專利名稱：燃料電池及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池以及制造所述燃料電池的方法，具體地，本發(fā)明涉及一種經(jīng)受發(fā)電能力降低的可能性較小的燃料電池以及一種制造這種燃料電池的方法。
背景技術(shù)：
近年來，能夠利用氫氣和氧氣之間的電化學反應(yīng)來產(chǎn)生電力的燃料電池獲得了廣泛的關(guān)注。燃料電池的示例之一具有層疊結(jié)構(gòu)，其主要包括膜
電極組件(在適當?shù)臅r候?qū)⑵浞Q之為"MEA")、擴散層和隔板，其中，所述擴散層布置于所述MEA的相反的主表面上，所述隔板布置于所述擴^的與面對所述MEA的主表面相反的主表面上。所述MEA可構(gòu)造為^f吏得陰電極層布置于所述電解質(zhì)層的相反表面之一上，而陽電極層布置于所述電解質(zhì)層的另一表面上。所述擴散層由例如多孔材料制成。
工作中，包含氧氣的空氣和包含氫氣的燃料氣體通過隔板供應(yīng)至燃料電池的擴散層。供應(yīng)至燃料電池的所述空氣和燃料氣體也可稱為"反應(yīng)氣體"。然后，供應(yīng)至燃料電池的擴散層的所述反應(yīng)氣體在流過擴散層的內(nèi)部的同時供應(yīng)至MEA，以使^JL氣體在MEA中用于發(fā)電。部分未用于發(fā)電的M氣體通過擴散層和隔板排放至燃料電k外。
為防止反應(yīng)氣體從燃料電池之內(nèi)泄漏至燃料電池之外，圍繞所述MEA和擴散層的周邊可設(shè)置密封件，例如日本專利JP-A-2002-231274中所披露的那樣。
在如上所述的燃料電池中，為防止由于所述密封件和所述擴散層之間沿燃料電池的層疊方向的干擾導(dǎo)致的不完全的密封和表面壓力的變化，所述密封件和擴散層布置為在它們之間形成一定間距。結(jié)果，在所述密封件和擴M之間形成一定空間。才艮據(jù)該布置，供應(yīng)至燃料電池的部分>^應(yīng)氣體可能通過所述空間，且可能在未用于發(fā)電的情況下就被排放至燃料電池之外。如果部分反應(yīng)氣體在未用于發(fā)電的情況下就被排出，則會降低燃料電池的發(fā)電效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種抑制燃料電池的發(fā)電效率降低的技術(shù)。
本發(fā)明的第一方面涉及一種燃料電池，所述燃料電池包括(a)發(fā)電體，所述發(fā)電體包括電解質(zhì)層和布置于所述電解質(zhì)層的相反的主表面上的電極層；(b)多個擴散層，所述多個擴散層布置于所逸&電體的相反的主表面上，并且具有用于讓發(fā)電的氣體從中流過的內(nèi)部通道，從而將所述氣體供應(yīng)至所述發(fā)電體；(c)多個隔板，所述多個隔板布置于所述擴散層的與面對所idJL電體的所述擴散層的主表面相反的主表面上，以便將所述氣體供應(yīng)至所述擴散層，所U電體、所述擴散層以及所述隔板層疊在一起以形成所述燃料電池；(d)第一密封件，所述第一密封件圍繞所述發(fā)電體的周邊形
有效密封部；以及(e)第二密封件，所述第二密封件與所述擴散層中的至少一個擴散層一體形成以沿著所述至少一個擴散層的端面延伸，所述第二密封件緊密接觸其上層疊有所述擴散層的所述發(fā)電體的層疊面以及層疊于所述擴散層上的所述隔板中的相應(yīng)一個隔板的層疊面.
根據(jù)如上所述構(gòu)造的燃料電池，防止了氣體泄漏至在所述擴散層和所述第一密封件之間形成的空間內(nèi)，從而能夠抑制由于氣體泄漏導(dǎo)致的燃料電池發(fā)電效率的降低。
在根據(jù)本發(fā)明以上方面的燃料電池中，形成所述第二密封件的材料以及在層疊所iOL電體、擴散層以及隔板之前所述第二密封件的形狀確定為使得在層疊期間當所述第二密封件夾設(shè)在所述發(fā)電體和相應(yīng)的隔板之間時所述第二密封件發(fā)生變形。
利用該布置，所述第二密封件能夠形成為緊密接觸所述發(fā)電體的所述層疊面和所述隔板的所述層疊面。
在根據(jù)本發(fā)明以上方面的燃料電池中，在進行層疊之前沿所述燃料電池的層疊方向測量的所述第二密封件的厚度大于其上形成有所述第二密封件的所述擴散層的厚度。
利用該布置，在對燃料電池進行層疊的時候，當所述第二密封件夾設(shè)在所iiJC電體和相應(yīng)的隔板之間時，所述第二密封件能夠變形。在根據(jù)本發(fā)明以上方面的燃料電池中，在進行層疊之前所述第二密封 件可成形為使得所述第二密封件不從與所述擴散層的相反的主表面中的 至少 一個主表面齊平的平面伸出。
利用該布置，與所述第二密封件一體形成的所述擴散層能夠在其相反 的層疊面之一處容易地連接至另一構(gòu)件一例如隔板一的層疊面，從而保證 制造燃料電池的效率提高。
在根據(jù)本發(fā)明以上方面的燃料電池中，所述第二密封件可形成為覆蓋 所述擴散層的端面的整個區(qū)域。
利用該布置，能夠更可靠地抑制或者防止氣體泄漏至在所述擴散層和 所述第一密封件之間形成的空間內(nèi)，從而能夠抑制燃料電池的發(fā)電效率的 降低。
在根據(jù)本發(fā)明以上方面的燃料電池中，所述第二密封件可緊密接觸所 述第一密封件的一部分。
利用該布置，防止氣體通過所iOC電體的所述層疊面泄漏至在所述擴
散層和所述第一密封件之間形成的空間內(nèi)，從而能夠抑制燃料電池發(fā)電效 率的降低。
