二凸部相互独立地设置在所述平板材料的多个位置上，
所述连通孔为通过所述第一凸部的切割和抬升而在所述平板中形成的孔。
5.如权利要求4所述的燃料电池，其特征在于：
所述第一凸部的形成为桥状，
各所述连通孔以这样的方式形成，以沿垂直于气体流动方向之方向延伸穿过相应的第一凸部，并且在两个位置具有开口，所述两个位置为沿所述气体流动方向上看的所述第一凸部的左端和右端，
各对第一凸部沿所述垂直于所述气体流动方向之方向彼此相邻，在一对第一凸部中，位于所述气体流动方向的上游的第一凸部具有下游端，该下游端与位于所述气体流动方向的下游的第一凸部的上游端相邻，并且
所述第二凸部设为从所述气体流动方向的下游侧与相应的第一凸部相邻。
6.如权利要求4所述的燃料电池，其特征在于：
所述第一凸部和所述第二凸部沿所述垂直于气体流动方向之方向交替设置，并且配置形成多个排状的凸部组，
所述凸部组沿所述气体流动方向设为相互平行并且以预定间隔隔开，
各相邻一对的凸部组排之间形成有带状平板部，并且所述水通路形成在所述平板部与所述第二隔板之间，并且
各所述连通孔以这样的方式形成，以在相应第一凸部中具有朝向所述气体流动方向的上游的开口。
7.如权利要求1～3中任一项所述的燃料电池，其特征在于：
所述第二气体通路形成部件配置为包括所述平板以及形成在所述平板上以形成所述第二气体通路的第一凸部，
所述第一凸部的形状设为以这样的方式朝向所述第二电极催化剂层进行切割并且抬升，使得所述第一凸部相互独立地设置在所述平板材料的多个位置上，
所述第二隔板包括第二凸部，其朝向所述平板凸出以在所述第二隔板与所述平板之间形成所述水通路，通过以这样的方式挤压而形成所述第二凸部的形状，使得所述第二凸部相互独立地设置在所述第二隔板的多个位置上，并且
所述连通孔为通过所述第一凸部的切割和抬升而在所述平板中形成的孔。
8.如权利要求4～7中任一项所述的燃料电池，其特征在于，以这样的方式将各所述第一凸部形成为半圆柱形，使得相应连通孔具有沿垂直于气体流动方向之方向上看的半圆形状。
9.如权利要求4～8中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述第一凸部包括两种类型，其为半圆柱形凸部和平台状凸部，所述两种类型的凸部交替设置并且相互独立，各所述平台状凸部上保持与所述第二电极催化剂层接触的表面为平面，并且各所述半圆柱形凸部上保持与所述第二电极催化剂层接触的表面为圆弧面。
10.如权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于
所述第二气体通路形成部件配置为包括所述平板、第一隆起部、及第二隆起部，所述第一隆起部形成在所述平板上并且用作形成所述水通路和所述第二气体通路的凸部，所述第二隆起部形成在所述平板上并且用作形成所述第二气体通路的凸部，
通过以这样的方式朝向所述第二电极催化剂层挤压而形成所述第一隆起部的形状，使得所述第一隆起部相互独立地设置在所述平板材料的多个位置上，
通过以这样的方式朝向所述第二隔板挤压形成所述第二凸部的形状，使得所述第二凸部相互独立地设置在所述平板材料的多个位置上，
所述第一隆起部和所述第二隆起部沿垂直于气体流动方向之方向以预定间距交替形成，藉此配置形成沿所述垂直于气体流动方向之方向延伸的隆起部组，
通过所述气体流动方向上彼此相邻的相应一对隆起部的切割和抬升而形成各所述连通孔，
各所述第一和第二隆起部的顶部形成有平面部，并且
在所述平面部中，与所述第二隔板相对应的各第一隆起部的平面部具有凸起，所述凸起与所述第二隔板接触以形成所述平面部与所述第二隔板之间的所述水通路。
11.如权利要求4～10中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述第一凸部或所述第一隆起部以这样的方式对齐，使得所述第二气体通路包括直通路部和蛇行通路部这两种类型。
12.如权利要求1～11中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述第一气体通路形成部件与所述第一隔板之间形成有与所述水通路类似的水通路，并且以与所述第二气体通路形成部件相同的方式配置所述第一气体通路形成部件。
