CN111788729B - 燃料电池及其电池单元和电堆结构体 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池及其电池单元和电堆结构体。电池单元包括相对的第一隔片、第二隔片和层叠在所述第一和第二隔片之间的膜电极接合体，所述电池单元具有从电池单元延伸的面穿过所述第一隔片、第二隔片和所述膜电极接合体的多个燃料流体用开口部、多个冷却介质用开口部和多个氧化流体用开口部，其中至少一个燃料流体用开口部、至少一个冷却介质用开口部和至少一个氧化流体用开口部分布在所述电池单元的中央区域。

Description

燃料电池及其电池单元和电堆结构体

技术领域

本发明涉及燃料电池，尤其是涉及高输出密度和高容量的燃料电池的电池单元和电堆结构体。

背景技术

燃料电池是通过氢和氧经由电解质进行化学反应从而进行发电的装置，由于有助于减轻环境负荷等，因此有望得以实用化和普及。并且，燃料电池根据所使用的电解质的种类的不同，其发电温度、特性也存在差异，主要根据使用何种物质作为电解质来进行分类。大致进行区分的话，存在固体高分子电解质型(PEFC)、固体氧化物型(SOFC)、磷酸型(PAFC)以及溶融碳酸盐型(MCMF)这四种。

例如，在固体高分子电解质型燃料电池(PEFC)中具备下述电解质膜·电极接合体(MEA)，即：在由高分子离子交换膜形成的电解质膜的一个面配置阳极电极，在另一个面配置阴极电极。通过隔片夹持MEA来构成电池单元。PEFC的优点是工作温度低至60℃～90℃，即使小型化也具有良好的输出效率。PEFC燃料电池可用于汽车中。PEFC燃料电池还用于太阳能电池组合储能、通信天线的预备电池、人口稀少地区的电源、无人机等。

正和负的电极板夹住电解质膜的结构被称为电池单元。电池单元的正极(氧极)和负极(氢极)中存在有数量较多的细的流路，通过使由外部源提供的氧和氢夹着电解质膜通过该流路，从而发生反应，产生电。由于一组电池单元的输出有限，为了能够获得所需的输出，重叠多个电池并封装得到一个器件，称之为电堆型燃料电池。

对于燃料电池，要求具有高输出密度和高容量(高能量密度)。即，为了使燃料电池高效地发电，需要使构成燃料电池堆的各个电池单元高效地发电。为此，需要进行设计使得提供给各电池单元的氢、冷却水、空气等各种流体的供给变得均匀。燃料电池的输出与膜面积成比例，与其容积不成比例。对于尝试实现电堆型燃料电池的小型高输出化，增大电池单元的面积(催化剂反应面积)、缩短电池单元的间距是最为有效的。通过使催化剂反应面积增大，能够有效地增大堆的发电电流。此外，通过使间距缩短，能够提高燃料电池的输出密度。

但是，仅仅增大电池单元的面积或缩短间距，会导致氢、冷却水、空气等各种流体通过电池单元的内表面时的压力损耗变大。过大的压力损耗会导致电池的发电效率下降，因此需要努力尽可能减少损耗。

并且在现有技术中，通过共用通道的周边配置和各种流体的流动的交叉配置，使燃料气体、冷却介质或氧化气体的流动阻力变大，也无法获得较大的电池单元的面积。

非专利文献1和专利文献2中公开的燃料电池中，采用的是在催化剂层周围设置共用通道的结构，因此欠缺能够二维扩展催化剂反应面积的灵活性。此外，关于非专利文献1公开的车辆搭载用的燃料电池，由于流路的流动分布以三维方式交叉，因此催化剂反应面积的扩大更为困难。并且，关于专利文献1公开的燃料电池，由于形成于隔片的流路的沟道较深，因此存在下述缺点，即：局部形变应力集中施加到与该流路沟道的角部接触的发电功能层，从而导致耐久性的减少，燃料电池的寿命产生较大的问题。

专利文献3提供一种宽度方向宽的低长宽比构造的燃料电池，其在膜电极接合体的对向的两个边的外周部设有多个燃料气体流路开口部、冷却水流路开口部及氧化气体流路开口部。这种设计虽然有助于二维扩展催化剂反应面积，但是当宽度方向继续扩大时，流体通过电池单元的内表面时的压力损耗仍然会大到不可接受。

通道由于要应对燃料气体、冷却介质或氧化气体的流动阻力和提供给共用通道的气体的高压，现有技术难以使电池单元的堆叠个数增加。此外，作为现有的问题点，由于车辆搭载用的电池单元堆所能够设置的空间受限，因此，电池单元堆叠个数的增加存在极限。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2017-147134号公报

专利文献2：日本专利特开2016-096015号公报

专利文献3：WO2014/136965

非专利文献1：2016年度丰田MIRAI轿车型燃料电池汽车的产品信息

发明内容

本发明提供一种具有高输出密度、高容量的燃料电池及其电池单元和电堆结构体。

本发明的一个方面提供一种电池单元，包括相对的第一隔片、第二隔片和层叠在所述第一和第二隔片之间的膜电极接合体，所述电池单元具有从电池单元延伸的面穿过所述第一隔片、第二隔片和所述膜电极接合体的多个燃料流体用开口部、多个冷却介质用开口部和多个氧化流体用开口部，其中至少一个燃料流体用开口部、至少一个冷却介质用开口部和至少一个氧化流体用开口部分布在所述电池单元的中央区域。

在本发明的一实施例中，所述多个燃料流体用开口部、多个冷却介质用开口部和多个氧化流体用开口部形成在整个所述电池单元上周期性重复或以具有某一程度的波动周期性重复的多个基本单位，所述电池单元具有使所述基本单位的周期性重复终止的边缘结构。

在本发明的一实施例中，所述多个燃料流体用开口部、多个冷却介质用开口部和多个氧化流体用开口部分别包括供给用开口部和排出用开口部。

在本发明的一实施例中，所述基本单位包括至少两个所述燃料流体用开口部、至少两个所述冷却介质用开口部和至少两个所述氧化流体用开口部。

在本发明的一实施例中，不同基本单位之间，存在以下一个或多个不同：燃料流体用开口部的形状、位置、尺寸或其组合不同；冷却介质用开口部的形状、位置、尺寸或其组合不同；氧化流体用开口部的形状、位置、尺寸或其组合不同。

在本发明的一实施例中，所述基本单位为以二维布拉维晶格排列形成的开口部的图案的具有最小重复排列周期的单位。

在本发明的一实施例中，至少两个所述燃料流体用开口部、至少两个所述冷却介质用开口部和至少两个所述氧化流体用开口部分别包括供给用开口部和排出用开口部。

在本发明的一实施例中，至少两个所述燃料流体用开口部是由多个燃料流体用开口部或者其一部分构成；至少两个所述冷却介质用开口部是由多个冷却介质流体用开口部或者其一部分构成；至少两个所述氧化流体用开口部是由多个氧化流体用开口部或者其一部分构成。

在本发明的一实施例中，所述电池单元的最小发电体包含：大约四分之一个燃料流体供给用开口部、大约四分之一个燃料流体排出用开口部、大约四分之一个氧化流体供给用开口部、大约四分之一个氧化流体排出用开口部、大约二分之一个冷却介质供给用开口部和大约二分之一个冷却介质排出用开口部。

在本发明的一实施例中，所述基本单位和所述最小发电体有几何相似性。

在本发明的一实施例中，同一流体的供给用开口部和排出用开口部以彼此互补的关系配置于第一列和第二列，所述第一列不同时存在同一流体的供给用开口部和排出用开口部，所述第二列不同时存在同一流体的供给用开口部和排出用开口部。

在本发明的一实施例中，电池单元包括仅含有供给用开口部的第一列和仅含有排出用开口部的第二列，所述第一列和所述第二列在流体的流路方向上交叉排列。

在本发明的一实施例中，所述膜电极接合体包括第一气体扩散层、第一催化剂层、电解质膜、第二催化剂层和第二气体扩散层。

本发明的另一方面提供一种电堆结构体，包括多个如上所述的电池单元，所述多个电池单元堆叠成所述电堆结构体，其中：所述多个电池单元的燃料流体用开口部、冷却介质用开口部和氧化流体用开口部重叠，以分别构成所述电堆结构体的内部共用通道，所述内部共用通道用于将燃料流体、冷却介质和氧化流体提供至和排出所述多个电池单元。

在本发明的一实施例中，所述内部共用通道与所述多个电池的面基本上垂直或夹锐角。

在本发明的一实施例中，电堆结构体可包括：第一流路，配置在各电池单元内且供燃料流体流动；第二流路，配置在个电池单元内且供氧化流体流动；第三流路，配置在相邻电池单元之间且供冷却介质流动；其中所述第一流路至第三流路分别连接至对应的内部共用通道，且在各电池单元内设有控制流体在所述第一至第三流路的流动的密封材料。

在本发明的一实施例中，堆叠的多个电池单元中，相邻的电池单元之间的旋转角度为零度或者大于零度的预定角度。

在本发明的一实施例中，堆叠的多个电池单元的燃料流体用开口部之间、冷却介质用开口部之间和氧化流体用开口部之间分别具有相同形状和尺寸，以彼此获得匹配性的方式在直线或曲线上结合成所述内部共用通道。

在本发明的一实施例中，堆叠的多个电池单元的燃料流体用开口部之间、冷却介质用开口部之间和/或氧化流体用开口部之间彼此具有存在少许偏差的形状和尺寸，且在直线或曲线上形成所述内部共用通道。

本发明的又一个方面提供一种燃料电池，包括：如上所述的电堆结构体；以及第一端板和第二端板，从两侧夹住所述电堆结构体，所述第一端板和第二端板中的至少一个设有外部共用通道，所述外部共用通道与所述内部共用通道对应，用于供给和排出燃料流体、冷却介质或氧化流体。

在本发明的一实施例中，所述外部共用通道包含连接至外部发电辅助系统的多个第一导管以及连接至所述内部共用通道的多个第二导管。

在本发明的一实施例中，所述外部共用通道具有与所述内部共用通道对应的基本单位，且具有使所述基本单位的周期性重复终止的边缘结构。

在本发明的一实施例中，所述多个第一导管沿着所述开口部排列的方向设置，所述多个第一导管之间设置为平行或准平行以使得彼此不接触。

在本发明的一实施例中，所述多个第二导管沿着所述多个电池单元的堆叠方向设置，以使所述内部共用通道延长，所述多个第二导管导管设置为彼此不接触。

在本发明的一实施例中，所述多个第一导管和所述多个第二导管连接成彼此垂直或夹锐角，从所述多个第一导管的剖面观察，所述多个第二导管贯穿至所述多个第一导管的中央或中央附近，或者从所述剖面观察时，所述多个第二导管贯穿至所述多个第一导管的端部及端部附近，或者从所述剖面观察时，所述多个第二导管贯穿所述多个第一导管的中央与端部之间。

在本发明的一实施例中，从最远离所述电堆结构体的第一区起、经由第二区、到最靠近所述电堆结构体的第三区为止，所述第二导管在所述电池单元的面内的第一轴(A方向)上的宽度尺寸阶段性地扩大，并且，连接至冷却介质的外部外部发电辅助系统的第一导管以连接至位于所述第一区的燃料流体的内部共用通道的第二导管的宽度为基准线来进行设定，连接至氧化气体的外部发电辅助系统的第一导管以连接至位于所述第二区的冷却介质的内部共用通道的第二导管的宽度为基准线来进行设定。

