專利名稱：燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池，其通過將電解質(zhì)電極組件和隔板(separator)交替層疊而形成。該電解質(zhì)電極組件包括陽(yáng)極、陰極和插入在該陽(yáng)極和陰極之間的電解質(zhì)。
背景技術(shù)：
例如，固體聚合物燃料電池采用聚合物離子交換膜作為固體聚合物電解質(zhì)膜。將固體聚合物電解質(zhì)膜插入在陽(yáng)極和陰極之間，以形成膜電極組件。陽(yáng)極和陰極中的每一個(gè)都由電極催化劑和多孔碳制成。該膜電極組件夾在隔板(雙極板)之間以形成燃料電池。在使用時(shí)，通常將預(yù)定數(shù)量的燃料電池層疊在一起以形成燃料電池組。
在燃料電池中，將諸如主要包含氫的氣體(以下也稱為含氫氣體)的燃料氣體(反應(yīng)氣體)提供給陽(yáng)極。陽(yáng)極的催化劑引起燃料氣體的化學(xué)反應(yīng)，以將氫分子分裂為氫離子和電子。氫離子通過電解質(zhì)朝向陰極移動(dòng)，而電子通過外部電路流向陰極，產(chǎn)生直流電能。將諸如主要包含氧的氣體(以下也稱為含氧氣體)的氧化氣體(反應(yīng)氣體)提供給陰極。在陰極處，來自陽(yáng)極的氫離子與電子和氧結(jié)合以產(chǎn)生水。
在燃料電池中，在面向陽(yáng)極的隔板上形成燃料氣體流場(chǎng)，用于向陽(yáng)極提供燃料氣體。在面向陰極的隔板上形成含氧氣體流場(chǎng)，用于向陰極提供含氧氣體。另外，在陽(yáng)極側(cè)隔板和陰極側(cè)隔板之間設(shè)置有冷卻劑流場(chǎng)，以使冷卻劑沿著隔板的表面流動(dòng)。
通常，這種類型的隔板由碳材料形成。然而，已發(fā)現(xiàn)由于諸如強(qiáng)度的因素而使得不能使用碳材料形成薄的隔板。因此，近來，試圖使用由薄金屬板形成的隔板(以下也稱為金屬隔板)來減小燃料電池的總體尺寸和重量。與碳隔板相比較，金屬隔板具有更高的強(qiáng)度，并且可以容易地制造薄金屬隔板?？梢酝ㄟ^模壓成型在金屬隔板上形成所需的反應(yīng)流場(chǎng)，以實(shí)現(xiàn)金屬隔板厚度的減小。
例如，圖18所示的燃料電池1包括膜電極組件5和夾有膜電極組件5的一對(duì)金屬隔板6a、6b。膜電極組件5包括陽(yáng)極2、陰極3和插入在陽(yáng)極2和陰極3之間的電解質(zhì)膜4。
金屬隔板6a在其面向陽(yáng)極2的表面上具有燃料氣體流場(chǎng)7a，用于提供諸如含氫氣體的燃料氣體。金屬隔板6b在其面向陰極3的表面上具有含氧氣體流場(chǎng)7b，用于提供諸如空氣的含氧氣體。金屬隔板6a、6b具有與陽(yáng)極2和陰極3相接觸的平面區(qū)域8a、8b。此外，在平面區(qū)域8a、8b的背面(與接觸表面相反的平面)上形成作為冷卻劑通路的冷卻劑流場(chǎng)9a、9b。
然而，在金屬隔板6a、6b中，不可避免地要基于燃料氣體流場(chǎng)7a和含氧氣體流場(chǎng)7b的形狀來確定冷卻劑流場(chǎng)9a、9b的形狀。具體地，在試圖獲得長(zhǎng)的溝槽時(shí)，假設(shè)燃料氣體流場(chǎng)7a和含氧氣體流場(chǎng)7b包括蛇形(serpentine)流動(dòng)溝槽，大大地限制了冷卻劑流場(chǎng)9a、9b的形狀。因此，電極表面中的冷卻劑的流速不均勻。
因此，在金屬隔板6a、6b的冷卻劑流場(chǎng)9a、9b的某些區(qū)域中冷卻劑是停滯的，并且在金屬隔板6a、6b的整個(gè)表面上冷卻劑不能均勻地流動(dòng)。因此，難以均勻地冷卻電極表面以獲得穩(wěn)定的發(fā)電性能。
鑒于上述問題，例如，日本特開專利公報(bào)2002-75395公開了一種燃料電池的隔板。該隔板為金屬隔板，并包括兩個(gè)具有多個(gè)氣體流場(chǎng)的波浪形金屬板，以及夾在這兩個(gè)金屬板之間的波浪形金屬中間板。該金屬中間板的兩個(gè)表面上具有冷卻水流場(chǎng)。
