CN102738487A - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

提供一种燃料电池。构成燃料电池(10)的单电池单元(12)具备第一电解质膜电极构造体(14)、第一金属隔板(16)、第二电解质膜电极构造体(18)及第二金属隔板(20)。第一及第二电解质膜电极构造体(14、18)在外周具有边框部(28a、28b)，在所述边框部(28a、28b)的相互相对的一方的两边设有氧化剂气体入口连通孔(30a)、燃料气体入口连通孔(32a)及氧化剂气体出口连通孔(30b)、燃料气体出口连通孔(32b)，另一方面，在所述边框部(28a、28b)的相互相对的另一方的两边分别分开设有一对冷却介质入口连通孔(34a)和冷却介质出口连通孔(34b)。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及一种燃料电池，其具备层叠有在电解质的两侧配置了一对电极的电解质电极构造体与金属隔板的单电池单元，并且在相邻的所述单电池单元间形成有使冷却介质向隔板面方向流通的冷却介质流路。
背景技术
例如，固体高分子型燃料电池采用由高分子离子交换膜形成的固体高分子电解质膜。在该燃料电池中，通过利用隔板(双极性板)，夹持在固体高分子电解质膜的两侧配置了分别由电极催化剂层和多孔质碳构成的阳极侧电极及阴极侧电极的电解质膜电极构造体(电解质电极构造体)(MEA)，由此构成单电池。通常，层叠了规定数量的该单电池的燃料电池堆例如用作车载用燃料电池堆。
一般而言，燃料电池构成设有在隔板的层叠方向上贯通的入口连通孔及出口连通孔的所谓内部歧管。而且，燃料气体、氧化剂气体及冷却介质在从各自的入口连通孔被供应给沿电极面方向形成的燃料气体流路、氧化剂气体流路及冷却介质流路后，被排出向各自的出口连通孔。
例如，在专利文献日本特开2011-018525公开的燃料电池具有交替层叠了密封一体型膜电极接合体和隔板的堆构造。隔板具备阳极板、阴极板及中间板，例如所述阳极板如图27所示，具有横长的长方形形状。
在阳极板的面内形成有具有多个流路槽1a的燃料气体流路1。在阳极板的长边方向一端部从上到下排列形成有氧化剂气体出口连通孔2b、冷却介质入口连通孔3a及燃料气体入口连通孔4a。在阳极板的长边方向的另一端部从上到下排列形成有燃料气体出口连通孔4b、冷却介质出口连通孔3b及氧化剂气体入口连通孔2a。
燃料气体入口连通孔4a及燃料气体出口连通孔4b与燃料气体流路1分别经贯通孔5a、5b连通。虽未图示，但阴极板及中间板与上述的阳极板同样构成。
在上述的各隔板中，位于燃料气体流路1等反应气体流路(或冷却介质流路)的两侧，形成有氧化剂气体出口连通孔2b、冷却介质入口连通孔3a、燃料气体入口连通孔4a以及燃料气体出口连通孔4b、冷却介质出口连通孔3b及氧化剂气体入口连通孔2a。
因此，隔板的面积相当大，尤其在使用金属隔板时，高价的不锈钢等原料的使用量增大，零件单价提高。进而，在隔板上，在长边方向两端部沿箭头H方向(宽度方向)各形成有三个连通孔。由此，隔板在箭头H方向上的尺寸变得相当长，而不容易实现宽度方向的短尺寸化。
发明内容
本发明为解决这种问题，目的在于提供一种可使比较高价的金属隔板良好地小型化，并且可使宽度尺寸有效短尺寸化的燃料电池。
本发明涉及一种燃料电池，其具备层叠有电解质电极构造体与金属隔板的单电池单元，其中所述电解质电极构造体在电解质的两侧配置了一对电极，在相邻的所述单电池单元间形成使冷却介质向隔板面方向流通的冷却介质流路。
在该燃料电池中，在电解质电极构造体的外周一体设有树脂框构件，在所述树脂框构件的相互相对的一方的两边，设有在层叠方向上贯通且使反应气体流通的反应气体入口连通孔及反应气体出口连通孔，另一方面，在所述树脂框构件的相互相对的另一方的两边，设有在所述层叠方向上贯通且与所述反应气体入口连通孔或所述反应气体出口连通孔接近而使冷却介质流通的一对冷却介质入口连通孔、及与所述反应气体出口连通孔或所述反应气体入口连通孔接近而使所述冷却介质流通的冷却介质出口连通孔。
并且，燃料电池具备将冷却介质入口连通孔及冷却介质出口连通孔与冷却介质流路连通起来的连结流路，所述连结流路具有在金属隔板上设置的贯通孔及在框构件上设置的贯通孔。
在本发明中，由于在设于电解质电极构造体的外周的树脂框构件上，在层叠方向贯通形成有流体连通孔，因此没必要在金属隔板上设置所述流体连通孔。
因此，金属隔板可设定为与发电区域对应的外形尺寸，容易实现小型轻量化，可以削减所述金属隔板的制造成本。由此，能够高效地制造金属隔板，可以经济性地得到燃料电池整体。
进而，电解质电极构造体在树脂框构件的相对的一方的两边，仅设有反应气体入口连通孔及反应气体出口连通孔，冷却介质入口连通孔及冷却介质出口连通孔被设置于相对的另一方的两边。因此，单电池单元的一方的两边的尺寸，即宽度方向的尺寸能够尽可能短尺寸化，燃料电池的设置性很好地提高。
而且，冷却介质入口连通孔及冷却介质出口连通孔分别分到另一方的两边。因此，能够对冷却介质流路可靠且均匀地供应冷却介质，可在整个发电区域使湿度环境均匀化，从而进行高效的发电。
根据参照附图进行的下面的优选实施方式的说明，上述目的及其他目的、特征及优点会更明确。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的燃料电池的分解立体说明图。
图2是所述燃料电池的图1中的II-II线剖面图。
