CN105206851B - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池。燃料电池的发电单元设有第一金属隔板、第一电解质膜‑电极结构体、第二金属隔板、第二电解质膜‑电极结构体及第三金属隔板。在冷却介质流路的外周部设有迂回限制部，该迂回限制部用于阻止冷却介质绕过所述冷却介质流路。迂回限制部具有：在第一金属隔板上一体成形的凹凸形状部；在与所述第一金属隔板相邻的第三金属隔板上一体成形并与所述凹凸形状部抵接的凹凸形状部。

Description

燃料电池
本申请是申请日：2013年3月22日；申请号：201310093477.4；发明名称：燃料电池的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种将电解质膜-电极结构体与金属隔板层叠而成的燃料电池，所述电解质膜-电极结构体在电解质膜的两侧设有一对电极。
背景技术
例如，固体高分子型燃料电池通过一对隔板来夹持电解质膜-电极结构体(MEA)，该电解质膜-电极结构体在由高分子离子交换膜构成的电解质膜的两侧设有阳极电极和阴极电极。燃料电池通常多个层叠，并且除了安置在固定场所使用之外，还通过向燃料电池车辆装入而被作为车载用燃料电池系统使用。
在燃料电池中，在隔板的面内设有用于使燃料气体向阳极电极流动的燃料气体流路(以下，也称为反应气体流路)和用于使氧化剂气体向阴极电极流动的氧化剂气体流路(以下，也称为反应气体流路)。而且，在每个发电电池或每多个发电电池中，在相邻的隔板之间沿着电极面方向设有用于使冷却介质流动的冷却介质流路。
在这种燃料电池中，为了确保良好的离子传导性，需要对电解质膜进行保湿。因此，采用对作为反应气体的氧化剂气体(例如，空气)或燃料气体(例如，氢气)进行加湿而向燃料电池供给的方式。
此时，存在有加湿用的水分未被电解质膜吸收而发生液状化并滞留于反应气体流路的情况。另一方面，在燃料电池中，因发电反应而在阴极电极产生生成水，并且所述生成水经由电解质膜而向阳极电极进行反向扩散。因此，在重力的作用下水分发生冷凝而容易滞留在反应气体流路的重力方向下端侧，可能会导致由冷凝水引起的溢流(flooding)。
因此，作为以有效地排出气体并同时高效地进行排水为目的的燃料电池，已知有例如日本专利第3123992号公报(以下，称为现有技术1)所公开的固体高分子型燃料电池。如图25所示，该燃料电池具备框体1，在该框体1的一方的面侧嵌入有单电池2和阴极侧流路基板3，并在所述框体1的另一方的面侧嵌入有阳极侧流路基板4。
单电池2通过在固体高分子电解质2a上配设阴极2b及阳极2c而构成。在阴极侧流路基板3上形成有多个阴极侧流路3a，另一方面，在阳极侧流路基板4上形成有多个阳极侧流路4a。
在框体1的上游部形成有：一对水导入岐管孔5a；将所述水导入岐管孔5a与阳极侧流路4a连通的槽孔5b；一对燃料气体导入岐管孔6a；将所述燃料气体导入岐管孔6a与所述阳极侧流路4a连通的槽孔6b。在框体1的下游部形成有：一对燃料气体导出岐管孔7a；将所述燃料气体导出岐管孔7a与阳极侧流路4a连通的槽孔7b；一对水导出岐管孔8a；将所述水导出岐管孔8a与阳极侧流路4a连通的槽孔8b。
并且，通过阳极侧流路4a后的未反应的燃料气体从槽孔7b穿过燃料气体导出岐管孔7a而向电池外排出，并且通过所述阳极侧流路4a后的水从槽孔8b穿过水导出岐管孔8a而向电池外排出。
然而，在上述的现有技术1中，框体1在燃料气体流动方向上相当长。因此，当将阴极侧流路3a以朝向水平的方式配置时，燃料电池整体的高度方向的尺寸增大，将所述燃料电池搭载于车辆时的搭载空间受限定。
而且，在阴极侧流路3a中产生基于发电生成的生成水。该生成水可能向重力方向下方移动而滞留，从而导致氧化剂气体的供给不足。
另外，在燃料电池中，有时使用金属隔板作为隔板。该金属隔板通过将金属薄板成形为波形形状，由此在隔板面的表背分别沿着所述波形形状的凹部(槽部)而设置反应气体流路和冷却介质流路的一部分。冷却介质流路通过将在彼此相邻的金属隔板上成形的槽部彼此重合而形成。
而且，为了对反应气体流路或冷却介质流路等进行密封，而在金属隔板上一体成形密封构件。此时，在冷却介质流路的最外周，相邻的金属隔板的槽部彼此重合，从而与密封构件之间容易产生间隙。因此，产生冷却介质绕过冷却介质流路而在所述冷却介质流路的外方与密封构件之间流通的所谓捷径(shortcut)。
