燃料电池的制作方法

专利名称：燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使在电解质的两侧配设一对电极的长方形状的电解质 电极结构体和金属隔板层叠的燃料电池。
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，通过由隔板(双极板)夹持在固体高分子电解质膜的两侧分别配设了由电极催化剂层和多孔性碳构成的阳极侧电极和阴极侧电极的电解质膜 电极结构体(电解质 电极结构体)(MEA)来形成单元电池(cell)。通常，将仅仅层叠了预定数量的该单元电池的燃料电池堆栈(stack)用作例如车载用燃料电池堆栈。一般地，燃料电池构成设置有在隔板的层叠方向上贯通的入口连通孔和出口连通 孔的所谓内部管道(manifold)。然后，燃料气体、氧化剂气体和冷却介质从各自的入口连通孔被供给到沿着电极面方向形成的燃料气体流道、氧化剂气体流道和冷却介质流道，之后，被排出到各个出口连通孔。例如，日本特开2011-018525号所公开的燃料电池，具有密封一体型膜电极接合体和隔板被交互层叠的堆栈结构。隔板包括阳极板、阴极板和中间板，例如，所述阳极板如图29所示，具有横长的长方形状。在阳极板的面内，形成了具有多个流道沟Ia的燃料气体流道I。在阳极板的长边方向一端部，通过上下排列而形成了氧化剂气体出口连通孔2b、冷却介质入口连通孔3a和燃料气体入口连通孔4a。在阳极板的长边方向另一端部，通过上下方向上排列而形成了燃料气体出口连通孔4b、冷却介质出口连通孔3b和氧化剂气体入口连通孔2a。燃料气体入口连通孔4a和燃料气体出口连通孔4b与燃料气体流道I分别通过介由贯通孔5a，5b而连通。尽管没有图示，但阴极板和中间板与上述的阳极板同样地构成。在上述的各个隔板中，通过位于燃料气体流道I等的反应气体流道(或者冷却介质流道)的两侧，形成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、燃料气体出口连通孔4b、冷却介质出口连通孔3b和氧化剂气体入口连通孔2a。因此，隔板的面积变得相当大，特别地，在使用金属隔板时，高价的不锈钢等原料的使用量增加，部件单价高升。而且，在隔板上在长边方向两端部以箭头H方向(宽度方向)形成平均3个连通孔。通过这样，对于隔板，箭头H方向的尺寸被变得相当长，并且不容易获得宽度方向的变薄。

发明内容
本发明是用于解决这种问题，其目的在于，提供一种能够将比较高价的金属隔板良好地小型化，并且使宽度尺寸有效地变薄的燃料电池。本发明涉及一种使在电解质的两侧配设一对电极的长方形状的电解质 电极结构体和金属隔板层叠的燃料电池。
在该燃料电池中，在电解质 电极结构体的外周，一体地设置树脂框部件，在所述树脂框部件上，通过位于金属隔板的外侧，分别形成了在层叠方向上贯通的反应气体入口连通孔、反应气体出口连通孔、冷却介质入口连通孔和冷却介质出口连通孔，并且在所述树脂框部件的长边方向两端部，分别设置了在短边方向两侧突出的一对突出部。根据本发明，在电解质 电极结构体的外周所设置的树脂框部件中，通过位于金属隔板的外侧，各个流体连通孔在层叠方向上贯通而形成。因此，在金属隔板上不需要设置流体流通孔，所述金属隔板的小型轻量化容易获得。通过这样，能够削减金属隔板的制造成本，能够有效地制造所述金属隔板。进而，在电解质 电极结构体中，在树脂框部件的长边方向两端部，还分别设置了在短边方向上突出的一对突出部。因此，在长边方向两端部中，由于在突出部间形成了凹部，因此能够在所述凹部上配置紧固部件或者电池(cell)电压检测用端子等。因此，燃料电池整体的小型化容易地得到，同时作为车载用的安装性良好地提高。根据与所附的附图结合的下面优选实施方式例子的说明，上述的目的和其他的目 的、特征和优点将变得更为清楚。


图I是本发明第I实施方式的燃料电池的概略立体说明图。图2是所述燃料电池的分解立体说明图。图3是所述燃料电池的图2中的III-III线剖面图。图4是构成所述燃料电池的第I电解质膜 电极结构体的阴极面的说明图。图5是所述第I电解质膜 电极结构体的阳极面的说明图。图6是构成所述燃料电池的第2电解质膜 电极结构体的阴极面的说明图。图7是所述第2电解质膜 电极结构体的阳极面的说明图。图8是构成所述燃料电池的第I金属隔板的阴极面的说明图。图9是所述第I金属隔板的阳极面的说明图。图10是构成所述燃料电池的第2金属隔板的阴极面的说明图。图11是所述第2金属隔板的阳极面的说明图。图12是所述燃料电池的图2中的XII-XII线剖面图。图13是所述燃料电池的图2中的XIII-XIII线剖面图。图14是所述燃料电池的图2中的XIV-XIV线剖面图。图15是所述燃料电池的图2中的XV-XV线剖面图。图16是本发明第2实施方式的燃料电池的概略立体说明图。图17是所述燃料电池的分解立体说明图。图18是所述燃料电池的图17中的XVIII-XVIII线剖面图。图19是构成所述燃料电池的第I电解质膜 电极结构体的阴极面的说明图。图20是所述第I电解质膜 电极结构体的阳极面的说明图。图21是构成所述燃料电池的第2电解质膜 电极结构体的阴极面的说明图。图22是所述第2电解质膜 电极结构体的阳极面的说明图。图23是构成所述燃料电池的第I金属隔板的阴极面的说明图。