13.如权利要求1～12中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述水通路的深度设为10～50μm的范围，并且所述第一气体通路或所述第二气体通路的深度设为30～1000μm。
14.如权利要求1～13中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述水通路的下游开口延伸至与气体排出通路相对应的位置，并且以这样的方式在所述排出通路上与所述开口相对应的位置形成收缩部，使得加快气体流速。
15.如权利要求1～13中任一项所述的燃料电池，其特征在于，以这样的方式在所述气体通路形成部件的平板和所述隔板中形成气体通路，使得所述气体通路与所述水通路的下游侧相对应，并且延伸穿过所述平板和所述隔板，所述气体通路为用于加快气体流速的收缩部。
16.一种燃料电池，包括：
铺放在电解质膜的阳极侧表面上的第一电极催化剂层；
铺放在所述电解质膜的阴极侧表面上的第二电极催化剂层；
第一气体通路形成部件，其铺放在所述第一电极催化剂层的表面上，并且具有用于供给燃料气体的第一气体通路；
第二气体通路形成部件，其铺放在所述第二电极催化剂层的表面上，并且具有用于供给氧化气体的第二气体通路；
铺放在在所述第一气体通路形成部件的表面上中的第一隔板；
设在所述第二气体通路形成部件中的第二隔板；
用于所述燃料气体的引入通路和排出通路；及
用于所述氧化气体的引入通路和排出通路；
所述燃料电池的特征在于，
所述第一气体通路形成部件包括平板和多个与所述平板一体形成以形成所述第一气体通路的凸部，
所述第一气体通路形成部件的所述平板的表面与所述第一气体通路形成部件相对应的所述第一隔板的背面之间形成有水通路，
所述水通路和所述第一气体通路经由连通孔彼此连通，所述连通孔由各所述凸部形成，通过所述第一气体通路形成部件上的切割和抬升而形成所述凸部的形状，
所述水通路的深度设为小于所述第一气体通路之深度的值，并且
通过在所述第一气体通路中流动的所述燃料气体所形成的压力，将通过毛细管作用从所述第一气体通路经由所述连通孔吸入所述水通路的水排入到所述燃料气体排出通路。
17.如权利要求16所述的燃料电池，其特征在于，所述水通路沿从所述第一气体通路形成部件上位于与所述燃料气体引入通路相对应侧的端部到所述第一气体通路形成部件的位于与所述燃料气体排出通路相对应侧的端部的整个范围连续延伸。
18.如权利要求16或17所述的燃料电池，其特征在于，由具有连续孔的多孔体形成的排水促进部件容纳在所述第一气体通路形成部件中的这样一部分中，即所述燃料气体排出通路和所述水通路在所述部分中连结在一起，并且选择下列结构中的一种：所述排水促进部件的连续孔的平均孔径设为小于所述水通路之深度的值的结构；所述排水促进部件的连续孔的润湿性设为大于所述水通路之润湿性的值的结构；及所述排水促进部件的连续孔的水合性设为大于所述水通路之水合性的值的结构。
19.如权利要求16～18中任一项所述的燃料电池，其特征在于：
所述第一气体通路形成部件配置为包括所述平板、形成在所述平板上以形成所述第一气体通路的第一凸部、及形成在所述平板上以形成所述水通路的第二凸部，
通过以这种方式朝向所述第一电极催化剂层进行切割并且抬升形成所述第一凸部的形状，使得所述第一凸部相互独立地设置在所述平板材料的多个位置上，
所述第二凸部朝向所述第一隔板凸出，并且通过以这样的方式挤压而形成所述第二凸部的形状，使得所述第二凸部相互独立地设置在所述平板材料的多个位置上，并且
所述连通孔为通过所述第一凸部的切割和抬升而在所述平板中形成的孔。
20.如权利要求17所述的燃料电池，其特征在于
所述第一凸部形成为桥状，
各所述连通孔以这样的方式形成，以沿垂直于气体流动方向之方向延伸穿过所述相应第一凸部，并且在两个位置具有开口，所述两个位置为沿所述气体流动方向上看的第一凸部的左端和右端，
各对第一凸部沿所述垂直于所述气体流动方向之方向彼此相邻，在一对第一凸部中，位于所述气体流动方向的上游的第一凸部具有下游端，该下游端与位于所述气体流动方向的下游的第一凸部的上游端相邻，并且
