专利名称：燃料电池以及用于燃料电池的隔板的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包括单元电池的燃料电池。每个单元电池包括电解质电极组件以及夹持电解质电极组件的隔板。所述电解质电极组件包括一对电极，以及被插入电极之间的电解质。反应气体通道延伸穿过隔板，用于使作为反应气体的燃料气体和含氧气体中的至少一种气体流经所述反应气体通道。此外，本发明还涉及用于燃料电池的隔板。
背景技术：
例如，固态聚合物电解质燃料电池使用薄膜电极组件(MEA)，所述薄膜电极组件包括阳极、阴极以及介于阳极和阴极之间的电解质薄膜。所述电解质薄膜为固态聚合物离子交换薄膜。所述薄膜电极组件和夹持薄膜电极组件的隔板构成用于发电的发电电池单元(单元电池)。在使用时，通常，预定数量的单元电池堆叠在一起，以便形成燃料电池堆。
在燃料电池中，在隔板的表面形成燃料气体流场(反应气体流场)和含氧气体流场(反应气体流场)。燃料气体沿着阳极流经燃料气体流场，而含氧气体沿着阴极流经含氧气体流场。此外，与燃料气体流场相连的燃料气体排放通道和燃料气体供应通道(反应气体通道)，以及与含氧气体流场相连的含氧气体排放通道和含氧气体供应通道(反应气体通道)，沿堆叠方向延伸穿过隔板。
在所述结构中，反应气体流场通过连接通路与反应气体通道相连(在桥接部分内形成的反应气体流场)。例如，所述连接通路包括用于使反应气体平稳并均匀流动的平行沟槽。但是，在紧固隔板、薄膜电极组件以及介于这些部件之间的密封件时，密封件可能会不合需要地变形并进入连接通路。因此，可能不会保持所需的密封性能。此外，如果连接通路被关闭，则反应气体不会合适地流动。
美国专利No.6066409公开了一种电化学燃料电池堆，如图21所示。所述燃料电池堆包括阳极隔板1a、1b，阴极隔板2a、2b以及MEA3。MEA3的阳极3a接触阳极隔板1a，MEA3的阴极3b接触阴极隔板2a。
所述MEA3包括封条4。燃料气体歧管5a和含氧气体歧管5b沿电池堆的堆叠方向延伸穿过MEA 3。在阴极隔板2b和阳极隔板1a之间形成有燃料气体通路6a，并且燃料气体歧管5a经开口7a从燃料气体通路6a连接到燃料气体流场8a。类似地，在阳极隔板1b和阴极隔板2a之间形成有含氧气体通路6b，并且含氧气体歧管5b经开口7b从含氧气体通路6b连接到含氧气体流场8b。
根据所公开的内容，在所述结构中，封条4没有面向与燃料气体歧管5a和含氧气体歧管5b相连的沟槽的开口，并且也不需要桥接件。
通常，在燃料电池堆中，供应有用于增湿用的水，并且在发电反应中产生水。这些水可能在燃料气体通路6a或含氧气体通路6b中凝结。因此，燃料气体通路6a和含氧气体通路6b很容易被封闭。从而无法将燃料气体和含氧气体供应到MEA3的发电区域，进而不会适当地完成发电。
为了确保将水有效地从燃料气体通路6a和含氧气体通路6b中排出，可以考虑增加流场阻力(压力损失)。如果在燃料气体通路6a或含氧气体通路6b内的沟槽的长度较长，则燃料电池堆的整个尺寸也会变大。
如果燃料气体通路6a或含氧气体通路6b的宽度或流场高度减小，并且横截面积减小，则由于水的表面张力作用，也不能将水有效地排出。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种结构简单、紧凑的燃料电池和隔板，在所述结构中，能够有效地排出水，并且达到所需的发电性能。
本发明涉及一种包括单元电池的燃料电池。所述单元电池包括电解质电极组件以及夹持电解质电极组件的隔板。所述电解质电极组件包括一对电极，以及被插入电极之间的电解质。反应气体通道延伸穿过隔板，用于使作为反应气体的燃料气体和含氧气体中的至少一种气体流经所述反应气体通道。在隔板之一内形成有反应气体流场，用于使反应气体沿着电解质电极组件的一个电极表面流动。此外，本发明涉及一种用于燃料电池的隔板。
隔板之一具有连接反应气体通道和反应气体流场的通路单元。所述通路单元包括第一开口和第二开口，其中所述第一开口在反应气体通道附近的位置延伸穿过所述隔板之一，用于使反应气体流经所述第一开口；所述第二开口在反应气体流场附近的位置延伸穿过所述隔板之一，用于使反应气体流经所述第二开口。
此外，优选设置有从电解质电极组件的一个电极表面起连接反应气体通道和第一开口的通路，以及在与所述一个电极表面相对的表面上连接第一开口和第二开口的连接通路。
此外，优选为每个单元电池或为每两个或更多个单元电池设置沿隔板表面延伸的冷却剂流场。
此外，优选地，所述连接通路由密封件形成。此外，优选地，在所述一个电极表面上设置用于堵塞第一开口和第二开口之间的区域的密封件。此外，优选地，所述通路由密封件形成。