因此，已知有例如日本特开2011-171222号公报(以下，称为现有技术2)公开的燃料电池。该现有技术2涉及一种燃料电池，其层叠有长方形形状的金属隔板和在电解质的两侧设有一对电极的电解质-电极结构体，在所述金属隔板之间环绕电极范围而形成有使冷却介质沿着长边方向流通的冷却介质流路，在所述金属隔板上，在长边方向一端侧隔着所述冷却介质流路而设有一对冷却介质供给连通孔，且在长边方向另一端侧隔着所述冷却介质流路而设有一对冷却介质排出连通孔。
并且，冷却介质流路形成在具有波形形状的多个波状凸部之间，另一方面，设置从金属隔板的外侧与构成所述冷却介质流路的最外周的所述波状凸部的侧部抵接，并且仿形于侧部波形形状的一部分的至少具有凸形形状的闭塞密封部。
由此，通过简单的结构，能够使冷却介质在冷却介质流路整个区域上良好地流通，从而能够尽量阻止所述冷却介质发生捷径的情况。
发明内容
发明的概要
本发明用于解决这种问题，其目的在于提供一种通过简单的结构，能够容易且可靠地将容易滞留在电极面内的重力方向下方的生成水从所述电极面排出的燃料电池。
另外，本发明目的在于提供一种能够通过简单且经济的结构来尽量阻止冷却介质的捷径的燃料电池。
本发明涉及一种燃料电池，其沿着水平方向层叠有金属隔板和在电解质膜的两侧设有一对电极的电解质膜-电极结构体，并且，电极面为沿着重力方向的铅垂姿态且具有在与层叠方向正交的水平方向上长的横长形状，所述燃料电池设有使作为氧化剂气体或燃料气体的反应气体沿着所述电极面的长度方向流通的反应气体流路。
在该燃料电池中，在反应气体流路的重力方向下端设有用于将生成水从所述反应气体流路向重力方向下方排出的排水通路，并且，所述排水通路由在金属隔板的所述反应气体流路侧的面及与该面相反的面上交替形成的凹凸形状部构成。
另外，本发明涉及一种燃料电池，其层叠有金属隔板和在电解质膜的两侧设有一对电极的电解质膜-电极结构体，并且在彼此相邻的所述金属隔板之间设有将该金属隔板成形为波形而使冷却介质流通的冷却介质流路。
在该燃料电池中，在冷却介质流路的宽度方向的外周部设有迂回限制部，所述迂回限制部用于阻止冷却介质绕过所述冷却介质流路，并且，所述迂回限制部具备至少在一方的金属隔板上一体成形并与另一方的金属隔板抵接的凸部。
根据本发明，当反应气体沿着在水平方向上长的电极面流通时，因反应而生成水，并且该水容易滞留在所述电极面的重力方向下方。此时，在电极面的重力方向下方设置排水通路，从而移动到所述电极面的重力方向下方的水从所述排水通路向所述电极面的外部排出。
而且，排水通路由在金属隔板的反应气体流路侧的面及与该面相反的面上交替形成的凹凸形状部构成。因此，仅对金属隔板实施冲压加工即可，能够以简单的结构，容易且可靠地将容易滞留在电极面内的重力方向下方的生成水从所述电极面排出。因此，燃料电池能够良好地维持最佳的发电环境。
另外，根据本发明，在冷却介质流路的外周部设置的迂回限制部具备至少在一方的金属隔板上一体成形的凸部，并且所述凸部与另一方的金属隔板直接抵接。因此，在冷却介质流路的周围形成的迂回路能够通过凸部可靠地闭塞。由此，能够以简单且经济的结构，尽量阻止冷却介质的捷径。
上述的目的、特征及优点根据参照附图说明的以下的实施方式的说明而容易理解。
附图说明
图1是构成本发明的第一实施方式的燃料电池的发电单元的主要部分分解立体说明图。
图2是所述发电单元的图1中的II-II线剖视说明图。
图3是所述发电单元的图1中的III-III线剖视说明图。
图4是所述发电单元的图1中的IV-IV线剖视说明图。
图5是构成所述发电单元的第一金属隔板的主视说明图。
图6是所述第一金属隔板的图5中的VI-VI线剖视图。
图7是构成所述发电单元的第二金属隔板的一方的面的说明图。
图8是所述第二金属隔板的另一方的面的说明图。
图9是构成所述发电单元的第三金属隔板的一方的面的说明图。
图10是所述第三金属隔板的另一方的面的说明图。
图11是构成所述发电单元的第一电解质膜-电极结构体的一方的面的说明图。
图12是所述第一电解质膜-电极结构体的另一方的面的说明图。
图13是构成所述发电单元的第二电解质膜-电极结构体的一方的面的说明图。
图14是所述第二电解质膜-电极结构体的另一方的面的说明图。
图15是构成本发明的第二实施方式的燃料电池的发电单元的主要部分分解立体说明图。
图16是所述发电单元的图15中的XVI-XVI线剖视图。
图17是构成本发明的第三实施方式的燃料电池的发电单元的主要部分分解立体说明图。
图18是所述发电单元的图17中的XVIII-XVIII线剖视说明图。
图19是构成所述发电单元的第一金属隔板的一方的面的说明图。
图20是所述第一金属隔板的另一方的面的说明图。
图21是构成所述发电单元的第三金属隔板的一方的面的说明图。
图22是所述第三金属隔板的另一方的面的说明图。
