CN102790226A - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

提供一种燃料电池，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)在外周具有树脂框部件(28a、28b)。在树脂框部件(28a)上设置的双重密封件(51)具有外侧密封部件(48)及内侧密封部件(50)，并且所述外侧密封部件(48)的前端抵接于树脂框部件(28b)，另一方面，所述内侧密封部件(50)的前端抵接于第一金属隔板(16)的外周端缘面。外侧密封部件(48)及内侧密封部件(50)被设定为同一高度尺寸。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及一种层叠在电解质的两侧配置有一对电极的电解质电极构造体和金属隔板的燃料电池。
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构成的固体高分子电解质膜。在该燃料电池中，通过利用隔板(双极板)夹持电解质膜电极构造体(电解质电极构造体)(MEA)而构成单电池单元(单位单电池)，其中，电解质膜电极构造体(电解质电极构造体)(MEA)在固体高分子电解质膜的两侧配置有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。通常，层叠有规定数量的该单电池单元的燃料电池堆例如作为车载用燃料电池堆使用。
一般而言，在这种燃料电池中，大多情况下构成的是在内部具备：在单电池单元的层叠方向上贯通而用于使燃料气体流通的燃料气体入口连通孔及燃料气体出口连通孔、用于使氧化剂气体流通的氧化剂气体入口连通孔及氧化剂气体出口连通孔、用于使冷却介质流通的冷却介质入口连通孔及冷却介质出口连通孔的所谓内部歧管型燃料电池。
因此，由于在隔板上设有多个流体连通孔即燃料气体入口连通孔、燃料气体出口连通孔、氧化剂气体入口连通孔、氧化剂气体出口连通孔、冷却介质入口连通孔及冷却介质出口连通孔，所以所述隔板的面积变得相当大。尤其，在使用金属隔板作为隔板时，高价的不锈钢等材料的使用量增大，零件单价高涨。
因此，考虑在层叠电解质膜电极构造体和金属隔板的燃料电池中，在所述电解质电极构造体的外周设置树脂制的边框部(树脂框部件)，并且在该边框部上贯通形成各流体连通孔，另一方面将金属隔板配置在所述流体连通孔的内侧的构成。
在这种燃料电池中，由于在一对边框部间夹持金属隔板，因此需要有特别的密封构造。例如，在日本特开2005-276820号公报中公开有一种虽然与上述的带边框电解质膜电极构造体不同，但采用双重密封件构造的燃料电池。
在该燃料电池中，如图27所示，通过第一隔板3与第二隔板4夹持向膜电极构造体1的外部突出的固体电解质膜2，并且在所述第一隔板3上设有双重密封件5。双重密封件5具有抵接于固体电解质膜2的内侧密封件5a以及与在第二隔板4侧设置的平面密封部件6抵接的外侧密封件5b。
但是，在双重密封件5中，内侧密封件5a的高度与外侧密封件5b的高度不同，密封唇形状也不同。因而，内侧密封件5a和外侧密封件5b需要两种密封设计，并不经济。
发明内容
本发明用于解决这种问题，其目的在于提供一种能够简单且经济地构成双重密封件，且能够有效抑制制造成本的燃料电池。
本发明涉及一种燃料电池，其是层叠电解质电极构造体和金属隔板而成的，所述电解质电极构造体在电解质的两侧配置有一对电极。
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部件，在所述树脂框部件上设有在层叠方向上贯通且使燃料气体、氧化剂气体及冷却介质即各流体流通的多个流体连通孔。另一方面，金属隔板相比于树脂框部件的外周端部，位于更靠流体连通孔的内侧的位置并被配置于一对树脂框部件间。
而且，在一方的树脂框部件上设有双重密封件，该双重密封件具有：前端抵接于金属隔板的内侧密封部件、以及前端抵接于另一方的树脂框部件且被设定成与所述内侧密封部件相同的高度尺寸的外侧密封部件。
在本发明中，作为双重密封件的内侧密封部件和外侧密封部件被设定成相同的高度尺寸。因此，内侧密封部件及外侧密封部件还可以具有同一密封唇形状，所述内侧密封部件及所述外侧密封部件能够通过同一即一种密封设计来制造。由此，能够简单且经济地构成双重密封件，可以有效抑制燃料电池整体的制造成本。
从参照附图进行的下述适当的实施方式例的说明中，上述目的及其他目的、特点及优点会更明确。
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XXVI-XXVI线剖面图。
图27是日本特开2005-276820号的燃料电池的剖面说明图。
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而构成。
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被第二金属隔板20及第一金属隔板16夹持，另一方面，第二电解质膜电极构造体18被所述第一金属隔板16及所述第二金属隔板20夹持。
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分别具备：例如在全氟磺酸(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的表面积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，例如通过注射成形等而一体成形有由具有绝缘性的高分子材料形成的树脂框部件28a。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，例如通过注射成形等而一体成形有由高分子材料形成的树脂框部件28b。作为高分子材料，除了通用塑料以外，可采用工程塑料或超级工程塑料等。
树脂框部件28a、28b如图1所示，具有在箭头C方向上长的大致长方形状，并且在各长边的中央部，通过向内缺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涂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，在树脂框部件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：用于供应氧化剂气体例如含氧气体的氧化剂气体入口连通孔30a及用于供应燃料气体例如含氢气体的燃料气体入口连通孔32a。
在树脂框部件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。