此外，所述电解质电极组件具有下述结构的任意一种(i)在所述结构中，电解质电极组件包括第一电极、第二电极以及插入第一和第二电极之间的电解质薄膜，并且第二电极的表面积大于第一电极的表面积；(ii)在所述结构中，电解质电极组件包括一对电极，以及插入所述一对电极之间的电解质薄膜，并且一对电极中的一个电极的表面积、一对电极中的另一个电极的表面积以及电解质薄膜的表面积相同；(iii)在所述结构中，电解质电极组件包括一对电极和插入所述一对电极之间的电解质薄膜，并且电解质薄膜的表面积大于所述一对电极的表面积。
此外，本发明涉及一种燃料电池，所述燃料电池是通过沿堆叠方向堆叠多个单元电池而被制成的，并且在每个单元电池中，隔板夹持电解质电极组件。所述电解质电极组件包括电极、以及被插入电极之间的电解质。反应气体通道延伸穿过隔板，用于使作为反应气体的燃料气体和含氧气体中的至少一种气体流经所述反应气体通道。在隔板中的一个隔板内形成有反应气体流场，用于使反应气体沿着电解质电极组件的一个电极表面流动。
为每两个电池单元或更多个电池单元设置有沿隔板表面延伸的冷却剂流场，并且在相邻的第一和第二隔板之间形成有与反应气体通道相连的共用通路。
所述第一隔板具有第一反应气体流场，用于使反应气体沿着电解质电极组件的一个电极表面流动。第一开口延伸穿过所述第一隔板。所述第一开口被连接到共用通路上，用于使反应气体流经所述第一开口。第二开口在第一反应气体流场附近的位置处延伸穿过第一隔板，用于使反应气体流经所述第二开口。所述第二隔板具有用于使反应气体流过另一电解质电极组件的一个电极表面的第二反应气体流场，并且开口延伸通过第二隔板，用于连接共用通路和第二反应气体流场。
此外，优选所述共用通路是由密封件形成的。
此外，在本发明的隔板中，优选在隔板的一个表面上形成燃料气体流场，用于使作为反应气体的燃料气体沿着电解质电极组件的一个电极表面流动；在隔板的另一表面上形成含氧气体流场，用于使作为另一反应气体的含氧气体沿着电解质电极组件的另一电极表面流动。
根据本发明，隔板具有第一和第二开口。例如，反应气体从反应气体通道流入第一开口，随后，所述反应气体被从第二开口供应到反应气体流场。在所述结构中，由于第一和第二开口被设置在连接反应气体通道和反应气体流场的通路单元内，因此有效地增加了流场阻力(压力损失)。从而，有效地将水从通路单元排掉。
因此，反应气体被可靠地供给到发电区域，从而获得了所需的发电性能。此外，通路单元的长度有所减小，并且所述通路单元的结构变得简单和紧凑。
此外，在本发明中，为每两个或更多个单元电池设置冷却剂流场。此外，在第一和第二隔板之间形成有与反应气体通道相连的共用通路。因此，所述反应气体从所述共用通路分别地流入第一隔板的第一开口和第二隔板的开口。在所述结构中，流场内的沟槽的数量有所减少，并且流场结构被有效地简化。
从结合附图的下述说明中将更加明显可见本发明的上述以及其他目的、特征及优点，在附图中，以图解实例的方式表示出本发明的优选实施例。
图1是表示根据本发明第一实施例的燃料电池的单元电池(发电电池)的主要部件的分解透视图；图2是表示沿图1中的II-II线取的所述燃料电池的剖视图；图3是表示所述燃料电池的阴极侧金属隔板的前视图；图4是表示沿图1中的IV-IV线取的所述燃料电池的剖视图；图5是表示所述燃料电池的阳极侧金属隔板的前视图；图6是表示沿图1中的VI-VI线取的所述燃料电池的剖视图；图7是表示根据本发明第二实施例的燃料电池的单元电池的主要部件的分解透视图；图8是表示所述燃料电池的剖视图；图9是表示根据本发明第三实施例的燃料电池的单元电池的主要部件的分解透视图；图10是表示沿图9中的X-X线取的所述燃料电池的剖视图；图11是表示所述燃料电池的阳极侧金属隔板的前视图；图12是表示根据本发明第四实施例的燃料电池的单元电池的主要部件的分解透视图；图13是表示沿图12中的XIII-XIII线取的所述燃料电池的剖视图；图14是表示所述燃料电池的阳极侧金属隔板的前视图；图15是表示根据本发明第五实施例的燃料电池的主要部件的分解透视图；图16是表示所述燃料电池的剖视图；图17是表示所述燃料电池的阳极侧金属隔板的前视图；图18是表示所述燃料电池的中间金属隔板的前视图；图19是表示所述燃料电池的在含氧气体供应通道附近位置处的剖视图；图20是表示根据本发明第六实施例的燃料电池的剖视图；以及图21是表示传统电化学燃料电池堆的剖视图。
具体实施例方式
图1是表示根据本发明第一实施例的燃料电池10的单元电池12的主要部件的分解透视图。图2是沿图1中II-II线取的所述燃料电池10的剖视图，其中所述燃料电池10具有沿着箭头A所指方向堆叠多个单元电池而形成的堆叠结构。
如图2所示，所述燃料电池10具有沿着箭头A所指方向堆叠多个单元电池12所形成的堆叠结构。单元电池12包括薄膜电极组件(电解质电极组件)16，以及将薄膜电极组件16夹在中间的阳极侧金属隔板(一个隔板)18和阴极侧金属隔板(另一隔板)20。例如，所述阳极侧金属隔板18和阴极侧金属隔板20为钢板、不锈钢板、铝板、电镀钢板或者具有经过防腐蚀表面处理的表面的金属板。