在根據(jù)本發(fā)明以上方面的燃料電池中，第一密封件可包括覆蓋部分， 所述覆蓋部分覆蓋其上層疊有所述擴散層的所述發(fā)電體的端部的每個相
反的層疊面；并且第二密封件可包括位于所述擴散層的端面之外并且與所 述發(fā)電體的未被所述覆蓋部分覆蓋的所述層疊面的整個區(qū)域緊密接觸的 一部分。
利用該布置，能夠更可靠地抑制或者防止氣體通過所U電體的所述 層疊面泄漏至在所述擴散層和所述第一密封件之間形成的空間內(nèi)，從而能 夠抑制燃料電池的發(fā)電效率的降低。
在根據(jù)本發(fā)明以上方面的燃料電池中，所述第二密封件可由^yt低于 所述第一密封件的現(xiàn)復(fù)的材料制成。
利用該布置，即^吏在所述第一密封件和所述第二密封件沿層疊方向相 互干擾或者相互重疊的情況下，所述第二密封件也會變形以防止不完全的 密封和/或表面壓力的變化，從而避免燃料電池的發(fā)電能力的降低。在才艮據(jù)本發(fā)明以上方面的燃料電池中，每個所述隔板的面對所述擴散 層中的相應(yīng)一個擴散層的所述主表面可為平面形狀。
即4吏在這種較難控制氣體流動的燃料電池中，也能夠抑制反應(yīng)氣體泄 漏至在所述擴散層和所述第一密封件之間形成的空間內(nèi)，從而能夠抑制發(fā) 電效率的降低。
本發(fā)明的第二方面涉及一種制造燃料電池的方法，所述方法包括以下
步驟(a)制名^發(fā)電體、多個擴散層和多個隔板，所述發(fā)電體包括電解質(zhì) 層和布置于所述電解質(zhì)層的相反的主表面上的電極層，所述多個擴散層具 有讓用于發(fā)電的氣體從中流過的內(nèi)部通道，從而將所述氣體供應(yīng)至所^JC 電體，所述多個隔板適于將所述氣體供應(yīng)至所述擴散層；(b)將所述擴散 層放置于所述發(fā)電體的相反的主表面上；(c)沿著所述發(fā)電體的端面形成 第 一密封件；(d)與所述擴散層中的至少一個擴散層一體形成第二密封件， 以使所述第二密封件沿著所述擴散層的端面延伸；以及(e)將所述隔M 置于所述擴散層的與面對所述發(fā)電體的所述擴散層的主表面相反的主表 面上，并使得所述第二密封件緊密接觸其上層疊有所述擴散層的所iOL電 體的層疊面以及層疊于所述擴散層上的所述隔板中的相應(yīng)一個隔板的層 疊面。
應(yīng)當理解的是，本發(fā)明能夠采用不同形式實施，例如采用的形式有燃 料電池、制造燃料電池的方法、用于燃料電池的單元電池和具有燃料電池 的移動單元。


通過參考附圖對優(yōu)選實施方式進行的以下說明，本發(fā)明的以上和/或另 外的目的、特征和優(yōu)點將變得更明顯，圖中相同的數(shù)字用于代^目同的元 件，其中
圖1A和圖1B為示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式構(gòu)造的燃料 電池的橫截面視圖2A和2B為示意性地示出才艮據(jù)本發(fā)明的所述第一實施方式構(gòu)造的所 述燃料電池的橫截面視圖3為示意性地示出作為本發(fā)明的第一實施方式的所述燃料電池的俯視圖4為示意性地示出作為;^發(fā)明的第一實施方式的所述燃料電池的俯 視圖5A和圖5B為用于說明制造根據(jù)所述第一實施方式的所述燃料電池 的方法的橫截面視圖6為用于說明設(shè)定在層疊所述燃料電^前沿層疊方向測量的第二 密封件的厚度ts的方法的圖7為用于說明制造才艮據(jù)所述第二實施方式的所述燃料電池的方法的 橫截面視圖8A和8B為示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施方式構(gòu)造的燃料電 池的橫截面視圖；以及
圖9為示意性地示出作為修改示例的燃料電池的橫截面視圖。
具體實施例方式
在以下說明書中，將根據(jù)示例性實施方式更詳細地i兌明本發(fā)明。
首先將i^明本發(fā)明的第一實施方式。圖1A、圖1B、圖2A和圖2B為示 意性地示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式構(gòu)造的燃料電池100的橫截面視 圖。圖3和圖4為示意性地示出所述第一實施方式的燃料電池100的俯視 圖。更具體地，圖1A示出沿圖3和圖4中的線1-1獲得的燃料電池100 的截面，而圖1B為圖1A中示出的燃料電池100的X1部分的放大圖；圖 2A示出沿圖3和圖4中的線2-2獲得的燃料電池100的截面，而圖2B為 圖2A中示出的燃料電池100的X2部分的放大圖。圖3為從圖1A和1B以 及圖2A和2B的頂部所觀察到的隔板300的平面圖。圖3中，由雙點劃線 限定的區(qū)域PA表示與單元電池200 (更具體地，為如下所述的陰極側(cè)第一 擴散層230 )接觸的區(qū)域。圖4為從圖1A和1B以及圖2A和2B的頂部所 觀察到的單元電池200的平面圖。
燃料電池100為一種使用例如作為氧化氣體的空氣和富氫燃料氣體來 產(chǎn)生電力的設(shè)備。該實施方式的燃料電池100為聚合物電解質(zhì)燃料電池。 如圖1A和1B以及圖2A和2B所示，燃料電池100主要包括交替地層疊或者疊置在一起的單元電池200和隔板300。圖1A和IB以及圖2A和2B僅 示出一個單元電池200和設(shè)置于單元電池200的相反側(cè)的一對隔板300， 而未示出燃料電池100的其余單元電池200和隔板300。在該說明書中， 燃料電池100的各個元件層疊在一起的方向，亦即從圖1A和1B以及圖2A 和2B所觀察到的豎直方向被稱為"燃料電池100的層疊方向"，或者簡稱 為"層疊方向"。