在树脂框部件28a、28b的箭头B方向的两端缘部上方，在箭头A方向上相互连通而设有用于供应冷却介质的一对冷却介质入口连通孔34a，并且在所述树脂框部件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接近于氧化剂气体入口连通孔30a及燃料气体入口连通孔32a，且分别分开向箭头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分别接近于氧化剂气体出口连通孔30b及燃料气体出口连通孔32b，且分别分开向箭头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，使所述冷却介质入口连通孔34a接近于氧化剂气体出口连通孔30b及燃料气体出口连通孔32b而设置。
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、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，在树脂框部件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，设有位于氧化剂气体入口连通孔30a的下侧附近的多个入口槽部36a。在树脂框部件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。
在树脂框部件28a的阴极面14a侧的下部，设有位于氧化剂气体出口连通孔30b的上侧附近的多个出口槽部36b。在树脂框部件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，在树脂框部件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。在树脂框部件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的下侧附近设有多个出口槽部42b。
在树脂框部件28a上设有位于燃料气体入口连通孔32a的下方的多个入口槽部46a，并且设有位于燃料气体出口连通孔32b的上方的多个出口槽部46b。
在树脂框部件28a的阳极面14b侧，一体或分体成形有外侧密封部件(外侧密封线)48及内侧密封部件(内侧密封线)50，从而构成双重密封件51。外侧密封部件48及内侧密封部件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，以下说明的各密封部件与上述的外侧密封部件48及内侧密封部件50同样构成，省略其详细说明。
外侧密封部件48从树脂框部件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。该外侧密封部件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。通过外侧密封部件48，入口槽部42a及入口孔部40a与冷却介质入口连通孔34a被围绕成一体，出口槽部42b及出口孔部40b与冷却介质出口连通孔34b被围绕成一体。
内侧密封部件50位于外侧密封部件48的内侧，并且一体围绕阳极侧电极26和入口槽部46a及出口槽部46b。内侧密封部件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(参照图2)。外侧密封部件48被配置在第一金属隔板16的外周端外侧(隔板面外)，前端与树脂框部件28b抵接。通过外侧密封部件48及内侧密封部件50将全部流体连通孔圈起来密封。
如图2所示，树脂框部件28a(一方的树脂框部件)的设有外侧密封部件48的部位的厚度t1被设定成比设有内侧密封部件50的部位的厚度t2厚(t1＞t2)。厚度t1与厚度t2之差被设定成与第一金属隔板16的厚度t3相等(t1-t2＝t3)。
树脂框部件28b(另一方的树脂框部件)的从外侧密封部件48所抵接的部位到与内侧密封部件50相对的部位，形成在同一平面上。外侧密封部件48及内侧密封部件50被设定成同一高度尺寸，并且具有同一密封唇形状。
如图3所示，在树脂框部件28a的阴极面14a侧，设有围绕入口孔部40a的环状入口密封部件52a以及围绕出口孔部40b的环状出口密封部件52b。
如图5所示，在树脂框部件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侧的上部设有位于氧化剂气体入口连通孔30a的下侧附近的多个入口槽部56a。
在树脂框部件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。
在树脂框部件28b的阴极面18a侧的上部设有位于燃料气体入口连通孔32a的下侧附近的多个入口槽部62a，并且在所述入口槽部62a的下端部贯通形成有多个入口孔部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。
在树脂框部件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。
在树脂框部件28b的阴极面18a侧的下部设有位于燃料气体出口连通孔32b的上侧附近的多个出口槽部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，在树脂框部件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。在树脂框部件28b上设有位于燃料气体入口连通孔32a的下方而将入口孔部64a、66a连通起来的多个入口槽部72a
在树脂框部件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，并且设有位于燃料气体出口连通孔32b的上方并将出口孔部64b、66b连通起来的多个出口槽部72b。
在树脂框部件28b上的阳极面18b侧，一体或分体成形外侧密封部件(外侧密封线)74及内侧密封部件(内侧密封线)76，从而构成双重密封件77。外侧密封部件74从树脂框部件28b的外周缘部绕全部流体连通孔即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。
外侧密封部件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。通过外侧密封部件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。
内侧密封部件76位于外侧密封部件74的内侧，并且将阳极侧电极26和入口孔部64a、入口孔部66a、入口槽部72a、出口孔部64b、出口孔部66b及出口槽部72b一体围绕。内侧密封部件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。外侧密封部件74配置于第二金属隔板20的外周端外侧，前端与树脂框部件28a抵接。通过外侧密封部件74及内侧密封部件76将全部流体连通孔圈起来密封。
如图2所示，树脂框部件28b(一方的树脂框部件)被设定成：设有外侧密封部件74的部位的厚度t 4比设有内侧密封部件76的部位的厚度t5厚(t4＞t5)。厚度t4与厚度t5之差被设定成与第二金属隔板20的厚度t6相等(t4-t5＝t6)。
树脂框部件28a(另一方的树脂框部件)的从与外侧密封部件74相对的部位到内侧密封部件76所抵接的部位形成在同一平面上。外侧密封部件74及内侧密封部件76被设定为同一高度尺寸，并且具有同一密封唇形状。