然而，根據(jù)傳統(tǒng)技術(shù)，該金屬隔板具有三塊金屬板，包括具有氣體流場(chǎng)的兩塊金屬板和在其兩個(gè)表面上具有冷卻劑流場(chǎng)的一塊中間金屬板。因此，具體地，當(dāng)將大量的金屬隔板層疊以形成燃料電池組時(shí)，燃料電池組的組件數(shù)量較大，從而增加了生產(chǎn)成本，并且沿金屬隔板的層疊方向的尺寸較大。因此，燃料電池組的總體尺寸較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要是提供一種具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的燃料電池，其中冷卻劑沿著隔板的表面均勻流動(dòng)，并且可獲得所需的發(fā)電性能。
根據(jù)本發(fā)明，通過沿層疊方向交替地層疊電解質(zhì)電極組件和隔板來形成燃料電池。該電解質(zhì)電極組件包括陽(yáng)極、陰極，以及插入在陽(yáng)極和陰極之間的電解質(zhì)。反應(yīng)氣體通路和冷卻劑通路沿層疊方向穿過燃料電池延伸。
每一個(gè)隔板至少包括層疊在一起的第一和第二金屬板。第一金屬板具有包括彎曲流動(dòng)通路的含氧氣體流場(chǎng)，用于沿著陰極的電極表面提供含氧氣體，而第二金屬板具有包括彎曲流動(dòng)通路的燃料氣體流場(chǎng)，用于沿著陽(yáng)極的電極表面提供燃料氣體。
在第一和第二金屬板之間形成冷卻劑流場(chǎng)，用于沿著隔板的表面提供冷卻劑。至少兩個(gè)緩沖器沿至少兩個(gè)方向與冷卻劑通路分離，并與冷卻劑流場(chǎng)相連。在這些緩沖器中的至少一個(gè)的遠(yuǎn)離冷卻劑通路的一側(cè)設(shè)置一突起，以限制冷卻劑的流動(dòng)。
通常，第一和第二金屬板具有含氧氣體流場(chǎng)和燃料氣體流場(chǎng)。含氧氣體流場(chǎng)和燃料氣體流場(chǎng)中的每一個(gè)都包括彎曲流動(dòng)通路，例如蛇形流動(dòng)通路。在第一和第二金屬板之間形成冷卻劑流場(chǎng)。因此，在冷卻劑流場(chǎng)中的冷卻劑的流動(dòng)狀態(tài)不均勻。
具體地，在第一和第二金屬板之間存在重疊部分和交叉部分，在重疊部分中流動(dòng)溝槽彼此重疊，而在交叉部分中流動(dòng)溝槽彼此交叉。在重疊部分中，流動(dòng)溝槽的深度較大，因此流場(chǎng)阻力較小。在交叉部分中，流動(dòng)溝槽的深度較小，因此流場(chǎng)阻力較大。在冷卻劑流場(chǎng)中，與中部的重疊部分相比較，相對(duì)的端部的重疊部分較長(zhǎng)，并且在相對(duì)的端部冷卻劑容易流動(dòng)。
為了解決該問題，在緩沖器的遠(yuǎn)離冷卻劑通路的一側(cè)，即在冷卻劑容易流動(dòng)的位置處設(shè)置用于限制冷卻劑的流動(dòng)的突起。
優(yōu)選地，反應(yīng)氣體通路包括燃料氣體供應(yīng)通路、含氧氣體供應(yīng)通路、燃料氣體排放通路和含氧氣體排放通路。冷卻劑通路包括冷卻劑供應(yīng)通路和冷卻劑排放通路。該緩沖器包括沿至少兩個(gè)方向與冷卻劑供應(yīng)通路分離的至少兩個(gè)入口緩沖器，該至少兩個(gè)入口緩沖器與冷卻劑流場(chǎng)相連，并且該緩沖器包括沿至少兩個(gè)方向與冷卻劑排放通路分離的至少兩個(gè)出口緩沖器，該至少兩個(gè)出口緩沖器與冷卻劑流場(chǎng)相連。
此外，優(yōu)選地，在所述第一金屬板上形成有與所述冷卻劑供應(yīng)通路相連的第一入口緩沖器和與所述冷卻劑排放通路相連的第一出口緩沖器；并且在所述第二金屬板上的與所述第一入口緩沖器和所述第一出口緩沖器的位置不同的位置處，形成與所述冷卻劑供應(yīng)通路相連的第二入口緩沖器和與所述冷卻劑排放通路相連的第二出口緩沖器。
此外，優(yōu)選地，在包括所述燃料氣體供應(yīng)通路、所述含氧氣體供應(yīng)通路、所述冷卻劑供應(yīng)通路、所述燃料氣體排放通路、所述含氧氣體排放通路和所述冷卻劑排放通路在內(nèi)的六個(gè)通路中，三個(gè)通路穿過所述隔板的一端延伸，而其它三個(gè)通路穿過所述隔板的另一端延伸。所述冷卻劑供應(yīng)通路和所述冷卻劑排放通路設(shè)置在所述隔板的相對(duì)端部的中間位置處。