图23是构成本发明的第四实施方式的燃料电池的发电单元的主要部分分解立体说明图。
图24是所述发电单元的图23中的XXIV-XXIV线剖视图。
图25是现有技术1中公开的燃料电池的分解立体说明图。
具体实施方式
如图1～图4所示，本发明的第一实施方式的燃料电池10具备发电单元12，多个所述发电单元12沿着水平方向(箭头A方向)或铅垂方向(箭头C方向)相互层叠。发电单元12设有第一金属隔板14、第一电解质膜-电极结构体16a、第二金属隔板18、第二电解质膜-电极结构体16b及第三金属隔板20。第一金属隔板14、第一电解质膜-电极结构体16a、第二金属隔板18、第二电解质膜-电极结构体16b及第三金属隔板20沿着水平方向层叠，并且电极面为沿着重力方向的铅垂姿态且具有在水平方向(箭头B方向)上长的横长形状。
第一金属隔板14、第二金属隔板18及第三金属隔板20通过例如钢板、不锈钢板、铝板、镀敷处理钢板、或对其金属表面实施了防蚀用的表面处理的横长形状的金属板构成。第一金属隔板14、第二金属隔板18及第三金属隔板20其平面具有矩形形状，并且通过将金属制薄板冲压加工成波形形状而成形为截面凹凸形状。
如图1所示，在发电单元12的长边方向(箭头B方向)的一端缘部，具体而言，在第一金属隔板14、第二金属隔板18及第三金属隔板20的长边方向的一端缘部，设有沿着箭头A方向相互连通的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22a、及用于排出燃料气体例如含氢气体的燃料气体出口连通孔24b。
在发电单元12的长边方向(箭头B方向)的另一端缘部，设有沿着箭头A方向相互连通的用于供给燃料气体的燃料气体入口连通孔24a、及用于排出氧化剂气体的氧化剂气体出口连通孔22b。
在发电单元12的短边方向(箭头C方向)的两端缘部，且在氧化剂气体入口连通孔22a侧的一方设有沿着箭头A方向相互连通而用于供给冷却介质的一对冷却介质入口连通孔25a。在发电单元12的短边方向的两端缘部，且在燃料气体入口连通孔24a侧的另一方设有用于排出冷却介质的一对冷却介质出口连通孔25b。
如图5所示，在第一金属隔板14的朝向第一电解质膜-电极结构体16a的面14a上形成有与氧化剂气体入口连通孔22a和氧化剂气体出口连通孔22b连通的第一氧化剂气体流路26。
第一氧化剂气体流路26具有沿着箭头B方向延伸的多个波状流路槽部(或直线状流路槽部)26a，并且在所述第一氧化剂气体流路26的入口附近及出口附近分别设置具有多个压花的入口压花部28a及出口压花部28b。
在入口压花部28a与氧化剂气体入口连通孔22a之间形成有构成桥部的多条入口连结槽30a，另一方面，在出口压花部28b与氧化剂气体出口连通孔22b之间形成有构成桥部的多条出口连结槽30b。
在第一氧化剂气体流路26的重力方向下端设有用于将生成水从所述第一氧化剂气体流路26向重力方向下方排出的第一阴极排水通路32。第一阴极排水通路32由在第一金属隔板14的面14a及与该面14a相反的面14b上交替形成的凹凸形状部34a、34b构成。凹凸形状部34a、34b沿着重力方向最下端的波状流路槽部26a的外侧形状而冲压成形在第一金属隔板14上。
凹凸形状部34a具有向面14a侧鼓出的突起形状(从背面凹陷的凹陷形状)，另一方面，凹凸形状部34b具有向面14b侧鼓出的突起形状(从背面凹陷的凹陷形状)(参照图6)。凹凸形状部34a、34b的长度(箭头C方向的尺寸)与波状流路槽部26a的形状对应而周期性地变化。需要说明的是，在取代波状流路槽部26a而采用直线状流路槽部时，凹凸形状部34a、34b成为恒定的长度。
如图2所示，凹凸形状部34a与后述的第一树脂框构件80抵接而将第一阴极排水通路32局部性地闭塞。如图5所示，在第一阴极排水通路32的下方设有沿着箭头B方向延伸的排水用流路36。排水用流路36设定为比每一条第一氧化剂气体流路26的压力损失大的压力损失，并与氧化剂气体出口连通孔22b连通。
如图1所示，在第一金属隔板14的面14b上形成有将一对冷却介质入口连通孔25a与一对冷却介质出口连通孔25b连通的冷却介质流路38。冷却介质流路38通过使第一氧化剂气体流路26的背面形状和后述的第二燃料气体流路58的背面形状重合而形成。第一氧化剂气体流路26的背面形状和第二燃料气体流路58的背面形状通过使相位反转而形成冷却介质流路38，但所述相位也可以相同。