图24是构成所述燃料电池的第2金属隔板的阴极面的说明图。图25是所述第2金属隔板的阳极面的说明图。图26是所述燃料电池的图17中的XXVI-XXVI线剖面图。图27是所述燃料电池的图17中的XXVII-XXVII线剖面图。图28是所述燃料电池的图17中的XXVIII-XXVIII线剖面图。图29是构成特开2011-018525号的燃料电池的阳极隔板的说明图。
具体实施方式

如图I所示，本发明的第I实施方式的燃料电池10通过将多个电池单元12在箭头A方向(水平方向)上层叠而构成。如图2和图3所示，电池单元12包括长方形状的第I电解质膜 电极结构体(电解质 电极结构体)(MEA) 14、第I金属隔板16、长方形状的第2电解质膜 电极结构体(电解质 电极结构体)(MEA) 18和第2金属隔板20。通过层叠电池单元12，第2和第I金属隔板20、16夹持第I电解质膜 电极结构体14,另一方面,所述第I和第2金属隔板16、20夹持第2电解质膜 电极结构体18。第I电解质膜 电极结构体14和第2电解质膜 电极结构体18分别包括例如在全氟磺酸(〃一7 >才口 7 >才 >酸)的薄膜中浸溃了水的固体高分子电解质膜(电解质)22和夹持所述固体高分子电解质膜22的阴极侧电极24和阳极侧电极26 (参考图3)。固体高分子电解质膜22被设定在与阴极侧电极24和阳极侧电极26相同的表面积上。而且，固体高分子电解质膜22的外周部也可比阴极侧电极24和阳极侧电极26突出，此外所述阴极侧电极24和所述阳极侧电极26的表面积可以相互不同。在第I电解质膜 电极结构体14中，在固体高分子电解质膜22、阴极侧电极24和阳极侧电极26的外周端缘部上，由具有绝缘性的高分子材料形成的框架部(树脂框部件)28a通过例如注射模塑法(injection molding)而被一体成形。在第2电解质膜 电极结构体18中，同样地，在固体高分子电解质膜22、阴极侧电极24和阳极侧电极26的外周端缘部上，由高分子材料形成的框架部(树脂框部件)28b通过例如注射模塑法而被一体成形。作为高分子材料，除了通用塑料之外，还采用工程塑料和特种耐高温工程塑料(superengineering plastic)等。框架部28a，如图2所示，具有在箭头C方向上长的大致长方形状，并且在长边方向(箭头C方向)两端部，分别设有在短边方向(箭头B方向)两侧突出的一对突出部29al，29a2。在框架部28a的长边一侧，在各个突出部29al，29a2之间分别形成凹部31a。框架部28b具有在箭头C方向上长的大致长方形状，并且在长度方向(箭头C方向)两端部，分别设有在短边方向(箭头B方向)两侧突出的一对突出部29bl，29b2。在框架部28b的长边一侧，在各个突出部29bl，29b2之间分别形成凹部31b。阴极侧电极24和阳极侧电极26具有由碳纸等构成的气体扩散层(没有图示)和白金合金被保持在表面上的通过将多孔性碳粒子均匀地涂覆在所述气体扩散层的表面上而形成的电极催化剂层(没有图示)。如图2所示，在框架部28a、28b的箭头C方向(垂直方向)的一端缘部(上端缘部)，在箭头B方向(水平方向)上排列设置了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和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。在框架部28a，28b的箭头C方向的另一端缘部(下端缘部)，在箭头B方向上排列设置了用于排出燃料气体的燃料气体出口连通孔32b和用于排出氧化剂气体的氧化剂气体出口连通孔30b。在框架部28a，28b的箭头B方向的两端缘部上方，设置了在箭头A方向上相互连通并用于供给冷却介质的一对冷却介质入口连通孔34a，并且在所述框架部28a，28b的箭头B方向的两端缘部下方，设置了用于排出所述冷却介质的一对冷却介质出口连通孔34b。各个冷却介质入口连通孔34a，34a，与氧化剂气体入口连通孔30a和燃料气体入口连通孔32a靠近，并且分别在箭头B方向两端的各边(其他的两边)上分开。各个冷却介质出口连通孔34b，34b与氧化剂气体出口连通孔30b和燃料气体出口连通孔32b分别靠 近，并且分别在箭头B方向两侧的各边上分开。在框架部28a，28b中，在将后述的冷却介质流道88的流动方向(箭头C方向)中间位置设为边界而将所述冷却介质流道88分割成上下之后，使冷却介质入口连通孔34a配置在该冷却介质流道88的上游一侧的上方，另一方面，使冷却介质出口连通孔34b配置在该冷却介质流道88的下游一侧的下方。而且，还可以使冷却介质入口连通孔34a和冷却介质出口连通孔34b上下颠倒，即将所述冷却介质入口连通孔34a靠近设置到氧化剂气体出口连通孔30b和燃料气体出口连通孔32b。