如圖1A和圖2A所示，單元電池200包括發(fā)電體210、布置于作為發(fā) 電體210的相反側(cè)之一的陽極側(cè)的第一擴散層220、以及布置于作為發(fā)電 體210的另一側(cè)的陰極側(cè)的第一擴散層230。第一擴散層220、 230布置為 在其二者之間夾i議電體210。以下說明中，布置于所述陽極側(cè)的第一擴 M 220將被簡稱為"陽極側(cè)第一擴散層220"，而布置于所述陰極側(cè)的第 一擴散層230將被簡稱為"陰極側(cè)第一擴散層230"。此外，在適當?shù)臅r候， 所述陽極側(cè)第一擴散層220和陰極側(cè)第一擴散層230將共同被稱為"第一 擴散層220和230"。每個所述第一擴散層220和230由金屬多孔體或者碳 多孔體構(gòu)成，所述金屬多孔體或者碳多孔體具有高內(nèi)部孔隙率，在氣體流 過其內(nèi)部時^現(xiàn)出小的壓力損失，并且充當允許由發(fā)電體210用于發(fā)電 的反應(yīng)氣體(空氣或者燃料氣體)從其中流過的多孔體通道。
如圖1B和圖2B所示，發(fā)電體210包括由離子交換膜形成的電解質(zhì)層 212、陽極側(cè)催化劑電極層214和陰極側(cè)催化劑電極層215，所述陽極側(cè)催 化劑電M 214和陰極側(cè)催化劑電極層215布置于電解質(zhì)層212的相反側(cè)， 以將所述電解質(zhì)層212夾設(shè)在它們之間。陽極側(cè)催化劑電極層214和陰極 側(cè)催化劑電極層215包含載有催化劑的碳。電解質(zhì)層212和陽極側(cè)催化劑 電極層214以及陰極側(cè)催化劑電極層215的疊置或者層疊結(jié)構(gòu)將被稱為 "MEA"(膜電極組件)。
所述實施方式中，發(fā)電體210還包括所述陽極側(cè)的第二擴散層216和 所述陰極側(cè)的第二擴散層217,所述第二擴散層216布置于陽極側(cè)催化電 解質(zhì)層214的相反的主表面之一上，所述陽極側(cè)催化電解質(zhì)層214的另一 表面面對電解質(zhì)層212，所述第二擴散層217布置于陰極側(cè)催化電解質(zhì)層 215的相反的主表面之一上，所述陰極側(cè)催化電解質(zhì)層215的另一表面面 對電解質(zhì)層212。在以下說明中，所述陽極側(cè)的所述第二擴散層216將被 簡稱為"陽極側(cè)第二擴散層216",而所述陰極側(cè)的所述第二擴^b^217將 被簡稱為"陰極側(cè)第二擴散層217"。另外，在適當?shù)臅r候，所述陽極側(cè)第二擴散層216和陰極側(cè)第二擴散層217將共同被稱為"第二擴M 216和 217"。每個所述第二擴M 216和217由金屬多孑L體或者碳多孔體構(gòu)成， 所述金屬多孔體或者碳多孔體具有高內(nèi)部孔隙率，在氣體流過其內(nèi)部時僅 表現(xiàn)出小的壓力損失。根據(jù)如上所述構(gòu)造的該實施方式的發(fā)電體210也被 稱為"MEGA"。
圖如1B和圖2B所示，隔板300具有三層層疊結(jié)構(gòu)，所述三層層疊結(jié) 構(gòu)包括面對陰極側(cè)第一擴散層230的面對陰極的板310、面對陽極側(cè)第一 擴散層220的面對陽極的板330、以及夾設(shè)在所述面對陰極的板310和所 述面對陽極的板330之間的中間板320。構(gòu)成隔板330的所述三塊板(亦 即，面對陰極的板310、面對陽極的板330和中間板320)中的每塊板采 用由金屬制成的大體上為矩形的平薄板的形式。
如圖1A所示，燃料電池IOO設(shè)有讓用于發(fā)電的空氣從中供應(yīng)通過的空 氣供應(yīng)通道640和讓未用于發(fā)電的空氣從中排出的空氣排放通道650。如 圖1A和圖3所示，隔板300形成有用于將從空氣供應(yīng)通道640供應(yīng)的空 氣引導(dǎo)至相應(yīng)的單元電池200的通道，還形成有用于將從單元電池200排 放的空氣引導(dǎo)至空氣排放通道650的通道。更具體地，隔板300具有讓空 氣供應(yīng)通道640從中延伸通過的通孔342、用于將空氣從空氣供應(yīng)通道640 引導(dǎo)至隔板300內(nèi)部的空氣通道344、以及穿過面對陰極的板310形成以 使空氣通道344與陰極側(cè)第一擴散層230的表面連通的空氣供應(yīng)口 346。 隔板300還具有讓空氣排放通道650從中延伸通過的通孔352、用于將空 氣引導(dǎo)至空氣排放通道650的空氣通道354、以及穿過面對陰極的板310 形成以使空氣通道354與陰極側(cè)第一擴散層230的表面連通的空氣排放口 356。如圖1A和圖1B中的箭頭所示，供應(yīng)至空氣供應(yīng)通道640的空氣通 過通孔342、空氣通道344和空氣供應(yīng)口 346流入陰極側(cè)第一擴散層230 的內(nèi)部。此后，所述空氣在流過陰極側(cè)第一擴散層230的內(nèi)部的同時^iC 電體210用于發(fā)電，而未用于發(fā)電的部分空氣通過空氣排放口 356、空氣 通道354和通孔352排放至空氣排放通道650。