如图7所示，在第二金属隔板18的朝向第一电解质膜-电极结构体16a的面18a上形成有将燃料气体入口连通孔24a和燃料气体出口连通孔24b连通的第一燃料气体流路40。第一燃料气体流路40具有沿着箭头B方向延伸的多个波状流路槽部(或直线状流路槽部)40a。在燃料气体入口连通孔24a的附近形成有多个供给孔部42a，并且在燃料气体出口连通孔24b的附近形成有多个排出孔部42b。
在第一燃料气体流路40的重力方向下端设有用于将生成水(反向扩散水)从所述第一燃料气体流路40向重力方向下方排出的第一阳极排水通路44。第一阳极排水通路44由在第二金属隔板18的面18a及与该面18a相反的面18b上交替形成的凹凸形状部46a、46b构成。
凹凸形状部46a具有向面18a侧鼓出的突起形状(从背面凹陷的凹陷形状)，另一方面，凹凸形状部46b具有向面18b侧鼓出的突起形状(从背面凹陷的凹陷形状)。凹凸形状部46a、46b的长度(箭头C方向的尺寸)与波状流路槽部40a的形状对应而周期性地变化。需要说明的是，在取代波状流路槽部40a而采用直线状流路槽部时，凹凸形状部46a、46b成为恒定的长度。
如图2所示，凹凸形状部46a与后述的第一电解质膜-电极结构体16a的阳极电极78抵接而将第一阳极排水通路44局部性地闭塞。如图7所示，在第一阳极排水通路44的下方设有沿着箭头B方向延伸的排水用流路48。排水用流路48设定为比每一条第一燃料气体流路40的压力损失大的压力损失，并与排出孔部42b连通。
如图8所示，在第二金属隔板18的朝向第二电解质膜-电极结构体16b的面18b上形成有将氧化剂气体入口连通孔22a与氧化剂气体出口连通孔22b连通的第二氧化剂气体流路50。第二氧化剂气体流路50具有沿着箭头B方向延伸的多个波状流路槽部(或直线状流路槽部)50a。在氧化剂气体入口连通孔22a的附近形成有多条入口连结槽52a，另一方面，在氧化剂气体出口连通孔22b的附近形成有多条出口连结槽52b。
在第二氧化剂气体流路50的重力方向下端设有用于将生成水从所述第二氧化剂气体流路50向重力方向下方排出的第二阴极排水通路54。第二阴极排水通路54由作为第一阳极排水通路44的背面形状的凹凸形状部46a、46b构成。如图2所示，凹凸形状部46b与后述的第二树脂框构件82抵接而将第二阴极排水通路54局部性地闭塞。如图8所示，在第二阴极排水通路54的下方设有沿着箭头B方向延伸的排水用流路56。排水用流路56与氧化剂气体出口连通孔22b连通。
如图9所示，在第三金属隔板20的朝向第二电解质膜-电极结构体16b的面20a上形成有与燃料气体入口连通孔24a和燃料气体出口连通孔24b连通的第二燃料气体流路58。第二燃料气体流路58具有沿着箭头B方向延伸的多个波状流路槽部(或直线状流路槽部)58a。
在燃料气体入口连通孔24a的附近形成有多个供给孔部60a，并且在燃料气体出口连通孔24b的附近形成有多个排出孔部60b。如图1及图3所示，供给孔部60a配置在比第二金属隔板18的供给孔部42a靠内侧(燃料气体流路侧)的位置，另一方面，排出孔部60b配置在比所述第二金属隔板18的排出孔部42b靠内侧(燃料气体流路侧)的位置。
如图9所示，在第二燃料气体流路58的重力方向下端设有用于将生成水(反向扩散水)从所述第二燃料气体流路58向重力方向下方排出的第二阳极排水通路62。第二阳极排水通路62由在第三金属隔板20的面20a及与该面20a相反的面20b上交替形成的凹凸形状部64a、64b构成。
凹凸形状部64a具有向面20a侧鼓出的突起形状(从背面凹陷的凹陷形状)，另一方面，凹凸形状部64b具有向面20b侧鼓出的突起形状(从背面凹陷的凹陷形状)。凹凸形状部64a、64b的长度(箭头C方向的尺寸)与波状流路槽部58a的形状对应而周期性地变化。需要说明的是，在取代波状流路槽部58a而采用直线状流路槽部时，凹凸形状部64a、64b成为恒定的长度。
如图2所示，凹凸形状部64a与后述的第二电解质膜-电极结构体16b的阳极电极78抵接而将第二阳极排水通路62局部性地闭塞。如图9所示，在第二阳极排水通路62的下方设有沿着箭头B方向延伸的排水用流路66。排水用流路66设定为比每一条第二燃料气体流路58的压力损失大的压力损失，并与排出孔部60b连通。
如图10所示，在第三金属隔板20的面20b上形成有作为第二燃料气体流路58的背面形状的冷却介质流路38的一部分。通过在第三金属隔板20的面20b上层叠与所述第三金属隔板20相邻的第一金属隔板14的面14b，而一体地设置冷却介质流路38。在冷却介质流路38的重力方向下端设有作为第二阳极排水通路62的背面形状的凹凸形状部64a、64b。
需要说明的是，在第一金属隔板14、第二金属隔板18及第三金属隔板20上设有凹凸形状部34a、34b、46a、46b及64a、64b，但并未限定于此。这种凹凸形状部只要设置在第一金属隔板14、第二金属隔板18或第三金属隔板20中的至少一个上即可。