在第I和第2电解质膜 电极结构体14，18中，在处于相互对置的一方的两边的上下两短边处，设置了氧化剂气体入口连通孔30a和燃料气体入口连通孔32a、氧化剂气体出口连通孔30b和燃料气体出口连通孔32b，另一方面，在相互对置的另一方的2边即左右两长边处，设置了一对冷却介质入口连通孔34a和一对冷却介质出口连通孔34b。如图4所示，对于框架部28a，在第I电解质膜 电极结构体14的阴极面(设置阴极侧电极24的面)14a —侧的上部，通过位于氧化剂气体入口连通孔30a的下侧附近而设置了多个入口沟部36a。在框架部28a的阴极面14a —侧的宽度方向(箭头B方向)两端部上方，在各个冷却介质入口连通孔34a的下侧附近设置了多个入口沟部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了多个入口孔部40a。在框架部28a的阴极面14a —侧的下部,通过位于氧化剂气体出口连通孔30b的上侧附近而设置了多个出口沟部36b。在框架部28a的阴极面14a —侧的宽度方向两端部下方，在各个冷却介质出口连通孔34b的上侧附近设置了多个出口沟部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了多个出口孔部40b。如图5所示，对于框架部28a，在第I电解质膜 电极结构体14的阳极面(设置阳极侧电极26的面)14b —侧的宽度方向两端部上方，在各个冷却介质入口连通孔34a的上侧附近而设置了多个入口沟部42a。在框架部28a的阳极面14b—侧的宽度方向两端部下方，在各个冷却介质出口连通孔34b的下侧附近设置了多个出口沟部42b。在框架部28a，通过位于燃料气体入口连通孔32a的下方而设置了多个入口沟部46a，并且通过位于燃料气体出口连通孔32b的上方而设置了多个出口沟部46b。在框架部28a的阳极面14b —侧，外侧密封部件(外侧密封线)48和内侧密封部件(内侧密封线)50被一体或者单独地成形。对于外侧密封部件48和内侧密封部件50，使用例如EPDM、NBR、氟橡胶、硅橡胶、氟硅橡胶、丁基橡胶、天然橡胶、苯乙烯橡胶、氯丁二烯或者丙烯酸橡胶等的密封材料、缓冲材料、或者填料材料。而且，以下说明的各个密封部件，与上述的外侧密封部件48和内侧密封部件50同样地构成，其详细说明省略。外侧密封部件48，从框架部28a的外周缘部开始围绕着作为全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和燃料气体出口连通孔32b的外周和反应面(发电面)外周。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和燃料气体出口连通孔32b。通过外侧密封部件48，入口沟部42a和入口孔部40a与冷却介质入口连通孔34a被一体地围绕，出口沟部42b和出口孔部40b与冷却介质出口连通孔34b被一体地围绕。内侧密封部件50位于外侧密封部件48的内侧，并且将阳极侧电极26与入口沟部46a和出口沟部46b进行一体围绕。内侧密封部件50沿着与第I金属隔板16的外形形状对应的轮廓线而设置，并且与所述第I金属隔板16的外周端缘面全周(隔板面内)接触。外侧密封部件48被配置在第I金属隔板16的外周端外侧(隔板面外)。通过外侧密封部 件48和内侧密封部件50，全流体连通孔被围绕密封。如图4所示，在框架部28a的阴极面14a—侧，设置了围绕入口孔部40a的环状入口密封部件52a和围绕出口孔部40b的环状出口密封部件52b。如图6所示，对于框架部28b，在第2电解质膜 电极结构体18的阴极面(设置阴极侧电极24的面)18a —侧的上部，通过位于氧化剂气体入口连通孔30a的下侧附近而设置了多个入口沟部56a。在框架部28b的阴极面18a—侧的宽度方向两端部上方，在各个冷却介质入口连通孔34a的上侧附近设置了多个入口沟部58a，并且在所述冷却介质入口连通孔34a的下侧附近形成了多个入口孔部60a。第2电解质膜 电极结构体18的入口孔部60a通过偏移在与第I电解质膜 电极结构体14的入口孔部40a在层叠方向上不互相重合的位置上而被配置。在框架部28b的阴极面18a —侧的上部，通过位于燃料气体入口连通孔32a的下侧附近而设置了多个入口沟部62a，并且在所述入口沟部62a的下端部，贯通形成多个入口孔部64a。在各个入口孔部64a的下方，通过仅仅隔开预定的间隔而贯通形成多个入口孔部66a。在框架部28b的阴极面18a—侧的宽度方向两端部下方，在各个冷却介质出口连通孔34b的下侧附近设置了多个出口沟部58b，并且在所述冷却介质出口连通孔34b的上侧附近形成了多个出口孔部60b。第2电解质膜 电极结构体18的出口孔部60b通过偏移到与第I电解质膜 电极结构体14的出口孔部40b在层叠方向上不互相重合的位置上而被配置。在框架部28b的阴极面18a —侧的下部，通过位于燃料气体出口连通孔32b的上侧附近而设置了多个出口沟部62b，并且在所述出口沟部62b的上端部，贯通形成多个出口孔部64b。在各个出口孔部64b的上方，通过仅仅隔开预定的间隔而贯通形成多个出口孔部