根據(jù)本發(fā)明，將所述突起設(shè)置在冷卻劑容易流動(dòng)的位置處。在該位置處，限制冷卻劑的流動(dòng)。因此，可以在冷卻劑流場(chǎng)實(shí)現(xiàn)冷卻劑的均勻流動(dòng)。通過該簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，使冷卻劑沿著隔板的表面均勻流動(dòng)，并且可以實(shí)現(xiàn)所需的發(fā)電性能。
通過下面結(jié)合附圖的說明，本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加明了，在附圖中以說明性示例的方式示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。


圖1是表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的燃料電池的主要組件的分解立體圖；圖2是表示燃料電池的冷卻劑流場(chǎng)的立體圖；圖3是表示該冷卻劑流場(chǎng)的正視圖；圖4是表示沿圖3中的線IV-IV截取的燃料電池的剖視圖；
圖5是表示沿圖3中的線V-V截取的燃料電池的剖視圖；圖6是表示沿圖3中的線VI-VI截取的燃料電池的剖視圖；圖7是表示沿圖3中的線VII-VII截取的燃料電池的剖視圖；圖8表示燃料電池的第一金屬板的一個(gè)表面；圖9表示第一金屬板的另一表面；圖10表示燃料電池的第二金屬板的一個(gè)表面；圖11表示第二金屬板的另一表面；圖12表示在沒有設(shè)置突起的比較示例中冷卻劑的流速；圖13表示第一實(shí)施例中的冷卻劑的流速；圖14是表示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的燃料電池的多個(gè)突起之一的剖視圖；圖15是表示該燃料電池的另一突起的剖視圖；圖16是表示根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的燃料電池的多個(gè)突起之一的剖視圖；圖17是表示該燃料電池的另一突起的剖視圖；以及圖18是表示通過將膜電極組件夾在一對(duì)金屬隔板之間而形成的燃料電池的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的燃料電池10的主要組件的分解立體圖。圖2是表示燃料電池的冷卻劑流場(chǎng)(稍后描述)42的立體圖。圖3是表示冷卻劑流場(chǎng)42的正視圖。
通過交替地層疊膜電極組件12和隔板13來形成燃料電池10。每一個(gè)隔板13都包括層疊在一起的第一金屬板14和第二金屬板16(參見圖1和圖4到7)。
如圖1所示，在燃料電池10的沿箭頭B表示的水平方向的一端，沿箭頭C表示的方向垂直設(shè)置有含氧氣體供應(yīng)通路20a，用于提供含氧氣體；冷卻劑供應(yīng)通路22a，用于提供冷卻劑；以及燃料氣體排放通路24b，用于排放諸如含氫氣體的燃料氣體。含氧氣體供應(yīng)通路20a、冷卻劑供應(yīng)通路22a以及燃料氣體排放通路24b沿箭頭A表示的層疊方向穿過燃料電池10延伸。
在燃料電池10的沿箭頭B表示的水平方向的另一端，在由箭頭C表示的方向設(shè)置有燃料氣體供應(yīng)通路24a，用于提供燃料氣體；冷卻劑排放通路22b，用于排放冷卻劑；以及含氧氣體排放通路20b，用于排放含氧氣體。燃料氣體供應(yīng)通路24a、冷卻劑排放通路22b以及含氧氣體排放通路20b沿箭頭A表示的方向穿過燃料電池10延伸。
膜電極組件12包括陽(yáng)極28、陰極30和插入在陽(yáng)極28和陰極30之間的固體聚合物電解質(zhì)膜26。例如，通過使用水浸漬全氟磺酸(perfluorosulfonic acid)薄膜來形成固體聚合物電解質(zhì)膜26。
將陽(yáng)極28和陰極30沿箭頭B表示的方向的相對(duì)端部處的中間位置切除，以提供冷卻劑供應(yīng)通路22a和冷卻劑排放通路22b。
陽(yáng)極28和陰極30中的每一個(gè)都具有諸如碳素紙(carbon paper)的氣體擴(kuò)散層(未示出)，以及支承在多孔碳粒子上的鉑基合金電極催化劑層(未示出)。將碳粒子均勻地淀積在氣體擴(kuò)散層的表面上。在固體聚合物電解質(zhì)膜26的兩個(gè)表面上分別形成陰極30的電極催化劑層和陽(yáng)極28的電極催化劑層。