图3是构成所述燃料电池的第一电解质膜电极构造体的阴极面的说明图。
图4是所述第一电解质膜电极构造体的阳极面的说明图。
图5是构成所述燃料电池的第二电解质膜电极构造体的阴极面的说明图。
图6是所述第二电解质膜电极构造体的阳极面的说明图。
图7是构成所述燃料电池的第一金属隔板的阴极面的说明图。
图8是所述第一金属隔板的阳极面的说明图。
图9是构成所述燃料电池的第二金属隔板的阴极面的说明图。
图10是所述第二金属隔板的阳极面的说明图。
图11是所述燃料电池的图1中的XI-XI线剖面图。
图12是所述燃料电池的图1中的XII-XII线剖面图。
图13是所述燃料电池的图1中的XIII-XIII线剖面图。
图14是所述燃料电池的图1中的XIV-XIV线剖面图。
图15是本发明的第二实施方式的燃料电池的分解立体说明图。
图16是所述燃料电池的图15中的XVI-XVI线剖面图。
图17是构成所述燃料电池的第一电解质膜电极构造体的阴极面的说明图。
图18是所述第一电解质膜电极构造体的阳极面的说明图。
图19是构成所述燃料电池的第二电解质膜电极构造体的阴极面的说明图。
图20是所述第二电解质膜电极构造体的阳极面的说明图。
图21是构成所述燃料电池的第一金属隔板的阴极面的说明图。
图22是构成所述燃料电池的第二金属隔板的阴极面的说明图。
图23是所述第二金属隔板的阳极面的说明图。
图24是所述燃料电池的图15中的XXIV-XXIV线剖面图。
图25是所述燃料电池的图15中的XXV-XXV线剖面图。
图26是所述燃料电池的图15中的XXV -XXVI线剖面图。
图27是构成日本特开2011-018525号公报的燃料电池的阳极隔板的说明图。
具体实施方式
如图1及图2所示，本发明的第一实施方式的燃料电池10在箭头A方向(水平方向)上层叠多个单电池单元12。
单电池单元12具备第一电解质膜电极构造体(电解质电极构造体)(MEA)14、第一金属隔板16、第二电解质膜电极构造体(电解质电极构造体)(MEA)18及第二金属隔板20。通过层叠单电池单元12，第一电解质膜电极构造体14被第二及第一金属隔板20、16夹持，另一方面，第二电解质膜电极构造体18被所述第一及第二金属隔板16、20。
第一电解质膜电极构造体14和第二电解质膜电极构造体18分别例如具备：在全氟磺酸(パ一フルオロスルホン酸)的薄膜中含浸有水的固体高分子电解质膜(电解质)22；夹持所述固体高分子电解质膜22的阴极侧电极24及阳极侧电极26(参照图2)。
固体高分子电解质膜22被设定为与阴极侧电极24及阳极侧电极26的表面积相同。需要说明的是，固体高分子电解质膜22的外周部可以比阴极侧电极24及阳极侧电极26更加突出，另外，所述阴极侧电极24和所述阳极侧电极26的表面积也可以互不相同。
在第一电解质膜电极构造体14中，在固体高分子电解质膜22、阴极侧电极24及阳极侧电极26的外周端缘部，由具有绝缘性的高分子材料形成的边框部(树脂框构件)28a例如通过注射成形等而成形为一体。在第二电解质膜电极构造体18中，同样在固体高分子电解质膜22、阴极侧电极24及阳极侧电极26的外周端缘部，由高分子材料形成的边框部(树脂框构件)28b例如通过注射成形等而成形为一体。作为高分子材料，除了通用塑料外，可以采用工程塑料或超级工程塑料等。
边框部28a、28b如图1所示，具有在箭头C方向上长的大致长方形形状，并且在各长边的中央部通过向内切口，而分别形成一对凹部29a、29b。
阴极侧电极24及阳极侧电极26具有：由碳纸等构成的气体扩散层(未图示)；以及将表面承载有白金合金的多孔质碳粒子均匀塗布在所述气体扩散层的表面而形成的电极催化剂层(未图示)。
如图1所示，在边框部28a、28b的箭头C方向(铅直方向)的一端缘部(上端缘部)，沿箭头B方向(水平方向)排列设有用于供给氧化剂气体、例如含氧气体的氧化剂气体入口连通孔30a及用于供给燃料气体、例如含氢气体的燃料气体入口连通孔32a。
在边框部28a、28b的箭头C方向的另一端缘部(下端缘部)，沿箭头B方向排列设有用于排出燃料气体的燃料气体出口连通孔32b及用于排出氧化剂气体的氧化剂气体出口连通孔30b。
在边框部28a、28b的箭头B方向的两端缘部上方，设有在箭头A方向上相互连通的用于供给冷却介质的一对冷却介质入口连通孔34a，并且在所述边框部28a、28b的箭头B方向的两端缘部下方，设有用于排出所述冷却介质的一对冷却介质出口连通孔34b。
各冷却介质入口连通孔34a、34a与氧化剂气体入口连通孔30a及燃料气体入口连通孔32a接近，且，分别分开到箭头B方向两端的各边(另一方的两边)。各冷却介质出口连通孔34b、34b分别接近氧化剂气体出口连通孔30b及燃料气体出口连通孔32b，且，分别分开到箭头B方向两侧的各边。需要说明的是，冷却介质入口连通孔34a和冷却介质出口连通孔34b也可以上下颠倒设置，即，将所述冷却介质入口连通孔34a接近氧化剂气体出口连通孔30b及燃料气体出口连通孔32b设置。
在第一及第二电解质膜电极构造体14、18中，在位于相互相对的一方的两边上的上下两短边，设有氧化剂气体入口连通孔30a及燃料气体入口连通孔32a和氧化剂气体出口连通孔30b、燃料气体出口连通孔32b，另一方面，在相互相对的另一方的两边即左右两长边，设有一对冷却介质入口连通孔34a及一对冷却介质出口连通孔34b。