66b o如图7所示，对于框架部28b，在第2电解质膜 电极结构体18的阳极面(设置阳极侧电极26的面)18b —侧的宽度方向两端部上方，在各个冷却介质入口连通孔34a的下侧附近设置了多个入口沟部68a。在框架部28b，通过位于燃料气体入口连通孔32a的下方而设置了用于连通入口孔部64a，66a的多个入口沟部72a。在框架部28b的阳极面18b—侧的宽度方向两端部下方，在各个冷却介质出口连通孔34b的上侧附近设置了多个出口沟部68b，并且通过位于燃料气体出口连通孔32b的上方而设置了连通出口孔部64b，66b的多个出口沟部72b。对于框架部28b，在阳极面18b —侧，外侧密封部件(外侧密封线)74和内侧密封部件(内侧密封线)76被一体或者单独地成形。外侧密封部件74，从框架部28b的外周缘部开始围绕着作为全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和燃料气 体出口连通孔32b的外周。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和燃料气体出口连通孔32b。通过外侧密封部件74，入口沟部68a和入口孔部60a与冷却介质入口连通孔34a被一体地围绕，出口沟部68b和出口孔部60b与冷却介质出口连通孔34b被一体地围绕。内侧密封部件76位于外侧密封部件74的内方，并且将阳极侧电极26与入口孔部64a，66a、入口沟部72a、出口孔部64b，66b、以及出口沟部72b进行一体围绕。内侧密封部件76沿着与第2金属隔板20的外形形状对应的轮廓线而设置，并且与所述第2金属隔板20的外周端缘面全周接触。外侧密封部件74被配置在第2金属隔板20的外周端外方。通过外侧密封部件74和内侧密封部件76，全流体连通孔被围绕密封。如图6所示，在框架部28b的阴极面18a—侧，设置了围绕入口孔部60a，66a的环状入口密封部件78a，80a和围绕出口孔部60b，66b的环状出口密封部件78b，80b。第I和第2金属隔板16，20被设定成被配置于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和燃料气体出口连通孔32b(全流体流通孔)的内方的尺寸。如图3所示，第I金属隔板16包括外形具有相同形状且相互层叠的2片金属板(例如不锈钢板)82a，82b，所述金属板82a，82b使外周缘部例如通过焊接或者粘结而一体化，并且内部被密闭。在金属板82a上，与阴极侧电极24对置而形成氧化剂气体流道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道86。在金属板82a，82b之间，形成冷却介质流道88。如图8所示，第I金属隔板16在金属板82a的面内设置了在箭头C方向(垂直方向)延伸的具有多个波状流道沟的氧化剂气体流道84。在氧化剂气体流道84的上游和下游，设置了入口缓冲部85a和出口缓冲部85b。在入口缓冲部85a的上方，通过位于氧化剂气体入口连通孔30a的下方而形成多个入口沟部87a。在出口缓冲部85b的下方，通过位于氧化剂气体出口连通孔30b的上方而形成多个出口沟部87b。第I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，设置突出到冷却介质入口连通孔34a的下方一侧的一对突起部89a和突出到冷却介质出口连通孔34b的上方一侧的一对突起部89b。对于金属板82a，在突起部89a上形成连通到第2电解质膜 电极结构体18的多个入口孔部60a的多个孔部90a。对于金属板82a，在突起部89b上形成连通到第2电解质膜 电极结构体18的多个出口孔部60b的多个孔部90b。在金属板82a的上部，形成连通到第2电解质膜 电极结构体18的入口孔部66a的多个孔部92a，并且在所述金属板82a的下部，形成连通到所述第2电解质膜 电极结构体18的出口孔部66b的多个孔部92b。孔部92a，92b也被形成在金属板82b上，并且贯通第I金属隔板16。如图9所示，第I金属隔板16在金属板82b的面内设置了在箭头C方向(垂直方向)上延伸的具有多个波状流道沟的燃料气体流道86。在燃料气体流道86的上游和下游，设置了入口缓冲部96a和出口缓冲部96b。在入口缓冲部96a的上方，通过位于氧化剂气体入口连通孔30a的下方而形成多个入口沟部98a，并且在出口缓冲部96b的下方，通过位于氧化剂气体出口连通孔30b的上方而形成多个出口沟部98b。对于金属板82b，在突起部89a上通过位于冷却介质入口连通孔34a的下方而形成 多个入口沟部100a。对于金属板82b，在各个突起部89b上通过位于冷却介质出口连通孔34b的上方而形成多个出口沟部100b。如图3所示，第2金属隔板20包括外形具有相同形状且相互层叠的2个金属板(例如不锈钢板)102a，102b，所述金属板102a，102b使外周缘部例如通过焊接或者粘结而一体化，并且内部被密闭。