如圖1和8所示，第一金屬板14在其面向膜電極組件12的表面14a上具有含氧氣體流場(chǎng)32。含氧氣體流場(chǎng)32與含氧氣體供應(yīng)通路20a和含氧氣體排放通路20b相連。含氧氣體流場(chǎng)32與含氧氣體供應(yīng)通路20a附近的入口緩沖器34a相連，并與含氧氣體排放通路20b附近的出口緩沖器34b相連。入口緩沖器34a通過連接溝槽36a與含氧氣體供應(yīng)通路20a相連，并且出口緩沖器34b通過連接溝槽36b與含氧氣體排放通路20b相連。
通過含氧氣體流場(chǎng)32的多個(gè)含氧氣體流動(dòng)溝槽32a來連接入口緩沖器34a和出口緩沖器34b。含氧氣體流動(dòng)溝槽32a具有蛇狀結(jié)構(gòu)，以使得含氧氣體能夠沿箭頭B表示的方向來回流動(dòng)，以及沿箭頭C表示的方向移動(dòng)。含氧氣體流動(dòng)溝槽32a為蛇形溝槽，包括兩個(gè)轉(zhuǎn)向區(qū)域和沿箭頭B表示的方向的三個(gè)直線區(qū)域。
第一金屬板14的表面14b和第二金屬板16的表面16a彼此相對(duì)。當(dāng)將第一金屬板14和第二金屬板16層疊在一起時(shí)，在表面14b和表面16a之間形成冷卻劑流場(chǎng)42。如圖2和3中所示，冷卻劑流場(chǎng)42例如包括冷卻劑供應(yīng)通路22a的沿箭頭C表示的方向的相對(duì)端部附近的兩個(gè)入口緩沖器44、46，并且例如包括冷卻劑排放通路22b的沿箭頭C表示的方向的相對(duì)端部附近的兩個(gè)出口緩沖器48、50。
分別通過兩個(gè)入口流動(dòng)溝槽52、54來連接冷卻劑供應(yīng)通路22a和入口緩沖器44、46，并且分別通過兩個(gè)出口流動(dòng)溝槽56、58來連接冷卻劑排放通路22b和出口緩沖器48、50。
冷卻劑流場(chǎng)42包括直且長(zhǎng)的流動(dòng)溝槽60、62、64和66，其在較低位置處沿箭頭B表示的方向延伸；以及直且長(zhǎng)的流動(dòng)溝槽68、70、72和74，其在較高位置處沿箭頭B表示的方向延伸。此外，在直的流動(dòng)溝槽66和直的流動(dòng)溝槽68之間設(shè)置有直的流動(dòng)溝槽76、78，其沿箭頭B表示的方向延伸預(yù)定距離。
通過沿箭頭C表示的方向延伸的直的流動(dòng)溝槽80、82來連接直的流動(dòng)溝槽60到74。直的流動(dòng)溝槽62到72、76和78通過沿箭頭C表示的方向延伸的直的流動(dòng)溝槽84、86而彼此相連。直的流動(dòng)溝槽64、66和76以及直的流動(dòng)溝槽68、70和78分別通過沿箭頭C表示的方向斷續(xù)延伸的直的流動(dòng)溝槽88、90而彼此相連。
冷卻劑流場(chǎng)42由第一金屬板14部分地限定，并且由第二金屬板16部分地限定。當(dāng)將第一金屬板14和第二金屬板16層疊在一起時(shí)，在第一金屬板14和第二金屬板16之間形成冷卻劑流場(chǎng)42。
如圖9所示，冷卻劑流場(chǎng)42的一部分形成在第一金屬隔板14的表面14b上。為了易于理解，未示出由第一金屬板14的表面14a上的含氧氣體流場(chǎng)32的多個(gè)溝槽形成的第一金屬板14的表面14b上的多個(gè)脊部。同樣，在圖10中，未示出由第二金屬板16的表面16a上的燃料氣體流場(chǎng)98的多個(gè)溝槽形成的第二金屬板16的表面16b上的多個(gè)脊部。
在表面14b上設(shè)置有與冷卻劑供應(yīng)通路22a相連的入口緩沖器44和與冷卻劑排放通路22b相連的出口緩沖器50。在表面14b上，作為直的流動(dòng)溝槽60到78的一部分的溝槽60a到78a沿箭頭B表示的方向延伸預(yù)定距離，而作為直的流動(dòng)溝槽80到90的一部分的溝槽80a到90a沿箭頭C表示的方向延伸預(yù)定距離。
將用于限制冷卻劑的流動(dòng)的突起92a設(shè)置在入口緩沖器44的遠(yuǎn)離冷卻劑供應(yīng)通路22a的一側(cè)，即，位于冷卻劑流場(chǎng)42的下端位置處(參見圖6和9)。此外，將用于限制冷卻劑的流動(dòng)的突起92b設(shè)置在出口緩沖器50的遠(yuǎn)離冷卻劑排放通路22b的一側(cè)，即，位于冷卻劑流場(chǎng)42的上端位置處。通過模壓成型在第一金屬板14上一體地形成突起92a、92b，并在表面14a上形成多個(gè)凹進(jìn)部分(recess)。這些凹進(jìn)部分用作為用于防止含氧氣體進(jìn)入的封閉結(jié)構(gòu)。
