專利名稱：燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固體高分子型燃料電池。
背景技術(shù)：
固體高分子型燃料電池的單元電池(cell)，是由離子透過性的電解質(zhì)膜和夾持 該電解質(zhì)膜的陽極電極層和陰極電極層形成膜電極接合體(膜電極組件；MEA =Membrane Electrode Assembly)，并在該膜電極接合體的外側(cè)配置隔板從而形成單元電池。另外， 還有下述形態(tài)在電極層的外側(cè)設(shè)置用于促進(jìn)氣體流動和提高集電效率的氣體擴(kuò)散層 (O)L)，構(gòu)成膜電極接合體(膜電極-氣體擴(kuò)散層組件；MEGA =Membrane Electrode&Gas Diffusion Layer Assembly)，并在該氣體擴(kuò)散層的外側(cè)配置有隔板。該隔板，將單元電池 之間分隔，并且通過具有凹凸形狀而起到氣體流路的作用，還具有集電作用，但是在最近的 單元電池結(jié)構(gòu)中還開發(fā)出了 與平板類型的隔板非一體地設(shè)置了氣體流路層的結(jié)構(gòu)。實(shí)際 的燃料電池是根據(jù)發(fā)電能力將規(guī)定層數(shù)的這些單元電池層疊而形成電池組(stack)。在上述燃料電池中，向陽極電極供給作為燃料氣體的氫氣等，向陰極電極供給作 為氧化劑氣體的氧氣或空氣，在各電極中，在固有的氣體流路層中氣體沿面內(nèi)方向流動，接 著，在氣體擴(kuò)散層中擴(kuò)散了的氣體被導(dǎo)入電極催化劑中，進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。然而，在燃料電池的單元電池結(jié)構(gòu)中，在上述的MEA或MEGA的周緣形成有用于賦 予密封氣體作用的密封墊，例如可以舉出專利文獻(xiàn)1中公開的燃料電池(在此，為膜電極組 件)。參照圖8、圖9對該膜電極組件中的密封墊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。在電解質(zhì)膜a(或膜電 極接合體)和夾持它的氣體擴(kuò)散層bl、b2的端部設(shè)置具有雙重的突起cl、c2的密封墊c， 用隔板dl、d2夾緊它們將雙重的突起cl、c2壓扁(壓潰；crushing)，由此，提高對各種氣 體的密封性。另外，圖8表示在用隔板dl、d2將雙重的突起cl、c2壓扁之前的狀態(tài)，圖9表 示壓扁之后的狀態(tài)。但是，在上述現(xiàn)有技術(shù)存在以下的課題。其一是如圖9所示，由于隔板dl、d2和密 封墊c(的突起cl)之間存在間隙e，在氣體擴(kuò)散層bl、b2中沿箭頭方向流動的氣體不會被 供給到電解質(zhì)膜a、而是流向相對壓力損失低的上述間隙e(有時(shí)將其稱為截?cái)嗤?pass cut))ο作為其另一課題，是氣體擴(kuò)散層bl、b2即使在壓縮后在其厚度上也存在偏差，本 發(fā)明人等特定出可產(chǎn)生士35 μ m左右的偏差，但作為起因于該厚度的偏差的課題，在壓縮 后的氣體擴(kuò)散層的厚度過厚的情況下和過薄的情況下，存在如下的各自所固有的課題。首先，關(guān)于氣體擴(kuò)散層的厚度過薄的情況，作用在上述的突起cl的反作用力變大 容易理解，但由此，相對地作用在電極(電解質(zhì)膜a和氣體擴(kuò)散層bl、b2)的載荷變小。其 結(jié)果，隔板dl、d2和氣體擴(kuò)散層bl、b2的接觸電阻提高，從而成為發(fā)電性能降低的原因。而 且，作用在突起c2的反作用力比所希望的值小，因此，還成為氣體密封性降低的原因。另一方面，在氣體擴(kuò)散層的厚度過厚的情況下，作用在突起Cl的反作用力變小， 結(jié)果氣體密封性降低，氣體容易從突起cl和隔板dl、d2之間泄漏。