在本发明的一实施例中，在所述内部共用通道和外部共用通道的边缘结构中，关于使所述开口部在所述电池单元的第一轴(A方向)的扩展终止的边缘结构是将位于端部的内部共用通道和外部共用通道的截面积设计为中间部的内部共用通道和外部共用通道的截面积的一半或大致一半，关于使所述开口部的在所述电池单元的第二轴(B方向)扩展终止的边缘结构，在所述第二轴上以燃料流体、冷却介质及氧化流体的内部共用通道和连接至内部共用通道的导管的构成作为基本区段，以所述基本区段的整数倍的区划为基准来使开口部在所述第二轴的扩展终止。

在本发明的一实施例中，所述燃料流体、冷却介质和氧化流体中任一流体的供给用外部共用通道和排出用外部共用通道设置于同一端板中，或者分开设置于两个端板中。

附图概述

本发明的特征、性能由以下的实施例及其附图进一步描述。

图1是本发明的一实施方式中电堆型燃料电池的结构图以及表示电池单元8的结构的剖视图。

图2是用于说明本发明的一实施方式中电池单元8的各层、和多个电池单元8之间的各种流体的流动31、32、33的剖视图。

图3是用于说明本发明的一实施方式中电池单元8的面内穿孔设置的开口部11、12、13的排列的布拉维晶格(Bravais lattice)图案的二维扩展的规则性的平面示意图。

图4是用于说明穿孔设置于本发明的一实施方式的电池单元8的面内的开口部11、12、13的排列的规则性的平面示意图。

图5是用于说明穿孔设置于本发明的一实施方式的电池单元8的面内的开口部11、12、13的排列的规则性的平面示意图。

图6是说明本发明的一实施方式中电堆结构体9在垂直方向上内设的内部共用通道41、42、42的形状的剖视图。

图7是说明本发明的一实施方式中电堆结构体9在垂直方向上内设的内部共用通道41、42、43的形状的剖视图。

图8是说明边使本发明的一实施方式的电堆结构体9在面内旋转边形成的内部共用通道41、42、43的形状的剖视图。

图9是局部示出各种流体的外部共用通道51、52、53内设于本发明的一实施方式的端板101、102的形态的示意图。

图10是局部示出各种流体的外部共用通道51、52、53内设于本发明的一实施方式的端板101、102的形态的剖视图。

图11是局部示出各种流体的外部共用通道51、52、53内设于本发明的一实施方式的端板101、102的形态的立体剖视图。

图12是局部示出各种流体的外部共用通道51、52、53内设于本发明的一实施方式的端板101、102的形态的剖视图。

图13是表示本发明的实施方式2所涉及的电堆型燃料电池的外观图。

图14是表示将图13所示的本发明的实施方式2的电堆型燃料电池的的电堆结构体9的部分去除后的状态的外观图。

图15是表示各种流体的外部共用通道51、52、53内设于本发明的实施方式2的端板102的形态的立体剖视图。

图16是表示各种流体的外部共用通道51、52、53内设于本发明的实施方式2的端板102的形态的立体剖视图。

图17是表示各种流体的外部共用通道51、52、53内设于本发明的实施方式2的端板102的形态的立体剖视图。

图18是说明本发明的一实施方式的电池单元8的各种流体的流路31、32、33的剖视图，其中(A)是阳极侧流动的燃料流体的流路31，(B)是阴极侧流动的氧化流体的流路33，(C)是相邻的电池单元8的隔片之间形成的冷却介质流动的流路32。

图中元件标号说明如下：

1 电解质膜

2、3 电极催化剂层、催化剂层

4、5 气体扩散层

6、7 隔片

8 电池单元

9 电堆结构体

11 燃料流体用开口部

11A 燃料流体的供给用开口部

11B 燃料流体的排出用开口部

12 冷却介质用开口部

12A 冷却介质的供给用开口部

12B 冷却介质的排出用开口部

13 燃料流体用开口部

13A 氧化流体的供给用开口部

13B 氧化流体的排出用开口部

14 矢量A

15 矢量B

16 二维布拉维晶格的基本单位

17 最小发电单位

18 基本区段

19 密封材料

21 燃料流体的连接口

21A 燃料流体的供给用连接口

21B 燃料流体的排出用连接口

22 冷却介质的连接口

22A 冷却介质的供给用连接口

22B 冷却介质的排出用连接口

23 氧化流体的连接口

23A 氧化流体的供给用连接口

23 氧化流体的排出用连接口

31 燃料流体的供给流动、燃料流体流动的流路

32 冷却介质的供给流动、冷却介质流动的流路

33 氧化流体的供给流动、氧化流体流动的流路

41 燃料流体的内部共用通道

41A 燃料流体的供给用内部共用通道

41B 燃料流体的排出用内部共用通道

42 冷却介质的内部共用通道

42A 冷却介质的供给用内部共用通道

42B 冷却介质的排出用内部共用通道

43 氧化流体的内部共用通道

43A 氧化流体的供给用内部共用通道

43B 氧化流体的排出用内部共用通道

51 燃料流体的外部共用通道

51A 燃料流体的供给用外部共用通道

51B 燃料流体的排出用外部共用通道

52 冷却介质的外部共用通道

52A 冷却介质的供给用外部共用通道

52B 冷却介质的排出用外部共用通道

53 氧化流体的外部共用通道

53A 氧化流体的供给用外部共用通道

53B 氧化流体的排出用外部共用通道

61 连接至燃料流体的外部BOP的导管

61A 连接至燃料流体供给用的外部BOP的导管

61B 连接至燃料流体排出用的外部BOP的导管

62 连接至冷却介质的外部BOP的导管

62A 连接至冷却介质供给用的外部BOP的导管

62B 连接至冷却介质排出用的外部BOP的导管

63 连接至氧化流体的外部BOP的导管

63A 连接至氧化流体供给用的外部BOP的导管

63B 连接至氧化流体排出用的外部BOP的导管

71 连接至燃料流体的内部共用通道的导管

71A 连接至燃料流体供给用的内部共用通道的导管

71B 连接至燃料流体排出用的内部共用通道的导管

72 连接至冷却介质的内部共用通道的导管

72A 连接至冷却介质供给用的内部共用通道的导管

72B 连接至冷却介质排出用的内部共用通道的导管

73 连接至氧化流体的内部共用通道的导管

73A 连接至氧化流体供给用的内部共用通道的导管

73B 连接至燃料流体排出用的内部共用通道的导管

80 外部共用通道的边缘结构

81 连接至燃料流体的外部BOP的导管(端部)

81A 连接至燃料流体供给用的外部BOP的导管(端部)

81B 连接至燃料流体排出用的外部BOP的导管(端部)

82 连接至冷却介质的外部BOP的导管(端部)

82A 连接至冷却介质供给用的外部BOP的导管(端部)

82B 连接至冷却介质排出用的外部BOP的导管(端部)

83 连接至氧化流体的外部BOP的导管(端部)

83A 连接至氧化流体供给用的外部BOP的导管(端部)

83B 连接至燃料流体排出用的外部BOP的导管(端部)

90 外部共用通道的边缘结构

91 连接至燃料流体的内部共用通道的导管(端部)

91A 连接至燃料流体供给用的内部共用通道的导管(端部)

91B 连接至燃料流体排出用的内部共用通道的导管(端部)

92 连接至冷却介质的内部共用通道的导管(端部)

92A 连接至冷却介质供给用的内部共用通道的导管(端部)

92B 连接至冷却介质排出用的内部共用通道的导管(端部)

93 连接至氧化流体的内部共用通道的导管(端部)

93A 连接至氧化流体供给用的内部共用通道的导管(端部)

93B 连接至氧化流体排出用的内部共用通道的导管(端部)

101 端板

102 端板

511 第1区

522 第2区

533 第3区

711 连接至燃料流体的内部共用通道的导管的连接部

722 连接至冷却介质的内部共用通道的导管的连接部

733 连接至氧化流体的内部共用通道的导管的连接部

F 列

G 列

K 列

J 列

本发明的较佳实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

下面，对本发明的一实施方式进行详细说明。

此处，参照附图，举例示出优选的实施方式来详细说明本发明的电堆型燃料电池。另外，在以下的说明中，以燃料电池为固体高分子型燃料电池的情况为例进行说明。其中，本发明的一实施方式中所记载的结构构件的材质、尺寸、形状、角度、其相对配置等只要没有特别地进行特定记载，那么本发明的范围就不仅限于这些记载。

根据本发明的一个方面，电池单元包括相对的第一隔片、第二隔片和层叠在第一和第二隔片之间的膜电极接合体。电池单元具有从电池单元延伸的面穿过第一隔片、第二隔片和膜电极接合体的多个燃料流体用开口部、多个冷却介质用开口部和多个氧化流体用开口部。至少一个燃料流体用开口部、至少一个冷却介质用开口部和至少一个氧化流体用开口部分布在电池单元的中央区域。

与仅仅在边缘区域排布开口部相比，在中央区域排布开口部可以使燃料流体、冷却介质、氧化流体在电池单元内的流动更为均衡。可以理解，开口部可以排布在中央区域的一部分。在本发明的上下文中，术语“中央区域”的范围应作广泛理解，而不限定为电池单元中心的小区域。例如，中央区域的面积可以达到电池单元表面的80％或者更多。

在一种实施方式中，多个燃料流体用开口部、多个冷却介质用开口部和多个氧化流体用开口部形成在整个电池单元上周期性重复或以具有某一程度的波动周期性重复的多个基本单位。这种实施方式中，开口部不限于排布在中央区域，也排布在中央区域以外的边缘区域。另外，电池单元可在中央区域以外的边缘区域具有使基本单位的周期性重复终止的边缘结构。

下面，对电堆结构体9的固体高分子型燃料电池的结构进行说明。

图1(A)是表示电堆结构体9的固体高分子型燃料电池的剖面结构的示意图的一个示例。本发明的各实施方式的电堆型燃料电池可使用纯氢、甲醇等各种燃料来作为燃料。在下面的示例中以氢作为燃料进行说明。

电堆结构体9可由一个或多个电池单元8堆叠而成。电池单元8可为图1(B)所示的层压叠片结构，在电池单元8中，1为电解质膜，夹着电解质膜1配置有一对电极催化剂层2、3(即，阴极侧催化剂层、阳极侧催化剂层)。接着，在电极催化剂层2、3的外侧分别配置气体扩散层4、5，在各个气体扩散层4、5的更外侧配置一对隔片6、7。层1-5构成膜电极接合体(MEA)。

电解质膜1是具有质子传导性的高分子膜，具有下述优异的特征：由于电解质为固体因此不存在因蒸发而产生的损失、能够实现薄膜化、工作温度低从而能够在从常温到摄氏90度附近进行工作等。工作温度低、输出密度高在作为汽车用途的动力源时是有用的。

配置于电解质膜1的两侧的电极催化剂层2、3中，发生阳极和阴极的燃料电池反应。在电极催化剂层2、3的阳极侧，促使进行氢分解成质子和电子的反应(氢氧化反应)。在电极催化剂层2、3的阴极侧，促使进行由质子、电子、氧生成水的反应(氧还原反应)。