通過噴注成型在第一金屬板14的表面14a、14b上一體地形成第一密封構(gòu)件94，以覆蓋(夾著)第一金屬板14的外緣。第一密封構(gòu)件94是包括如圖8所示的線密封件94a的平面密封件。圍繞含氧氣體供應(yīng)通路20a、含氧氣體排放通路20b和含氧氣體流場(chǎng)32形成線密封件94a，以防止含氧氣體的泄漏。線密封件94a包括連接溝槽36a、36b的分隔壁。
如圖10所示，在第二金屬板16的表面16a上形成入口緩沖器46和出口緩沖器48。在表面16a上，作為直的流動(dòng)溝槽60至78的一部分的溝槽60b至78b沿箭頭B表示的方向延伸預(yù)定距離，而作為直的流動(dòng)溝槽80至90的一部分的溝槽80b至90b沿箭頭C表示的方向延伸預(yù)定距離。
在冷卻劑流場(chǎng)42中，在沿箭頭B表示的方向延伸的直的流動(dòng)溝槽60至78的一部分處，溝槽60a至78a與溝槽60b至78b彼此相對(duì)，以形成主流場(chǎng)。冷卻劑流場(chǎng)42中的主流場(chǎng)的截面積是冷卻劑流場(chǎng)42的其它部分的截面積的兩倍(參見圖2和圖3)。由第一金屬板14和第二金屬板16的表面14b、16b上的溝槽來部分地限定直的流動(dòng)溝槽80至90，部分地限定在第一金屬板14的一個(gè)表面14b上，并且部分地限定在第二金屬板16的一個(gè)表面16a上。
如圖10所示，將用于限制冷卻劑的流動(dòng)的突起96a設(shè)置在入口緩沖器46的遠(yuǎn)離冷卻劑供應(yīng)通路22a的一側(cè)，即，位于冷卻劑流場(chǎng)42的上端位置處。此外，將用于限制冷卻劑的流動(dòng)的突起96b設(shè)置在出口緩沖器48的遠(yuǎn)離冷卻劑排放通路22b的一側(cè)，即，位于冷卻劑流場(chǎng)42的下端位置處。如圖11所示，突起96a、96b在表面16b上形成多個(gè)凹進(jìn)部分。這些凹進(jìn)部分用作為用于防止燃料氣體進(jìn)入的封閉結(jié)構(gòu)。
第二金屬板16在其面對(duì)膜電極組件12的表面16b上具有燃料氣體流場(chǎng)98。燃料氣體流場(chǎng)98與燃料氣體供應(yīng)通路24a附近的入口緩沖器100a相連，并與燃料氣體排放通路24b附近的出口緩沖器100b相連。
入口緩沖器100a通過多個(gè)連接溝槽102a與燃料氣體供應(yīng)通路24a相連，并且出口緩沖器100b通過多個(gè)連接溝槽102b與燃料氣體排放通路24b相連。燃料氣體流場(chǎng)98包括多個(gè)燃料氣體流動(dòng)溝槽98a，這些燃料氣體流動(dòng)溝槽98a具有蛇形結(jié)構(gòu)，以使得燃料氣體能夠沿箭頭B表示的方向來回流動(dòng)，以及沿箭頭C表示的方向移動(dòng)。燃料氣體流動(dòng)溝槽98a為包括兩個(gè)轉(zhuǎn)向區(qū)域和三個(gè)直線區(qū)域的蛇形溝槽。
通過噴注成型在第二金屬板16的表面16a、16b上一體地形成第二密封構(gòu)件104，以覆蓋(夾著)第二金屬板16的外緣。第二密封構(gòu)件104為平面密封件，包括如圖10所示的線密封件104a和如圖11所示的線密封件104b。圍繞冷卻劑供應(yīng)通路22a、冷卻劑排放通路22b和冷卻劑流場(chǎng)42形成線密封件104a，以防止冷卻劑的泄漏。圍繞燃料氣體供應(yīng)通路24a、燃料氣體排放通路24b和燃料氣體流場(chǎng)98形成線密封件104b，以防止燃料氣體的泄漏。
線密封件104a包括入口流動(dòng)溝槽52、54的分隔壁和出口流動(dòng)溝槽56、58的分隔壁(參見圖10)。線密封件104b包括連接溝槽102a、102b的分隔壁(參見圖11)。
下面將描述根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的燃料電池10的操作。
如圖1所示，將含氧氣體提供給含氧氣體供應(yīng)通路20a，將諸如含氫氣體的燃料氣體提供給燃料氣體供應(yīng)通路24a，并且將諸如純凈水、乙二醇或油的冷卻劑提供給冷卻劑供應(yīng)通路22a。