如图3所示，在边框部28a上，在第一电解质膜电极构造体14的阴极面(设有阴极侧电极24的面)14a侧的上部，位于氧化剂气体入口连通孔30a的下侧附近而设有多个入口槽部36a。在边框部28a的阴极面14a侧的宽度方向(箭头B方向)两端部上方，在各冷却介质入口连通孔34a的下侧附近设有多个入口槽部38a，并且在所述冷却介质入口连通孔34a的上侧附近贯通形成有多个入口孔部40a。
在边框部28a的阴极面14a侧的下部，位于氧化剂气体出口连通孔30b的上侧附近而设有多个出口槽部36b。在边框部28a的阴极面14a侧的宽度方向两端部下方，在各冷却介质出口连通孔34b的上侧附近设有多个出口槽部38b，并且在所述冷却介质出口连通孔34b的下侧附近贯通形成有多个出口孔部40b。
如图4所示，在边框部28a上，在第一电解质膜电极构造体14的阳极面(设有阳极侧电极26的面)14b侧的宽度方向两端部上方，在各冷却介质入口连通孔34a的上侧附近设有多个入口槽部42a。在边框部28a的阳极面14b侧的宽度方向两端部下方，在各冷却介质出口连通孔34b的下侧附近设有多个出口槽部42b。
在边框部28a上，位于燃料气体入口连通孔32a的下方而设有多个入口槽部46a，并且位于燃料气体出口连通孔32b的上方而设有多个出口槽部46b。
在边框部28a的阳极面14b侧，一体或分体成形有外侧密封构件(外侧密封线)48及内侧密封构件(内侧密封线)50。外侧密封构件48及内侧密封构件50例如采用EPDM、NBR、氟橡胶、硅酮橡胶、氟硅橡胶、丁基橡胶、天然橡胶、苯乙烯橡胶、氯丁二烯或丙烯酸橡胶等密封材料，缓冲材料或者填料材料。需要说明的是，以下说明的各密封构件与上述的外侧密封构件48及内侧密封构件50同样构成，省略其详细说明。
外侧密封构件48从边框部28a的外周缘部绕作为全部流体连通孔的氧化剂气体入口连通孔30a、冷却介质入口连通孔34a、燃料气体入口连通孔32a、氧化剂气体出口连通孔30b、冷却介质出口连通孔34b及燃料气体出口连通孔32b的外周以及反应面(发电面)外周一圈。该外侧密封构件48围绕冷却介质入口连通孔34a、燃料气体入口连通孔32a、冷却介质出口连通孔34b及燃料气体出口连通孔32b。通过外侧密封构件48，入口槽部42a及入口孔部40a与冷却介质入口连通孔34a被一体围绕，出口槽部42b及出口孔部40b与冷却介质出口连通孔34b被一体围绕。
内侧密封构件50位于外侧密封构件48的内侧，并且将阳极侧电极26和入口槽部46a及出口槽部46b一体围绕。内侧密封构件50沿着与第一金属隔板16的外形形状对应的轮廓线设置，并与所述第一金属隔板16的外周端缘面全周(隔板面内)相接。外侧密封构件48配置在第一金属隔板16的外周端外侧(隔板面外)。通过外侧密封构件48及内侧密封构件50将全部流体连通孔一圈密封。
如图3所示，在边框部28a的阴极面14a侧设有围绕入口孔部40a的环状入口密封构件52a、围绕出口孔部40b的环状出口密封构件52b。
如图5所示，在边框部28b上，在第二电解质膜电极构造体18的阴极面(设有阴极侧电极24的面)18a侧的上部，位于氧化剂气体入口连通孔30a的下侧附近而设有多个入口槽部56a。
在边框部28b的阴极面18a侧的宽度方向两端部上方，在各冷却介质入口连通孔34a的上侧附近设有多个入口槽部58a，并且在所述冷却介质入口连通孔34a的下侧附近形成有多个入口孔部60a。第二电解质膜电极构造体18的入口孔部60a被偏置配置在与第一电解质膜电极构造体14的入口孔部40a在层叠方向上互不重合的位置上。
在边框部28b的阴极面18a侧的上部，位于燃料气体入口连通孔32a的下侧附近而设有多个入口槽部62a，并且在所述入口槽部62a的下端部贯通形成多个入口孔部64a。在各入口孔部64a的下方，分开规定的间隔而贯通形成多个入口孔部66a。
在边框部28b的阴极面18a侧的宽度方向两端部下方，在各冷却介质出口连通孔34b的下侧附近设有多个出口槽部58b，并且在所述冷却介质出口连通孔34b的上侧附近形成有多个出口孔部60b。第二电解质膜电极构造体18的出口孔部60b被偏置配置在与第一电解质膜电极构造体14的出口孔部40b在层叠方向上互不重合的位置上。
在边框部28b的阴极面18a侧的下部，位于燃料气体出口连通孔32b的上侧附近而设有多个出口槽部62b，并且在所述出口槽部62b的上端部贯通形成有多个出口孔部64b。在各出口孔部64b的上方，分开规定的间隔而贯通形成多个出口孔部66b。
如图6所示，在边框部28b上，在第二电解质膜电极构造体18的阳极面(设有阳极侧电极26的面)18b侧的宽度方向两端部上方，在各冷却介质入口连通孔34a的下侧附近设有多个入口槽部68a。在边框部28b上，位于燃料气体入口连通孔32a的下方而设有连通入口孔部64a、66a的多个入口槽部72a。
在边框部28b的阳极面18b侧的宽度方向两端部下方，在各冷却介质出口连通孔34b的上侧附近设有多个出口槽部68b，并且位于燃料气体出口连通孔32b的上方而设有连通出口孔部64b、66b的多个出口槽部72b。
在边框部28b上，在阳极面18b侧一体或分体成形有外侧密封构件(外侧密封线)74及内侧密封构件(内侧密封线)76。外侧密封构件74从边框部28b的外周缘部绕作为全部流体连通孔的氧化剂气体入口连通孔30a、冷却介质入口连通孔34a、燃料气体入口连通孔32a、氧化剂气体出口连通孔30b、冷却介质出口连通孔34b及燃料气体出口连通孔32b的外周一圈。