配置于电极催化剂层2、3的两侧的气体扩散层4、5承担将反应流体(燃料流体、氧化流体)向电极催化剂层2、3扩散、输送的功能。起到收集发电得到的电的集电体功能的构件是隔片6、7。在后文中，燃料流体以气体(氢气)为例，氧化流体以气体(氧气或含空气)为例进行说明。

隔片6、7因对阳极反应流体(燃料流体)和阴极反应流体(氧化流体)进行分离而被称为隔片。由图2可知，在隔片6、7的阳极侧(图中上侧)形成有燃料流体流通的第一流路31，在隔片6、7的阴极侧(图中下侧)形成有氧化流体流通的第二流路33。在两相邻电池单元8的相邻隔片6、7的相邻侧形成有冷却介质流通的第三流路32。

密封材料19(参考图18)承担对各电池单元8进行密封的功能、以及在电池单元8精加工出各种流体流动的流路31、32、33并将各种流体送入电池单元8的功能。可通过减少隔片6、7自身的厚度和各种流体的流路31、32、33的高度来实现。

具有构成电堆结构体9的电池单元8的燃料电池的发电功能如图1(B)和图2所示那样，通过层压7个功能层得到的结构来实现。下面，对本发明的一实施方式的电池单元电堆型燃料电池的结构进行详细说明。对由电池单元8、内部共用通道41、42、43、流路31、32、33、外部共用通道51、52、53构成的四部分结构进行说明。外部共用通道51例如包括导管61、71；外部共用通道52例如包括导管62、72；外部共用通道53例如包括导管63、73。类似地，外部共用通道51A例如包括导管61A、71A，以此类推。

[电池单元]

接着，基于图1～图5说明本发明所涉及的电池单元8。

本发明的一实施方式的电池单元8若在其面内方向上则可任意地进行二维扩展。“在面内方向上可任意地进行二维扩展”如图3所示，是指能够根据需要自由自在地增大电池单元8在面内方向上的有效面积。在使电池单元8的面内方向上的有效面积增大的情况下，可以根据后述的二维布拉维晶格的具有对称性的图案，增加用于构成内部共用通道41、42、43的开口部11、12、13的数量。即使电池单元8的有效面积扩大，设置于电池单元8的面内的开口部11、12、13的尺寸也仍是固定的、或者没有大幅变化，开口部11、12、13的尺寸不会伴随着上述有效面积的扩大而扩大。另外，“面内方向”是指与电池单元8的面平行的方向。此外，“电池单元8的面内方向上的有效面积”是指催化剂层2、3的反应面积。

通过使电池单元8的有效面积变化，从而规定了仅取决于电池单元8所包含的催化剂层2、3的面积的发电电流，因此，能够在不改变电堆型燃料电池的电压的情况下从电堆型燃料电池获得较大的输出电流，能够使输出密度增大而不依赖于发电电压。

如图1(B)所示，电池单元8可通过下述方式制作得到，即：按隔片6、7、气体扩散层4、5、催化剂层2、3、电解质膜1、催化剂层2、3、气体扩散层4、5、隔片6、7的顺序加在一起对7个功能层进行层压。可以理解的是，电池单元8中的各开口部11、12、13仅会与它们被期望连通的那些功能层连通。例如开口部11是流通燃料流体，则开口部11仅会与气体扩散层4、5中的一个连通。开口部13是流通氧化流体，则开口部13仅会与气体扩散层4、5中的另一个连通。开口部12是流通冷却介质，则开口部12仅会与相邻隔片之间的冷却流路连通。在开口部与其穿过而不期望连通的层之间，可以设置一圈密封材料。

堆积多个上述的电池单元8，从而构成电堆结构体9。电堆结构体9是堆积多个电池单元8后得到的燃料电池主体。用于车辆时，可堆叠数百个来进行使用。并且，本发明的一方式的电池单元8构成的电堆结构体9能够任意地进行三维扩展。“任意地进行三维扩展”如图1所示，是指除了能够在电池单元8延伸的面内方向上任意地进行二维扩展之外，还能够在电池单元8的堆叠方向上自由自在地增加电池单元8的堆叠个数。这里，C方向的定义是电池单元8的重叠方向(堆叠方向)。图1中横向引出的虚线箭头表示二维扩展的方向。图1中纵向引出的虚线箭头表示堆叠方向的扩展。

此外，通过使电池单元8的堆叠个数变化，能够决定电池单元电堆型燃料电池的输出电压。

这里，对本发明中所提及的各种流体进行说明。各种流体是指在电池单元电堆型燃料电池中循环的燃料流体、冷却介质以及氧化流体。从外部的流体供给源送入的各种流体在燃料电池内的具体路径如下所述。该具体路径由从外部BOP(将在后文描述)输出的各种流体的入口、供给用外部共用通道51A、52A、53A(包括连接至供给用的外部BOP的第一导管61A、62A、63A以及连接至供给用的内部共用通道的第二导管71A、72A、73A)、供给用内部共用通道41A、42A、43A、电池单元8(由7个功能层构成)、排出用内部共用通道41B、42B、43B、排出用外部共用通道51B、52B、53B(连接至排出用的内部共用通道的第二导管71B、72B、73B以及连接至排出用的外部BOP的第一导管61B、62B、63B)、以及流向外部BOP的出口组成。

另外，为了阐明本的目的，在上述一系列路径中，将电堆结构体9中内设的内部共用通道41、42、43的穿孔设置于电池单元8的切口称为“开口部11、12、13”，将内部共用通道41、42、43与外部共用通道51、52、53的连接部称为“连接口21、22、23”。

设置于电池单元8的开口部11、12、13在进行堆叠从而形成内部共用通道41、42、42之前可视为电池单元8的一部分，而在重叠电池单元8制作完成电堆结构体9之后，可认为其为内部共用通道41、42、43。简而言之，电池单元8的开口部11、12、13在堆叠电池单元8之后成为内部共用通道41、42、43。

形成构成内部共用通道41、42、43的设置于电池单元8的开口部11、12、13的方法有机械加工、激光加工、蚀刻等。

[内部共用通道]

接着，基于图3～图8说明本发明所涉及的内部共用通道41、42、43。

在堆叠多个电池单元8而构成的电堆结构体9的内侧内设有内部共用通道41、42、43。内部共用通道41、42、43具有下述功能，即：从外部供给源将各种流体提供给燃料流体、冷却介质及氧化流体的流路31、32、33，并将使用完成后的流体排出至外部。各种流体的供给用内部共用通道41A、42A、43A及各种流体的排出用内部共用通道41B、42B、43B设置为与电池单元8的面内方向垂直或夹锐角。

此外，成为燃料流体的内部共用通道41的部分是从燃料流体的供给用连接口21A开始，经由燃料流体的供给用开口部11A及燃料流体的排出用开口部11B，到燃料流体的排出用连接口21B为止的距离。成为冷却介质的内部共用通道42的部分是从冷却介质的供给用连接口22A，经由冷却介质的供给用开口部12A及冷却介质的排出用开口部12B，到冷却介质的排出用连接口22B为止的距离。成为氧化流体的内部共用通道43的部分是从氧化流体的供给用连接口23A开始，经由氧化流体的供给用开口部13A及氧化流体的排出用开口部13B，到氧化流体的排出用连接口23B为止的距离。

如已说明的那样，将在电池单元8的面内以二维布拉维晶格的具有对称性的图案为基本单位16进行的重复应用于开口部11、12、13。使内部共用通道41、42、43的数量对应于一个电池单元8中所设置的开口部11、12、13的面内的数量来形成是理所当然的结果。基本单位16为以二维布拉维晶格排列形成的开口部的图案的具有最小重复排列周期的单位。

上述的“垂直”是指内部共用通道41、42、43被设为与电池单元8的面成直角即90度的角度，“夹锐角”是指被设为与电池单元8的面夹45度以上且小于90度的角度。

图3～图5是表示面内方向的电池单元8的示意图。在这些图中可看出用于构成各种流体的内部共用通道41、42、43的开口部11、12、13的排列。

开口部11、12、13的布局是以二维布拉维晶格的图案在面内进行配置。或者，开口部11、12、13的布局也可以以存在少许波动的二维布拉维晶格的图案在面内进行配置。“以二维布拉维晶格的图案在面内进行配置”是指在图3中，由于用矢量A表示标号“14”，用矢量B表示标号“15”，并将布拉维晶格的二维扩展的基本单位16作为重复单位来进行处理。因此，只要应用具有对称性的布拉维晶格的图案，那么从图3所示的任意的开口部11、12、13起作为起点均能够绘制出形成所述基本单位16的形状的矢量A和矢量B。图3中示出使用矢量A和矢量B来表示的布拉维晶格的二维扩展的基本单位16。该示例中，基本单位16形成为斜方晶格的形状，根据位于其四根边线(包含矢量A、B)包围的内侧的开口部11、12、13的数量，来决定基本单位16。具体而言，图3的基本单位16中，作为位于由四根边线包含的区域内侧的开口部11、12、13的数量按如下方式确定：由于与其四根边线相交的四个燃料流体开口部11在其内侧为1/2，因此燃料流体开口部11总计计算为2个；与两根边线相交的两个冷却介质用开口部12在其内侧为1/2，合计为1个，位于不与边线相交的部位的冷却介质用开口部12为1个，因此冷却介质的开口部12总计计算为2个；位于基本单位16的四个角的氧化流体的开口部13在其内侧为1/4，合计为1个，位于不与边线相交的部位的氧化流体的开口部13为1个，因此氧化流体用开口部13总计计算为2个。所以，包含位于边线相交的部位的开口部11、12、13和不与边线相交的部位的开口部11、12、13(边线内侧)，若将它们全部相加，则将两个燃料流体用开口部11、两个冷却介质用开口部12、以及两个氧化流体用开口部13全部相加，总计由六个开口部构成基本单位16。这里所提及的“包含”是指包含位于被二维布拉维晶格的基本单位的边线包围的内侧的区域的开口部。除上述以外，可列举应用边线为6根的二维布拉维晶格的基本单位16的六边晶格作为示例。

图4、图5中，为了引出电池单元8的发电功能，将图3所示的开口部11、12、13分别分为供给用和排出用，按下述那样进行区分。即：燃料流体供给用开口部11A、冷却介质供给用开口部12A、氧化流体供给用开口部13A、燃料流体排出用开口部11B、冷却介质排出用开口部12B、氧化流体排出用开口部13B。为了便于排列外部共用通道51、52、53，形成供给用内部共用通道41A、42A、43A的供给用开口部11A、12A、13A以及形成排出用内部共用通道41B、42B、43B的排出用开口部11B、12B、13B的布局，由图4、图5所示的用布拉维晶格的二维扩展的基本单位16进行重复处理来构成。图4、图5所示的“最小发电体17”是指由使燃料电池起作用的最低限度必要的供给用和排出用开口部11、12、13构成的发电体。最小发电体17中，作为位于由四根边线包含的区域内侧的开口部11、12、13的数量全部为二个(含)以上或以下的开口部，分别由四分之一个(含)以上或以下的燃料流体的供给用开口部11A，二分之一个(含)以上或以下的冷却介质的供给用开口部12A，四分之一个(含)以上或以下的氧化流体的供给用开口部13A，四分之一个(含)以上或以下的燃料流体的排出用开口部11B，二分之一个(含)以上或以下的冷却介质的排出用开口部12B，和四分之一个(含)以上或以下的氧化流体的排出用开口部13B构成。