在单元电池12的沿图1中箭头B所指的水平方向的一端处，沿箭头C所指的方向垂直地布置有用于排放含氧气体(反应气体)的含氧气体排放通道(反应气体通道)30b，用于排放冷却剂的冷却剂排放通道32b以及用于供应诸如含氢气体等燃料气体(反应气体)的燃料气体供应通道(反应气体通道)34a。所述含氧气体排放通道30b、冷却剂排放通道32b、以及燃料气体供应通道34a沿着箭头A所示的堆叠方向延伸穿过单元电池12。
在单元电池12的沿箭头B所示方向的另一端处，沿箭头C所指方向设置有用于排放燃料气体的燃料气体排放通道(反应气体通道)34b、用于供应冷却剂的冷却剂供应通道32a、以及用于供应含氧气体的含氧气体供应通道(反应气体通道)30a。所述燃料气体排放通道34b、冷却剂供应通道32a以及含氧气体供应通道30a沿着箭头A所指方向延伸穿过单元电池12。
所述薄膜电极组件16包括阳极(一个电极)38、阴极(另一个电极)40以及位于阳极38和阴极40之间的固态聚合物电解质薄膜(电解质)36。例如，所述固态聚合物电解质薄膜36是由用水浸渍全氟磺酸的薄膜而被制成的。阳极38的表面积小于阴极40的表面积。
每个阳极38和阴极40具有气体扩散层(未示出)，比如碳素纸，以及被支撑在多孔碳颗粒上的铂合金电极催化剂层(未示出)。所述碳颗粒均匀地沉积在气体扩散层的表面上。阳极38的电极催化剂层和阴极40的电极催化剂层分别形成在固态聚合物电解质薄膜36的两个表面。
如图1、3和4所示，阴极侧金属隔板20在其面向薄膜电极组件16的表面20a上具有含氧气体流场(反应气体流场)42。例如，含氧气体流场42具有用于使含氧气体沿着箭头B所示方向来回流动并向下移动的蛇形图案。所述含氧气体流场42与含氧气体供应通道30a以及含氧气体排放通道30b相连接。在含氧气体供应通道30a和含氧气体排放通道30b的附近设置有桥接件43a、43b，用以覆盖含氧气体流场42的入口和出口(见图3)。
如图5所述，阳极侧金属隔板18在其面向薄膜电极组件16的表面18a上具有稍后将要描述的燃料气体流场(反应气体流场)44。所述燃料气体流场44具有蛇形图案，用于使燃料气体沿箭头B所示方向来回流动并且沿箭头C所示方向向下移动。所述燃料气体流场44与燃料气体供应通道34a以及燃料气体排放通道34b相连。
如图1和6所示，在阳极侧金属隔板18的表面18b和阴极侧金属隔板20的表面20b之间形成有冷却剂流场46。所述冷却剂流场46与冷却剂供应通道32a以及冷却剂排放通道32b相连。所述冷却剂流场46包括沿箭头B所指方向在隔板表面上延伸的直沟槽。为每个单元电池12设置冷却剂流场46，或者为每两个或更多个单元电池12设置冷却剂流场46。
如图1和3所示，第一密封件50一体形成在阴极侧金属隔板20的表面20a、20b上，所述密封件50围绕阴极侧金属隔板20的外端。
如图2和3所示，所述第一密封件50包括一体形成在阴极侧金属隔板20的表面20a上的第一平面部分52，以及一体地形成在阴极侧金属隔板20的表面20b上的第二平面部分54。所述第二平面部分54比第一平面部分52宽。
如图2所示，所述第一平面部分52围绕薄膜电极组件16形成，并且从薄膜电极组件16的外端向外地间隔开。所述第二平面部分54围绕薄膜电极组件16形成，从而使得所述第二平面部分54沿堆叠方向与阴极40的外侧区域的预定面积相重叠。如图3所示，所述第一平面部分52被构造成使含氧气供应通道30a以及含氧气体排放通道30b与含氧气体流场42相连；所述第二平面部分54被构造成使冷却剂供应通道32a和冷却剂排放通道32b与冷却剂流场46相连。
如图1、2和5所示，第二密封件56一体地形成在阳极侧金属隔板18的表面18a、18b上，并且围绕阳极侧金属隔板18的外端。所述第二密封件56包括设置在阳极侧金属隔板18的外端附近、表面18a上的外侧封条58a。而且，所述第二密封件56包括与外侧封条58a向内地间隔开预定距离的内侧封条58b。
外侧封条58a和内侧封条58b的截面形状可以采用各种形状，比如锥形端形状、梯形和半圆柱形。如图2所示，所述外侧封条58a与设置在阴极侧金属隔板20上的第一平面部分52相接触，而内侧封条58b直接接触薄膜电极组件16的固态聚合物电解质薄膜36。
如图5所示，所述外侧封条58a围绕着含氧气体供应通道30a、冷却剂供应通道32a、燃料气体排放通道34b、燃料气体供应通道34a、冷却剂排放通道32b、以及含氧气体排放通道30b。所述内侧封条58b围绕燃料气体流场44。所述薄膜电极组件16的外端位于内侧封条58b和外侧封条58a之间。