如图1所示，在第一金属隔板14的面14a、14b上环绕该第一金属隔板14的外周端缘部而一体成形有第一密封构件68。在第二金属隔板18的面18a、18b上环绕该第二金属隔板18的外周端缘部而一体成形有第二密封构件70，并且在第三金属隔板20的面20a、20b上环绕该第三金属隔板20的外周端缘部而一体成形有第三密封构件72。
作为第一密封构件68、第二密封构件70及第三密封构件72，使用例如EPDM、NBR、氟橡胶、硅橡胶、硅氟橡胶、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、缓冲材料或填密材料等具有弹性的密封材料。
如图5所示，第一密封构件68在第一金属隔板14的面14a上具有将氧化剂气体入口连通孔22a及氧化剂气体出口连通孔22b和第一氧化剂气体流路26的外周连通的第一凸状密封部68a。如图1所示，第一密封构件68在第一金属隔板14的面14b上具有将冷却介质入口连通孔25a及冷却介质出口连通孔25b和冷却介质流路38的外周连通的第二凸状密封部68b。
如图7所示，第二密封构件70在第二金属隔板18的面18a上具有将供给孔部42a及排出孔部42b和第一燃料气体流路40围绕并将它们连通的第一凸状密封部70a。
如图8所示，第二密封构件70在面18b上具有将氧化剂气体入口连通孔22a及氧化剂气体出口连通孔22b和第二氧化剂气体流路50的外周连通的第二凸状密封部70b。
如图9所示，第三密封构件72在第三金属隔板20的面20a上具有将供给孔部60a及排出孔部60b和第二燃料气体流路58围绕并将它们连通的第一凸状密封部72a。
如图10所示，第三密封构件72在第三金属隔板20的面20b上具有将冷却介质入口连通孔25a及冷却介质出口连通孔25b和冷却介质流路38的外周连通的第二凸状密封部72b。
如图2所示，第一电解质膜-电极结构体16a及第二电解质膜-电极结构体16b例如具备在全氟磺酸的薄膜中浸渍有水的固体高分子电解质膜74和夹持所述固体高分子电解质膜74的阴极电极76及阳极电极78。构成阴极电极76具有比阳极电极78及固体高分子电解质膜74的平面尺寸(表面积)小的平面尺寸(表面积)的阶梯型MEA。需要说明的是，还可以是阴极电极76、阳极电极78及固体高分子电解质膜74设定为同一平面尺寸，也可以是所述阳极电极78具有比所述阴极电极76及固体高分子电解质膜74的平面尺寸小的平面尺寸。
阴极电极76及阳极电极78具有由碳素纸等构成的气体扩散层(未图示)和将在表面担载有铂合金的多孔质碳粒子均匀地涂敷在所述气体扩散层的表面上而形成的电极催化剂层(未图示)。电极催化剂层形成在固体高分子电解质膜74的两面。
第一电解质膜-电极结构体16a在位于阴极电极76的终端部外方的固体高分子电解质膜74的外周缘部例如通过注塑成形等而一体成形有第一树脂框构件80。第二电解质膜-电极结构体16b在位于阴极电极76的终端部外方的固体高分子电解质膜74的外周缘部例如通过注塑成形等而一体成形有第二树脂框构件82。
作为构成第一树脂框构件80及第二树脂框构件82的树脂材料，例如除了通用塑料之外，还可以采用工程塑料或超级工程塑料等。需要说明的是，也可以不使用第一树脂框构件80及第二树脂框构件82，而使阴极电极76及阳极电极78延伸至树脂框构件外周位置。
如图11及图12所示，第一树脂框构件80在长度方向(箭头B方向)两端部具有朝向氧化剂气体入口连通孔22a及氧化剂气体出口连通孔22b鼓出的突出部80a、80b和朝向燃料气体入口连通孔24a及燃料气体出口连通孔24b鼓出的突出部80c、80d。
如图11所示，在第一树脂框构件80的阴极电极76侧的面上，位于氧化剂气体入口连通孔22a与第一氧化剂气体流路26的入口侧之间而设有入口缓冲部84a，并且位于氧化剂气体出口连通孔22b与所述第一氧化剂气体流路26的出口侧之间而设有出口缓冲部84b。入口缓冲部84a及出口缓冲部84b由线状凸部和压花构成，或者也可以仅由所述线状凸部或仅由所述压花构成。以下的其他的缓冲部也同样。
如图12所示，在第一树脂框构件80的阳极电极78侧的面上，位于燃料气体入口连通孔24a与第一燃料气体流路40之间而设有入口缓冲部86a，并且位于燃料气体出口连通孔24b与所述第一燃料气体流路40之间而设有出口缓冲部86b。
如图13及图14所示，在第二电解质膜-电极结构体16b上设置的第二树脂框构件82具有朝向氧化剂气体入口连通孔22a、氧化剂气体出口连通孔22b、燃料气体入口连通孔24a及燃料气体出口连通孔24b分别鼓出的突出部82a、82b、82c及82d。