另外，由于相對地作用在突起c2的反作用力變大，因此電極變得容易短路，以至于突起c2斷裂的可能性變高。即使說構(gòu)成燃料電池的每個(gè)單元電池的性能、氣體的密封性由上述氣體擴(kuò)散層的 的偏差左右也不過分，但其另一方面，容許上述偏差且保證所希望的密封性是非常困難的。 另外，如上述那樣在其相應(yīng)部位使用了具有偏差的密封墊的情況下，將燃料電池作為電池 組而制成一體時(shí)的壓力、即作用在膜電極接合體的壓力會存在偏差，這種情況將妨礙面內(nèi) 均勻發(fā)電，直接導(dǎo)致燃料電池的發(fā)電性能降低。而且，與圖8、9的單元電池結(jié)構(gòu)相對，在圖10中示出了在其中具有從已敘述的隔 板分離了的氣體流路層的結(jié)構(gòu)。在圖10中，該結(jié)構(gòu)由電解質(zhì)膜a和夾持它的氣體擴(kuò)散層 bl、b2以及進(jìn)而夾持該氣體擴(kuò)散層bl、b2的氣體流路層fl、f2構(gòu)成，在它們的周緣設(shè)置具 有突起cl和形成在歧管M的周圍的密封用突起c2的密封墊c，用隔板dl、d2夾持它們并 將突起cl、c2壓扁。另外，圖10示出在形成了作為氣體流路的歧管M的部位剖切后的縱向 剖面。在圖10中所示的單元電池結(jié)構(gòu)中，通過在氣體流路層fl、f2和密封墊c(的突起 cl)之間存在間隙e，如圖中的箭頭所示，通過歧管M在隔板d2間流動的氣體不會被供給到 氣體流路層f2，而是流動至相對地壓力損失低的上述間隙e。專利文獻(xiàn)1 日本特表2006-529049號公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述問題而完成的，其目的在于提供一種具有如下密封結(jié)構(gòu)的燃料 電池，該密封結(jié)構(gòu)即使在密封墊存在如以往那樣的加工誤差(偏差)的情況下也具有高的 氣體密封性能，而且不會截?cái)嗤范軌蛳蚰る姌O接合體供給氣體。為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的燃料電池是包括膜電極接合體、夾持該膜電極接合 體的氣體流路層、夾持氣體流路層的隔板、和密封墊的燃料電池，所述膜電極接合體至少包 括電解質(zhì)膜和夾持該電解質(zhì)膜的陽極電極層以及陰極電極層，所述密封墊形成于該膜電極 接合體以及該氣體流路層的周緣，且具有成為氣體流路的歧管，在上述密封墊之中的歧管的周圍形成有第1密封用突條，在上述氣體流路層的端部形成有切口，上述密封墊的端部具有1條以上的第2密 封用突條，該第2密封用突條閉塞該切口，并且從氣體流路層表面突出而具有與上述第1密 封用突條相同或更低的高度，上述隔板以將第1密封用突條和第2密封用突條壓扁了的姿勢與上述氣體流路層 抵接，由上述第2密封用突條和隔板形成了 1個(gè)以上的線狀密封結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的燃料電池，通過提高夾持膜電極接合體(也可含有氣體擴(kuò)散層)的氣體 流路層和形成在它們的周緣的氣體密封用的密封墊的密著性，可有效地向膜電極接合體供 給氣體，而且，還可容許氣體擴(kuò)散層等的制造誤差且在膜電極接合體上作用面內(nèi)均勻的壓 力，由此是發(fā)電效率和發(fā)電性能優(yōu)異的燃料電池。作為該燃料電池的構(gòu)成是在氣體流路層的端部形成有切口，通過將密封墊的端 部載置在該切口上而閉塞該切口，并且在載置在該切口上的密封墊的端部形成了從氣體流 路層表面突出的1條以上的密封用突條(第2密封用突條)。在密封墊上形成有用于供給氣體或排氣的歧管，在該歧管的周圍形成有公知的氣體密封用的密封用突條(第1密封用突條)。上述的第2密封用突條從氣體流路層表面突出并且具有與第1密封用突條相同的 高度或其以下的高度。這是因?yàn)橛捎谧饔迷诘?