由图4、图5可知，所述最小发电体17不能够周期性展开、其所包含的区域内侧的开口部数量和所述基本单位16所包含的区域内侧的开口部数量不同，但是所述基本单位16和所述最小发电体17有几何相似性、都具有燃料流体、冷却介质和氧化流体的供给用和排出用的6种类开口部。因此，布拉维晶格的二维扩展的基本单位16在理论上更准确地表示了周期性和对称性，与使燃料电池起作用的所述最小发电体17相对应。另外，图4、图5中，供给用开口部11A、12A、13A的符号由X标记来表示，排出用开口部11B、12B、13B的符号由黑色圆形标记来表示。

“波动”是指在物理学中，具有广度或强度的量(能量、密度、电压等)相对于空间上或时间上的平均值的变动。作为考虑波动的方法，测定值或许可以单纯地认为是物理量的值，但实际上会随机出现各种状态。因此，物理量的波动的值也各种各样。表示相对于测定值存在何种程度的偏差的值即为波动。

即，在电池单元8的面内布局设计的开口部11、12、13的尺寸、形状和排列位置可以完美无缺，即使具有少许尺寸波动、形状波动或少许位置波动也没有关系。具体地说，各个基本单位的开口部11之间，尺寸、形状和/或排布位置可以有少许差别，类似的，各个基本单位的开口部12之间，以及/或者各个基本单位的开口部13之间，尺寸、形状和/或排布位置可以有少许差别。

这里，对布拉维晶格进行说明。结晶具有被称为晶格的周期性的规则准确的原子排列，结晶也可认为是晶格单位(连结晶格点而得到的结构)的重复。将使用准确地排列的规则性进行分类、且根据晶格点组的对称性进行分类得到的晶格结构称为布拉维晶格。二维布拉维晶格的分类中包含由斜方晶格、长方晶格、六边晶格、正方晶格、面心长方晶格构成的五种进行重复的单位。

作为将这种具有布拉维晶格的规则性的进行重复的基本单位16(参照图3)应用于构成内部共用通道41、42、43的电池单元8的开口部11、12、13的布局设计的理由，可列举下述内容等，即：在电池单元8的整体均匀地提供及排出各种流体，由于可抑制流动的压力损耗而使得配流性变好，电池单元8的面积的有效利用。

另外，图3～图5所示的是在电池单元8的面内方向上排列的、构成内部共用通道41、42、43的开口部11、12、13。对开口部11、12、13的排列的形态进行说明的图3～图5中，将所有的开口部11、12、13的形状和尺寸大小设为相同来表示。它们未必一定要相同。根据各种流体的内部共用通道41、42、43的形状和宽度尺寸，能依据各种流体的流量变化适当地设定各种流体的开口部11、12、13的形状和尺寸大小(关于具有不同宽度尺寸的内部共用通道41、42、43请参照后述的图6和图7)。另外，在附图中，为了制图的方便，用带有圆弧的矩形来表示开口部11、12、13的形状，但实际上其他形状，或者是这些不同形状的组合也可以使用。

这里，参照图3、图4对表示构成内部共用通道41、42、43的电池单元8的开口部11、12、13的排列的规则性的一个示例进行详细说明。

如图3所示，各种流体用的开口部11、12、13的排列的基本单位16根据布拉维格子的各种图案来进行二维扩展。图3是电池单元8的面内方向的示意图，举例证明了布拉维晶格的斜方晶格的图案的规则性。

此外，如图4所示，构成设置为与电池单元8的面内垂直或夹锐角的各种流体的内部共用通道41、42、43的开口部11、12、13中，三种流体(燃料流体、冷却介质或氧化流体)的供给用开口部11A、12A、13A与三种流体的排出用开口部11B、12B、13B位于沿着流路31、32、33最为接近的相对的位置。若列举具体例，则在图4中可以看到，氧化流体的供给用开口部13A和氧化流体的排出用开口部13B设置在沿着电池单元8的氧化流体的流路方向最相邻的位置。若设置为最相邻，则由于同种类(该情况下为氧化流体)的流体的流动在中途不会中断，因此具有使燃料电池的反应更好促进的效果。由于最大限度地利用了所有的催化剂反应面积，因此不会浪费催化剂反应面积。

这里，参照图4对表示构成内部共用通道41、42、43的电池单元8的开口部11、12、13的排列的规则性的又一示例进行详细说明。

图4进一步示出的是混合存在有各种流体的供给用开口部11A、12A、13A和各种流体的排出用开口部11B、12B、13B的示例。包含这些开口部11、12、13的F列和G列彼此具有互补关系。即，在一个F列或G列的任一个中，相同种类的流体的供给用开口部11A、12A或13A和相同种类的排出用开口部11B、12B、13B不会共同存在于相同列。由此，在电池单元8的流路31、32、33的交叉方向(图3的B方向)上，一列中仅排列配置相同种类的供给用开口部11A、12A、13A或相同种类的流体的开口部11B、12B、13B，因此内部共用通道41、42、43容易与外部共用通道51、52、53相连。

关于这一点，通过列举具体示例来进行说明。若燃料流体的排出用开口部11B排列在F列，则燃料流体的供给用开口部11A排列在相邻的其他的G列。若冷却介质的供给用开口部12A排列在F列，则冷却介质的排出用开口部12B排列在相邻的其他的G列。若氧化流体的供给用开口部13A排列在F列，则氧化流体的排出用开口部13B排列在相邻的其他的G列。

进一步地，参照图5对表示构成内部共用通道41、42、43的电池单元8的开口部11、12、13的排列的规则性的其他示例进行详细说明。

图5所示的是使各种流体的供给用开口部11A、12A、13A或各种流体的排出用开口部11B、12B、13B的任一个排列在电池单元8的面内方向的J列或K列的示例。仅供给用开口部11A、12A、13A或排出用开口部11B、12B、13B构成于相同列，所构成的列在流路方向(A方向)上交叉排列。即，供给专用的J列和排出专用的K列交叉排列。若利用这种结晶学的图案来按各种流体以列为单位设计内部共用通道41、42、43，则外部共用通道51、52、53容易进行排列配置。

再次，如图3～图5所示，在电池单元8的面内方向上布局设置的开口部11、12、13应用上述的具有对称的二维布拉维晶格的图案，以具有周期性的二维排列的方式来进行设计。即，按照将二维布拉维晶格的具有对称性的图案作为重复单位的具有周期性的准确的规则性来进行排列。或者，能够按照布拉维晶格的具有对称性的图案带有少许波动的具有周期性的二维排列来设计开口部11、12、13。

此外，由于布拉维晶格的对称性的图案存在有五种(斜方晶格、长方晶格、六边晶格、正方晶格、面心长方晶格)，因此，本发明的实施方式当然并不限于图3～图5所说明的示例。

如上所述，基于上述的开口部11、12、13的布局，若将相关联的开口部11、12、13彼此重叠，则其结果是形成具有图6、图7所示形状的内部共用通道41、42、43。由此形成的内部共用通道41、42、43可通过下述方式得到，即：堆叠各电池单元8，若具有其上下位置关系的电池单元8的开口部11、12、13彼此具有相同形状和尺寸，则在获得了相互的匹配性的直线或曲线上使它们结合。并且，具有上述形状的内部共用通道41、42、43在存在上下位置关系的电池单元8的开口部11、12、13彼此具有少许偏差的形状和尺寸的情况下，则虽然上下相邻的开口部不匹配，但由于使它们在直线或曲线上结合，因此仍然相连通而不会存在问题。因此这些实施例从而能够允许燃料电池的形状具有一定程度的灵活性，并且能够实现燃料电池的小型化。即，如上所述，设置于电池单元8延伸的面内方向上的开口部11、12、13可以在电池单元8延伸的面内沿垂直方向或夹锐角方向以获得匹配性的方式相结合，也可以在不具有匹配性的情况下相结合。这种布局中，各种流体的流动可以得到改善的效果。

另外，此处所说的“匹配性”是指分别设置于第1电池单元8和第2电池单元8的开口部11、12、13以相同形状和尺寸相结合，其结果是，各种流体的内部共用通道41、42、43即使是直线状或曲线状共用通道，其截面的宽度尺寸在整个管中仍相同。(参照图6(A)、(B)、(C))。

在将设置有图3、4、5所例示的各种流体的开口部11、12、13的电池单元8沿电堆结构体9的垂直方向重叠的情况下，能够形成图6所示那样的具有匹配性的内部共用通道41、42、43。图6(A)是各种流体的内部共用通道41、42、43在与电池单元电堆结构体9垂直的方向上相互平行，获得匹配的示例。图6(B)是各种流体的内部共用通道41、42、43在与电池单元8夹锐角的方向上相互平行，具有匹配性的示例。图6(C)是各种流体的内部共用通道41、42、43在与电池单元电堆结构体9夹锐角的方向上相互非平行，具有匹配性的示例。

并且，“非匹配性”是指分别设置于第1电池单元8和第2电池单元8的开口部11、12、13以多多少少存在偏差的形状和尺寸相结合，其结果是，各种流体的内部共用通道41、42、43即使是直线状或曲线状共用通道，其截面的宽度尺寸在整个管中也会发生变化。(参照图7(A)、(B)、(C)、(D))。

在将设置有图3、4、5所示的开口部11、12、13的电池单元8沿垂直方向重叠的情况下，能够形成图7所示那样的不具有匹配性(非匹配性)的内部共用通道41、42、43。图7(A)是各种流体在内部共用通道41、42、43的流动是相同方向、它们的内部共用通道41、42、43的中心线相互平行地配置的示例。图7(B)是各种流体在内部共用通道41、42、43的流动是不同方向、它们的内部共用通道41、42、43的中心线相互不平行地配置的示例。图7(C)是各种流体在内部共用通道41、42、43的流动是不同方向、它们的内部共用通道41、42、43的中心线平行地配置的示例。图7(D)是各种流体在内部共用通道41、42、43的流动是不同方向、它们的内部共用通道41、42、43的中心线平行地配置的示例。图7(A)、(B)、(C)、(D)所有的情况下，内部共用通道41、42、43均设置为与电池单元8垂直或夹锐角。图7(B)、(C)是内部共用通道41、42、43配置成紧凑型的示例。

图7所示的内部共用通道41、42、43形成为前端狭窄的喷嘴的形状。即，内部共用通道41、42、43的入口附近的宽度尺寸比它们的出口附近的宽度尺寸要大。图6所示的内部共用通道41、42、43是宽度尺寸均等的通常的形状，流动具有下述倾向：从入口起，随着距离增加，动能损耗变大，速度变慢。通过使出口附近的宽度尺寸变窄，其会牺牲流体能量和压力，取而代之的是能够提高动能，不会减弱流动，向电池单元8提供各种流体。