含氧氣體從含氧氣體供應(yīng)通路20a流入第一金屬板14的含氧氣體流場(chǎng)32中。如圖8所示，含氧氣體流過入口緩沖器34a，并分布到含氧氣體流動(dòng)溝槽32a中。含氧氣體沿膜電極組件12的陰極30流過蛇形結(jié)構(gòu)的含氧氣體流動(dòng)溝槽32a。
燃料氣體從燃料氣體供應(yīng)通路24a流入第二金屬板16的燃料氣體流場(chǎng)98中。如圖11所示，燃料氣體流過入口緩沖器100a，并分布到燃料氣體流動(dòng)溝槽98a中。燃料氣體沿膜電極組件12的陽(yáng)極28流過蛇形結(jié)構(gòu)的燃料氣體流動(dòng)溝槽98a。
因此，在膜電極組件12中，在陰極30和陽(yáng)極28的催化劑層處的電化學(xué)反應(yīng)中消耗了提供給陰極30的含氧氣體和提供給陽(yáng)極28的燃料氣體，以產(chǎn)生電。
在陰極30處消耗了含氧氣體后，該含氧氣體通過出口緩沖器34b流入含氧氣體排放通路20b中(參見圖8)。同樣，在陽(yáng)極28處消耗了燃料氣體后，該燃料氣體通過出口緩沖器100b流入燃料氣體排放通路24b中(參見圖11)。
提供給冷卻劑供應(yīng)通路22a的冷卻劑流入第一金屬板14和第二金屬板16之間的冷卻劑流場(chǎng)42中。如圖2至5所示，來自冷卻劑供應(yīng)通路22a的冷卻劑沿箭頭C表示的方向流過入口流動(dòng)溝槽52、54，并流進(jìn)入口緩沖器44、46中。
冷卻劑從入口緩沖器44、46沿箭頭B表示的方向水平地分布到直的流動(dòng)溝槽60至78中。冷卻劑還流過直的流動(dòng)溝槽80至90。因此，冷卻劑被提供給膜電極組件12的整個(gè)發(fā)電表面。然后，冷卻劑流過出口緩沖器48、50，并通過出口流動(dòng)溝槽56、58排放到冷卻劑排放通路22b中。
在第一實(shí)施例中，如圖2和3所示，在冷卻劑流場(chǎng)42中，沿箭頭B表示的方向延伸的直的流動(dòng)溝槽60至78的主流場(chǎng)具有較大的截面積。主流場(chǎng)的溝槽沿箭頭C表示的垂直方向的外部位置處較長(zhǎng)。具體地，在直的流動(dòng)溝槽60至78中，直的流動(dòng)溝槽66、68最短，而流動(dòng)溝槽60、74最長(zhǎng)。在主流場(chǎng)的多個(gè)流動(dòng)溝槽的長(zhǎng)度之間的差異相當(dāng)大。當(dāng)冷卻劑從入口緩沖器44流向直的流動(dòng)溝槽66、68時(shí)，冷卻劑流過流場(chǎng)阻力較大的交叉區(qū)域。此外，當(dāng)冷卻劑從直的流動(dòng)溝槽66、68流向出口緩沖器48時(shí)，冷卻劑再次流過交叉區(qū)域。因此，冷卻劑的流速在直的流動(dòng)溝槽66、68中較小。因此，在箭頭B表示的方向上沿直的流動(dòng)溝槽66至78流動(dòng)的冷卻劑的流速可能不均勻。流過位于上、下相對(duì)的端部位置處的直的流動(dòng)溝槽60、74的冷卻劑的流速可能顯著增加。
因此，為了克服該問題，在第一實(shí)施例中，將用于限制冷卻劑的流動(dòng)的突起92a、96b分別設(shè)置在入口緩沖器44和出口緩沖器48的下側(cè)。同樣，將用于限制冷卻劑的流動(dòng)的突起96a、92b分別設(shè)置在入口緩沖器46和出口緩沖器50的上側(cè)。
如圖6所示，在入口緩沖器44處，設(shè)置在第一金屬板14的表面14b上的突起92a與第二金屬板16的表面16a接觸，以限制冷卻劑的流動(dòng)。如圖7所示，在入口緩沖器46處，第二金屬板16上的突起96a與第一金屬板14的表面14b接觸，以限制冷卻劑的流動(dòng)。
同樣，在出口緩沖器48、50處，第二金屬板16的突起96b與第一金屬板14的表面14b接觸，并且第一金屬板14的突起92b與第二金屬板16的表面16a接觸，以限制冷卻劑的流動(dòng)。
因此，在沿箭頭C表示的方向的相對(duì)端部位置(在冷卻劑流場(chǎng)42的上、下端部位置)處，限制了冷卻劑的流動(dòng)。因此，對(duì)于所有直的流動(dòng)溝槽60至78可以沿箭頭B表示的方向?qū)崿F(xiàn)冷卻劑的均勻流動(dòng)。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來檢測(cè)未在入口緩沖器44、46和出口緩沖器48、50處設(shè)置突起92a、96a、96b、92b的情況下冷卻劑流過冷卻劑流場(chǎng)42的流速。圖12中示出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在圖12中，在冷卻劑流場(chǎng)42的上、下端部位置處冷卻劑的流速較大。此外，在直的流動(dòng)溝槽66、68中冷卻劑的流速較小。