同樣，如圖2A所示，燃料電池100設(shè)有讓用于發(fā)電的燃料氣體從中供
放通道670。如圖2A和圖3所示，隔板300形成有用于將從燃料供應(yīng)通道 660供應(yīng)的燃料氣體引導(dǎo)至相應(yīng)的單元電池200的通道，還形成有用于將 從單元電池200排放的燃料氣體引導(dǎo)至燃料排放通道670的通道。更具體地，隔板300具有燃料供應(yīng)通道660從中延伸通過的通孔362、用于將燃 料氣體從燃料供應(yīng)通道660引導(dǎo)至隔板300內(nèi)部的燃料通道364、以及穿 過面對陽極的板330形成以使燃料通道364與陽極側(cè)第一擴散層220的表 面連通的燃料供應(yīng)口 366。隔板300還具燃料排放通道670從中延伸通過 的通孔372、用于將燃料氣體引導(dǎo)至燃料排放通道670的燃料通道374、 以及穿過面對陽極的板330形成以使燃料通道374與陽極側(cè)第一擴lbi: 220的表面連通的燃料排放口 376。如圖2A和圖2B中的箭頭所示，供應(yīng) 至燃料供應(yīng)通道660的燃料氣體通過通孔362、燃料通道364和燃料供應(yīng) 口 366流入陽極側(cè)第一擴散層220的內(nèi)部。此后，所述燃料氣體在流過陽 極側(cè)第一擴散層220的內(nèi)部的同時^Ul電體210用于發(fā)電，而未用于發(fā)電 的部分燃料氣體通過燃料排放口 376、燃料通道374和通孔372排放至燃 料排放通道670。
此外，隔板300形成有讓用于冷卻燃料電池100的冷卻介質(zhì)從中流過 的通道。更具體地，隔板300具有用于供應(yīng)冷卻介質(zhì)的冷卻介質(zhì)供應(yīng)通道 (未示出)從中延伸通過的通孔382 (圖3 )、用于排放冷卻介質(zhì)的冷卻介 質(zhì)排放通道(未示出)從中延伸通過的通孔392 (圖3 )、以及連通兩個通 孔382和392以在它們之間形成連接的冷卻介質(zhì)通道384 (圖3和圖1A)。 供應(yīng)至所述冷卻^h質(zhì)供應(yīng)通道的所述冷卻^^質(zhì)流過通孔382、冷卻^h質(zhì)通 道384和通孔392，從而被排放至所述冷卻介質(zhì)排放通道。
因此，面對相鄰單元電池200的隔板300的主表面形成為平面形狀， 并且不具有為反應(yīng)氣M供通道的凹槽。為了在隔板300中形成用于空氣、 燃料氣體和冷卻介質(zhì)上述通道，將構(gòu)成隔板300的三塊板(亦即，面對陰 極的板310、面對陽極的板330和中間板320 )沖壓成某些式樣。從而， 該實施方式的燃料電池100具有的優(yōu)點在于，能夠以較少的成本容易地制 造所述隔板300。
如圖1A和1B以及圖2A和2B所示，第一密封件510圍繞發(fā)電體210 設(shè)置以便沿發(fā)電體210的端面延伸。第一密封件510充當村墊，用于抑制 供應(yīng)至單元電池200的所述反應(yīng)氣體(燃料氣體和空氣)泄漏至燃料電池 100之外，并且還抑制反應(yīng)氣體通過發(fā)電體210的端面在所述陽極側(cè)和陰 極側(cè)之間流動(所謂的橫向泄漏)。在該說明書中，與層疊結(jié)構(gòu)的厚度方 向平行的所述層疊結(jié)構(gòu)的每個構(gòu)件或者元件的表面將被稱為"端面，，，而 與層疊結(jié)構(gòu)的厚度方向垂直的所述構(gòu)件的主表面將被稱為"層疊面"。發(fā)電體210的所述端面可以對應(yīng)于發(fā)電體210的外部周邊。
第一密封件510使用包含例如橡膠的密封材料通過注塑成型方法形 成。在形成第一密封件510的過程中，發(fā)電體210的一部分由形成第一密 封件部分510的所述密封材料浸透，從而由于所謂的固著效應(yīng)使得第一密 封件部分510和發(fā)電體210相互粘接。在圖1B和圖2B中，滲入發(fā)電體210 中的所述密封材料由與表示第一密封件510的陰影圖案相同的陰影圖案表
示o
第一密封件510形成為覆蓋構(gòu)成發(fā)電體210的各個層的端面的整個區(qū) 域。另外，第一密封件510具有以在其陽極側(cè)和陰極側(cè)的凸起的形式存在 的唇緣512。唇緣512對應(yīng)于本發(fā)明的有效密封部分。唇緣512緊密接觸 隔板300的表面(層疊面)。在所述實施方式中，密封材料不但朝著發(fā)電 體210的所述端面注射，而且也朝著發(fā)電體210的端部的所述層疊面注射， 從而發(fā)電體210的所述端部被有利地由所述密封材料浸透。通過這樣注入 密封材料，就使得第一密封件510具有覆蓋發(fā)電體210的端部的層疊面的 覆蓋部分。
如圖4所示，第一密封件510布置為圍繞發(fā)電體210的周邊。在圖4 中，第一密封件510由第一密封件510的唇緣512和相應(yīng)的隔板300之間 的接觸部分(密封線SL)表示。盡管圖4中僅示出陽極側(cè)的第一密封件 510，但是第一密封件510也布置于陰極側(cè)，以圍繞發(fā)電體210的周邊。
如上所述，第一密封件510布置為圍繞發(fā)電體210的周邊，并且第一 密封件510的唇緣512緊密接觸隔板300的所i^面，從而抑制了反應(yīng)氣 體從燃料電池100之內(nèi)泄漏至燃料電池100之外。另外，第一密封件510 覆蓋發(fā)電體210的端面的整個區(qū)域，并JJL電體210的所述端部由所述密 封材料浸透，從而抑制了^Ji氣體的橫向泄漏。