在阳极侧金属隔板18的表面18b上设置有对应于外侧封条58a的外侧封条58c、以及对应于内侧封条58b的内侧封条58d。所述外侧封条58c和内侧封条58d的形状与外侧封条58a和内侧封条58b的形状相似。
如图5所示，外侧封条58a包括连接含氧气体供应通道30a和含氧气体流场42的多个接收器60，以及连接含氧气体排放通道30b和含氧气体流场42的多个接收器62。接收器60形成连接通路60a，而接收器62形成连接通路62a。
如图1和5所示，在阳极侧金属隔板18的表面18b上设置有连接冷却剂供应通道32a和冷却剂流场46的多个接收器64，以及连接冷却剂排放通道32b和冷却剂流场46的多个接收器66。接收器64形成连接通路64a，而接收器66形成连接通路66a。此外，在阳极侧金属隔板18的表面18b上，在燃料气体供应通道34a附近设置有多个接收器68，在燃料气体排放通道34b附近设置有多个接收器70。接收器68形成入口连接通路72，而接收器70形成出口连接通路74。
燃料气体供应通道34a被位于阳极侧金属隔板18的表面18a上的外侧封条58a所包围。接收器68被位于阳极侧金属隔板18的表面18b上的外侧封条58c和内侧封条58d所包围。多个第一供应孔(第一开口)76a延伸穿过接收器68和燃料气体供应通道34a之间的部分，在此处，外侧封条58a所包围的区域与外侧封条58c和内侧封条58d所包围的区域相互重叠。
多个第二供应孔(第二开口)76b延伸穿过接收器68和燃料气体流场44之间的部分，在此处，内侧封条58b所包围的区域与外侧封条58c以及内侧封条58d所包围的区域相互重叠。
也就是说，第一供应孔76a和第二供应孔76b形成连接燃料气体供应通道34a和燃料气体流场44的通路单元。所述通路单元可以包括三个或更多个供应孔(未示出)。
在接收器70附近设置有多个第一排放孔(第二开口)78a和多个第二排放孔(第一开口)78b。第一排放孔78a位于燃料气体流场44的末端附近，而第二排放孔78b位于燃料气体排放通道34b附近。
所述第一排放孔78a设置在表面18a上被内侧封条58b所包围的区域和表面18b上被外侧封条58c及内侧封条58d所包围的区域相重叠的部分上。所述第二排放孔78b设置在表面18a上被外侧封条58a所包围且在燃料排放通道34b周围的区域和表面18b上被外侧封条58c及内侧封条58d所包围的区域相重叠的部分上。
如图2所示，第一和第二密封件50、56形成通路80，所述通路80从第一气体供应通道34a延伸到第一供应孔76a。此外，所述第一和第二密封件50、56形成入口连接通路72。所述第一和第二密封件50、56阻塞第一和第二供应孔76a、76b之间的与入口连接通路72相对的区域。
下面将介绍所述燃料电池10的运行。
首先，如图1所示，向含氧气体供应通道30a供应含氧气体，向燃料气体供应通道34a供应燃料气体，比如含氢气体。此外，向冷却剂供应通道32a供应冷却剂，比如纯净水、乙二醇以及油。
这样，含氧气体从含氧气体供应通道30a通过连接通路60a流入阴极侧金属隔板20的含氧气体流场42(见图4)。所述含氧气体沿着箭头B所指的方向以蛇形图案顺着含氧气体流场42流动，并且向下流动，用于在薄膜电极组件16的阴极40处引起电化学反应(见图1和3)。
如图2所示，燃料气体从燃料气体供应通道34a向面向阳极38的表面18a流动。随后，所述燃料气体流入第一供应孔76a，并且被暂时地供应给表面18b。在表面18b上，由接收器68形成了入口连接通路72。所述燃料气体流经入口连接通路72，随后朝向表面18a流入第二供应孔76b。所述燃料气体被供应给燃料气体流场44。随后，如图5所示，所述燃料气体沿着箭头B所指的方向以蛇形图案顺着燃料气体流场44流动，并且向下流动，用于在薄膜电极组件16的阴极40处引发电化学反应。
这样，在每个薄膜电极组件16中，在阴极40和阳极38的催化剂层所发生的电化学反应中，供给阴极40的含氧气体以及供给阳极38的燃料气体被消耗，借此产生电能。
在阴极40处被消耗的含氧气体被排入含氧气体排放通道30b，并且沿箭头A所指方向流动。类似地，在阳极38处被消耗的燃料气体流入第一排放孔78a，并且流经出口连接通路74。随后，燃料气体流入第二排放孔78b。所述燃料气体被排入燃料气体排放通道34b，并且沿着箭头A所指方向流动。
此外，如图6所示，被供应给冷却剂供应通道32a的冷却剂经过连接通路64a流入在阳极侧金属隔板18和阴极侧金属隔板20之间形成的冷却剂流场46。所述冷却剂沿着箭头B所示方向流经冷却剂流场46。当所述冷却剂冷却薄膜电极组件16之后，所述冷却剂通过连接通路66a被排入冷却剂排放通道32b(见图1)。