外侧密封构件74围绕冷却介质入口连通孔34a、燃料气体入口连通孔32a、冷却介质出口连通孔34b及燃料气体出口连通孔32b。通过外侧密封构件74，入口槽部68a及入口孔部60a与冷却介质入口连通孔34a被一体围绕，出口槽部68b及出口孔部60b与冷却介质出口连通孔34b被一体围绕。
内侧密封构件76位于外侧密封构件74的内侧，并且将阳极侧电极26与入口孔部64a、66a、入口槽部72a、出口孔部64b、66b及出口槽部72b一体围绕。内侧密封构件76沿着与第二金属隔板20的外形形状对应的轮廓线设置，且与所述第二金属隔板20的外周端缘面全周相接。外侧密封构件74配置于第二金属隔板20的外周端外侧。通过外侧密封构件74及内侧密封构件76将全部流体连通孔一圈密封。
如图5所示，在边框部28b的阴极面18a侧，设有围绕入口孔部60a、66a的环状入口密封构件78a、80a以及围绕出口孔部60b、66b的环状出口密封构件78b、80b。
第一及第二金属隔板16、20的尺寸被设定为：可被配置在氧化剂气体入口连通孔30a、冷却介质入口连通孔34a、燃料气体入口连通孔32a、氧化剂气体出口连通孔30b、冷却介质出口连通孔34b及燃料气体出口连通孔32b(全部流体连通孔)的内侧。
如图2所示，第一金属隔板16具备外形具有相同形状且相互层叠的两块金属板(例如不锈钢板)82a、82b，所述金属板82a、82b例如通过焊接或粘结使外周缘部一体化，且内部被密闭。在金属板82a上，与阴极侧电极24对置而形成氧化剂气体流路84，并且在金属板82b上，与阳极侧电极26对置而形成燃料气体流路86。在金属板82a、82b间形成冷却介质流路88。
如图7所示，第一金属隔板16在金属板82a的面内设有氧化剂气体流路84，氧化剂气体流路84具有沿箭头C方向(铅直方向)延伸的多个波状流路槽。在氧化剂气体流路84的上游及下游设有入口缓冲器部85a及出口缓冲器部85b。在入口缓冲器部85a的上方，位于氧化剂气体入口连通孔30a的下方而形成多个入口槽部87a。在出口缓冲器部85b的下方，位于氧化剂气体出口连通孔30b的上方而形成多个出口槽部87b。
第一金属隔板16具有在箭头C方向上长的长方形形状，并且在短边方向(箭头B方向)两端侧设有向冷却介质入口连通孔34a的下方侧突出的一对突起部89a以及向冷却介质出口连通孔34b的上方侧突出的一对突起部89b。在金属板82a上，在突起部89a形成有与第二电解质膜电极构造体18的多个入口孔部60a连通的多个孔部90a。在金属板82a上，在突起部89b形成有与第二电解质膜电极构造体18的多个出口孔部60b连通的多个孔部90b。
在金属板82a的上部，形成有与第二电解质膜电极构造体18的入口孔部66a连通的多个孔部92a，并且在所述金属板82a的下部，形成有与所述第二电解质膜电极构造体18的出口孔部66b连通的多个孔部92b。孔部92a、92b还形成于金属板82b，并贯通第一金属隔板16。
如图8所示，第一金属隔板16在金属板82b的面内设有燃料气体流路86，燃料气体流路86具有沿箭头C方向(铅直方向)延伸的多个波状流路槽。在燃料气体流路86的上游及下游设有入口缓冲器部96a及出口缓冲器部96b。在入口缓冲器部96a的上方，位于氧化剂气体入口连通孔30a的下方而形成有多个入口槽部98a，并且在出口缓冲器部96b的下方，位于氧化剂气体出口连通孔30b的上方而形成有多个出口槽部98b。
在金属板82b上，在突起部89a形成有位于冷却介质入口连通孔34a的下方的多个入口槽部100a。在金属板82b上，在各突起部89b形成有位于冷却介质出口连通孔34b的上方的多个出口槽部100b。
如图2所示，第二金属隔板20具备外形具有相同形状且相互层叠的两块金属板(例如，不锈钢板)102a、102b，所述金属板102a、102b例如通过焊接或粘结而使外周缘部一体化，且将内部密闭。在金属板102a上，与阴极侧电极24对置而形成氧化剂气体流路84，并且在金属板102b上，与阳极侧电极26对置而形成燃料气体流路86。在金属板102a、102b间形成有冷却介质流路88。
如图9所示，第二金属隔板20在箭头C方向两端形成有分别向箭头B方向外侧突出的一对突起部103a、103b。在金属板102a的面内设有氧化剂气体流路84，氧化剂气体流路84具有沿箭头C方向(铅直方向)延伸的多个流路槽。在氧化剂气体流路84的上游及下游设有入口缓冲器部104a及出口缓冲器部104b。
在金属板102a上，在各突起部103a形成有位于冷却介质入口连通孔34a的上方并与第一电解质膜电极构造体14的多个入口孔部40a连通的多个孔部106a。在金属板102a上，在各突起部103b形成有位于冷却介质出口连通孔34b的下方并与第一电解质膜电极构造体14的多个出口孔部40b连通的多个孔部106b。
如图10所示，第二金属隔板20在金属板102b的面内设有燃料气体流路86，燃料气体流路86具有沿箭头C方向(铅直方向)延伸的多个流路槽。在燃料气体流路86的上游及下游设有入口缓冲器部110a及出口缓冲器部110b。
在金属板102b的各突起部103a上，位于冷却介质入口连通孔34a的上侧附近而形成有多个入口槽部112a，另一方面，在所述金属板102b的各突起部103b上，位于冷却介质出口连通孔34b的下侧附近而形成有多个出口槽部112b。入口槽部112a及出口槽部112b分别具有用于在第二金属隔板20的内部形成冷却介质通路的凹凸构造。