图8所示的是以使电池单元8的面内按螺旋状旋转的方式重叠而形成的内部共用通道41、42、43。在沿电堆结构体9的垂直方向重叠电池单元8时，按接下来的步骤形成内部共用通道41、42、43。存在相邻的电池单元8间的面内配置的旋转角度为零的情况、以及以规定的角度旋转的情况。“旋转角度为零”是指以不旋转的完美无缺的对准定位来重叠电池单元8。“以规定的角度旋转”可以包括其中电池堆结构体9的电池单元8可以螺旋旋转的情况。基于图2、图4、图5说明本发明所涉及的流路31、32、33。由此，内部共用通道41、42、43的各种流体的流动得到改善。

[流路]

如上所述，由于电池单元8被堆叠，因此，在其两侧，如图2中详细示出的那样，同样的电池单元8相邻。在电池单元8的阳极侧，在隔片6、7与气体扩散层4、5之间设置有渗透气体扩散层4、5的燃料流体流通的流路31，在电池单元8的阴极侧，在隔片6、7与气体扩散层4、5之间设置有渗透气体扩散层4、5的氧化流体流通的流路33，在电池单元8之间设置有冷却介质流动的流路32。另外，图4和图5示出在各开口部11、12、13的沿着B方向的列之间，各种流体流动的流路31、32、33的轨迹。流路沿A轴的两个方向流动。

如图18所示，各种流体向电池单元8的供给和排出，是由各种流体开口部的密封部位处的密封材料19来控制。各种流体的供给用开口部11A、12A、13A和各种流体的排出用开口部11B、12B、13B的附近实施密封。也就是说，和对应流体无关的开口部被堵住，对应流体不会流入无关的流路；也就是说，密封材料19的作用是，将各种流体的内部共用通道41、42、43，连接到电池单元8内和电池单元8之间的各种流体的各自所符合的流路31、32、33上，能提供和排出各自互相不干涉的各种流体。这里，图18记载的实线箭头表示的是，各种流体的流动方向。

图18(A)显示了燃料流体流通的流路31，在那里为了向电池单元8提供燃料流体的供给和排出，将冷却介质的流路32入口的供给用开口部12A，出口的排放用开口部12B(图18(C))，以及氧化流体的流路33入口的供给用开口部13A，出口的排放用开口部13B(图18(B))的全部用密封材料19封住，使冷却介质和氧化流体不会流入燃料流体流通的流路31。

图18(B)显示了氧化流体流通的流路33，在那里为了向电池单元8提供氧化流体的供给和排出，将燃料流体的流路31入口的供给用开口部11A，出口的排放用开口部11B(图18(A))，以及冷却介质的流路32入口的供给用开口部12A，出口的排放用开口部12B(图18(C))的全部用密封材料19封住，使燃料流体和冷却介质不会流入氧化流体流通的流路33。

图18(C)显示了冷却介质流通的流路32，在那里为了向电池单元8提供冷却介质流体的供给和排出，将燃料流体的流路31入口的供给用开口部11A，出口的排放用开口部11B(图18(A))，以及氧化流体的流路33入口的供给用开口部13A，出口的排放用开口部13B(图18(B))的全部用密封材料19封住，使燃料流体和氧化流体不会流入冷却介质流通的流路32。

图18(A)显示了燃料气体流经的流路31以及燃料气体供给用开口部11A和排出用开口部11B的密封部位。通过不密封连接到流路31上的开口部11A、11B的部位，而密封连接到流路32和流路33上的开口部11A、11B的部位，来实现对电池单元8的燃料气体供给和排出。燃料流体流动的路径如下。也就是，供给用内部共用通道41A、供给用开口部11A、流路31、排出用开口部11B、排出用内部共用通道41B。其结果，被供给的燃料流体通过阳极侧气体扩散层4，能到达了阳极催化剂层2，促进燃料流体的电子分离的氢氧化反应，使电子移动到外部电路，电池单元8发电。

图18(B)显示了氧化气体流经的流路33以及氧化气体供给用开口部13A和排出用开口部13B的密封部位。通过不密封连接到流路33上的开口部13A、13B的部位，而密封连接到流路31和流路32上的开口部13A、13B的部位，来实现对电池单元8的氧化气体供给和排出。氧化流体流动的路径如下。也就是，供给用内部共用通道43A、供给用开口部13A、流路33、排出用开口部13B、排出用内部共用通道43B。其结果，被供给的氧化流体通过阴极侧的气体扩散层5，能到达阴极催化剂层3，促进从质子和电子和氧制作水的氧还原反应，电池单元8发电。

图18(C)显示了冷却介质流通的流路32以及冷却介质供给用开口部12A和排出用开口部12B的密封部位。通过不密封连接到流路32上的开口部12A、12B的部位，而密封连接到流路31和流路33上的开口部12A、12B的部位，来实现冷却介质在电池单元8之间循环。冷却介质流动的路径如下。也就是，供给用内部共用通道42A、供给用开口部12A、流路32、排出用开口部12B、排出用内部共用通道42B。

[外部共用通道]

接着，基于图9～图12说明本发明所涉及的外部共用通道51、52、53。另外，图3～12中记载的虚线箭头表示的是为了方便作图而省略了“进行重复的部分”的部位，但并不包含该进行重复的部分无限持续的含义。此外，图9～图12中进行图解的外部共用通道51、52、53中呈现的波状的轮廓线表示的是切下省略部分后的状态。

由电池单元8构成的电堆结构体9的两端被端板101(第一端板)、102(第二端板)夹入。在该端板101、102中设有各种流体的供给用外部共用通道51A、52A、53A以及排出用外部共用通道51B、52B、53B。即，全部的六种外部共用通道51、52、53均设置于端板101、102。即，端板101、102中设有燃料流体的供给用外部共用通道51A和燃料流体的排出用外部共用通道51B、冷却介质的供给用外部共用通道52A和冷却介质的排出用外部共用通道52B、氧化流体的供给用外部共用通道53A和氧化流体的排出用外部共用通道53B。该端板101、102沿着电池单元8堆叠的上、下两个方向紧固电堆结构体9并具有作为电极的集电板的功能。通过设置于端板101、102的外部共用通道51、52、53，使各种流体流通至被堆叠的各个电池单元8的功能层。本实施方式中，也可以认为端板101、102兼具外部共用通道51、52、53的功能。

如已说明的那样，在电池单元8的面内，将具有二维布拉维晶格的规则性的基本单位16重复地应用于开口部11、12、13。内部共用通道41、42、43的数量对应于一个电池单元8中所设置的开口部11、12、13的数量，以基本单位16重复地来形成是理所当然的结果。并且，由于内部共用通道41、42、43与外部共用通道51、52、53经由连接口21、22、23相连，因此，连接至内部共用通道的导管71、72、73也与设置于一个电池单元8的开口部11、12、13的数量、以及内部共用通道41、42、43的数量相对应，重复地形成具有布拉维晶格的规则性的基本单位16是理所当然的结果(参照图9～12)。

例外地不应用具有二维布拉维晶格的规则性的基本单位16的是后述的连接至外部BOP的导管61、62、63。连接至应用了具有布拉维晶格的规则性的基本单位16的各种流体的内部共用通道的导管71、72、73与连接至没有应用具有布拉维晶格的规则性的基本单位16的外部BOP的导管61、62、63贯通。

图9(A)～12(A)是示出各种流体的外部共用通道51、52、53内设于本发明的一实施方式的端板101、102的形态的立体剖视图。由图9(A)～12(A)可知，在外部共用通道51、52、53中，沿着B方向设置有连接至外部BOP的导管61、62、63。并且，在外部共用通道51、52、53中，沿着C方向设置有连接至内部共用通道的导管71、72、73。图9～图12基于图4的对电池单元8的面内所形成的开口部11、12、13的排列规则性进行说明的示意图。

BOP是Balance of Plant(发电辅助系统)的缩略词，是提供燃料、空气的泵、控制发电的电气电路等发电辅助设备的统称。指的是改良器、鼓风机、升压器、加湿器、热交换器、直流交流变换器等发电系统的周边设备。

连接至所述外部BOP的导管61、62、63沿着与电池单元8内的燃料流体、冷却介质及氧化流体的流路31、32、33交叉的B方向延长设置。B方向是与由开口部11、12、13构成的F列和G列的排列(图4)相同的方向。连接至各种流体用的所述外部BOP的导管61、62、63以相互不接触的方式设置为平行或基本上平行。

“设置为基本上平行”是指偏离B方向一定范围倾斜设置，这也是倾斜加工后的结果。存在下述情况，即：分别与外部BOP连接的导管61、62、63设置为基本上平行，调整与连接至内部共用通道的导管71、72、73的连接，从而使得流动变得容易。

连接至所述内部共用通道的导管71、72、73以使所述内部共用通道41、42、43延长的方式沿着所述电池单元8的堆叠方向延长设置。这些连接至内部共用通道的导管71、72、73以相互不接触的方式设置为平行或基本上平行。

另外，在图9～图12所图示的示例中，连接至各种流体用的外部BOP的导管61、62、63设置为相互平行。并且，连接至各种流体用的内部共用通道的导管71、72、73设置为相互平行。并且，虽然绘制了连接至各种流体用的外部BOP的导管61、62、63和连接至内部共用通道的导管71、72、73以90度的角度正交的示例，但本发明的实施方式并不限于该示例。作为交叉的角度，例如可以在1度以上且小于90度的范围内进行设定。

图9(A)是局部示出各种流体的外部共用通道51、52、53内设于本发明的一实施方式的端板101或102的形态的立体图。

图9(C)是表示与连接至图9(A)的内部共用通道的导管71、72、73一致的连接口21、22、23的排列的示意图。具体而言，图9(C)中的燃料流体的供给用连接口21A和燃料流体的排出连接口21B、冷却介质的供给用连接口22A和冷却介质的排出用连接口22B、以及氧化流体的供给用连接口23A和氧化流体的排出用连接口23B对应于连接至图9(A)所示的内部共用通道的导管71、72、73。图9(A)中的向上箭头表示向电堆结构体9的供给方向，对应于图9(C)中用X标记表示的各种流体的供给用连接口21A、22A、23A。图9(A)中的向下箭头表示从电堆结构体9的排出方向、对应于图9(C)中的用黑色圆形标记表示的各种流体的排出用连接口21B、22B、23B。图9(C)所示的T-T’表示图9(B)中端板101、102的投影图的朝向。

图9(B)是端板101、102中形成各种流体的外部共用通道51、52、53时的投影图。图9(C)根据从T-T’侧观察到的投影图，用实线表示实际观察到的边，用虚线来填补看不到的边。根据该投影图，为了使外部共用通道51、52、53互不干涉，将所述端板102分为第1区511、第2区522、第3区533，阶段性地改变并设计连接至所述内部共用通道的导管71、72、73的宽度尺寸。所述在A轴的两个方向上的宽度尺寸从距离电堆结构体9最远的位置即第1区511开始，经由中间位置即第2区522，到最靠近电堆结构体9的位置即第3区533为止，沿着A轴的两个方向按区域阶段性地变大。另外，图9(B)的右端示出各区的位置关系。并且，连接至所述冷却介质的外部BOP的导管62以连接至位于所述第1区511的燃料流体的内部共用通道的导管71的宽度为基准线来进行设定，沿着A轴的两个方向被退后设置调整，所述氧化流体的连接至外部BOP的导管63以连接至位于所述第2区522的冷却介质的内部共用通道的导管72的宽度为基准线来进行设定，沿着A轴的两个方向被退后设置调整。