在金属板102a上，与阴极侧电极24对置而形成氧化剂气体流道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道86。在金属板102a，102b之间，形成冷却介质流道88。如图10所示，第2金属隔板20在箭头C方向两端分别通过突出到箭头B方向外方而形成一对突起部103a，103b。在金属板102a的面内，设置具有在箭头C方向(垂直方向)延伸的多个流道沟的氧化剂气体流道84。在氧化剂气体流道84的上游和下游,设置入口缓冲部104a和出口缓冲部104b。对于金属板102a，在各个突起部103a上形成了位于冷却介质入口连通孔34a的上方并连通到第I电解质膜 电极结构体14的多个入口孔部40a的多个孔部106a。对于金属板102a，在各个突起部103b上形成了位于冷却介质出口连通孔34b的下方并连通到第I电解质膜 电极结构体14的多个出口孔部40b的多个孔部106b。框架部28a的入口孔部40a和孔部106a以及框架部28b的入口孔部60a和孔部90a，被设定在相对层叠方向上相互不重合的位置上。如图11所示，第2金属隔板20，在金属板102b的面内，设置具有在箭头C方向(垂直方向)上延伸的多个流道沟的燃料气体流道86。在燃料气体流道86的上游和下游，设置入口缓冲部IlOa和出口缓冲部IlOb0在金属板102b的各个突起部103a上,通过位于冷却介质入口连通孔34a的上侧附近而形成多个入口沟部112a，另一方面，在所述金属板102b的各个突起部103b上，通过位于冷却介质出口连通孔34b的下侧附近而形成多个出口沟部112b。入口沟部112a和出口沟部112b，分别具有用于在第2金属隔板20的内部形成冷却介质通路的凹凸结构。如图I所示，在多个电池单元12的层叠方向一端侧，通过容纳接线板113a而配置绝缘板114a，并且在所述绝缘板114a的外侧配置端面板115a。在多个电池单元12的层叠方向另一端侧，通过容纳接线板113b而配置绝缘板114b，并且在所述绝缘板114b的外方配置端面板115b。在绝缘板114a和端面板115a的各自的两个长边，形成与框架部28a，28b的凹部31&，3113对应的凹部316&。对于端面板115a，在构成凹部31ea的内壁面上形成多个螺纹孔116a。在绝缘板114b和端面板115b的各自的两个长边，形成与框架部28a，28b的凹部31a，31b对应的凹部31eb。对于端面板115b，在构成凹部31eb的内壁面上形成多个螺纹孔116b。对于电池单元12的凹部31a，31b、绝缘板114a和端面板115a的各个凹部31ea以及绝缘板114b和端面板115b的各个凹部31eb，通过紧固部件例如一对紧固板(板部件)111在层叠方向上延伸而被一体地配设。紧固部件118尽管具有在箭头A方向长的棱柱形状，但是也能设定成半圆柱状或者多角形状等各种的形状。
各个紧固板118的两端,通过在构成端面板115a, 115b的凹部31ea,31eb的内壁面上所形成的螺纹孔116a，116b中螺入螺纹部件119，被固定在所述端面板115a，115b上。紧固板118被容纳在凹部31a，31b，31ea和凹部31eb内，不从各个长边呈露到外部。对于该燃料电池10的工作，以下进行说明。如图2所示，含氧气体等的氧化剂气体被供给到氧化剂气体入口连通孔30a，并且含氢气体等的燃料气体被供给到燃料气体入口连通孔32a。而且，纯水或者乙二醇等的冷却介质被供给到一对冷却介质入口连通孔34a。在各个电池单元12中，被供给到氧化剂气体入口连通孔30a的氧化剂气体，如图2和图12所示，从第I电解质膜 电极结构体14的入口沟部36a和第2电解质膜 电极结构体18之间被导入到入口沟部56a。被导入到入口沟部36a的氧化剂气体被供给到第2金属隔板20的氧化剂气体流道84。供给到氧化剂气体流道84的氧化剂气体被供给到第I电解质膜 电极结构体14的阴极侧电极24，之后，剩余的氧化剂气体从出口沟部36b间被排出到氧化剂气体出口连通孔 30b。另一方面，导入到入口沟部56a之间的氧化剂气体，通过第2电解质膜 电极结构体18和第I金属隔板16之间的入口沟部87a而被供给到所述第I金属隔板16的氧化剂气体流道84。供给到氧化剂气体流道84的氧化剂气体,被供给到第2电解质膜 电极结构体18的阴极侧电极24，之后，剩余的氧化剂气体通过出口沟部87b，56b而被排出到氧化剂气体出口连通孔30b。此外，如图2和图13所示，供给到燃料气体入口连通孔32a的燃料气体被导入到第2电解质膜 电极结构体18的阴极一侧的入口沟部62a。燃料气体从入口沟部62a通过入口孔部64a移动到阳极一侧，一部分从入口沟部72a被供给到第2金属隔板20的燃料气体流道86。燃料气体的剩余部分通过入口孔部66a和第I金属隔板16的孔部92a被导入到所述第I金属隔板16和第I电解质膜 电极结构体14之间，并且被供给到所述第I隔板16的燃料气体流道86。在第2金属隔板20的燃料气体流道86中流通的已经使用的燃料气体被排出到出口沟部72b，并且进一步从出口孔部64b通过出口沟部62b而被排出到燃料气体出口连通孔32b。