所述第二凸部设为从所述气体流动方向的下游侧与相应的第一凸部相邻。
21.如权利要求19所述的燃料电池，其特征在于：
所述第一凸部和所述第二凸部沿所述垂直于气体流动方向之方向交替设置，并且配置形成多个排状的凸部组，
所述凸部组设为沿所述气体流动方向相互平行并且以预定间隔隔开，
各相邻一对的凸部组排之间形成有带状平板部，并且所述水通路形成在所述平板部与所述第一隔板之间，并且
各所述连通孔形以这样的方式形成，以在相应第一凸部中具有朝向所述气体流动方向的上游的开口。
22.如权利要求19～21中任一项所述的燃料电池，其特征在于
所述第一气体通路形成部件配置为包括所述平板以及形成在所述平板上以形成所述第一气体通路的第一凸部，
通过以这样的方式朝向所述第一电极催化剂层进行切割并且抬升形成所述第一凸部的形状，使得所述第一凸部相互独立地设置在所述平板材料的多个位置上，
所述第一隔板具有第二凸部，通过以这样的方式挤压而形成所述第二凸部的形状，使得所述第二凸部朝向所述平板凸出，并且相互独立地设置在所述第一隔板的多个位置上，并且
所述连通孔为通过所述第一凸部的切割和抬升而在所述平板中形成的孔。
23.如权利要求19～22中任一项所述的燃料电池，其特征在于，以这样的方式将各所述第一凸部形成为半圆柱形，使得相应的连通孔具有沿垂直于气体流动方向之方向上看的半圆形状。
24.如权利要求19～23中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述第一凸部包括两种类型，其为半圆柱形凸部和平台状凸部，所述两种类型的凸部交替设置并且相互独立，各所述平台状凸部上保持与所述第二电极催化剂层接触的表面为平面，并且各所述半圆柱形凸部上保持与所述第二电极催化剂层接触的表面为圆弧面。
25.如权利要求16或17所述的燃料电池，其特征在于：
所述第一气体通路形成部件配置为包括所述平板、第一隆起部、及第二隆起部，所述第一隆起部形成在所述平板上并且用作形成所述水通路和所述第一气体通路的凸部，所述第二隆起部形成在所述平板上并且用作形成所述第二气体通路的凸部，
通过以这样的方式朝向所述第一电极催化剂层挤压而形成所述第一隆起部的形状，使得所述第一隆起部相互独立地设置在所述平板材料的多个位置上，
通过以这样的方式朝向所述第一隔板挤压而形成所述第二凸部的形状，使得所述第二凸部相互独立地设置在所述平板材料的多个位置上，
所述第一隆起部和所述第二隆起部沿垂直于气体流动方向之方向以预定间距交替形成，藉此配置形成沿所述垂直于气体流动方向之方向延伸的隆起部组，
通过在所述气体流动方向彼此相邻的相应一对隆起部的切割和抬升而形成各所述连通孔，
各所述第一和第二隆起部的顶部形成有平面部，并且
在所述平面部中，与所述第一隔板相对应的各第一隆起部的平面部具有凸起，所述凸起与所述第一隔板接触以形成所述平面部与所述第一隔板之间的所述水通路。
26.如权利要求19～25中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述第一凸部或所述第一隆起部以这样的方式对齐，使得所述第二气体通路包括直通路部和蛇行通路部这两种类型。
27.如权利要求16～26中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述水通路的深度设为10～50μm的范围，并且所述第一气体通路的深度设为30～1000μm。
28.如权利要求16～27中任一项所述的燃料电池，其特征在于，所述水通路的下游开口延伸至与气体排出通路相对应的位置，并且将与所述开口相对应的所述排出通路的截面面积设为使得气体流速加快的较小值。
29.如权利要求16～27中任一项所述的燃料电池，其特征在于，在所述气体通路形成部件的所述平板和所述隔板中形成排水通路，并且所述排水通路沿垂直于所述平板和所述隔板的方向延伸，所述排水通路的截面面积设为使得气体流速加快的较小值。
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