相反，在第一實(shí)施例中，如圖13所示，由于將突起92a、96a、96b、92b設(shè)置在冷卻劑流場(chǎng)42的上、下端部位置上，所以實(shí)現(xiàn)了沿箭頭C表示的方向的冷卻劑的均勻流速。因此，在第一實(shí)施例中，通過該簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，在隔板的表面中均勻且可靠地提供冷卻劑，并且可以實(shí)現(xiàn)所需的發(fā)電性能。
圖14是表示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的燃料電池10a的突起92c的剖視圖。圖15是表示燃料電池10a的突起96c的剖視圖。使用相同的標(biāo)號(hào)表示與根據(jù)第一實(shí)施例的燃料電池10相同的組成元件，并且將省略對(duì)其的描述。同樣，在稍后描述的第三實(shí)施例中，使用相同的附圖標(biāo)記表示與根據(jù)第一實(shí)施例的燃料電池10相同的組成元件，并且將省略對(duì)其的描述。
突起92c包括形成在第一金屬板14的表面14b上的突起110。突起110由橡膠材料制成，并且一體地形成在第一金屬板14的表面14b上。突起110與第二金屬板16的表面16a接觸，以限制冷卻劑的流動(dòng)。同樣，如圖15所示，突起96c包括一體地形成在第二金屬板16地表面16a上的橡膠材料的突起112。突起112與第一金屬板14的表面14b接觸，以限制冷卻劑的流動(dòng)。
在第二實(shí)施例中，使用橡膠材料在第二金屬板16和第一金屬板14上分別一體地形成突起112、110。在第二實(shí)施例中，可以獲得與第一實(shí)施例(其中，通過模壓成型來提供突起92a、96a)相同的優(yōu)點(diǎn)。
圖16是表示根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的燃料電池10b的突起92d的剖視圖。圖17是表示燃料電池10b的突起96d的剖視圖。
突起92d包括由橡膠制成的突起114，并且被預(yù)先形成為預(yù)定的形狀。將突起114接合到第一金屬板14的表面14b上。突起114與第二金屬板16的表面16a接觸。同樣，如圖17所示，突起96d包括由橡膠制成的突起116，并被預(yù)先形成為預(yù)定的形狀。將突起116接合到第二金屬板16的表面16b上。突起116與第一金屬板14的表面14b接觸。因此，在第三實(shí)施例中，可以獲得與第一和第二實(shí)施例相同的優(yōu)點(diǎn)。
盡管已參照優(yōu)選實(shí)施例詳細(xì)示出并描述了本發(fā)明，但是應(yīng)該理解，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以進(jìn)行各種變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，其通過沿層疊方向交替地層疊電解質(zhì)電極組件(12)和多個(gè)隔板(13)而形成，所述電解質(zhì)電極組件(12)包括陽(yáng)極(28)和陰極(30)以及插入在所述陽(yáng)極(28)和所述陰極(30)之間的電解質(zhì)(26)，其中，反應(yīng)氣體通路(20a)和冷卻劑通路(22a)沿所述層疊方向穿過所述燃料電池延伸；所述多個(gè)隔板(13)中的每一個(gè)都至少包括層疊在一起的第一和第二金屬板(14、16)；所述第一金屬板(14)具有包括彎曲流動(dòng)通路的含氧氣體流場(chǎng)(32)，用于沿所述陰極(30)的電極表面提供含氧氣體，并且所述第二金屬板(16)具有包括彎曲流動(dòng)通路的燃料氣體流場(chǎng)(98)，用于沿所述陽(yáng)極(28)的電極表面提供燃料氣體；在所述第一和第二金屬板(14、16