如图9(B)所示，连接至外部BOP的导管61、62、63和连接至所述内部共用通道的导管71、72、73相互垂直地连接。连接至燃料流体的供给用内部共用通道的导管71A贯通连接至位于第1区511的燃料流体的供给用外部BOP的导管61A的中央。接着，连接至冷却介质的内部共用通道的导管72B贯穿连接至位于第2区522的冷却介质的排出用外部BOP的导管62B的端部。并且，连接至氧化流体的排出用内部共用通道的导管73B贯穿连接至位于第3区533的氧化流体的排出用外部BOP的导管63B的端部。另外，虽然未进行图示，但连接至构成外部共用通道的外部BOP的导管61、62、63和连接至所述内部共用通道的导管71、72、73也可以相互夹锐角地连接。此外，虽然未进行图示，但连接至内部共用通道的导管71、72、73可以贯通连接至外部BOP的导管61、62、63的大致中央、或者大致端部、或者两者之间。

外部共用通道51、52、53的截面积优选为根据上述的各种流体的流量变化来适当地确定。燃料流体由于在流动中途会被消耗，因此流量存在变化。在流量变化显著的燃料流体的外部共用通道51中，虽然燃料流体在流动中途所有组成都能够被消耗，但由于流动速度快，因此可以将外部共用通道的截面积设定得较小以使得能够以一定气压来进行供给。冷却介质在发电时不会被消耗。对于没有流量变化的冷却介质，为了提高其冷却效率、且发挥来自冷却介质用的外部共用通道52的两面侧的冷却效果，优选在燃料流体用的外部共用通道51与氧化流体用的外部共用通道53之间设置冷却介质用的外部共用通道52。由于外部共用通道的表面积越大，冷却效果越高，因此，其截面积优选为设定得较大。在氧化流体的外部共用通道53中，虽然作为全部成分的一部分的氧被消耗，但作为主要成分的流体没有被消耗，因此，与燃料流体的外部共用通道51相比，因进行反应而导致的减少量较少。为了适当地提供氧含量较少的氧化流体，优选将氧化流体的外部通道53的截面积设定得较大。

由于在所述电堆结构体9的两侧存在有端板101、102，因此，可以将各种流体的供给用外部共用通道51A、52A、53A及各种流体的排出用外部共用通道51B、52B、53B设置在位于单侧的一个端板102，或者也可以分开设置在位于两侧的端板101、102。作为具体例，可以在端板101设置燃料流体的供给用外部共用通道51A和燃料流体的排出用外部共用通道51B，在端板102设置冷却介质的供给用外部共用通道52A和冷却介质的排出用外部共用通道52B、氧化流体的供给用外部共用通道53A和氧化流体的排出用外部共用通道53B。

图10(A)是局部示出各种流体的外部共用通道51、52、53内设于本发明的一实施方式的端板101或102的形态的立体图。图10(B)是示出下述形态的剖视图P-P’，即：在本发明的一实施方式的端板101或102形成了连接至燃料流体排出用的内部共用通道的导管71B和连接至燃料流体排出用的外部BOP的导管61B的接合部、以及连接至氧化流体排出用的内部共用通道的导管73B和连接至氧化流体排出用的外部BOP的导管63B的接合部。位于距离电堆结构体9最远的位置的第1区511中，连接至燃料流体排出用的内部共用通道的导管71B与连接至冷却介质和氧化流体的内部共用通道的导管72、73相比宽度尺寸最小，贯穿设置于连接至燃料流体排出用的外部BOP的导管61B。位于距离电堆结构体9最近的位置的第3区533中，连接至氧化流体排出用的内部共用通道的导管73B与连接至燃料流体和冷却介质的内部共用通道的导管71、72相比宽度尺寸最大，贯穿设置于连接至氧化流体排出用的外部BOP的导管63B。

图10(C)是表示与连接至图10(A)的内部共用通道的导管71、72、73一致的连接口21、22、23的排列的示意图。图10(C)中的燃料流体的供给用连接口21A和燃料流体的排出连接口21B、冷却介质的供给用连接口22A和冷却介质的排出用连接口22B、以及氧化流体的供给用连接口23A和氧化流体的排出用连接口23B对应于连接至图10(A)所示的内部共用通道的导管71、72、73。图10(A)中向上的箭头表示向电堆结构体9的供给方向，对应于图10(C)中X标记所表示的各种流体的供给用连接口。图10(A)中向下的箭头表示从电堆结构体9排出的排出方向，对应于图10(C)中黑色圆形标记所表示的各种流体的排出用连接口。图10(C)中所示的P-P’是图10(B)的剖面的截断位置。

图11(A)是局部示出各种流体的外部共用通道51、52、53内设于本发明的一实施方式的端板101或102的形态的立体图。图11(B)是示出下述形态的剖视图Q-Q’，即：在本发明的一实施方式的端板101或102形成了连接至冷却介质供给用的内部共用通道的导管72A和连接至冷却介质供给用的外部BOP的导管62A的接合部、以及连接至冷却介质排出用的内部共用通道的导管72B和连接至冷却介质排出用的外部BOP的导管62B的接合部。在位于从电堆结构体9起的中间位置的第2区522中，连接至冷却介质供给用的内部共用通道的导管72A的宽度尺寸比连接至燃料流体的内部共用通道的导管71的宽度尺寸要大，比连接至氧化流体的内部共用通道的导管73的宽度尺寸要小，贯穿设置于连接至冷却介质供给用的外部BOP的导管62A。在A轴的两个方向上相邻的连接至冷却介质排出用的内部共用通道的导管72B的宽度尺寸比连接至燃料流体的内部共用通道的导管71的宽度尺寸要大，比连接至氧化流体的内部共用通道的导管73的宽度尺寸要小，贯穿设置于连接至冷却介质排出用的外部BOP的导管62B。

图11(C)是表示与连接至图11(A)的内部共用通道的导管71、72、73一致的连接口21、22、23的排列的示意图。图10(C)中所示的Q-Q’是图11(B)的剖面的截断位置。另外，对与图10(A)(C)的内容相重复的部分标注相同的标号，并省略其一部分的说明。

图12(A)是局部示出各种流体的外部共用通道51、52、53内设于本发明的一实施方式的端板101或102的形态的立体图。图12(B)是示出下述形态的剖视图R-R’，即：在本发明的一实施方式的端板101或102形成了连接至氧化流体供给用的内部共用通道的导管73A和连接至氧化流体供给用的外部BOP的导管63A的接合部、以及连接至燃料流体供给用的内部共用通道的导管71A和连接至燃料流体供给用的外部BOP的导管61A的接合部。位于距离电堆结构体9最远的位置的第1区511中，连接至燃料流体供给用的内部共用通道的导管71A与连接至冷却介质和氧化流体的内部共用通道的导管72、73相比宽度尺寸最小，贯穿设置于连接至燃料流体供给用的外部BOP的导管61A。位于距离电堆结构体9最近的位置的第3区533中，连接至氧化流体供给用的内部共用通道的导管73A与连接至燃料流体和冷却介质的内部共用通道的导管71、72相比宽度尺寸最大，贯穿设置于连接至氧化流体供给用的外部BOP的导管63A。

图12(C)是表示与连接至图12(A)的内部共用通道的导管71、72、73一致的连接口21、22、23的排列的示意图。图12(C)中所示的R-R’是图12(B)的剖面的截断位置。另外，对与图10(A)～(C)的内容相重复的部分标注相同的标号，并省略其一部分的说明。

如上所述，本中，将各种流体的外部共用通道51、52、53与各种流体的内部共用通道41、42、43的连接点称为“连接口21、22、23”。为了使得不与外部共用通道51、52、53干涉，需要改变连接至内部共用通道的导管71、72、73的宽度尺寸进行设置，因此，存在连接至内部共用通道的导管71、72、73的宽度尺寸与作为内部共用通道侧的结构的连接口21、22、23的尺寸不一致的情况。因此，连接至内部共用通道的导管71、72、73需要改变其与连接口21、22、23的连接部711、712、713的形状，需要使两者间的形状和尺寸一致。如图9(B)所示那样，由于连接至燃料流体的内部共用通道的导管71与连接至冷却介质和氧化流体的内部共用通道的导管72、73相比宽度尺寸最小，因此，朝向连接部711将倾斜面增长，倾斜面的倾斜角度α为90度以下，在B轴的左右两个部位进行设置。如图9(B)所示那样，由于连接至冷却介质的内部共用通道的导管72的宽度尺寸比连接至燃料流体的内部共用通道的导管71的宽度尺寸要大，比连接至氧化流体的内部共用通道的导管73的宽度尺寸要小，因此，朝向连接部712适当地设定倾斜面，倾斜面的倾斜角度α为90度以下，在B轴的左右两个部位进行设置。如图9(B)所示那样，由于连接至氧化流体的内部共用通道的导管73与连接至冷却介质和燃料流体的内部共用通道的导管72、71相比宽度尺寸较大，因此不设置连接部713的倾斜面，而直接与连接口23连接。但是，上述的内容只是一个示例，并非必须要限定于此。或者，也可以不使其倾斜，而将上述连接部形成为圆角的形状或具有方角的形状，能够与内部共用通道41、42、43相连。

以下，基于附图1～18说明本发明的实施方式1、2，但本发明并不仅限于实施方式1、2。

实施方式1

使用图1～18，基于本前文所叙述的构成概念，对实施方式1的电堆型燃料电池进行说明。

如上所述，在电解质膜1的两面配置两个电极催化剂层2、3，在该两个电极催化剂层2、3的外侧配置气体扩散层4、5，进一步地，配置夹持它们的一对隔片6、7，由此能够制作得到作为本发明的一方式的电池单元8。换言之，具有燃料电池发电功能的是本发明的一实施方式的电池单元8。图2中示出在电池单元8内的各积层、和多个电池单元8之间流动的各种流体的流动(燃料流体的供给流动31、冷却介质的供给流动32、氧化流体的供给流动33)。

此外，图1(B)所示的是可通过下述方式制作得到的电池单元8，即：按隔片6、7、气体扩散层4、5、催化剂层2、3、电解质膜1、催化剂层2、3、气体扩散层4、5、隔片6、7的顺序加在一起对7层进行层压。

固体高分子电解质膜1通常可大致区分为氟系高分子电解质膜和碳化氢系高分子电解质膜。作为氟系高分子电解质膜，可列举出Nafion(注册商标、杜邦公司制造)、Flemion(注册商标、旭硝子公司制造)、Aciplex(注册商标、旭化成公司制造)等由全氟碳磺酸系聚合物、全氟化碳膦酸系聚合物、三氟苯乙烯磺酸系聚合物、乙烯四氟乙烯－g－苯乙烯磺酸系聚合物等形成的高分子膜。

另一方面，碳化氢系高分子电解质膜有全氟化、局部氟化、碳化氢系三种。

在本发明的一些实施例中，作为固体高分子电解质膜1，可优选使用氟系和碳化氢系任一种。此外，可以单独使用一种电解质，也可以合并使用两种以上的多种电解质。此外，也可以使用氟系和碳化氢系的共聚物结构、对支承膜的细孔填充膜等。

气体扩散层由支承层和平均细孔直径小于支承层的微孔层这两层构成，支承层优选由具有100nm以上90μm以下的细孔直径分布的导电性的碳基材构成。例如，可使用实施了防水处理的碳布、碳纸、碳不织布等。