密封用突條的壓力會直接作用于膜電極 接合體，所以假設(shè)其比第1密封用突條高，則會在膜電極接合體作用過大的壓力，成為對膜 電極接合體產(chǎn)生損傷、或阻礙面內(nèi)均勻發(fā)電的要因。如上所述，該第2密封用突條既可以是1條也可以是多條。例如在形成2條第2 密封用突條的情況下，成為如下形態(tài)在俯視例如為矩形的氣體流路層的外周緣以框邊形 狀形成切口，在該切口上隔著間隔載置2條環(huán)形矩形狀的第2密封用突條。從陽極側(cè)和陰極側(cè)用2個(gè)隔板夾持氣體流路層，而且施加形成電池組時(shí)的壓力， 由此該隔板以壓扁第1密封用突條和第2密封用突條的姿勢與氣體流路層抵接，并且，在第 2密封用突條和隔板之間形成1個(gè)以上的線狀密封結(jié)構(gòu)。根據(jù)上述的本發(fā)明的燃料電池，通過提高氣體流路層和密封墊之間的密著性，不 會如上述以往結(jié)構(gòu)那樣發(fā)生產(chǎn)生截?cái)嗤返拈g隙。而且，在形成在氣體流路層的端部的 切口上載置1條以上的突條，其與歧管周圍的密封用突條一起在其與隔板之間形成密封結(jié) 構(gòu)，因此，可進(jìn)一步提高氣體密封性。另外，本發(fā)明的燃料電池的另一實(shí)施方式，是包括膜電極接合體、夾持該膜電極接 合體的氣體流路層、夾持氣體流路層的隔板、和密封墊的燃料電池，所述膜電極接合體至少 包括電解質(zhì)膜和夾持該電解質(zhì)膜的陽極電極層以及陰極電極層，所述密封墊形成于該膜電 極接合體以及該氣體流路層的周緣，且具有成為氣體流路的歧管，在上述密封墊之中的歧管的周圍形成有第1密封用突條，在上述氣體流路層的端部形成有切口，上述密封墊的端部具有相互交叉的多條的 第2密封用突條，該第2密封用突條閉塞該切口，并且與氣體流路層表面齊平或者從氣體流 路層表面突出，上述隔板以將第1密封用突條壓扁了的姿勢與上述氣體流路層抵接，由上述相互 交叉的第2密封用突條和隔板形成了面狀密封結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施方式中，代替以線狀形成第2密封用突條，使第2密封用突條相互交叉， 例如形成為棋盤格形狀，將該棋盤格形狀的2條密封用突條載置在氣體流路層的端部的切 口上。通過第2密封用突條相互交叉，即使第2密封用突條和氣體流路層的高度相同 (因此，形成電池組時(shí)的壓力不會作用于第2密封用突條)，由于第2密封用突條相互交叉， 其和隔板之間的對于氣體流動的壓力損失變得極高，可有效地抑制來自氣體流路層的氣體 泄漏。上述的燃料電池由于氣體密封性優(yōu)異，發(fā)電效率、發(fā)電性能優(yōu)異，近年來其生產(chǎn)在 擴(kuò)大，對以發(fā)電性能高的車載用燃料電池為當(dāng)前要務(wù)課題的混合動力車和電動車等是適用 的。如從以上說明可理解的那樣，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池，可提高氣體流路層和密封 墊之間的密著性，從而得到提高氣體密封性的燃料電池。而且，即使在氣體擴(kuò)散層存在制造 誤差的情況下，也可容許該誤差，并能在膜電極接合體上作用面內(nèi)均勻的形成電池組時(shí)的 壓力，可得到發(fā)電性能優(yōu)異的燃料電池。


圖1是氣體流路層夾持著膜電極接合體的單元電池結(jié)構(gòu)的俯視圖。圖2是沿圖1的II-II線的剖面圖。圖3是圖2的III部的放大圖。圖4是表示在圖2的剖面圖中安裝了陰極側(cè)的隔板的狀態(tài)的剖面圖。圖5是表示密封墊的另一實(shí)施方式的圖，是放大了膜電極接合體的端部和密封墊 的連接部的俯視圖。圖6是沿圖5的VI-VI線的剖面圖。圖7是表示在圖6的剖面圖中安裝了陰極側(cè)的隔板的狀態(tài)的剖面圖。圖8是說明在形成以往的膜電極接合體端部的采用了密封墊的密封結(jié)構(gòu)之前的 剖面圖。圖9是說明以往的膜電極接合體端部的采用了密封墊的密封結(jié)構(gòu)的剖面圖。圖10是以往的膜電極接合體端部的采用了密封墊的密封結(jié)構(gòu)的另一實(shí)施方式的 剖面圖。附圖標(biāo)記說明1 電解質(zhì)膜(MEA) ；2 氣體擴(kuò)散層(⑶L) ；3 氣體流路層；31 切口 ；32 增強(qiáng)件； 4 隔板；41 該單元電池用隔板；42 氣體分配層；43 相鄰單元電池用隔板；5、5A 密封墊； 51 密封用突條(第1密封用突條)；52 線狀密封用突條(第2密封用突條)；53 面狀密 封用突條(第2密封用突條)；54 溝槽；6 歧管。