如图5所示，在树脂框部件28b的阴极面18a侧，设有围绕入口孔部60a、66a的环状入口密封部件78a、80a以及围绕出口孔部60b、66b的环状出口密封部件78b、80b。
第一及第二金属隔板16、20的外沿被设定成如下尺寸，即，相比于树脂框部件28a、28b的外周端部而言，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具备外形具有同一形状且相互被层叠的两张金属板(例如，不锈钢板)82a、82b，所述金属板82a、82b例如通过焊接或粘结外周缘部而形成一体，且内部被密闭。在金属板82a上，与阴极侧电极24相对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相对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具有在箭头C方向(铅直方向)上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部85a及出口缓冲部85b。在入口缓冲部85a的上方形成有位于氧化剂气体入口连通孔30a的下方的多个入口槽部87a。在出口缓冲部85b的下方形成有位于氧化剂气体出口连通孔30b的上方的多个出口槽部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上的突起部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上的突起部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，并将第一金属隔板16贯通。
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具有在箭头C方向(铅直方向)上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部96a及出口缓冲部96b。在入口缓冲部96a的上方形成位于氧化剂气体入口连通孔30a的下方的多个入口槽部98a，并且在出口缓冲部96b的下方形成位于氧化剂气体出口连通孔30b的上方的多个出口槽部98b。
在金属板82b上的突起部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上的各突起部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具备外形具有同一形状且相互被层叠的两张金属板(例如，不锈钢板)102a、102b。所述金属板102a、102b例如通过焊接或粘结外周缘部而形成一体，且内部被密闭。在金属板102a上，与阴极侧电极24相对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相对而形成燃料气体流路86。在金属板102a、102b间形成冷却介质流路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具有在箭头C方向(铅直方向)上延伸的多个流路槽。在氧化剂气体流路84的上游及下游设有入口缓冲部104a及出口缓冲部104b。
在金属板102a上的各突起部103a，形成有位于冷却介质入口连通孔34a的上方的多个孔部106a，多个孔部106a与第一电解质膜电极构造体14的多个入口孔部40a连通。在金属板102a上的各突起部103b，形成有位于冷却介质出口连通孔34b的下方的多个孔部106b，多个孔部106b与第一电解质膜电极构造体14的多个出口孔部40b连通。
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具有在箭头C方向(铅直方向)上延伸的多个流路槽。在燃料气体流路86的上游及下游设有入口缓冲部110a及出口缓冲部110b。
在金属板102b的各突起部103a上，形成位于冷却介质入口连通孔34a的上侧附近的多个入口槽部112a，另一方面，在所述金属板102b的各突起部103b上，形成位于冷却介质出口连通孔34b的下侧附近的多个出口槽部112b。入口槽部112a及出口槽部112b具有分别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树脂框部件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；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，但在树脂框部件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树脂框部件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，但在树脂框部件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树脂框部件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116
b。需要说明的是，虽未图示，但在树脂框部件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。
冷却介质连结流路116a、116b是通过将树脂框部件28a的外侧密封部件48及内侧密封部件50和树脂框部件28b的外侧密封部件74及内侧密封部件76配置在层叠方向上不同的位置上而形成的。
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；沿层叠方向形成在树脂框部件28a上的入口孔部(第一孔部)40a；沿所述层叠方向形成在构成第二金属隔板20的金属板102a上的孔部(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：沿着隔板面方向设置的入口槽部68a、38a；沿层叠方向形成在树脂框部件28b上的入口孔部(第一孔部)60a；沿所述层叠方向形成在构成第一金属隔板16的金属板82a上的孔部(第二孔部)90a。入口槽部68a和入口槽部38a的端部彼此连通。
树脂框部件28a的入口孔部40a及孔部106a和树脂框部件28b的入口孔部60a及孔部90a被设定在相对于层叠方向互不重合的位置上。
对该燃料电池10的动作进行以下说明。
如图1所示，向氧化剂气体入口连通孔30a供应含氧气体等的氧化剂气体，并且向燃料气体入口连通孔32a供应含氢气体等的燃料气体。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中，供应给氧化剂气体入口连通孔30a的氧化剂气体如图1及图11所示，从第一电解质膜电极构造体14的入口槽部36a与第二电解质膜电极构造体18之间被导入入口槽部56a。