如图13所示，在第二树脂框构件82的阴极电极76侧的面上，位于氧化剂气体入口连通孔22a与第二氧化剂气体流路50之间而设有入口缓冲部88a，并且位于氧化剂气体出口连通孔22b与所述第二氧化剂气体流路50之间而形成有出口缓冲部88b。
如图14所示，在第二树脂框构件82的阳极电极78侧的面上，位于燃料气体入口连通孔24a与第二燃料气体流路58之间而设有入口缓冲部90a，并且位于燃料气体出口连通孔24b与所述第二燃料气体流路58之间而设有出口缓冲部90b。
通过将发电单元12彼此相互层叠，由此构成一方的发电单元12的第一金属隔板14的面14b的凹凸形状部34b与构成另一方的发电单元12的第三金属隔板20的面20b的凹凸形状部64b抵接，从而在它们之间形成冷却介质流路38。需要说明的是，在第一金属隔板14的面14a和第二金属隔板18的面18a上，可以不必使凸部彼此对置。同样，在第二金属隔板18的面18b和第三金属隔板20的面20a上，可以不必使凸部彼此对置。
以下，说明该燃料电池10的动作。
首先，如图1所示，向氧化剂气体入口连通孔22a供给含氧气体等氧化剂气体，并向燃料气体入口连通孔24a供给含氢气体等燃料气体。而且，向冷却介质入口连通孔25a供给纯水、乙二醇、油等冷却介质。
因此，如图4所示，氧化剂气体从氧化剂气体入口连通孔22a通过入口缓冲部84a而向第一金属隔板14的第一氧化剂气体流路26供给。氧化剂气体从氧化剂气体入口连通孔22a通过入口缓冲部88a而向第二金属隔板18的第二氧化剂气体流路50导入。
如图1、图5及图8所示，氧化剂气体沿着第一氧化剂气体流路26向箭头B方向(水平方向)移动，向第一电解质膜-电极结构体16a的阴极电极76供给，并沿着第二氧化剂气体流路50向箭头B方向移动，向第二电解质膜-电极结构体16b的阴极电极76供给。
另一方面，如图3所示，燃料气体从燃料气体入口连通孔24a通过供给孔部42a向入口缓冲部86a供给。燃料气体通过入口缓冲部86a向第二金属隔板18的第一燃料气体流路40供给。燃料气体从燃料气体入口连通孔24a通过供给孔部60a而向入口缓冲部90a供给。燃料气体通过入口缓冲部90a而向第三金属隔板20的第二燃料气体流路58供给。
如图1、图7及图9所示，燃料气体沿着第一燃料气体流路40向箭头B方向移动，向第一电解质膜-电极结构体16a的阳极电极78供给，并沿着第二燃料气体流路58向箭头B方向移动，向第二电解质膜-电极结构体16b的阳极电极78供给。
因此，在第一电解质膜-电极结构体16a及第二电解质膜-电极结构体16b中，向各阴极电极76供给的氧化剂气体与向各阳极电极78供给的燃料气体在电极催化剂层内通过电化学反应被消耗而进行发电。
接着，向第一电解质膜-电极结构体16a及第二电解质膜-电极结构体16b的各阴极电极76供给而被消耗后的氧化剂气体从出口缓冲部84b、88b向氧化剂气体出口连通孔22b排出(参照图1)。
向第一电解质膜-电极结构体16a及第二电解质膜-电极结构体16b的阳极电极78供给而被消耗后的燃料气体从出口缓冲部86b、90b通过排出孔部42b、60b而向燃料气体出口连通孔24b排出。
另一方面，向上下一对冷却介质入口连通孔25a供给的冷却介质如图1所示从各冷却介质入口连通孔25a向冷却介质流路38供给。冷却介质暂时沿着箭头C方向向内方流动之后，向箭头B方向移动而对第一电解质膜-电极结构体16a及第二电解质膜-电极结构体16b进行冷却。该冷却介质在沿箭头C方向向外方移动之后，向一对冷却介质出口连通孔25b排出。
如上所述，当燃料电池10内的各发电单元12发电时，通过发电反应而在第一氧化剂气体流路26及第二氧化剂气体流路50中产生生成水。例如，第一氧化剂气体流路26在水平方向上较长地形成，生成水在所述第一氧化剂气体流路26的途中向重力下方移动而容易滞留在发电面的重力方向下方。
这种情况下，在第一实施方式中，如图2及图5所示，在第一金属隔板14的面14a上，且在第一氧化剂气体流路26的重力方向下端设有用于将生成水从所述第一氧化剂气体流路26向重力方向下方排出的第一阴极排水通路32。
因此，移动到第一氧化剂气体流路26的下端侧的生成水在通过第一阴极排水通路32而向排水用流路36流动之后，沿着所述排水用流路36向箭头B方向移动而向氧化剂气体出口连通孔22b排出。
而且，第一阴极排水通路32由在第一金属隔板14的面14a及与该面14a相反的面14b上交替地一体成形(冲压成形)的凹凸形状部34a、34b构成。