如圖1B和圖2B所示，第一密封件510的覆蓋部分514布置為與第一 擴散層220和230之間留有一定距離或者間距，不存在相互干擾。采用該 布置以避免由于不完全的密封和/或表面壓力的變化導(dǎo)致燃料電池的發(fā)電 能力降低的情況，當由于尺寸誤差等造成覆蓋部分514沿層疊方向與第一 擴散層220和230相互干擾時將會發(fā)生上述情況。
如圖1A和1B以及圖2A和2B所示，第二密封件520圍繞第一擴散層220和230布置以沿第一擴散層220和230的端面延伸。如同第一密封件 510,第二密封件52Q通過注塑成型方法形成。在此，第二密封件520由 ^JL低于第一密封件510的現(xiàn)復(fù)的材料制成。例如，使用彈性體型樹脂或 者含有橡膠的密封材料來制成第二密封件520。
在形成第二密封件520的過程中，第一擴散層220和230的一部分由 形成第二密封件520的密封材料浸透，從而由于所謂的固著效應(yīng)導(dǎo)致第二 密封件520粘接至第一擴散層220和230。在圖1B和2B中，滲入第一擴 散層220和230的所述密封材料由與表示第二密封件520的陰影圖案相同 的陰影圖案表示。
第二密封件520形成為覆蓋第一擴散層220和230的端面的整個區(qū)域. 另外，位于第一擴散層220和230的所述端面外側(cè)的第二密封件520的各 部分緊密接觸相應(yīng)的隔板300的各層疊面，并且也緊密接觸發(fā)電體210， 從而覆蓋發(fā)電體210的未被第一密封件510的覆蓋部分514覆蓋的暴露的 層疊面的整個區(qū)域。第二密封件520沿層疊方向與覆蓋部分514發(fā)生干擾 (或者重疊)。
如圖4所示，第二密封件520布置為圍繞陽極側(cè)第一擴散層220的周 邊。盡管圖4中僅示出陽極側(cè)的第二密封件520，但是第二密封件520也 同樣布置于陰極側(cè)以圍繞陰極側(cè)第一擴散層230的周邊。
圖5A和圖5B為示意性地示出制造才艮據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的燃料 電池100的方法的說明性視圖。圖5A示出了在發(fā)電體210、第一擴"fbi: 220和230以及隔板300層疊在一起之前所存在的燃料電池100的各個構(gòu) 件或者元件的狀態(tài)。如圖5A所示，在進行層疊之前，發(fā)電體210與第一 密封件510 —體形成。此時在布置唇緣512的位置處沿層疊方向測量的第 一密封件510的厚度設(shè)定為大于發(fā)電體210的厚度與第 一擴散層2 2 0和2 3 0 的厚度之和。
在進行層疊之前，每個第一擴散層220和230與第二密封件520 —體 形成。如圖5A所示，此時沿層疊方向測量的第二密封件520的最M度 ts設(shè)定為大于第一擴散層220、 230的厚度tp。
隨后，將如圖5A所示的燃料電池的各個構(gòu)件層疊并緊固在一起。圖 5B示出的燃料電池100的狀態(tài)與圖1A的燃料電池100的狀態(tài)相似。當構(gòu)成燃料電池100的各個構(gòu)件層疊在一起時，第一密封件510的唇緣512受 到隔板300的壓縮，且開始緊密接觸隔板300的層疊面。與此同時，第二 密封件520由發(fā)電體210和隔板300夾設(shè)在它們之間而發(fā)生變形，并開始 緊密接觸發(fā)電體210的層疊面(更具體地為未^ft蓋部分514覆蓋的暴露 的層疊面的整個區(qū)域)和隔板300的層疊面。在所述實施方式中，第二密 封件520沿層疊方向與第一密封件510的覆蓋部分514發(fā)生干擾(或者重 疊)，但是由^JL低于第一密封件510的現(xiàn)變的材料形成的第二密封件520 在層疊時發(fā)生變形，從而消除了不完全密封和表面壓力變化的問題。
在根據(jù)上述方式制造的燃料電池100中，第二密封件520更具體而言 第二密封件520的位于第一擴散層220和230的端面外側(cè)的部分緊密接觸 隔板300的所述層疊面，并且緊密接觸發(fā)電體210的未被第一密封件510 的覆蓋部分514覆蓋的暴露的層疊面的整個區(qū)域。因此，在燃料電池IOO 中，能夠防止^JL氣體泄漏至第一擴M 220、 230與第一密封件510之 間形成的空間(將其稱之為"圍繞擴散層的空間SS")中。更具體地，防 止空氣通過陰極側(cè)第一擴散層230的端面從陰極側(cè)第一擴散層230的內(nèi)部 泄漏至所述圍繞擴散層的空間SS中(如圖5B中的虛線箭頭F1所示)。此 外，還防止iiX陰極側(cè)第二擴散層217的空氣通ii&電體210的未被第一 密封件510的覆蓋部分514覆蓋的暴露的層疊面泄漏至所述圍繞擴散層的 空間SS中(如圖5B中的虛線箭頭F2所示)。在陽極側(cè)，也以相似的方式 抑制燃料氣體泄漏至所述圍繞擴散層的空間SS中。
如果部分反應(yīng)氣體泄漏至所述圍繞擴散層的空間SS中并且經(jīng)過所述 空間SS以排放到燃料電池100之外，則所述部分il應(yīng)氣體未用于發(fā)電， 從而導(dǎo)致燃料電池100的發(fā)電效率降低。在該實施方式的燃料電池100中， 能夠抑制所述反應(yīng)氣體泄漏至所述圍繞擴散層的空間SS中，從而能夠防 止由于氣體泄漏導(dǎo)致的所iOL電效率的降低。