具體實(shí)施例方式以下，參照附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。圖1是氣體流路層夾持著膜電極 接合體的單元電池結(jié)構(gòu)的俯視圖。圖2是沿圖1的II-II線的剖面圖，圖3是圖2的III 部的放大圖。圖4是表示在圖2的剖面圖中安裝了陰極側(cè)的隔板的狀態(tài)的剖面圖。另外， 圖示的線狀密封用突條(第2密封用突條)與歧管周圍的密封用突條(第1密封用突條) 相比高度低，當(dāng)然雙方也可為相同的高度。圖1、圖2中所示的單元電池結(jié)構(gòu)，包括膜電極接合體(MEA)和氣體流路層3、3， 該膜電極接合體(MEA)由作為離子交換膜的電解質(zhì)膜l(MEA)和夾持它的陽極側(cè)、陰極側(cè)的 氣體擴(kuò)散層2、2(GDL)形成，該氣體流路層3、3為夾持該膜電極接合體的導(dǎo)電性多孔體；在 其周緣一體地形成有例如橡膠等樹脂制的密封墊5。另外，為了幫助對圖1的理解，在圖1 中省略了圖2中所示的密封墊5的圖示。電解質(zhì)膜1包括作為高分子材料的氟系膜、HC膜等，氣體擴(kuò)散層2是在碳等上擔(dān) 載了包含鉬和/或其合金的催化劑的多孔質(zhì)材料，可由碳紙(復(fù)寫紙)、碳布形成。另外，密 封墊5可以通過將膜電極接合體(MEGA)收容在成形模內(nèi)并向成形模內(nèi)注射所希望的樹脂 的嵌入成形來形成。在圖示的實(shí)施例中，氣體流路層3由多孔質(zhì)的板網(wǎng)金屬構(gòu)成，例如陽極側(cè)的板網(wǎng) 金屬的端部向陰極側(cè)折曲，而且通過折曲并向歧管6側(cè)延伸而成為密封墊5的增強(qiáng)件32。 通過氣體流路層3由比較硬質(zhì)的板網(wǎng)金屬形成，可以兼用作為所述增強(qiáng)件。
如圖1的俯視圖所示，在密封墊的增強(qiáng)件32上以用于供給氫氣、氧氣(或空氣) 的孔(歧管6)和用于排出反應(yīng)后的氣體的孔(歧管6)各自對應(yīng)的基數(shù)穿孔，在實(shí)際的燃 料電池中，以與發(fā)電能力相應(yīng)的基數(shù)層疊單元電池，對應(yīng)的孔在層疊方向連通，由此，形成 氣體供給用或排氣用的歧管6。如圖2所示，在氣體流路層3的端部形成有切口 31，在該切口 31上載置形成在密 封墊5的端部的線狀密封用突條52，該突條52與切口 31完全密著而將該切口閉塞。另一 方面，在密封墊5的歧管6的周圍部位形成有另外的密封用突條51?；氐綀D1，該密封用突 條52沿俯視為矩形的膜電極接合體的端邊形成為矩形輪廓的環(huán)狀，密封用突條51以在各 歧管6的周圍將其圍繞方式形成。圖3是放大了圖2的III部的圖。如圖3所示，載置在切口 31上的線狀密封用突 條52比氣體流路層3的上表面突出hl，形成得低于突出比hi高的h2的量的密封用突條 51。通過使密封用突條51形成得相對地較高，可以進(jìn)一步提高歧管6的周圍的密封性，而 且，不會對線狀密封用突條52的下方的膜電極接合體作用過大的壓力。另外，作為該hi的 設(shè)定范圍，從氣體密封性和作用在膜電極接合體的壓力的關(guān)系來看，優(yōu)選為0 < hi < 50 y m 的程度。