在所述第一实施例中，阳极侧金属隔板18具有在燃料气体供应通道34a和燃料气体流场44入口之间的至少第一和第二供应孔76a、76b。来自燃料气体供应通道34a的燃料气体流经在阳极侧金属隔板18的表面18a上形成的通路80，并进入第一供应孔76a。随后，所述燃料气体流经表面18b上的入口连接通路72，并且朝向燃料气体流场44流入第二供应孔76b。
因而，在连接燃料气体供应通道34a和燃料气体流场44的通路单元(包括通路80以及由接收器68形成的入口连接通路72)中，由于设置了第一和第二供应孔76a、76b，使得流场阻力(压力损失)有所增加。因此，能够有效地从所述通路单元排出水。由此，可以给阳极38(发电区域)适当地供应燃料气体，并且获得所需的发电性能。此外，通路单元的长度得到缩短，以便实现简单并紧凑的结构。
在燃料气体排放通道34b和燃料气体流场44的出口之间至少形成有第一和第二排放孔78a、78b。因此，有效地增加了连接燃料气体流场44和燃料气体排放通道34b的通路单元内的流场阻力。从而，能够有效地将水从通路单元排向燃料气体排放通道34b。
图7是表示根据本发明第二实施例的燃料电池90的单元电池92的主要部件的分解透视图。图8是表示燃料电池90的剖视图。以相同的附图标记表示与根据第一实施例的燃料电池10的组成零部件相同的组成零部件，并且省略对其的说明。类似地，在后面的第三到第六实施例中，也以相同的附图标记表示与根据第一实施例的燃料电池10的组成零部件相同的组成零部件，并且省略对其的说明。
所述单元电池92包括薄膜电极组件94。所述薄膜电极组件94包括阳极38a、阴极40a，以及位于阳极38a和阴极40之间的固态聚合物电解质薄膜36。固态聚合物电解质薄膜36的表面积、阳极38a的表面积以及阴极40的表面积相同。
图9是表示根据本发明第三实施例的燃料电池100的单元电池102的主要部件的分解视图。图10是表示所述燃料电池100的剖视图。
所述单元电池102包括薄膜电极组件104以及将所述薄膜电极组件104夹在中间的阳极侧金属隔板106和阴极侧金属隔板108。所述薄膜电极组件104包括阳极38、阴极40a以及位于阳极38和阴极40a之间的固态聚合物电解质薄膜36a。固态聚合物电解质薄膜36的表面积大于阳极38a的表面积和阴极40的表面积。
如图10和11所示，阳极侧金属隔板106在其面向阳极38的表面18a上具有作为第二密封件56一部分的封条110。所述封条110被设置在与薄膜电极组件104的固态聚合物电解质薄膜36a的外端相对应的区域。
阴极侧金属隔板108在其面向阴极40a的表面20b上具有作为第一密封件50一部分的封条112。所述封条112以及封条110被相对地设置，以便夹持固态聚合物电解质薄膜36的外端。
在根据第二和第三实施例的燃料电池90、100中，在连接燃料气体供应通道34a和燃料气体流场44的通路单元内设置有第一和第二供应孔76a、76b；在连接燃料气体流场44和燃料气体排放通道34b的通路单元内设置有第一和第二排放孔78a、78b。因此，能够获得与根据第一实施例的燃料电池10相同的优点。
图12是表示根据本发明第四实施例的燃料电池120的单元电池122的分解透视图。图13是表示所述单元电池122在含氧气体入口处的剖视图。
所述单元电池122包括薄膜电极组件16以及夹持薄膜电极组件16的阳极侧金属隔板124和阴极侧金属隔板126。所述阴极侧金属隔板126在含氧气体供应通道30a附近具有多个第一供应孔(第一开口)128a，和在朝含氧气体流场42的方向与第一供应孔128a间隔开的位置设置的多个第二供应孔(第二开口)128b。
在含氧气体流场42的末端处形成有多个第一排放孔(第二开口)130a，并且在含氧气体排放通道30b附近形成有多个第二排放孔(第一开口)130b。
如图12和14所示，在阳极侧金属隔板124中，第二密封件56不包括任何接收器60、62。所述第二密封件56围绕第一供应孔128a和第二排放孔130b而形成。
如图12所示，外侧封条58c和内侧封条58d被如此成形使得含氧气体在含氧气体供应通道30a和含氧气体排放通道30b处沿着表面18b流动。
在第四实施例中，如图13所示，来自含氧气体供应通道30a的含氧气体流经连接通路60a并进入阴极侧金属隔板126的第一供应孔128a。所述含氧气体暂时地在冷却剂流场46的一侧流动。随后，所述含氧气体流入第二供应孔128b。所述含氧气体返回到含氧气体流场42一侧，并且被供应到含氧气体流场42。
在含氧气体流场42内的反应中被消耗的含氧气体流入第一排放孔130a，并流向冷却剂流场46一侧。随后，所述含氧气体流入第二排放孔130b，并且被排入含氧气体排放通道30b。
在第四实施例中，在连接含氧气体供应通道30a和含氧气体流场42的通路单元中，由于设置了第一和第二供应孔128a、128b，从而增加了所述通路单元内的压力损失，因此能够从通路单元中有效地排出水。此外，阴极侧金属隔板126不再需要桥接板。