在進行層疊之后使用例如液態(tài)密封墊這樣的充填型密封件來提供密封 的密封方法中，難以在例如所述圍繞擴散層的空間SS這樣的小間隙中放 置密封材料。在這樣的實施方式一在層疊燃料電池100的各個構(gòu)件之前第 二密封件520 —體形成在第一擴M 220和230上一中，在保證減少部件 的數(shù)目并提高將所述部件組裝在一起的效率的同時，所述密封材料能夠確 實地故置于例如所述圍繞擴散層的空間SS這樣的小間隙中。
在所述實施方式的燃料電池100中，每個隔板300的面對相鄰單元電池200的主表面形成為平面形狀，并且所述隔板300不具有為^JI氣體提 供通道的凹槽。因此，^L氣體流過第一擴"^ 220和230的內(nèi)部，而不 是流過采用凹槽形式的通道。與將凹槽用作通道的情;M目比，當?shù)谝粩U散 層220和230的內(nèi)部用作^Ji氣體的通道時難以控制氣體的流動。因此， 在第一擴散層220和230的內(nèi)部用作反應(yīng)氣體的通道時，>^應(yīng)氣體泄漏至 所述圍繞擴散層的空間SS中的問題變得更為嚴重。在該實施方式的燃料 電池100中，即使隔板300的面對單元電池200的主表面形成為平面形狀， 也能夠抑制反應(yīng)氣體泄漏至所述圍繞擴散層的空間SS中并且能夠防止發(fā) 電效率降低。
圖6為用于說明設(shè)定在燃料電池100進行層疊之前沿層疊方向測量的 第二密封件520的厚度ts (圖5A)的方法的圖。在圖6中，水平軸表示 沿層疊方向測量的第二密封件520的厚度ts與第一擴散層220、 230的厚 度tp之間的差(將其稱之為"厚度差DT")，而豎直軸表示第二密封件520 的密封壓力。所^f度差DT和所述密封壓力大體上相互成比例。第二密 封件520所需的密封壓力(將其稱之為"所需密封壓力")等于>^應(yīng)氣體 的供應(yīng)壓力和排放壓力之間的差。 一旦設(shè)定所述所需密封壓力并且設(shè)定產(chǎn) 品與產(chǎn)品之間的變化，則確定了所需厚度差DTr。 一旦設(shè)定了所需厚度差 DTr以及第一擴散層220、 230的厚度tp,則基于這些設(shè)定值來設(shè)定沿層 疊方向的第二密封件520的厚度ts。
以下將說明本發(fā)明的第二實施方式。圖7為示意性地示出制it才艮據(jù)所 述第二實施方式的燃料電池100的方法的說明性視圖。在該實施方式中， 在燃料電池100進行層疊之前沿第一擴^bi「 220和230的端面形成的第二 密封件520a的形狀不同于圖5A所示的第一實施方式的所述第二密封件的 形狀。燃料電池100的其它特征與第一實施方式的其它特似目似。
如圖7所示，在第二實施方式的燃料電池100中，第二密封件520a 的平行于層疊方向的一部分形成為不與包含第一擴lt^ 220、 230的面對 相應(yīng)的隔板300的層疊面的平面相交。亦即，第二密封件520a形成為使 得第二密封件520a的面對隔板300的表面大體上與相應(yīng)的第一擴散層 220、 230的面對隔板300的層疊面齊平。
同時，沿層疊方向測量的第二密封件520a的最大厚度ts大于第一擴 散層220、 230的厚度tp。為提供所述厚度差，所述第二密封件520a的平 行于層疊方向的所述部分形成為與包含第一擴散層220、 230的其它層疊面(面對發(fā)電體210)的平面相交。亦即，第二密封件520a從包含第一擴 散層220、 230的其它層疊面的所述平面向發(fā)電體210凸出某一距離。
在所述實施方式中，如圖7所示的燃料電池100的各個構(gòu)件層疊并緊 固在一起。在該過程中，最初將第一擴M 220和230連接至相應(yīng)的隔板 300。此后，將相互連接的陽極側(cè)第一擴散層220與隔板300的層疊組件 以;M目互連接的陰極側(cè)第一擴散層230與隔板300的層疊組件連接至發(fā)電 體210。從而，以與第一實施方式的方式相似的方式制造如圖5B所示構(gòu)造 的燃料電池IOO。
在第二實施方式中，如同第一實施方式，第二密封件520a更具體為第 二密封件520a的位于第一擴散層220和230的端面外側(cè)的部分緊密接觸 隔板300的所述層疊面，并且緊密接觸發(fā)電體210以覆蓋發(fā)電體210的未 被第一密封件510的覆蓋部分514覆蓋的暴露的層疊面的整個區(qū)域。因而， 能夠抑制及^應(yīng)氣體泄漏至所述圍繞擴散層的空間SS中，并且能夠抑制以 其它方式可能產(chǎn)生的發(fā)電效率的降低。
在所述實施方式中，當構(gòu)成燃料電池100的各個構(gòu)件層疊在一起時， 最初將與第二密封件520a —體形成的第一擴散層220和230連接至相應(yīng) 的隔板300。如上所述，在進行層疊之前，將第二密封件520a的平行于層 疊方向的部分形成為不與包含第一擴M 220、 230的面對相應(yīng)的隔板300 的層疊面的平面相交。從而，第一擴散層220和230能夠容易地連接至隔 板300。因而，能夠更容易地制造第二實施方式的燃料電池IOO。