如图11所示，在层叠方向上相邻的边框部28a、28b间形成有：将氧化剂气体入口连通孔30a和第二电解质膜电极构造体18的氧化剂气体流路84连通起来的氧化剂气体连结流路113a；以及将所述氧化剂气体入口连通孔30a和第一电解质膜电极构造体14的氧化剂气体流路84连通起来的氧化剂气体连结流路113b。需要说明的是，虽未图示，但在边框部28a、28b间，形成有将氧化剂气体出口连通孔30b和氧化剂气体流路84连通起来的氧化剂气体连结流路。
如图12所示，在层叠方向上相邻的边框部28a、28b间，形成有将燃料气体入口连通孔32a和燃料气体流路86连通起来的燃料气体连结流路114。需要说明的是，虽未图示，但在边框部28a、28b间，形成有将燃料气体出口连通孔32b和燃料气体流路86连通起来的燃料气体连结流路。
如图13及图14所示，在层叠方向上相邻的边框部28a、28b间形成有：将冷却介质入口连通孔34a和第二金属隔板20的冷却介质流路88连通起来的冷却介质连结流路116a；以及将所述冷却介质入口连通孔34a和第一金属隔板16的冷却介质流路88连通起来的冷却介质连结流路116b。需要说明的是，虽未图示，但在边框部28a、28b间，形成有将冷却介质出口连通孔34b和冷却介质流路88连通起来的冷却介质连结流路。
通过将边框部28a的外侧密封构件48及内侧密封构件50与边框部28b的外侧密封构件74及内侧密封构件76配置在层叠方向上不同的位置，而形成冷却介质连结流路116a、116b。
如图13所示，冷却介质连结流路116a具有：沿着隔板面方向设置的入口槽部42a、58a；在边框部28a上沿层叠方向形成的入口孔部(第一孔部)40a；在构成第二金属隔板20的金属板102a上沿所述层叠方向形成的孔部(第二孔部)106a。入口槽部42a和入口槽部58a的端部彼此连通。
如图14所示，冷却介质连结流路116b具有：沿隔板面方向设置的入口槽部68a、38a；在边框部28b上沿层叠方向形成的入口孔部(第一孔部)60a；在构成第一金属隔板16的金属板82a上沿所述层叠方向形成的孔部(第二孔部)90a。入口槽部68a和入口槽部38a的端部彼此连通。
边框部28a的入口孔部40a及孔部106a与边框部28b的入口孔部60及孔部90a被设定在相对于层叠方向互不重合的位置上。
以下说明该燃料电池10的动作。
如图1所示，向氧化剂气体入口连通孔30a供应含氧气体等氧化剂气体，并且向燃料气体入口连通孔32a供应含氢气体等燃料气体。进而，向一对冷却介质入口连通孔34a供应纯水或甘醇等冷却介质。
在各单电池单元12，向氧化剂气体入口连通孔30a供应的氧化剂气体如图1及图11所示，被从第一电解质膜电极构造体14的入口槽部36a和第二电解质膜电极构造体18之间导入入口槽部56a。
导入入口槽部36a的氧化剂气体被供应给第二金属隔板20的氧化剂气体流路84。被供应给氧化剂气体流路84的氧化剂气体在被供应给第一电解质膜电极构造体14的阴极侧电极24后，残余的氧化剂气体被从出口槽部36b间排出到氧化剂气体出口连通孔30b。
另一方面，导入入口槽部56a间的氧化剂气体通过第二电解质膜电极构造体18和第一金属隔板16之间的入口槽部87a并被供应给所述第一金属隔板16的氧化剂气体流路84。被供应给氧化剂气体流路84的氧化剂气体在被供应给第二电解质膜电极构造体18的阴极侧电极24之后，残余的氧化剂气体通过出口槽部87b、56b被排出到氧化剂气体出口连通孔30b。
另外，被供应给燃料气体入口连通孔32a的燃料气体如图1及图12所示，被导入第二电解质膜电极构造体18的阴极侧的入口槽部62a。燃料气体从入口槽部62a通过入口孔部64a向阳极侧移动，一部分从入口槽部72a被供应给第二金属隔板20的燃料气体流路86。
燃料气体的残余的部分通过入口孔部66a及第一金属隔板16的孔部92a被导入所述第一金属隔板16和第一电解质膜电极构造体14之间，被供应给所述第一金属隔板16的燃料气体流路86。
在第二金属隔板20的燃料气体流路86流通的使用完的燃料气体被排出到出口槽部72b，进而从出口孔部64b通过出口槽部62b被排出到燃料气体出口连通孔32b。另一方面，在第一金属隔板16的燃料气体流路86流通的使用完的燃料气体从孔部92b通过出口孔部66b被排出到出口槽部72b，同样被排出到燃料气体出口连通孔32b。
由此，在第一电解质膜电极构造体14及第二电解质膜电极构造体18中，分别被供应给阴极侧电极24的氧化剂气体和被供应给阳极侧电极26的燃料气体在电极催化剂层内通过电化学反应而被消耗，从而进行发电。
进而另外，被供应给一对冷却介质入口连通孔34a的冷却介质的一部分如图1及图13所示，被导入第一电解质膜电极构造体14的入口槽部42a，并从入口槽部58a被供应给入口孔部40a。冷却介质从入口孔部40a通过第二金属隔板20的孔部106a被导入所述第二金属隔板20的内部。
冷却介质在第二金属隔板20内沿着各入口槽部112a向箭头B方向且相互向内侧方向流通，从而被供应到冷却介质流路88。相互向内侧方向流通的冷却介质在冷却介质流路88的箭头B方向中央部侧相撞，在向重力方向(箭头C方向下方)移动后，在所述冷却介质流路88的下部侧分到箭头B方向两侧。然后，从各出口槽部112b通过孔部106b被从第二金属隔板20排出。进而，该冷却介质从出口孔部40b通过出口槽部58b、42b被排出向冷却介质出口连通孔34b。