作为隔片，例如可使用铝、铜、不锈钢等各种各样的金属薄片、金属箔、金属薄膜等。优选这些金属薄片、金属箔、金属薄膜由具有耐腐蚀性和机械强度的导电性材料形成。并且，更优选为所述金属薄片、金属箔、金属薄膜是经过表面涂布、涂层及表面物理化学处理从而耐腐蚀性、机械强度以及导电性变得更高的构件。在隔片设置有流路，流路是由凸部和凹部构成的沟道，其制造方法有涂装、印刷、蚀刻、冲压加工、切削加工等。

催化剂层中存在有阴极催化剂层和阳极催化剂层，由催化剂支持碳黑和铂等催化剂粒子形成。阴极催化剂层促进进行氧还原反应(由质子、电子和氧生成水的反应)，阳极催化剂层促进进行氢氧化反应(使氢分解成质子和电子的反应)。

车辆搭载用的燃料电池中，堆积数百个按上述方式制作而成的电池单元8来进行使用。各个电池单元8中，依照二维布拉维晶格的基本单位16设置开口部11、12、13，在开口部11、12、13的周围进行密封处理，通过堆叠多个电池单元8的处理，使开口部11、12、13重合，其结果使得内部共用通道41、42、43内设于电堆结构体9的内侧。内部共用通道41、42、43的具体结构及其机制的详细内容可参照前文的[内部共用通道]部分。形成这种设置于电池单元8的开口部11、12、13的方法有机械加工、激光加工、蚀刻等。开口部11、12、13周围的密封处理方法可以用各种有机密封材料、无机密封材料或有机和无机混合密封材料来密封，也可以是机械加工、激光加工、蚀刻等加工后密封粘合处理。

通过上述方法，开口部11、12、13设置于电池单元8，接着通过将电池单元8一片一片重叠，从而图6和图7所示那样的内部共用通道41、42、43内设于电堆结构体9的内侧。内部共用通道41、42、43的各种流体是途经各自的供给用开口部11A、12A、13A与其排出用开口部11B、12B、13B、提供给电池单元8，然后被排出的。如图18所述，向电池单元8提供和被排出的各种流体的流动，是由各种流体开口部的密封部位来控制。通过将图3～图5所示的具有二维布拉维晶格的规则性的重复的基本单位16应用于构成内部共用通道41、42、43的电池单元8的开口部11、12、13的布局设计，从而使得在内部共用通道41、42、43中流通的各种流体的流动得以促进。此外，能够最大限度地利用电池单元8的催化剂层的有效面积。

接着，按上述方式形成的内部共用通道41、42、43经由连接口21、22、23连接至外部共用通道51、52、53。由图9(A)～图12(A)可知，在外部共用通道51、52、53中，沿着B方向设置有连接至外部BOP的导管61、62、63。

并且，在外部共用通道51、52、53中，沿着C方向设置有连接至内部共用通道的导管71、72、73。

如图9(B)所示，连接至外部BOP的导管61、62、63和连接至所述内部共用通道的导管71、72、73相互垂直地连接。连接至内部共用通道的导管71、72、73贯穿连接至外部BOP的导管61、62、63的中央部或端部。

使导管71、72、73如上所述贯穿连接至外部BOP的导管61、62、63的效果包括防止各种流体的紊流。可以将连接至外部BOP的导管61、62、63作为三种供给口和排出口来设置在相同的端板101、102中。

外部共用通道51、52、53的具体结构及其机制的详细内容可参照前文的[外部共用通道]部分。

连接至内设有外部共用通道51、52、53的外部BOP的导管61、62、63以及连接至内部共用通道的导管71、72、73的形状的制作方法例如有切削加工。或者，也可以使用金属模具加工或3D打印机在端板101、102的块上制作出外部共用通道51、52、53。

实施方式2

接着，使用图13～17，对实施方式2的电堆型燃料电池进行说明。

图13是表示实施方式2所涉及的电堆型燃料电池的外观图。

图14是表示将图13所示的本发明的实施方式2的电堆型燃料电池的电堆结构体9的部分去除后的状态的端板102的外观图。图15是表示各种流体的外部共用通道51、52、53内设于本发明的实施方式2的端板102的形态的立体剖视图。图16是表示各种流体的外部共用通道51、52、53内设于本发明的实施方式2的端板102的形态的立体剖视图。图17是表示各种流体的外部共用通道51、52、53内设于本发明的实施方式2的端板102的形态的立体剖视图。另外，对与图1～12和图18所示的构件共通的构件标注相同的标号，并省略其一部分说明。

在图13～17所示的实施方式2中，主要的不同点在于对内部共用通道41、42、43和外部共用通道51、52、53实施了边缘结构，其他结构与图1～12和图18所示的实施方式1基本相同。

如图13所示，实施方式2的电池单元电堆型燃料电池由本发明的一方式的电池单元8堆叠成，具有被端板101、102夹住的电堆结构体9。

使作为本发明的一方式的电池单元8堆叠，具有被端板101、102夹住的电堆结构体9。实施方式2中，在端板101没有设置外部共用通道51、52、53，在端板102设置有各种流体的外部共用通道。

图15～17中，用剖视图的方式绘制了连接有导管61、62、63和导管71、72、73的形态，其中，导管61、62、63连接至位于端板102的中间部分的外部BOP，导管71、72、73连接至内部共用通道。并且，用剖视图的方式绘制了连接有导管81、82、83和导管91、92、93的形态，其中，导管81、82、83连接至位于端板102的边缘部分的外部BOP，导管91、92、93连接至内部共用通道。

图15是表示下述形态的立体剖视图，即：在本发明的实施方式2的端板102，形成有连接至边缘部分的燃料流体排出用的内部共用通道的导管91B和连接至燃料流体排出用的外部BOP的导管81B的接合部、连接至中间部分的燃料流体排出用的内部共用通道的导管71B和连接至燃料流体排出用的外部BOP的导管61B的接合部、以及连接至中间部分的氧化流体排出用的内部共用通道的导管73B和连接至氧化流体排出用的外部BOP的导管63B的接合部。

图16是表示下述形态的立体剖视图，即：在本发明的实施方式2的端板102，形成有连接至边缘部分的冷却介质供给用的内部共用通道的导管92A和连接至冷却介质供给用的外部BOP的导管82A的接合部、连接至中间部分的冷却介质排出用的内部共用通道的导管72B和连接至冷却介质排出用的外部BOP的导管62B的接合部、以及连接至中间部分的冷却介质供给用的内部共用通道的导管72A和连接至冷却介质供给用的外部BOP的导管62A的接合部。

图17是表示下述形态的立体剖视图，即：在本发明的实施方式2的端板102，形成有连接至边缘部分的氧化流体供给用的内部共用通道的导管93A和连接至氧化流体供给用的外部BOP的导管83A的接合部、连接至中间部分的燃料流体供给用的内部共用通道的导管71A和连接至燃料流体供给用的外部BOP的导管61A的接合部、以及连接至中间部分的氧化流体供给用的内部共用通道的导管73A和连接至氧化流体供给用的外部BOP的导管63A的接合部。

使用图14～17，对本实施方式2的边缘结构进行说明。实际的电堆结构体9的二维扩展是有限的，必定会存在边缘。为了将外部的供给源即外部BOP提供的各种流体均匀地提供至通过重叠电池单元8而构成的电堆结构体9的内侧，并使从电堆结构体9的内侧排出的各种流体均匀地排出，需要在内部共用通道41、42、43和外部共用通道51、52、53这两者中设置边缘结构。为此，在同一电池单元8平面内、将燃料流体供给用内部共用通道41A的布局和截面积(供给流动分布和流量)和燃料流体排出用内部共用通道41B的布局和截面积(排出流动分布和流量)设为均衡状态。并且，将冷却介质供给用内部共用通道42A的布局和截面积(供给流动分布和流量)和冷却介质排出用内部共用通道42B的布局和截面积(排出流动分布和流量)设为均衡状态。进一步地，将氧化流体供给用内部共用通道43A的布局和截面积(供给流动分布和流量)和氧化流体排出用内部共用通道43B的布局和截面积(排出流动分布和流量)设为均衡状态。

再者，各种流体供给排放的流程的均衡虽然是最适合，但即使不强求平衡，本发明各实施例的燃料电池也会发电，这是不言而喻的。

使开口部的A轴的两个方向扩展终止的边缘结构是沿着B方向设置的边缘结构。使开口部的A轴的两个方向扩展终止的边缘结构包含内部共用通道的边缘结构(未图示)和外部共用通道的边缘结构80、90。内部共用通道的边缘结构虽然没有进行图示，但其内设于电堆结构体9的沿着B轴的两个方向的两个端部。外部共用通道的边缘结构80、90如图14所示，内设于端板102的沿着B轴的两个方向的两个端部。使开口部的A轴的两个方向扩展终止的边缘结构被制作成维持连接至位于中间部分的外部BOP的导管61、62、63及连接至内部共用通道的导管71、72、73的截面的原始形状并形成为一半形状型，其结果使得连接至外部BOP的导管81、82、83和连接至内部共用通道的导管91、92、93的截面积成为位于中间部分的全部形状型的截面积的一半。在同一电池单元8平面内，使得和各种流体的供给用内部共用通道41A、42A、43A的分布和总截面积(包括边缘部分和中间部分)对应的供给流动分布和流量，分别与和各种流体的排出用内部共用通道41B、42B、43B的分布和总截面积(包括边缘部分和中间部分)对应的排出流动分布和流量处于均衡状态。

使开口部的B轴的两个方向扩展终止的边缘结构是沿着A方向设置的边缘结构。使开口部的B轴的两个方向扩展终止的边缘结构包含内部共用通道的边缘结构(未图示)和外部共用通道的边缘结构80、90。内部共用通道的边缘结构虽然没有进行图示，但其设置于电堆结构体9的沿着A方向的两个端部。外部共用通道的边缘结构如图14所示，设置于端板102的沿着A方向的两个端部。

使开口部的B轴的两个方向扩展终止的边缘结构以维持发电功能的基本区段18作为基准。基本区段18在所述B方向上由燃料流体、冷却介质及氧化流体的内部共用通道41、42、43和连接至内部共用通道的导管71、72、73构成。以所述基本区段的整数倍的区划为基准来使开口部的B轴的两个方向扩展终止，且沿着电堆结构体9和端板102的A方向形成两个端部的边缘结构。根据图14所示的示例，基本区段18涵盖的区域包括连接至一个燃料流体的内部共用通道的导管71、连接至一个冷却介质的内部共用通道的导管72、以及连接至一个氧化流体的内部共用通道的导管73。

若不实施边缘结构，则位于端部附近的各种流体的供给和排出的平衡会破坏，局部反应加强，从而给催化剂层造成较大的损害，进而导致破损，并且耐久性也会显著下降。

在上述说明的实施方式1、2中，优选尽可能増加较多的堆叠片数，同时尽可能将内部共用通道41、42、43的C方向的长度抑制在最小限度(即，使其平坦)。由此，能够将本发明的电池单元电堆型燃料电池设置在车辆的发动机室这样的有限的空间内，并且不一定需要设置用于利用高压送入氧化流体的压缩机，因此，制造成本得以削减，由于其轻量化从而能够作为小型飞机等的电源来利用。