以下將^L明本發(fā)明的第三實施方式。圖8A和圖8B為示意性地示出根 據(jù)第三實施方式的燃料電池100b的橫截面視圖。獲得如圖8A和圖8B所 示的燃料電池100b的所述截面的位置對應(yīng)于第一實施方式中獲得如圖1A 和圖AB所示的燃料電池100的所述截面的所述位置。亦即，沿圖3中的 線1-1獲得如圖8A所示的燃料電池100b的所述截面。在該實施方式的燃 料電池100b中，單元電池200b的構(gòu)造不同于第一實施方式的燃料電池100 中的單元電池200的構(gòu)造。燃料電池100b的其它特征與第一實施方式的 燃料電池100的其它特斜目似。
如圖8A所示，根據(jù)第三實施方式的燃料電池100b的單元電池200b 主要包括發(fā)電體210b、陽極側(cè)第二擴M 216b和陰極側(cè)第二擴散層217b， 所述陽極側(cè)第二擴散層216b和陰極側(cè)第二擴散層217b布置于發(fā)電體210b的相反側(cè)，以便將發(fā)電體210b夾設(shè)在它們之間。如圖8B所示，發(fā)電體210b 主要包括電解質(zhì)層212、陽極側(cè)催化劑電極層214b和陰極側(cè)催化劑電極層 215b，所述陽極側(cè)催化劑電極層214b和陰極側(cè)催化劑電極層215b布置于 電解質(zhì)層212的相反側(cè)，以便將電解質(zhì)層212夾設(shè)在它們之間。該實施方 式的燃料電池100b未設(shè)有如圖1A和1B以及圖2A和2B所示的第一實施 方式的燃料電池100中設(shè)有的陽極側(cè)第一擴散層220和陰極側(cè)第一擴lt^ 230'
在第三實施方式的燃料電池100b中，與第一實施方式的燃料電池100 一樣，也圍繞發(fā)電體210b設(shè)置有第一密封件510。另外，第二密封件520 分別圍繞陽極側(cè)第二擴散層216b和陰極側(cè)第二擴散層217b設(shè)置。除了發(fā) 電體210b的構(gòu)造不同于發(fā)電體210的構(gòu)造以及第二密封件520在所述第 二擴散層而不是在所述第 一擴散層上形成之外，制造根據(jù)第三實施方式的 燃料電池100b的方法基本上與如圖5A和5B所示的制造根據(jù)第一實施方 式的燃料電池100的方法相同。
在第三實施方式中，第二密封件520更具體為第二密封件520的位于 陽極側(cè)第二擴散層216b和陰極側(cè)第二擴散層217b的端面外側(cè)的部分緊密 接觸相應(yīng)的隔板300的所述層疊面，并且緊密接觸發(fā)電體210b,以覆蓋發(fā) 電體210b的未被第一密封件510的覆蓋部分514覆蓋的暴露的層疊面的 整個區(qū)域。與第一實施方式一樣，根據(jù)該布置，能夠抑制Jl應(yīng)氣體泄漏至 所述圍繞擴散層的空間SS中，并且能夠抑制以其它方式可能產(chǎn)生的發(fā)電 效率的降低。
可以理解的是，本發(fā)明不局限于所示實施方式的細節(jié)，而是在不偏離 本發(fā)明原理的情況下可按各種其它形式具體實施。例如，所示實施方式可 按如下所示修改。
盡管在每個所示實施方式中都已經(jīng)使用示例示出了第二密封件520的 構(gòu)造，但是能夠根據(jù)其它方式構(gòu)造第二密封件520。如圖9所示，與每個 所示的實施方式一樣，作為修改示例的燃料電池100的第二密封件520c 緊密接觸隔板300的層疊面以瓦良電體210的層疊面，從而能夠抑制反應(yīng) 氣體泄漏至圍繞擴散層的空間SS中。然而，應(yīng)注意，作為修改示例的燃 料電池100的第二密封件520c未布置為緊密接觸發(fā)電體210的未被第一 密封件510的覆蓋部分514覆蓋的暴露的層疊面的整個區(qū)域。如果與每個 所示的實施方式一樣第二密封件520緊密接觸發(fā)電體210的未被第一密封件510的覆蓋部分514覆蓋的暴露的層疊面的整個區(qū)域，則能夠更可靠地 防止反應(yīng)氣體通it;良電體210的層疊面泄漏至圍繞擴散層的空間SS中。 從而，優(yōu)選地采用所示實施方式的第二密封件520。
另夕卜，作為修改示例的燃料電池100的第二密封件520c未布置為與每 個所示實施方式的第二密封件520的情況一樣覆蓋第一擴散層220和230 的端面的整個區(qū)域。如果第二密封件520布置為與每個所示實施方式中的 情況一樣覆蓋第一擴散層220和230的端面的整個區(qū)域，則能夠更可靠地 防止及JI氣體泄漏至圍繞擴散層的空間SS中。從而，優(yōu)選地采用所示實 施方式的第二密封件520。
盡管在每個所示實施方式中都已經(jīng)使用示例說明了在進行層疊之前第 二密封件520的橫截面形狀，但是第二密封件520能夠具有其它的橫截面 形狀。例如，在進行層疊之前沿層疊方向測量的第二密封件520的最大厚 度ts不必大于第一擴M 220、 230 (或者第二擴散層216b、 217b)的厚 度tp。例如取決于隔板300的形狀，即使所述厚度ts等于或者小于所述 厚度tp，第二密封件520也能緊密接觸隔板300和發(fā)電體210。
另夕卜，沿層疊方向測量的第二密封件520的最;kjf度ts可在所述陽極 側(cè)和所述陰極側(cè)之間獨立地設(shè)定。在第一擴散層220和230具有不同厚度 的情況下，例如陽極側(cè)的第二密封件520的最大厚度ts可設(shè)為不同于陰 極側(cè)的第二密封件520的最大厚度ts的值。
盡管在每個所示實施方式中每個隔板300包括層疊在一起的三塊金屬 板，并且其表面具有平面形狀，但是隔板300可根據(jù)其它方式構(gòu)造或者設(shè) 計，或者可具有任何其它形狀。盡管在每個所示實施方式中隔板300由金 屬制成，但是隔板300也可由諸如碳這樣的其它材料制成。