另一方面，在第I金属隔板16的燃料气体流道86中流通的已经使用的燃料气体，从孔部92b通过出口孔部66b而被排出到出口沟部72b，并且同样地被排出到燃料气体出口连通孔32b。通过这样，在第I电解质膜 电极结构体14和第2电解质膜 电极结构体18中，分别供给到阴极侧电极24的氧化剂气体和供给到阳极侧电极26的燃料气体通过在电极催化剂层内进行电化学反应而被消耗，并且进行发电。而且，供给到一对冷却介质入口连通孔34a的一部分冷却介质，如图2和图14所示，被引入到第I电解质膜 电极结构体14的入口沟部42a，并且从入口沟部58a被供给到入口孔部40a。冷却介质从入口孔部40a通过第2金属隔板20的孔部106a而被导入到所述第2金属隔板20的内部。
冷却介质在第2金属隔板20内沿着入口沟部112a在箭头B方向上且相互在内侧方向上流通，从而被供给到冷却介质流道88。相互在内侧方向上流通的冷却介质，在冷却介质流道88的箭头B方向中央部一侧相撞，从而移动到重力方向(箭头C方向下方)，之后，在所述冷却介质流道88的下部一侧而被分开到箭头B方向两侧。然后，从各个出口沟部112b通过孔部106b从第2金属隔板20被排出。该冷却介质还从出口孔部40b通过出口沟部58b，42b被排出到冷却介质出口连通孔34b。另一方面，如图2和图15所示，供给到冷却介质入口连通孔34a的冷却介质的另一部分，被导入到第2电解质膜 电极结构体18的入口沟部68a，并且从入口沟部38a被供给到入口孔部60a。冷却介质从入口孔部60a通过第I金属隔板16的孔部90a而被导入到所述第I金属隔板16的内部。冷却介质在第I金属隔板16内沿着入口沟部IOOa在箭头B方向上且相互在内侧方向上流通，从而被供给到冷却介质流道88。冷却介质沿着冷却介质流道88而移动到重力方向(箭头C方向下方)之后，被分开到箭头B方向两侧。冷却介质从各个出口沟部IOOb通过孔部90b从第I金属隔板16排出。该冷却介质还从出口孔部60b通过出口沟部38b，68b被排出到冷却介质出口连通孔34b。因此，第I电解质膜 电极结构体14和第2电解质膜 电极结构体18，通过在第I金属隔板16内的冷却介质流道88和第2金属隔板20内的冷却介质流道88中流通的冷却介质而被冷却。在该情况下，在第I实施方式中，在第I电解质膜 电极结构体14的框架部28a和第2电解质膜 电极结构体18的框架部28b上，作为全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和燃料气体出口连通孔32b通过在层叠方向上贯通而形成。因此，在第I金属隔板16和第2金属隔板20上不需要设置流体连通孔，所述第I金属隔板16和所述第2金属隔板20能够设定成与发电区域对应的外形尺寸。因此，第I金属隔板16和第2金属隔板20能够容易地实现小型轻量化，能够削减所述第I金属隔板16和所述第2金属隔板20的制造成本。通过这样，能够高效率地制造第I金属隔板16和第2金属隔板20，能够经济地得到整个燃料电池10。而且，在第I实施方式中，在框架部28a的长边方向两端部，分别设置了一对突出部29al，29a2，并且在框架部28b的长边方向两端部，分别设置了一对突出部29b I，2%2。因此，在框架部28a，28b的长边方向两端部，形成了凹部31a，31b。因此，如图I所述，在凹部31a，31b中，能够配置紧固板118，并且不会使该紧固板118突出到电池单元12的外侧。通过这样，能够容易地实现燃料电池10整体的小型化，并且能够良好地提高作为车载用的安装性。而且，在凹部31a，31b中，例如还能够配置紧固螺栓或者电池电压检测用端子等来代替紧固板118。此外，在第I实施方式中，在冷却介质流道88的上游一侧的上方配置了冷却介质入口连通孔34a，另一方面，在所述冷却介质流道88的下游一侧的下方配置了冷却介质出口连通孔34b。因此，冷却介质能够沿着冷却介质流道88圆滑且均匀地流通，能够在第I和第2电解质膜 电极结构体14，18的发电区域的全部区域上使温度环境均匀化，从而完成 有效的发电。如图16所示，本发明第2实施方式的燃料电池120，通过将多个电池单元122在箭头A方向(水平方向)上进行层叠而构成。而且，燃料电池120在与第I实施方式的燃料电池10相同的构成元件上赋予了相同的参考符号，其详细的说明省略。如图17和图18所示，电池单元122包括第I电解质膜 电极结构体(电解质 电极结构体)(MEA) 124、第I金属隔板126、第2电解质膜 电极结构体(电解质 电极结构体)(MEA) 128以及第2金属隔板130。第I电解质膜 电极结构体124和第2电解质膜 电极结构体128，设置了框架部(树脂框部件)132a和框架部(树脂框部件)132b。如图17所示，在框架部132a，132b的四角，在箭头A方向上贯通形成了螺栓插入用的孔部133a，133b。氧化剂气体入口连通孔30a、燃料气体入口连通孔32a、氧化剂气体出口连通孔30b和燃料气体出口连通孔32b为了回避孔部133a，133b，与框架部132a，132b的四角对应而具有放出部(倾斜部)。