因此，在第一氧化剂气体流路26中，能够通过简单的结构，容易且可靠地将容易滞留在电极面内的重力方向下方的生成水从所述电极面排出。由此，燃料电池10能够良好地维持最佳的发电环境。另外，在第二氧化剂气体流路50中，能得到与上述的第一氧化剂气体流路26同样的效果。
另一方面，在第一燃料气体流路40及第二燃料气体流路58中，存在从第一氧化剂气体流路26及第二氧化剂气体流路50在固体高分子电解质膜74中反向扩散来的生成水。该生成水从第一燃料气体流路40及第二燃料气体流路58的途中向重力下方向移动而容易滞留在电极面的重力方向下方。
在此，如图2及图7所示，在第二金属隔板18的面18a上，且在第一燃料气体流路40的重力方向下端设有用于将生成水从所述第一燃料气体流路40向重力方向下方排出的第一阳极排水通路44。
因此，移动到第一燃料气体流路40的下端侧的生成水在通过第一阳极排水通路44而向排水用流路48流动之后，沿着所述排水用流路48向箭头B方向移动而向燃料气体出口连通孔24b排出。
而且，第一阳极排水通路44由在第二金属隔板18的面18a及与该面18a相反的面18b上交替地一体成形(冲压成形)的凹凸形状部46a、46b构成。
因此，在第一燃料气体流路40中，能够通过简单的结构，容易且可靠地将容易滞留在电极面内的重力方向下方的生成水从所述电极面排出。由此，燃料电池10能够良好地维持最佳的发电环境。而且，在第二燃料气体流路58中，能得到与上述的第一燃料气体流路40同样的效果。
如图15及图16所示，本发明的第二实施方式的燃料电池120通过将多个发电单元122层叠而构成。
发电单元122通过在第一金属隔板14与第二金属隔板124之间夹持电解质膜-电极结构体16而构成。需要说明的是，在与第一实施方式的燃料电池10相同的结构要素上标注同一参照符号，并省略其详细的说明。
第二金属隔板124在电解质膜-电极结构体16侧的面124a上设有燃料气体流路40，并且在所述燃料气体流路40的重力方向下端设有用于将生成水(反向扩散水)从所述燃料气体流路40向重力方向下方排出的阳极排水通路44。在第二金属隔板124的另一方的面124b上构成有冷却介质流路38的一部分。
电解质膜-电极结构体16与第一实施方式的第一电解质膜-电极结构体16a或第二电解质膜-电极结构体16b同样地构成。
在该第二实施方式中，在燃料气体流路40的重力方向下端设有阳极排水通路44。因此，可得到能够容易且可靠地将容易滞留在电极面内的重力方向下方的生成水从所述电极面排出等与上述的第一实施方式同样的效果。
如图17及图18所示，本发明的第三实施方式的燃料电池130通过将多个发电单元132层叠而构成。
发电单元132设有第一金属隔板134、第一电解质膜-电极结构体16a、第二金属隔板18、第二电解质膜-电极结构体16b及第三金属隔板136。
如图17、图18、图19及图20所示，在第一金属隔板134的下部侧及上部侧设有迂回限制部138a、138b，该迂回限制部138a、138b用于阻止冷却介质绕过冷却介质流路38而在所述冷却介质流路38的外周部流通的情况。
如图20所示，迂回限制部138a具备配置在下部侧的冷却介质入口连通孔25a与冷却介质出口连通孔25b之间的凹凸形状部(凸部)34bs。凹凸形状部34bs比其他的凹凸形状部34b向排水用流路36侧突出得大，且该凹凸形状部34bs与相邻的第三金属隔板136的后述的凹凸形状部64as接近(包括抵接，以下同样)(参照图18)。接近的两侧的凹凸形状部34bs和凹凸形状部64as在箭头C方向上的长度互不相同。
凹凸形状部34bs通过将与冷却介质流路38的流动方向交叉的方向(箭头C方向)上的长度不同的两种凸状部位(与波状流路槽部26a的峰部及谷部对应)交替设置而构成。需要说明的是，在取代波状流路槽部26a而采用直线状流路槽部时，凹凸形状部34bs可以为相同的长度。
需要说明的是，凹凸形状部34bs可以在冷却介质入口连通孔25a的冷却介质出口连通孔25b侧的端部的附近至少成形有一个，且在所述冷却介质出口连通孔25b的所述冷却介质入口连通孔25a侧的端部的附近至少成形有一个。在以下的各凹凸形状部中，也同样如此。
如图17及图19所示，迂回限制部138b具备配置在上部侧的冷却介质入口连通孔25a与冷却介质出口连通孔25b之间的凹凸形状部(凸部)34bt。凹凸形状部34bt与重力方向最上端的波状流路槽部26a的峰部及谷部对应而成形，并向冷却介质流路38侧较大地突出，与相邻的第三金属隔板136的后述的凹凸形状部64at接近。