盡管在每個所示實施方式中燃料電池100包括交替地層疊或者疊置在 一起的單元電池200和隔板300，但是燃料電池100也可包括多個單元， 所述多個單元中的每個都包括單元電池200和布置于單元電池200的相反 的側(cè)的隔板300。
權(quán)利要求
1. 一種燃料電池，包括發(fā)電體，所述發(fā)電體包括電解質(zhì)層和布置于所述電解質(zhì)層的相反的主表面上的電極層；多個擴散層，所述多個擴散層布置于所述發(fā)電體的相反的主表面上，并且具有用于讓發(fā)電的氣體從中流過的內(nèi)部通道，從而將所述氣體供應(yīng)至所述發(fā)電體；多個隔板，所述多個隔板布置于所述擴散層的與面對所述發(fā)電體的所述擴散層的主表面相反的主表面上，以便將所述氣體供應(yīng)至所述擴散層，所述發(fā)電體、所述擴散層以及所述隔板層疊在一起以形成所述燃料電池；第一密封件，所述第一密封件圍繞所述發(fā)電體的周邊形成并且具有位于所述隔板之間的抑制所述氣體泄漏至所述燃料電池外的有效密封部；以及第二密封件，所述第二密封件與所述擴散層中的至少一個擴散層一體形成以沿著所述至少一個擴散層的端面延伸，所述第二密封件緊密接觸其上層疊有所述擴散層的所述發(fā)電體的層疊面以及層疊于所述擴散層上的所述隔板中的相應(yīng)一個隔板的層疊面。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中，形成所述第二密封件的材 料以及在層疊所述發(fā)電體、擴散層以及隔板之前所述第二密封件的形狀確 定為使得在層疊期間當所述第二密封件夾設(shè)在所述發(fā)電體和相應(yīng)的隔板 之間時所述第二密封件發(fā)生變形。
3.如權(quán)利要求2所述的燃料電池，其中，在進行層疊之前沿所述燃 料電池的層疊方向測量的所述第二密封件的厚度大于其上形成有所述第 二密封件的所述擴散層的厚度。
4.如權(quán)利要求3所述的燃料電池，其中，在進行層疊之前所述第二 密封件成形為使得所述第二密封件不從與所述擴散層的相反的主表面中 的至少一個主表面齊平的平面伸出。 2
5.如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中，所述第二密封件形成為覆 蓋所述擴散層的端面的整個區(qū)域。
6.如權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中，所述第二密封件與所述第 一密封件的一部分緊密接觸。
7.如權(quán)利要求6所述的燃料電池，其中第一密封件包括覆蓋部分，所l菱蓋部分覆蓋其上層疊有所述擴散層 的所述發(fā)電體的端部的每個相反的層疊面；并且第二密封件包括位于所述擴散層的端面之外并且與所述發(fā)電體的未 被所a蓋部分覆蓋的所述層疊面的整個區(qū)域緊密接觸的 一部分。
8.如權(quán)利要求6或7所述的燃料電池，其中，所述第二密封件由硬 度低于所述第一密封件的現(xiàn)變的材料制成。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項所述的燃料電池，其中，每個所述隔 板的面對所述擴散層中的相應(yīng)一個擴散層的所述主表面為平面形狀。
10. —種制造燃料電池的方法，包括制名^發(fā)電體、多個擴散層和多個隔板，所述發(fā)電體包括電解質(zhì)層和布 置于所述電解質(zhì)層的相反的主表面上的電極層，所述多個擴散層具有讓用 于發(fā)電的氣體從中流過的內(nèi)部通道，從而將所述氣體供應(yīng)至所述發(fā)電體， 所述多個隔板適于將所述氣體供應(yīng)至所述擴散層；將所述擴M放置于所^JC電體的相反的主表面上；沿著所U電體的端面形成第一密封件；與所述擴散層中的至少一個擴散層一體形成第二密封件，以使所述第 二密封件沿著所述至少一個擴散層的端面延伸；以及將所述隔板放置于所述擴散層的與面對所述發(fā)電體的所述擴散層的主表面相反的主表面上，并使得所述第二密封件緊密接觸其上層疊有所述 擴散層的所述發(fā)電體的層疊面以及層疊于所述擴散層上的所述隔板中的 相應(yīng)一個隔板的層疊面。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的一個方面的一種燃料電池，包括發(fā)電體，所述發(fā)電體包括電解質(zhì)層和電極層；擴散層，所述擴散層布置于所述發(fā)電體的相反的主表面上；隔板，所述隔板布置于所述擴散層的與面對所述發(fā)電體的所述擴散層的主表面相反的主表面上；第一密封件，所述第一密封件圍繞所述發(fā)電體的周邊形成并且具有位于所述隔板之間的抑制所述氣體泄漏至所述燃料電池之外的有效密封部；以及第二密封件，所述第二密封件與所述擴散層中的至少一個擴散層一體形成以沿著所述擴散層的端面延伸，所述第二密封件緊密接觸其上層疊有所述擴散層的所述發(fā)電體的表面以及層疊于所述擴散層上的所述隔板中的相應(yīng)一個隔板的表面。
文檔編號H01M8/02GK101467289SQ200780021492
公開日2009年6月24日 申請日期2007年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月9日
發(fā)明者竹下直宏, 雫文成 申請人:豐田自動車株式會社