图15是表示根据本发明第五实施例的燃料电池140的主要部件的分解透视图。图16是表示所述燃料电池140的剖视图。
所述燃料电池140是通过沿着箭头A所指方向堆叠燃料电池单元142而制成的。每个燃料电池单元142包括大致两个单元电池。所述燃料电池单元142包括阳极侧金属隔板(第一隔板)146、第一薄膜电极组件144、中间金属隔板(第二隔板)148、第二薄膜电极组件16以及阴极侧金属隔板20。
所述第一薄膜电极组件144包括阳极38b、阴极40b以及位于阳极38b和阴极40b之间的固态聚合物电解质薄膜36b。阳极38b的表面积小于阴极40b的表面积。固态聚合物电解质薄膜36b、阳极38b和阴极40b的相对端部在上部和下部位置处被切除，以便减小表面积。
在阳极侧金属隔板146中，在燃料气体供应通道34a和燃料气体流场44之间形成有多个第一供应孔150a和多个第二供应孔150b。类似地，在燃料气体流场44和燃料气体排放通道34b之间形成有多个第一排放孔152a和多个第二排放孔152b。
与第一实施例中所使用的阳极侧金属隔板18的第一和第二供应孔76a、76b相比，所述第一和第二供应孔150a、150b朝燃料气体流场44与燃料气体供应通道34a间隔开。类似地，与第一实施例中所使用的第一和第二排放孔78a、78b相比，所述第一和第二排放孔152a、152b朝向燃料气体流场44与燃料气体排放通道34b间隔开。
如图17所示，在阳极侧金属隔板146面向阳极38b的表面18a上设置有第二密封件154的外侧封条58a以及内侧封条58b。外侧封条58a和内侧封条58b的形状与第一薄膜电极组件144的形状相对应。
如图15所示，设置在阳极侧金属隔板146的表面18b上的外侧封条58c和内侧封条58d具有与第一和第二供应孔150a、150b以及第一和第二排放孔152a、152b的位置等相对应的预定形状。
中间金属隔板148在燃料气体供应通道34a附近具有供应孔150c。所述供应孔150c沿着箭头A所示方向与第一供应孔150a对齐。并且，所述中间金属隔板148在燃料气体排放通道34b附近具有排放孔152c。所述排放孔152c沿着箭头A所指方向与第二排放孔152b相对准。所述中间金属隔板148在其面向第一薄膜电极组件16的表面148a上具有含氧气体流场42，并且在其面向第二薄膜电极组件16的表面148a上具有燃料气体流场44(见图15、18和19)。
如图18所示，所述中间金属隔板148具有密封件156，所述密封件156包括在表面148b上的外侧封条58a和内侧封条58b。如图16所示，在阳极侧金属隔板146和中间金属隔板148之间形成有共用通路158，所述共用通路158连接到燃料气体供应通道34a。所述共用通道158通过第一供应孔150a与入口连接通路72相连，通过供应孔150c与中间金属隔板148的燃料气体流场44相连。
在第五实施例中，如图16所示，流经燃料气体供应通道34a的燃料气体被供给入阳极侧金属隔板146和中间金属隔板148之间形成的共用通道146，然后分别地流入第一供应孔150a和供应孔150c。
已经流经第一供应孔150a的燃料气体从入口连接通路72经第二供应孔150b流向第一薄膜电极组件144的阳极38b。已经流经供应孔150c的燃料气体沿着第二薄膜电极组件16的阳极38流过中间金属隔板148的燃料气体流场44。
这样，在第五实施例中，由于在将燃料气体供应通道34a连接至燃料气体流场44的通路单元内设置有第一和第二供应孔150a、150b，因此可以获得与第一到第四实施例相同的优点。例如，增加了通路单元内的压力损失，以及有效地排水。
此外，所述燃料电池单元142主要由具有第一薄膜电极组件144的第一单元电池和具有第二薄膜电极组件16的第二单元电池构成。多个燃料电池单元142被沿着箭头A所示方向堆叠在一起。也就是说，为每两个或多个单元电池设置一冷却剂流场46。
在作为第一和第二隔板的阳极侧金属隔板146和中间金属隔板148之间设置有与燃料气体供应通道34a相连的共用通路158。燃料气体从共用通路158分别地流入第一供应孔150a和供应孔150c，并且随后，所述燃料气体被分别地供应到第一和第二薄膜电极组件144、16。从而，减少了流动沟槽的数量，并且有效地简化了流场结构。
在第五实施例中，与燃料气体一侧相类似，可以在含氧气体供应通道30a和含氧气体流场42之间、以及含氧气体排放通道30b和含氧气体流场42之间设置两个开口(类似根据第四实施例的燃料电池120)。而且，所述第一和第二薄膜电极组件144、16的结构可以是固态聚合物电解质薄膜的表面积与阳极以及阴极的表面积相等的结构，也可以是固态聚合物电解质薄膜的表面积大于阳极的表面和阴极的表面积的结构，而不是阳极的表面积小于阴极的表面积的结构。