被导入入口槽部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。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之后，剩余的氧化剂气体从出口槽部36b间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18与第一金属隔板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。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，剩余的氧化剂气体通过出口槽部87b、56b并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。
燃料气体的剩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与第一电解质膜电极构造体14之间，并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流通的使用后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16的燃料气体流路86流通的使用后的燃料气体从孔部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14及第二电解质膜电极构造体18中，分别供应给阴极侧电极24的氧化剂气体与供应给阳极侧电极26的燃料气体在电极催化剂层内通过电化学反应而消耗，从而进行发电。
进而另外，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并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，并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方向中央部侧冲撞，向重力方向(箭头C方向下方)移动，之后，在所述冷却介质流路88的下部侧分开到箭头B方向两侧。然后，从各出口槽部112b通过孔部106b并从第二金属隔板20被排出。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，供应给冷却介质入口连通孔34a的冷却介质的其他的一部分，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被排出向冷却介质出口连通孔34b。
因而，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，如图2、图12～图14所示，在树脂框部件28a上设置的双重密封件51具有外侧密封部件48及内侧密封部件50，并且所述外侧密封部件48的前端与树脂框部件28b抵接，另一方面，所述内侧密封部件50的前端与第一金属隔板16的外周端缘面抵接。而且，外侧密封部件48及内侧密封部件50可以被设定成同一高度尺寸，并且具有同一密封唇形状。
因此，外侧密封部件48及内侧密封部件50可以通过同一即一种密封设计来制造。由此，能够简单且经济地构成双重密封件51，能够有效抑制制造成本。
另外，如图2、图12～图14所示，在树脂框部件28b上设置的双重密封件77具有外侧密封部件74及内侧密封部件76，并且所述外侧密封部件74的前端与树脂框部件28a抵接，另一方面，所述内侧密封部件76的前端与第二金属隔板20的外周端缘面抵接。而且，外侧密封部件74及内侧密封部件76可以被设定成同一高度尺寸，并且具有同一密封唇形状。
因此，外侧密封部件74及内侧密封部件76可以通过同一即一种密封设计来制造。由此，能够简单且经济地构成双重密封件77，能够有效抑制制造成本。
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同一参照符号，省略其详细说明。
如图15及图16所示，燃料电池120层叠多个单电池单元122而构成，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设有树脂框部件132a及树脂框部件132b。如图17所示，在树脂框部件132a的阴极面124a侧的宽度方向两端部上方，在各冷却介质入口连通孔34a的下侧附近没有设置入口槽部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被环状入口密封部件136a围绕。
在树脂框部件132a的阴极面124a侧的宽度方向两端部下方，在各冷却介质出口连通孔34b的上侧附近未设置出口槽部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被环状出口密封部件136b围绕。
如图18所示，在树脂框部件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，在树脂框部件132b的阴极面128a侧的宽度方向两端部上方，在各冷却介质入口连通孔34a的下侧附近未设置入口孔部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。
在树脂框部件132b的阴极面128a侧的宽度方向两端部下方，在各冷却介质出口连通孔34b的上侧附近未设置出口孔部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，在树脂框部件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由单一的金属板部件构成。如图21所示，在第一金属隔板126的一方的面上设置的氧化剂气体流路84的上方形成有多个孔部92a和多个入口槽部87a，另一方面，在氧化剂气体流路84的下方形成有多个孔部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，并没有分别设置一对突起部89a、89b，没有分别设置多个孔部90a、90b。
如图16所示，第二金属隔板130具备外形具有同一形状而被相互层叠的两张金属板(例如，不锈钢板)142a、142b，所述金属板142a、142b例如通过焊接或粘结外周缘部而形成一体，且内部被密闭。在金属板142a上，与阴极侧电极24相对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相对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的宽度方向形成有多个孔部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的宽度方向而形成有多个孔部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的宽度方向而形成有多个入口槽部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的宽度方向而形成有多个出口槽部146b。