另一方面，被供应给冷却介质入口连通孔34a的冷却介质的另一部分如图1及图14所示，被导入第二电解质膜电极构造体18的入口槽部68a，并从入口槽部38a被供应给入口孔部60a。冷却介质从入口孔部60a通过第一金属隔板16的孔部90a被导入所述第一金属隔板16内部。
冷却介质在第一金属隔板16内沿着入口槽部100a向箭头B方向且相互向内侧方向流通，被供应给冷却介质流路88。冷却介质沿着冷却介质流路88向重力方向(箭头C方向下方)移动后，分到箭头B方向两侧。冷却介质从各出口槽部100b通过孔部90b被从第一金属隔板16排出。进而，该冷却介质从出口孔部60b通过出口槽部38b、68b被排出到冷却介质出口连通孔34b。
因此，第一电解质膜电极构造体14及第二电解质膜电极构造体18被在第一金属隔板16内的冷却介质流路88及第二金属隔板20内的冷却介质流路88流通的冷却介质冷却。
此时，在第一实施方式中，在构成第一电解质膜电极构造体14的边框部28a及构成第二电解质膜电极构造体18的边框部28b上，在层叠方向贯通形成有作为全部流体连通孔的氧化剂气体入口连通孔30a、冷却介质入口连通孔34a、燃料气体入口连通孔32a、氧化剂气体出口连通孔30b、冷却介质出口连通孔34b及燃料气体出口连通孔32b。
因此，没必要在第一金属隔板16及第二金属隔板20上设置流体连通孔，所述第一金属隔板16及所述第二金属隔板20可设定为与发电区域对应的外形尺寸。因此，第一金属隔板16及第二金属隔板20可容易实现小型轻量化，可削减所述第一金属隔板16及所述第二金属隔板20的制造成本。
由此，可有效制造第一金属隔板16及第二金属隔板20，可得到具有经济性的燃料电池10整体。
进而，在第一实施方式中，在边框部28a、28b的一方的两边(各短边)上，设有氧化剂气体入口连通孔30a及燃料气体入口连通孔32a与氧化剂气体出口连通孔30b及燃料气体出口连通孔32b，并且在所述边框部28a、28b的另一方的两边(各长边)上，分别只设有冷却介质入口连通孔34a及冷却介质出口连通孔34b。
因此，单电池单元12的一方的两边的尺寸，即短边侧的宽度方向的尺寸(箭头B方向的尺寸)尽可能地被短尺寸化，从而燃料电池10的设置性很好地提高。
而且，冷却介质入口连通孔34a及冷却介质出口连通孔34b分别分到各长边。因此，能够对冷却介质流路88均匀且可靠地供应冷却介质，在整个发电区域上可使湿度环境均匀化，从而进行高效的发电。
另外，如图13及图14所示，在层叠方向上相邻的边框部28a、28b间形成有：将冷却介质入口连通孔34a和第二金属隔板20的冷却介质流路88连通起来的冷却介质连结流路116a；以及将所述冷却介质入口连通孔34a和第一金属隔板16的冷却介质流路88连通起来的冷却介质连结流路116b。
而且，通过将边框部28a的外侧密封构件48及内侧密封构件50与边框部28b的外侧密封构件74及内侧密封构件76配置于在层叠方向上不同的位置，从而形成冷却介质连结流路116a、116b。
具体地说，如图13所示，冷却介质连结流路116a具有：沿隔板面方向设置的入口槽部42a、58a；在边框部28a上沿层叠方向形成的入口孔部40a；以及在金属板102a上沿所述层叠方向形成的孔部106a。所述入口槽部42a和所述入口槽部58a的端部彼此连通。
另一方面，如图14所示，冷却介质连结流路116b具有：沿隔板面方向设置的入口槽部68a、38a；在边框部28b上沿层叠方向形成的入口孔部60a；以及在金属板82a上沿所述层叠方向形成的孔部90a。所述入口槽部68a和所述入口槽部38a的端部彼此连通。
此时，边框部28a的入口孔部40a及孔部106a与边框部28b的入口孔部60a及孔部90a被设定在相对于层叠方向相不重合的位置上。因此，实现燃料电池10的结构的简化，并且可使所述燃料电池10整体的层叠方向的尺寸短尺寸化。
图15是本发明的第二实施方式的燃料电池120的分解立体说明图。需要说明的是，对于与第一实施方式的燃料电池10相同的构成要素标注相同的参照符号，并省略其详细说明。
如图15及图16所示，燃料电池120是将多个单电池单元122层叠而构成的，并且所述单电池单元122具备第一电解质膜电极构造体(电解质电极构造体)(MEA)124、第一金属隔板126、第二电解质膜电极构造体(电解质电极构造体)(MEA)128及第二金属隔板130。
第一电解质膜电极构造体124及第二电解质膜电极构造体128设有边框部(树脂框构件)132a及边框部(树脂框构件)132b。如图17所示，在边框部132a的阴极面124a侧的宽度方向两端部上方，未在各冷却介质入口连通孔34a的下侧附近设置入口槽部38a，而是遍及所述冷却介质入口连通孔34a的宽度方向(箭头C方向)形成多个入口孔部134a。入口孔部134a被环状入口密封构件136a围绕。
在边框部132a的阴极面124a侧的宽度方向两端部下方，未在各冷却介质出口连通孔34b的上侧附近设置出口槽部38b，而是遍及所述冷却介质出口连通孔34b的宽度方向(箭头C方向)形成多个出口孔部134b。出口孔部134b被环状出口密封构件136b围绕。
如图18所示，在边框部132a的阳极面124b侧的宽度方向两端部上方，设有与多个入口孔部134a对应的多个入口槽部138a，另一方面，在所述阳极面124b侧的宽度方向两端部下方，设有与多个出口孔部134b对应的多个出口槽部138b。