此外，尽管在第一到第五实施例中使用了金属隔板，但本发明并不局限于这一方面。例如，也可以使用碳隔板。作为一个实例，图20表示出根据第六实施例的燃料电池170的剖视图。
所述燃料电池170具有与根据第一实施例的燃料电池10相似的结构。但是本发明并不局限于此。具有碳隔板的所述燃料电池170可以应用于第二到第五实施例。所述燃料电池170是由沿箭头A所示方向堆叠单元电池172而制成的。所述单元电池172包括第二薄膜电极组件16以及将第二薄膜电极组件16夹在中间的阳极侧碳隔板174和阴极侧碳隔板176。还应该认识到，例如，垫圈可以用作燃料电池170内的密封件。
尽管本文参照优选实施例详细地图示并介绍了本发明，但应该理解到，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和保护范围的情况下能够对这些实施例进行变化和改动，其中所附的权利要求限定了本发明的保护范围。
权利要求
1.一种包括单元电池(12)的燃料电池，所述单元电池(12)包括电解质电极组件(16)以及夹持所述电解质电极组件(16)的隔板(18)，所述电解质电极组件(16)包括电极(38，40)、以及被插入电极(38，40)之间的电解质(36)，反应气体通道(34a)延伸穿过所述隔板(18)，用于使作为反应气体的燃料气体和含氧气体中的至少一种气体流经所述反应气体通道(34a)，在隔板(18)中的一个隔板内形成有反应气体流场(44)，用于使反应气体沿着所述电解质电极组件(16)的一个电极表面流动，其中所述隔板(18)中的所述一个隔板具有连接所述反应气体通道(34a)和所述反应气体流场(44)的通路单元；并且所述通路单元包括第一开口(76a)和第二开口(76b)，其中所述第一开口(76a)在所述反应气体通道(34a)附近的位置处延伸穿过所述隔板(18)中的所述一个隔板，用于使反应气体流经所述第一开口(76a)；所述第二开口(76b)在所述反应气体流场(44)附近的位置处延伸穿过所述隔板(18)中的所述一个隔板，用于使反应气体流经所述第二开口(76b)。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其中，从所述电解质电极组件(16)的一个电极表面起设置连接所述反应气体通道(34a)和所述第一开口(76a)的通路(80)，以及在与所述一个电极表面相对的表面上设置连接所述第一开口(76a)和所述第二开口(76b)的连接通路(72)。
3.如权利要求1所述的燃料电池，其中，为每个单元电池(12)或为每两个或更多个单元电池(12)而形成沿隔板表面延伸的冷却剂流场。
4.如权利要求2所述的燃料电池，其中，所述连接通路(72)由密封件(50、56)形成。
5.如权利要求2所述的燃料电池，其中，在所述一个电极表面上设置用于阻塞所述第一开口(76a)和所述第二开口(76b)之间的区域的密封件(50、56)。
6.如权利要求2所述的燃料电池，其中，所述通路(80)由密封件(50、56)形成。
7.如权利要求1所述的燃料电池，其中，所述电解质电极组件(16)包括第一电极(38)、第二电极(40)以及被插入第一和第二电极(38，40)之间的电解质薄膜(36)，并且所述第二电极(40)的表面积大于所述第一电极(38)的表面积。
8.如权利要求1所述的燃料电池，其中，所述电解质电极组件(94)包括一对电极(38a，40)、以及被插入所述一对电极(38a，40)之间的电解质薄膜(36)，并且所述一对电极(38a，40)中的一个的表面积、所述一对电极(38a，40)中的另一个的表面积以及所述电解质薄膜(36)的表面积相同。
9.如权利要求1所述的燃料电池，其中，所述电解质电极组件(104)包括一对电极(38，40a)、以及被插入所述一对电极(38，40a)之间的电解质薄膜(36a)，并且所述电解质薄膜(36a)的表面积大于所述一对电极(38，40a)中每一个电极的表面积。
10.一种燃料电池，所述燃料电池是通过沿着堆叠方向堆叠多个单元电池而被制成的，在每个所述单元电池中隔板(146)夹持电解质电极组件(144)，所述电解质电极组件(144)包括电极(38b，40b)、被插入所述电极(38b，40b)之间的电解质(36b)，反应气体通道(34a)延伸穿过所述隔板(146)，用于使作为反应气体的燃料气体和含氧气体中的至少一种气体流经所述反应气体通道(34a)，在所述隔板(146)中的一个隔板内形成有反应气体流场(44)，用于使反应气体沿着所述电解质电极组件(144)的一个电极表面流动，其中为每两个或更多个单元电池而形成有沿着隔板表面延伸的冷却剂流场(46)；在相邻的第一和第二隔板(146、148)之间形成有与所述反应气体通道(34b)相连的共用通路