如图24所示，在层叠方向上相邻的树脂框部件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；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，但在树脂框部件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树脂框部件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，但在树脂框部件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树脂框部件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，但在树脂框部件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。
冷却介质连结流路154是通过将树脂框部件132a的外侧密封部件48及内侧密封部件50和树脂框部件132b的外侧密封部件74及内侧密封部件76配置在层叠方向上不同的位置上而形成的。
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；沿层叠方向形成在树脂框部件132a上的入口孔部(第一孔部)134a；沿所述层叠方向形成在金属板142a上的孔部(第二孔部)144a。入口槽部138a和入口槽部140a的端部彼此连通。
如图16所示，树脂框部件132a(一方的树脂框部件)被设定成：设有外侧密封部件48的部位的厚度t7比设有内侧密封部件50的部位的厚度t8厚(t7＞t8)。厚度t7与厚度t8之差被设定成与第一金属隔板126的厚度t9相等(t7-t8＝t9)。
树脂框部件132b(另一方的树脂框部件)的从外侧密封部件48所抵接的部位到与内侧密封部件50相对的部位形成在同一平面上。外侧密封部件48及内侧密封部件50被设定成同一高度尺寸，并且具有同一密封唇形状。
树脂框部件132b(一方的树脂框部件)被设定成：设有外侧密封部件74的部位的厚度t10比设有内侧密封部件76的部位的厚度t11厚(t10＞t11)。厚度t10与厚度t11之差被设定成与第二金属隔板130的厚度t12相等(t10-t11＝t12)。
树脂框部件132a(另一方的树脂框部件)的从外侧密封部件74所抵接的部位到与内侧密封部件76相对的部位形成在同一平面上。外侧密封部件74及内侧密封部件76被设定成同一高度尺寸，并且具有同一密封唇形状。
对于该燃料电池120的动作，以下进行概略说明。
在各单电池单元122中，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。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，剩余的氧化剂气体从出口槽部36b间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与第一金属隔板126之间的入口槽部87a，被供应给所述第一金属隔板126的氧化剂气体流路84。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，剩余的氧化剂气体通过出口槽部87b、56b间，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。
燃料气体的剩余的部分通过入口孔部66a及第一金属隔板126的孔部92a，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，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流通的使用后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流通的使用后的燃料气体从孔部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，分别供应给阴极侧电极24的氧化剂气体和供应给阳极侧电极26的燃料气体在电极催化剂层内通过电化学反应而消耗，从而进行发电。
进而另外，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，并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方向中央部侧冲撞，向重力方向移动后，在所述冷却介质流路88的下部侧分开到箭头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。
因而，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流通的冷却介质间断冷却(間引き冷却)。
此时，在第二实施方式中，可以得到能够简单且经济地构成双重密封件51、77，能够有效抑制制造成本等与上述的第一实施方式同样的效果。

Claims (4)

1.一种燃料电池，其是层叠电解质电极构造体(14、18)和金属隔板(16)而成的，所述电解质电极构造体(14、18)在电解质(22)的两侧配置有一对电极(24、26)，
其特征在于，
在电解质电极构造体(14、18)的外周一体设有树脂框部件(28a、28b)，在所述树脂框部件(28a、28b)上设有在层叠方向上贯通且使燃料气体、氧化剂气体及冷却介质即各流体流通的多个流体连通孔(32a)，
另一方面，所述金属隔板(16)相比于所述树脂框部件(28a、28b)的外周端部，位于更靠所述流体连通孔(32a)的内侧的位置并被配置于一对树脂框部件(28a、28b)间，
并且在一方的所述树脂框部件(28a)上设有双重密封件(51)，该双重密封件(51)具有：前端抵接于所述金属隔板(16)的内侧密封部件(50)、以及前端抵接于另一方的所述树脂框部件(28b)且被设定成与所述内侧密封部件(50)相同的高度尺寸的外侧密封部件(48)。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
一方的所述树脂框部件(28a)被设定成：设有所述内侧密封部件(50)的部位的厚度比设有所述外侧密封部件(48)的部位的厚度薄，
并且另一方的所述树脂框部件(28b)的从与所述内侧密封部件(50)相对的部位到所述外侧密封部件(48)所抵接的部位形成在同一平面上。
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(28a)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)由内部形成冷却介质流路(88)的两张板(82a、82b)构成。
4.如权利要求3所述的燃料电池，其特征在于，
两张所述板(82a、82b)的外形相互具有同一形状。
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