)之間形成冷卻劑流場(chǎng)(42)，用于沿所述隔板(13)的表面提供所述冷卻劑；至少兩個(gè)緩沖器(44)沿至少兩個(gè)方向與所述冷卻劑通路(22a)分離，并與所述冷卻劑流場(chǎng)(42)相連；并且在所述多個(gè)緩沖器(44)中的至少一個(gè)的遠(yuǎn)離所述冷卻劑通路(22a)的一側(cè)設(shè)置突起(92a)，用于限制所述冷卻劑的流動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中，所述反應(yīng)氣體通路包括燃料氣體供應(yīng)通路(24a)、含氧氣體供應(yīng)通路(20a)、燃料氣體排放通路(24b)和含氧氣體排放通路(20b)；所述冷卻劑通路包括冷卻劑供應(yīng)通路(22a)和冷卻劑排放通路(22b)；并且所述緩沖器包括至少兩個(gè)入口緩沖器(44)，這些入口緩沖器沿至少兩個(gè)方向與所述冷卻劑供應(yīng)通路(22a)分離，并與所述冷卻劑流場(chǎng)(42)相連，并且所述緩沖器包括至少兩個(gè)出口緩沖器(48)，這些出口緩沖器沿至少兩個(gè)方向與所述冷卻劑排放通路(22b)分離，并與所述冷卻劑流場(chǎng)(42)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池，其中，在所述第一金屬板(14)上形成有與所述冷卻劑供應(yīng)通路(22a)相連的第一入口緩沖器(44)以及與所述冷卻劑排放通路(22b)相連的第一出口緩沖器(50)；并且在所述第二金屬板(16)上的與所述第一入口緩沖器(44)和所述第一出口緩沖器(50)的位置不同的位置處，形成有與所述冷卻劑供應(yīng)通路(22a)相連的第二入口緩沖器(46)以及與所述冷卻劑排放通路(22b)相連的第二出口緩沖器(48)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池，其中，在包括所述燃料氣體供應(yīng)通路(24a)、所述含氧氣體供應(yīng)通路(20a)、所述冷卻劑供應(yīng)通路(22a)、所述燃料氣體排放通路(24b)、所述含氧氣體排放通路(20b)和所述冷卻劑排放通路(22b)在內(nèi)的六個(gè)通路中，三個(gè)通路穿過所述多個(gè)隔板(13)的一端延伸，而其它三個(gè)通路穿過所述多個(gè)隔板(13)的另一端延伸；并且所述冷卻劑供應(yīng)通路(22a)和所述冷卻劑排放通路(22b)設(shè)置在所述多個(gè)隔板(13)的相對(duì)端部的中間位置處。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中，所述突起(92a)通過模壓成型而一體地形成在所述第一金屬板(14)或所述第二金屬板(16)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中，所述突起(110)由橡膠材料制成，并且一體地形成在所述第一金屬板(14)或所述第二金屬板(16)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中，所述突起(114)由橡膠材料制成，并接合到所述第一金屬板(14)或所述第二金屬板(16)上。
全文摘要
一種燃料電池(10)，其通過交替地層疊膜電極組件(12)和多個(gè)隔板(13)而形成。每一個(gè)隔板(13)都包括第一和第二金屬板(14、16)。在第一和第二金屬板(14、16)之間形成冷卻劑流場(chǎng)(42)。冷卻劑流場(chǎng)(42)與入口緩沖器(44、46)和出口緩沖器(48、50)相連。在入口緩沖器(44、46)和出口緩沖器(48、50)處，在冷卻劑流場(chǎng)(42)的上、下端部位置上設(shè)置多個(gè)突起(92a、96a和96b、92b)，用于限制冷卻劑的流動(dòng)。
文檔編號(hào)H01M8/04GK1638177SQ20041001153
公開日2005年7月13日 申請(qǐng)日期2004年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月25日
發(fā)明者杉浦誠(chéng)治, 后藤修平, 毛利昌弘 申請(qǐng)人:本田技研工業(yè)株式會(huì)社