(158)；所述第一隔板(146)具有用于使反应气体沿着所述电解质电极组件(144)的一个电极表面流动的第一反应气体流场(44)；第一开口(150a)延伸穿过所述第一隔板(146)，所述第一开口(150a)连接至所述共用通路(158)，用于使反应气体流经所述第一开口(150a)；第二开口(150b)在所述第一反应气体流场(44)附近的位置处延伸穿过所述第一隔板(146)，用于使反应气体流经所述第二开口(150b)；所述第二隔板(148)具有用于使反应气体流过另一个电解质电解组件(16)的一个电极表面的第二反应气体流场(44)；以及开口(150c)延伸穿过所述第二隔板(148)，用于连接所述共用通路(158)和所述第二反应气体流场(44)。
11.如权利要求10所述的燃料电池，其中，所述第一隔板(146)的所述第一开口(150a)以及所述第二隔板(148)的所述开口(150c)沿着堆叠方向彼此对齐。
12.如权利要求10所述的燃料电池，其中，所述共用通路(158)由密封件(56，156)形成。
13.如权利要求10所述的燃料电池，其中，在与所述电解质电极组件(144)的一个电极表面相对的表面上设置连接所述第一开口(150a)和所述第二开口(150b)的连接通路(72)。
14.如权利要求13所述的燃料电池，其中，在所述一个电极表面上设置用于阻塞所述第一开口(150a)和所述第二开口(150b)之间的区域的密封件(56，156)。
15.如权利要求10所述的燃料电池，其中，所述电解质电极组件(144)包括第一电极(38b)、第二电极(40b)以及被插入第一和第二电极(38b，40b)之间的电解质薄膜(36b)，并且所述第二电极(40b)的表面积大于所述第一电极(38b)的表面积。
16.如权利要求10所述的燃料电池，其中，所述电解质电极组件(94)包括一对电极(38a，40)、以及被插入所述一对电极(38a，40)之间的电解质薄膜(36)，并且所述一对电极(38a，40)中的一个的表面积、所述一对电极(38a，40)中的另一个的表面积以及所述电解质薄膜(36)的表面积相同。
17.如权利要求10所述的燃料电池，其中，所述电解质电极组件(104)包括一对电极(38，40a)、以及被插入所述一对电极(38，40a)之间的电解质薄膜(36a)，并且所述电解质薄膜(36a)的表面积大于所述一对电极(38，40a)中每一个的表面积。
18.一种用于燃料电池的隔板，所述隔板邻近电解质电极组件(16)设置，所述电解质电极组件(16)包括电极(38，40)、以及被插入所述电极(38，40)之间的电解质(36)，反应气体通道(34a)延伸穿过所述隔板，用于使作为反应气体的燃料气体和含氧气体中的至少一种流经所述反应气体通道(34a)，在所述隔板内形成有用于使反应气体沿着所述电解质电极组件(16)的一个电极表面流动的反应气体流场(44)，其中所述隔板(18)具有连接所述反应气体通道(34a)和所述反应气体流场(44)的通路单元；并且所述通路单元包括在所述反应气体通道(34a)附近的位置处延伸穿过所述隔板(18)的第一开口(76a)，所述第一开口(76b)用于使反应气体流过所述第一开口(76a)；以及在所述反应气体流场(44)附近的位置处延伸穿过所述隔板(18)的第二开口(76b)，所述第二开口(76b)用于使反应气体流过所述第二开口(76b)。
19.如权利要求18所述的隔板，其中，在所述隔板(18)的一个表面上形成有作为所述反应气体流场(44)的燃料气体流场，所述燃料气体流场用于使作为反应气体的燃料气体沿着所述电解质电极组件(16)的一个电极表面流动；以及在所述隔板(18)的另一表面上形成含氧气体流场(42)，所述含氧气体流场(42)用于使作为另一反应气体的含氧气体沿着所述电解质电极组件(16)的另一电极表面流动。
全文摘要
一种燃料电池(10)的单元电池(12)包括薄膜电极组件(16)，以及将所述薄膜电极组件(16)夹在中间的阳极侧金属隔板(18)和阴极侧金属隔板(20)。多个第一供应孔(76a)以及多个第二供应孔(76b)延伸穿过阳极侧金属隔板(18)的通路单元，并且所述通路单元连接燃料气体供应通道(34a)和燃料气体流场(44)。来自燃料气体供应通道(34a)的燃料气体流入第一供应孔(76a)，进而流过入口连接通路(72)。所述燃料气体流入与入口连接通路(72)相连的第二供应孔(76b)。所述燃料气体朝向薄膜电极组件(16)的一侧流动，并且随后被供应给阳极(38)。
文档编号H01M2/14GK1885604SQ20061009461
公开日2006年12月27日 申请日期2006年6月21日 优先权日2005年6月22日
发明者杉田成利, 小阪高, 佐藤修二, 室岳志, 坂野雅章 申请人:本田技研工业株式会社