如图19所示，在边框部132b的阴极面128a侧的宽度方向两端部上方，未在各冷却介质入口连通孔34a的下侧附近设置入口孔部60a，而是遍及所述冷却介质入口连通孔34a的宽度方向形成多个入口槽部140a。
在边框部132b的阴极面128a侧的宽度方向两端部下方，未在各冷却介质出口连通孔34b的上侧附近设置出口孔部60b，而是遍及所述冷却介质出口连通孔34b的宽度方向形成多个出口槽部140b。
如图20所示，在边框部132b的阳极面128b侧，未设置入口槽部68a及出口槽部68b。
第一金属隔板126由单一的金属板构件构成。如图21所示，在设置于第一金属隔板126的一方的面上的氧化剂气体流路84的上方，形成多个孔部92a和多个入口槽部87a，另一方面，在氧化剂气体流路84的下方，形成多个孔部92b和多个出口槽部87b。
在第一金属隔板126的宽度方向两端部，分别未设置一对突起部89a、89b，并分别未设置多个孔部90a、90b。
如图16所示，第二金属隔板130具备外形具有同一形状且被相互层叠的两块金属板(例如，不锈钢板)142a、142b，所述金属板142a、142b例如通过焊接或粘结而使外周缘部一体化，且内部被密闭。在金属板142a上，与阴极侧电极24对置而形成氧化剂气体流路84，并且在金属板142b上，与阳极侧电极26对置而形成燃料气体流路86。在金属板142a、142b间形成冷却介质流路88。
如图22所示，在金属板142a的宽度方向两端部上方，设有在箭头C方向上比较长的一对突起部143a。在突起部143a上，遍及各冷却介质入口连通孔34a的宽度方向而形成多个孔部144a。在金属板142a的宽度方向两端部下方，设有在箭头C方向上比较长的一对突起部143b。在突起部143b上，遍及各冷却介质出口连通孔34b的宽度方向而形成多个孔部144b。
如图23所示，在金属板142b的一对突起部143a上，遍及各冷却介质入口连通孔34a的宽度方向而形成多个入口槽部146a。在金属板142b的一对突起部143b上，遍及各冷却介质出口连通孔34b的宽度方向而形成多个出口槽部146b。
如图24所示，在层叠方向上相邻的边框部132a、132b间形成有：将氧化剂气体入口连通孔30a和第一电解质膜电极构造体124的氧化剂气体流路84连通起来的氧化剂气体连结流路150a；以及将所述氧化剂气体入口连通孔30a和第二电解质膜电极构造体128的氧化剂气体流路84连通起来的氧化剂气体连结流路150b。需要说明的是，虽未图示，但在边框部132a、132b间形成有将氧化剂气体出口连通孔30b和氧化剂气体流路84连通起来的氧化剂气体连结流路。
如图25所示，在层叠方向上相邻的边框部132a、132b间，形成有将燃料气体入口连通孔32a和燃料气体流路86连通起来的燃料气体连结流路152。需要说明的是，虽未图示，但在边框部132a、132b间形成有将燃料气体出口连通孔32b和燃料气体流路86连通起来的燃料气体连结流路。
如图26所示，在层叠方向上相邻的边框部132a、132b间形成有将冷却介质入口连通孔34a和第二金属隔板130的冷却介质流路88连通起来的冷却介质连结流路154。需要说明的是，虽未图示，但在边框部132a、132b间形成有将冷却介质出口连通孔34b和冷却介质流路88连通起来的冷却介质连结流路。
通过将边框部132a的外侧密封构件48及内侧密封构件50与边框部132b的外侧密封构件74及内侧密封构件76配置在层叠方向上不同的位置上，从而形成冷却介质连结流路154。
冷却介质连结流路154具有：沿着隔板面方向设置的入口槽部138a、140a；在边框部132a上沿层叠方向形成的入口孔部(第一孔部)134a；在金属板142a上沿所述层叠方向形成的孔部(第二孔部)144a。入口槽部138a和入口槽部140a的端部彼此连通。
以下简要说明该燃料电池120的动作。
在各单电池单元122中，被供应给氧化剂气体入口连通孔30a的氧化剂气体如图15及图24所示，被导入第一电解质膜电极构造体124的入口槽部36a间和第二电解质膜电极构造体128的入口槽部56a间。
被导入入口槽部36a的氧化剂气体被供应给第二金属隔板130的氧化剂气体流路84。被供应给氧化剂气体流路84的氧化剂气体在被供应给第一电解质膜电极构造体124的阴极侧电极24后，残余的氧化剂气体从出口槽部36b间而被排出向氧化剂气体出口连通孔30b。
另一方面，被导入入口槽部56a间的氧化剂气体通过第二电解质膜电极构造体128和第一金属隔板126之间的入口槽部87a而被供应给所述第一金属隔板126的氧化剂气体流路84。被供应给氧化剂气体流路84的氧化剂气体在被供应给第二电解质膜电极构造体128的阴极侧电极24后，残余的氧化剂气体通过出口槽部87b、56b间而被排出向氧化剂气体出口连通孔30b。
另外，供应给燃料气体入口连通孔32a的燃料气体如图15及图25所示，被导入第二电解质膜电极构造体128的阴极侧的入口槽部62a。燃料气体从入口槽部62a通过入口孔部64a向阳极侧移动，一部分从入口槽部72a被供应给第二金属隔板130的燃料气体流路86。
燃料气体的残余的部分通过入口孔部66a及第一金属隔板126的孔部92a而被导入所述第一金属隔板126和第一电解质膜电极构造体124之间，并被供应给所述第一金属隔板126的燃料气体流路86。