如图21及图22所示，在第三金属隔板136上，在下部侧的冷却介质入口连通孔25a与冷却介质出口连通孔25b之间设有与凹凸形状部34bs抵接的凹凸形状部64as。凹凸形状部64as与凹凸形状部34bs同样，通过将长度不同的两种凸状部位交替设置而构成，但在采用直线状流路槽部时，可以为相同的长度。在上部侧的冷却介质入口连通孔25a与冷却介质出口连通孔25b之间设有与凹凸形状部34bt抵接的凹凸形状部64at。
需要说明的是，上部侧的凹凸形状部64at只要根据需要设置即可，例如，可以形成为平坦面。这是因为凹凸形状部34bt只要与平坦面抵接而构成迂回限制部138b即可。
这种情况下，在第三实施方式中，如图17、图18、图19及图20所示，在第一金属隔板134的下部侧及上部侧设有迂回限制部138a、138b，该迂回限制部138a、138b用于阻止冷却介质绕过冷却介质流路38而在所述冷却介质流路38的外周部流通的情况。
迂回限制部138a具有：在第一金属隔板134上设置在冷却介质入口连通孔25a与冷却介质出口连通孔25b之间的一个以上的凹凸形状部34bs；设置在与所述第一金属隔板134相邻的第三金属隔板136上，并与所述凹凸形状部34bs抵接的一个以上的凹凸形状部64as(参照图18)。
同样，迂回限制部138b具有：在第一金属隔板134上设置的一个以上的凹凸形状部34bt；设置在与所述第一金属隔板134相邻的第三金属隔板136上，并与所述凹凸形状部34bt抵接的一个以上的凹凸形状部64at(参照图17、图19～图22)。
因此，从冷却介质入口连通孔25a向冷却介质流路38供给的冷却介质不会绕过所述冷却介质流路38，而可靠地在所述冷却介质流路38中流通之后，向冷却介质出口连通孔25b排出。
此时，迂回限制部138a、138b只要对第一金属隔板134及第三金属隔板136自身进行冲压加工而一体地成形出凸部即可。因此，通过凸部能够将在冷却介质流路38的周围形成的迂回路良好地闭塞，并且通过简单且经济的结构能够尽量阻止冷却介质的捷径。
如图23及图24所示，本发明的第四实施方式的燃料电池140通过将多个发电单元142层叠而构成。
发电单元142通过在第一金属隔板134与第二金属隔板144之间夹持电解质膜-电极结构体16而构成。需要说明的是，在与第三实施方式的燃料电池130相同的结构要素上标注相同的参照符号，并省略其详细的说明。
第二金属隔板144在电解质膜-电极结构体16侧的面144a上设有燃料气体流路40，并且设有向所述第二金属隔板144的表背突出而与凹凸形状部34bs抵接的凹凸形状部64as及与凹凸形状部34bt抵接的凹凸形状部64at。
凹凸形状部64as与凹凸形状部34bs抵接而构成迂回限制部138a，并且凹凸形状部64at与凹凸形状部34bt抵接而构成迂回限制部138b。
电解质膜-电极结构体16与第一实施方式的第一电解质膜-电极结构体16a或第二电解质膜-电极结构体16b同样地构成。
在该第四实施方式中，将第一金属隔板134与第二金属隔板144重合而形成迂回限制部138a、138b。因此，通过简单且经济的结构，可得到能够尽量阻止冷却介质的捷径等与上述的第三实施方式同样的效果。

Claims (3)

1.一种燃料电池，其层叠有金属隔板和在电解质膜的两侧设有一对电极的电解质膜-电极结构体，并且在彼此相邻的所述金属隔板之间设有将该金属隔板成形为波形而使冷却介质流通的冷却介质流路，所述燃料电池的特征在于，
所述金属隔板具有长方形形状，在所述金属隔板的长边方向一端设有冷却介质入口连通孔，并且在所述金属隔板的长边方向另一端设有冷却介质出口连通孔，
在所述冷却介质流路的宽度方向的外周部设有迂回限制部，所述迂回限制部用于阻止所述冷却介质绕过该冷却介质流路，并且，
所述迂回限制部具备至少在一方的金属隔板上一体成形并与另一方的所述金属隔板抵接的凸部，
所述凸部设置在所述冷却介质入口连通孔与所述冷却介质出口连通孔之间，从而阻止所述冷却介质绕过所述冷却介质流路。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
所述凸部在各冷却介质入口连通孔的附近至少成形有一个，且在各冷却介质出口连通孔附近至少成形有一个。
3.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
所述金属隔板具有波形形状的多个波状突起部，所述冷却介质流路形成在多个所述波状突起部之间，并且，
所述凸部通过将与最外周的所述波状突起部接近且在与所述冷却介质流路的流动方向交叉的方向上的长度不同的两种凸状部位交替设置而构成。
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