如图19所示，在框架部132a的阴极面124a—侧的宽度方向两端部上方，在各个冷却介质入口连通孔34a的下侧附近不设置入口沟部38a，而在横跨所述冷却介质入口连通孔34a的宽度方向(箭头C方向)上形成多个入口孔部134a。入口孔部134a由环状入口密封部件136a围绕。在框架部132a的阴极面124a—侧的宽度方向两端部下方，在各个冷却介质出口连通孔34b的上侧附近不设置出口沟部38b，而在横跨所述冷却介质出口连通孔34b的宽度方向(箭头C方向)上形成多个出口孔部134b。出口孔部134b由环状出口密封部件136b围绕。如图20所示，在框架部132a的阳极面124b—侧的宽度方向两端部上方，设置了与多个入口孔部134a对应的多个入口沟部138a，另一方面，在所述阳极面124b —侧的宽度方向两端部下方，设置了与多个出口孔部134b对应的多个出口沟部138b。如图21所示，在框架部132b的阴极面128a—侧的宽度方向两端部上方，在各个冷却介质入口连通孔34a的下侧附近不设置入口孔部60a，而在横跨所述冷却介质入口连通孔34a的宽度方向上形成多个入口沟部140a。在框架部132b的阴极面128a—侧的宽度方向两端部下方，在各个冷却介质出口连通孔34b的上侧附近不设置出口孔部60b，而在横跨所述冷却介质出口连通孔34b的宽度方向上形成多个出口沟部140b。如图21所示，在框架部132b的阳极面128b—侧，没有设置入口沟部68a和出口沟部68b。第I金属隔板126由单一的金属板部件构成。如图23所示，在第I金属隔板126的一个面所设置的氧化剂气体流道84的上方，形成了多个孔部92a和多个入口沟部87a，另一方面，在氧化剂气体流道84的下方，形成了多个孔部92b和多个出口沟部87b。在第I金属隔板126的宽度方向两端部，分别不设置一对突起部89a，89b，分别不设置多个孔部90a，90b。如图18所示，第2金属隔板130包括外形具有相同形状且相互层叠的2个金属板(例如不锈钢板)142a，142b，所述金属板142a，142b使外周缘部例如通过焊接或者粘结而一体化，并且内部被密闭。在金属板142a上，与阴极侧电极24对置而形成氧化剂气体流道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道86。在金属板142a，142b之间，形成冷却介质流道88。如图24所示，在金属板142a的宽度方向两端部上方，设置了在箭头C方向上比较长的一对突起部143a。在突起部143a上，横跨各个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，设置了在箭头C方向上比较长的一对突起部143b。在突起部143b上，横跨各个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25所示，在金属板142b的一对突起部143a上，横跨各个冷却介质入口连通孔34a的宽度方向而形成多个入口沟部146a。在金属板142b的一对突起部143b上，横跨各个冷却介质出口连通孔34b的宽度方向而形成多个出口沟部146b。如图16所示，在多个电池单元122的层叠方向一端侧，通过容纳接线板150a而配置绝缘板152a，并且在所述绝缘板152a的外方配置端面板154a。在多个电池单元122的层叠方向另一端侧，通过容纳接线板150b而配置绝缘板152b，并且在所述绝缘板152b的外方配置端面板154b。在绝缘板152a和端面板154a的各自的两个长边，形成凹部31ea，另一方面，在绝缘板152b和端面板154b的各自的两个长边，形成凹部31eb。在绝缘板152a和端面板154a的各个四角，形成孔部133a，并且在绝缘板152b和端面板154b的各个四角，形成孔部133b。在燃料电池120中，紧固螺杆156被一体地插入到各个孔部133a，133b，并且通过多个(4根)所述紧固螺杆156使紧固力附加在端面板154a，154b之间。紧固板118还被配置在凹部31a, 31b, 31ea和31eb上,并且所述紧固板118被螺纹固定在端面板154a, 154b上。对于该燃料电池120的动作，以下进行概略说明。在各个电池单元122中，供给到氧化剂气体入口连通孔30a的氧化剂气体，如图17和图26所示，被导入到第I电解质膜 电极结构体124的入口沟部36a之间和第2电解质膜 电极结构体128的入口沟部56a之间。导入到入口沟部36a的氧化剂气体被供给到第2金属隔板130的氧化剂气体流道84。供给到氧化剂气体流道84的氧化剂气体被供给到第I电解质膜 电极结构体124的阴极侧电极24，之后，剩余的氧化剂气体从出口沟部36b之间被排出到氧化剂气体出口连通孔30b。另一方面，导入到入口沟部56a之间的氧化剂气体，通过第2电解质膜 电极结构体128和第I金属隔板126之间的入口沟部87a而被供给到所述第I金属隔板126的氧化剂气体流道84。