在第二金属隔板130的燃料气体流路86流通的使用完的燃料气体被排出向出口槽部72b，进而从出口孔部64b通过出口槽部62b被排出向燃料气体出口连通孔32b。另一方面，在第一金属隔板126的燃料气体流路86流通的使用完的燃料气体从孔部92b通过出口孔部66b被排出向出口槽部72b，同样被排出向燃料气体出口连通孔32b。
由此，在第一电解质膜电极构造体124及第二电解质膜电极构造体128中，分别被供应给阴极侧电极24的氧化剂气体以及被供应给阳极侧电极26的燃料气体在电极催化剂层内通过电化学反应而被消耗，从而进行发电。
进而另外，被供应给一对冷却介质入口连通孔34a的冷却介质如图15及图26所示，被导入第一电解质膜电极构造体124的入口槽部138a，并从入口槽部140a被供应给入口孔部134a。冷却介质从入口孔部134a通过第二金属隔板130的孔部144a而被导入所述第二金属隔板130的内部。
冷却介质在第二金属隔板130内沿着各入口槽部146a向箭头B方向且相互向内侧方向流通，被供应给冷却介质流路88。相互向内侧方向流通的冷却介质在冷却介质流路88的箭头B方向中央部侧相撞，向重力方向移动，之后，在所述冷却介质流路88的下部侧分到箭头B方向两侧。然后，从各出口槽部146b通过孔部144b被从所述第二金属隔板130排出。进而，冷却介质从出口孔部134b通过出口槽部140b、138b被排出向冷却介质出口连通孔34b。
因此，第一电解质膜电极构造体124及第二电解质膜电极构造体128被在第二金属隔板130内的冷却介质流路88流通的冷却介质拉长间隔(間引き)冷却。
此时，在第二实施方式中，可得到第一金属隔板126及第二金属隔板130容易实现小型轻量化，并且有效削减制造成本，可经济性地制造燃料电池120整体等与上述第一实施方式同样的效果。

Claims (7)

1.一种燃料电池，其具备层叠有电解质电极构造体(14)与金属隔板(16)的单电池单元(12)，其中所述电解质电极构造体(14)在电解质(22)的两侧配置了一对电极(24、26)，在相邻的所述单电池单元(12)间形成使冷却介质向隔板面方向流通的冷却介质流路(88)，
其特征在于，
在电解质电极构造体(14)的外周一体设有树脂框构件(28a)，在所述树脂框构件(28a)的相互相对的一方的两边，设有在层叠方向上贯通且使反应气体流通的反应气体入口连通孔(30a)及反应气体出口连通孔(30b)，另一方面，
在所述树脂框构件(28a)的相互相对的另一方的两边，设有在所述层叠方向上贯通且与所述反应气体入口连通孔(30a)或所述反应气体出口连通孔(30b)接近而使冷却介质流通的一对冷却介质入口连通孔(34a)、及与所述反应气体出口连通孔(30b)或所述反应气体入口连通孔(30a)接近而使所述冷却介质流通的冷却介质出口连通孔(34b)，
并且所述燃料电池具备将所述冷却介质入口连通孔(34a)及所述冷却介质出口连通孔(34b)与所述冷却介质流路(88)连通起来的连结流路(116a)，
所述连结流路(116a)具有在所述金属隔板上设置的贯通孔(106a)及在所述树脂框构件(28a)上设置的贯通孔(40a)。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
所述树脂框构件(28a)设有双重密封线，该双重密封线在隔板面外具有外侧密封线(48)且在隔板面内具有内侧密封线(50)，
并且相邻的一方的所述树脂框构件(28a)的所述双重密封线的一部分与另一方的所述树脂框构件(28b)的所述双重密封线的一部分被配置在所述层叠方向上不同的位置，由此在一方的所述树脂框构件(28a)与另一方的所述树脂框构件(28b)之间形成所述连结流路(116a)。
3.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
所述金属隔板具备夹持所述电解质电极构造体(14)的第一金属隔板(16)及第二金属隔板(20)，
至少所述第一金属隔板(16)或所述第二金属隔板(20)由两块在内部形成有所述冷却介质流路(88)的板(82a、82b)构成。
4.如权利要求3所述的燃料电池，其特征在于，
两块所述板(82a、82b)相互具有同一形状的外形。
5.如权利要求3所述的燃料电池，其特征在于，
所述连结流路(116a)具有：
在所述层叠方向上相邻的所述树脂框构件(28a、28b)间沿所述隔板面方向设置的槽部(42a)；
在一方的所述树脂框构件(28a)上沿所述层叠方向形成，且与所述槽部(42a)连通的第一孔部(40a)；以及
在与一方的所述树脂框构件(28a)相邻的一方的所述板(102a)上沿所述层叠方向形成，且将所述第一孔部(40a)和所述冷却介质流路(88)连通起来的第二孔部(106a)。
6.如权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，
所述槽部具有在一方的所述树脂框构件(28a)上设置的第一槽部(42a)以及在层叠于一方的所述树脂框构件(28a)的另一方的所述树脂框构件(28b)上设置的第二槽部(58a)，
并且所述第一槽部(42a)和所述第二槽部(58a)的端部彼此连通。
7.如权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，
相邻的所述单电池单元(12)的所述第一孔部(40a)彼此及所述第二孔部(106a)彼此被设定于在相对于所述层叠方向互不重合的位置上。
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