此外，从供给和排出的平衡的观点出发，本发明的实施方式1、2中的内部共用通道41、42、43和外部共用通道51、52、53的布局并不限于上述示例，在不脱离本发明的要旨的范围内，可通过其他各种各样的方式来进行实施。

可通过实验仿真来确认通过上述方式构成的本发明的实施方式1、2的电池单元电堆型燃料电池中各种流体的流路的流动。

[燃料电池的工作原理]

电池单元电堆型燃料电池的工作原理如下所述。氢气被提供给阳极(被称为燃料极)，借助催化剂的帮助，电子从所提供的氢气中分离并向外部电路移动。这里，氢变化为氢离子(被称为质子)。另一方面，氧被提供给阴极(被称为空气极)。氧与从电解质膜通过的质子和从外部电路流入的电子进行反应从而生成水。

[本发明效果]

如通过已述的结构概念所说明的那样，通过改变所述电池单元8的有效面积，能够在不依赖于电压的情况下增加输出密度。此外，通过改变所堆叠的电池单元8的个数，能够决定所述燃料电池的输出电压。作为将这种具有布拉维晶格的规则性的进行重复的基本单位16(参照图3)应用于构成内部共用通道41、42、43的电池单元8的开口部11、12、13的布局设计的理由，可列举下述内容等，即：在电池单元8的整体均匀地提供及排出各种流体，由于可抑制流动的压力损耗而使得配流性变好，电池单元8的面积的有效利用。此外，若将同种流体(燃料流体、冷却介质或氧化流体)的供给用开口部11A、12A、13A与其排出用开口部11B、12B、13B沿着流路方向设置为最相邻，则由于同种流体的流动连续不断，能够更好促进燃料电池的反应、最大限度地有效利用了所有的催化剂反应面积。

根据上述说明的内部共用通道41、42、43以及外部共用通道51、52、53的布局，能够抑制发生流量不均。并且，由于能够将整体构成为紧凑型，因此能够提供具有高输出密度和高容量的电堆型燃料电池，能够高效地进行发电。并且，能够减小电堆型燃料电池所占的面积，能够提高发动机室内布局的自由度。通过抑制内部共用通道41、42、43内堆叠方向的偏流，从而能够进行更为均等的供给和排出。从而，能够减小流动的压力损耗、提高良好的配流性。此外，该布局还能够灵活地应对组装时的制造偏差。

内部共用通道41、42、43、外部共用通道51、52、53的结构简单且易于通过切削加工等手段来形成，因此，能够方便地制造端板101、102，与熔接并组装多个部件的情况等相比能够以低廉的价格进行制造。小型化的电堆型燃料电池在车载性、生产性、成本方面均表现优异。通过如上述那样对结构进行设计，从而即使不在电堆型燃料电池上安装特殊的外部装置，也能够使减少了流动阻力的各种流体遍及电池单元8面内。不仅仅出于流体的流动的观点，内部应力集中的现象也显著得到减少。尤其是能够消除局部应力集中到电解质膜1的情况，因此能够大幅延长电池单元电堆型燃料电池的寿命。

工业上的实用性

本发明的一实施方式可作为车辆搭载用的燃料电池来使用。

本发明不限于上述实施方式1、2，在不脱离其要旨的范围内可通过各种结构来得以实现。例如，为了解决上述问题及效果的一部分或全部，能够适当地替换、组合本发明的实施方式1、2所记载的技术特征。

Claims (26)

1.一种电池单元，包括相对的第一隔片、第二隔片和层叠在所述第一和第二隔片之间的膜电极接合体，所述电池单元具有从电池单元延伸的面穿过所述第一隔片、第二隔片和所述膜电极接合体的多个燃料流体用开口部、多个冷却介质用开口部和多个氧化流体用开口部，所述多个燃料流体用开口部、多个冷却介质用开口部和多个氧化流体用开口部形成在整个所述电池单元上周期性重复或以具有某一程度的波动周期性重复的多个基本单位，所述基本单位为以二维布拉维晶格排列形成的开口部的图案的具有最小重复排列周期的单位；其中至少一个燃料流体用开口部、至少一个冷却介质用开口部和至少一个氧化流体用开口部分布在所述电池单元的中央区域，所述电池单元在所述中央区域以外的边缘区域具有使所述基本单位的周期性重复终止的边缘结构。

2.如权利要求1所述的电池单元，其中，所述多个燃料流体用开口部、多个冷却介质用开口部和多个氧化流体用开口部分别包括供给用开口部和排出用开口部。

3.如权利要求1所述的电池单元，其中，所述基本单位包括至少两个所述燃料流体用开口部、至少两个所述冷却介质用开口部和至少两个所述氧化流体用开口部。

4.如权利要求1所述的电池单元，其中，不同基本单位之间，存在以下一个或多个不同：

燃料流体用开口部的形状、位置、尺寸或其组合不同；

冷却介质用开口部的形状、位置、尺寸或其组合不同；

氧化流体用开口部的形状、位置、尺寸或其组合不同。

5.如权利要求3所述的电池单元，其中，至少两个所述燃料流体用开口部、至少两个所述冷却介质用开口部和至少两个所述氧化流体用开口部分别包括供给用开口部和排出用开口部。

6.如权利要求3所述的电池单元，其中，至少两个所述燃料流体用开口部是由多个燃料流体用开口部或者其一部分构成；至少两个所述冷却介质用开口部是由多个冷却介质流体用开口部或者其一部分构成；至少两个所述氧化流体用开口部是由多个氧化流体用开口部或者其一部分构成。

7.如权利要求5所述的电池单元，其中，所述电池单元的最小发电体包含：大约四分之一个燃料流体供给用开口部、大约四分之一个燃料流体排出用开口部、大约四分之一个氧化流体供给用开口部、大约四分之一个氧化流体排出用开口部、大约二分之一个冷却介质供给用开口部和大约二分之一个冷却介质排出用开口部。

8.如权利要求7所述的电池单元，其中，所述基本单位和所述最小发电体有几何相似性。

9.如权利要求2或6所述的电池单元，其中，同一流体的供给用开口部和排出用开口部以彼此互补的关系配置于第一列和第二列，所述第一列不同时存在同一流体的供给用开口部和排出用开口部，所述第二列不同时存在同一流体的供给用开口部和排出用开口部。

10.如权利要求2或6所述的电池单元，其中，包括仅含有供给用开口部的第一列和仅含有排出用开口部的第二列，所述第一列和所述第二列在流体的流路方向上交叉排列。

11.根据权利要求1所述的电池单元，其中，所述膜电极接合体包括第一气体扩散层、第一催化剂层、电解质膜、第二催化剂层和第二气体扩散层。

12.一种电堆结构体，包括多个如权利要求1-11任一项所述的电池单元，所述多个电池单元堆叠成所述电堆结构体，其中：

所述多个电池单元的燃料流体用开口部、冷却介质用开口部和氧化流体用开口部重叠，以分别构成所述电堆结构体的内部共用通道，所述内部共用通道用于将燃料流体、冷却介质和氧化流体提供至和排出所述多个电池单元。

13.如权利要求12所述的电堆结构体，其中，所述内部共用通道与所述多个电池的面基本上垂直或夹锐角。

14.如权利要求12所述的电堆结构体，还包括：

第一流路，配置在各电池单元内且供燃料流体流动；

第二流路，配置在个电池单元内且供氧化流体流动；

第三流路，配置在相邻电池单元之间且供冷却介质流动；

其中所述第一流路至第三流路分别连接至对应的内部共用通道，且在各电池单元内设有控制流体在所述第一至第三流路的流动的密封材料。

15.如权利要求12所述的电堆结构体，其中，堆叠的多个电池单元中，相邻的电池单元之间的旋转角度为零度或者大于零度的预定角度。

16.如权利要求12所述的电堆结构体，其中，堆叠的多个电池单元的燃料流体用开口部之间、冷却介质用开口部之间和氧化流体用开口部之间分别具有相同形状和尺寸，以彼此获得匹配性的方式在直线或曲线上结合成所述内部共用通道。

17.如权利要求12所述的电堆结构体，其中，堆叠的多个电池单元的燃料流体用开口部之间、冷却介质用开口部之间和/或氧化流体用开口部之间彼此具有存在少许偏差的形状和尺寸，且在直线或曲线上形成所述内部共用通道。

18.一种燃料电池，包括：

如权利要求12-17任一项所述的电堆结构体；

第一端板和第二端板，从两侧夹住所述电堆结构体，所述第一端板和第二端板中的至少一个设有外部共用通道，所述外部共用通道与所述内部共用通道对应，用于供给和排出燃料流体、冷却介质或氧化流体。

19.如权利要求18所述的燃料电池，其中，所述外部共用通道包含连接至外部发电辅助系统的多个第一导管以及连接至所述内部共用通道的多个第二导管。

20.如权利要求18所述的燃料电池，其中，所述外部共用通道具有与所述内部共用通道对应的基本单位，且具有使所述基本单位的周期性重复终止的边缘结构。

21.如权利要求19所述的燃料电池，其中，所述多个第一导管沿着所述开口部排列的方向设置，所述多个第一导管之间设置为准平行以使得彼此不接触。

22.如权利要求19所述的燃料电池，其中，所述多个第二导管沿着所述多个电池单元的堆叠方向设置，以使所述内部共用通道延长，所述多个第二导管设置为彼此不接触。

23.如权利要求19所述的燃料电池，其中，所述多个第一导管和所述多个第二导管连接成彼此垂直或夹锐角，从所述多个第一导管的剖面观察，所述多个第二导管贯穿至所述多个第一导管的中央或中央附近，或者从所述剖面观察时，所述多个第二导管贯穿至所述多个第一导管的端部及端部附近，或者从所述剖面观察时，所述多个第二导管贯穿所述多个第一导管的中央与端部之间。

24.如权利要求19所述的燃料电池，其中，从最远离所述电堆结构体的第一区起、经由第二区、到最靠近所述电堆结构体的第三区为止，所述第二导管在所述电池单元的面内的第一轴（A方向）上的宽度尺寸阶段性地扩大，

并且，连接至冷却介质的外部发电辅助系统的第一导管以连接至位于所述第一区的燃料流体的内部共用通道的第二导管的宽度为基准线来进行设定，连接至氧化气体的外部发电辅助系统的第一导管以连接至位于所述第二区的冷却介质的内部共用通道的第二导管的宽度为基准线来进行设定。

25.如权利要求20所述的燃料电池，其中，在所述内部共用通道和外部共用通道的边缘结构中，关于使所述开口部在所述电池单元的第一轴（A方向）的扩展终止的边缘结构是将位于端部的内部共用通道和外部共用通道的截面积设计为中间部的内部共用通道和外部共用通道的截面积的大致一半，关于使所述开口部的在所述电池单元的第二轴扩展终止的边缘结构，在所述第二轴（B方向）上以燃料流体、冷却介质及氧化流体的内部共用通道和连接至内部共用通道的导管的构成作为基本区段，以所述基本区段的整数倍的区划为基准来使开口部在所述第二轴的扩展终止。

26.如权利要求20所述的燃料电池，其中，所述燃料流体、冷却介质和氧化流体中任一流体的供给用外部共用通道和排出用外部共用通道设置于同一端板中，或者分开设置于两个端板中。