供给到氧化剂气体流道84的氧化剂气体,被供给到第2电解质膜 电极结构体128的阴极侧电极24，之后，剩余的氧化剂气体通过出口沟部87b，57b间而被排出到氧化剂气体出口连通孔30b。此外，供给到燃料气体入口连通孔32a的燃料气体，如图17和图27所示，被导入到第2电解质膜 电极结构体128的阴极一侧的入口沟部62a。燃料气体从入口沟部62a通过入口孔部64a移动到阳极一侧，一部分从入口沟部72a被供给到第2金属隔板130的燃料气体流道86。 燃料气体的剩余部分通过入口孔部66a和第I金属隔板126的孔部92a被导入到所述第I金属隔板126和第I电解质膜 电极结构体124之间，并且被供给到所述第I金属隔板126的燃料气体流道86。在第2金属隔板130的燃料气体流道86中流通的已经使用的燃料气体被排出到出口沟部72b，并且进一步从出口孔部64b通过出口沟部62b而被排出到燃料气体出口连通孔32b。另一方面，在第I金属隔板126的燃料气体流道86中流通的已经使用的燃料气体，从孔部92b通过出口孔部66b而被排出到出口沟部72b，并且同样地被排出到燃料气体出口连通孔32b。通过这样，在第I电解质膜 电极结构体124和第2电解质膜 电极结构体128中，分别供给到阴极侧电极24的氧化剂气体和供给到阳极侧电极26的燃料气体通过在电极催化剂层内进行电化学反应而被消耗，并且进行发电。而且，供给到一对冷却介质入口连通孔34a的冷却介质，如图17和图28所示，被导入到第I电解质膜 电极结构体124的入口沟部138a，并且从入口沟部140a被供给到入口孔部134a。冷却介质从入口孔部134a通过第2金属隔板130的孔部144a而被导入到所述第2金属隔板130的内部。冷却介质在第2金属隔板130内沿着入口沟部146a在箭头B方向上且相互在内侧方向上流通，从而被供给到冷却介质流道88。相互在内侧方向上流通的冷却介质，在冷却介质流道88的箭头B方向中央部一侧相撞，从而在重力方向上移动，之后，在所述冷却介质流道88的下部一侧而被分开到箭头B方向两侧。然后，从各个出口沟部146b通过孔部144b从所述第2金属隔板130排出。冷却介质还从出口孔部134b通过出口沟部140b，138b被排出到冷却介质出口连通孔34b。因此，第I电解质膜 电极结构体124和第2电解质膜 电极结构体128，通过在第2金属隔板130内的冷却介质流道88中流通的冷却介质而被间苗式地冷却。在该情况下，在第2实施方式中，对于第I金属隔板126和第2金属隔板130，能够容易地实现小型轻量化，并且能够有效地削减制造成本，并且能够经济地制造整个燃料电池120等，获得与上述第I实施方式同样的效果。而且，在凹部31a，31b上配置紧固板118，该紧固板118能够具有承受在各个电池单元122的长边方向上所赋予的外部载荷的载荷 承受功能。这是因为，多个紧固螺杆156具有燃料电池120的紧固功能的缘故。
权利要求
1.一种燃料电池，是使在电解质(22)的两侧配设了一对电极(24，26)的长方形状的电解质 电极结构体(14)和金属隔板(16)层叠的燃料电池，其特征在于， 在电解质 电极结构体(14)的外周，一体地设置树脂框部件(28a)， 在所述树脂框部件(28a)上，位于所述金属隔板(16)的外方而分别形成了在层叠方向上贯通的反应气体入口连通孔 (30a)、反应气体出口连通孔(30b)、冷却介质入口连通孔(34a)和冷却介质出口连通孔(34b)，并且 在所述树脂框部件(28a)的长边方向两端部，分别设置在短边方向两侧突出的一对突出部(29al，29a2)。
2.根据权利要求I所述的燃料电池，其特征在于， 在长边方向一端侧的所述一对突出部(29al)上，形成所述冷却介质入口连通孔(34a)，并且在长边方向另一端侧的所述一对突出部(29a2)上，形成了所述冷却介质出口连通孔(34b)。
3.根据权利要求2所述的燃料电池，其特征在于， 在所述树脂框部件(28a)上，位于长边方向一端侧的所述一对突出部(29al)和所述长边方向另一端侧的所述一对突出部(29a2)之间而配设了在所述层叠方向上延伸的板部件(118)。
全文摘要
本发明提供一种燃料电池。燃料电池(10)的电池单元(12)，包括第1电解质膜·电极结构体(14)、第1金属隔板(16)、第2电解质膜·电极结构体(18)和第2金属隔板(20)。在第1电解质膜·电极结构体(14)的外周，一体地设置树脂框部件(28a)，在所述树脂框部件(28a)上分别形成了在层叠方向上贯通的氧化剂气体入口连通孔(30a)、燃料气体入口连通孔(32a)、冷却介质入口连通孔(34a)、氧化剂气体出口连通孔(30b)、燃料气体出口连通孔(32b)和冷却介质出口连通孔(34b)。在树脂框部件(28a)的长边方向两端部分别设置了在短边方向两侧突出的一对突出部(29a1，29a2)。
文档编号H01M8/02GK102738484SQ20121009972
公开日2012年10月17日 申请日期2012年4月6日 优先权日2011年4月7日
发明者中村哲也, 后藤修平, 杉田成利, 石田坚太郎 申请人:本田技研工业株式会社