在此，在線狀密封用突條52為1條的情況下，優(yōu)選將hi設(shè)定為大于0，在為2條以 上的結(jié)構(gòu)的情況下，從對于氣體流動的壓力損失變高的角度出發(fā)，也可將hi設(shè)定為0，即設(shè) 定成與氣體流路層3的上面相同的高度。圖4表示用隔板4、4夾持著圖2中所示的結(jié)構(gòu)的氣體流路層3、3的狀態(tài)。在此， 圖示的隔板4呈現(xiàn)如下結(jié)構(gòu)在扁平型的該單元電池用隔板41和相鄰單元電池用隔板43 之間介有用于將氧氣分配到該單元電池用隔板41并將氫氣分配到相鄰單元電池用隔板43 的氣體分配層42。另外，該隔板4是金屬制或碳制的隔板。例如，通過供給氧氣用的歧管6供給的氧氣以圖示的箭頭方向流動，被供給到氣 體流路層3之后，擴(kuò)散供給到膜電極接合體。如從圖4可明確的那樣，形成在氣體流路層3的端部的切口 31上的線狀密封用突 條52與該切口 31密著，在該姿勢下線狀密封用突條52由隔板4擠壓從而被壓扁，由此，不 會形成導(dǎo)致氣體被截?cái)嗤返拈g隙，全部供給氣體可有效地通過氣體流路層3供給到膜電 極接合體。圖5表示載置在切口 31上的密封用突條的另一實(shí)施方式的俯視圖，圖6是沿其 VI-VI線的剖面圖。而且，圖7是表示在圖6的構(gòu)成中安裝了陰極側(cè)的隔板的狀態(tài)的圖。圖示的密封用突條53，是線狀密封用突條交互地交叉呈現(xiàn)棋盤格狀(形成了溝槽 54)，而且以與圖1的線狀密封用突條52同樣的平面配置來形成的。圖2中所示的密封用 突條52為線狀，與此相對，該密封用突條53采用棋盤格狀的密封用突條53的多個(gè)平頂面 與隔板4抵接，S卩，與線狀抵接相對，為面狀抵接，因此，形成面狀密封用突條53。另外，在圖6中示出了該面狀密封用突條53比氣體流路層3的上表面突出一些的 形態(tài)，但該突條53與氣體流路層3為相同高度也可以。這是因?yàn)閺拿鏍蠲芊庥猛粭l53呈 棋盤格狀來看，即使是其與隔板4的抵接面沒有受到壓力的狀態(tài)，在該棋盤格狀的接觸結(jié) 構(gòu)中對于氣體流動的壓力損失也變高，因此，可以抑制經(jīng)由隔板4和面狀密封用突條53的 接觸面的氣體泄漏。呈上述的密封結(jié)構(gòu)的單元電池層疊與發(fā)電能力相應(yīng)的基數(shù)，形成電池組，而且，在該電池組的外周設(shè)置接線板、絕緣片和端面板，在該端面板之間施加所希望的壓力使成為 一體，由此制造出燃料電池。該燃料電池呈上述的密封結(jié)構(gòu)，因此成為發(fā)電效率和發(fā)電性能優(yōu)異的燃料電池。 該燃料電池可適用于飛機(jī)、船舶、移動機(jī)器人等移動體用途，還可適用于房屋等的定置用途 等的多種用途，其中很適用于以發(fā)電性能高的車載用燃料電池為當(dāng)前要務(wù)課題的混合動力 車和電動車等。以上使用附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行了詳細(xì)說明，但具體的構(gòu)成并不限于該實(shí) 施方式，還存在不脫離本發(fā)明要旨的范圍的設(shè)計(jì)變更等，它們也包含在本發(fā)明中。
權(quán)利要求
一種燃料電池，是包括膜電極接合體、夾持該膜電極接合體的氣體流路層、夾持氣體流路層的隔板、和密封墊的燃料電池，所述膜電極接合體至少包括電解質(zhì)膜和夾持該電解質(zhì)膜的陽極電極層以及陰極電極層，所述密封墊形成于該膜電極接合體以及該氣體流路層的周緣，且具有成為氣體流路的歧管，在所述密封墊中，在歧管的周圍形成有第1密封用突條，在所述氣體流路層的端部形成有切口，所述密封墊的端部具有1條以上的第2密封用突條，該第2密封用突條閉塞該切口，并且從氣體流路層表面突出而具有與所述第1密封用突條相同或更低的高度，所述隔板以將第1密封用突條和第2密封用突條壓扁了的姿勢與所述氣體流路層抵接，由所述第2密封用突條和隔板形成了1個(gè)以上的線狀密封結(jié)構(gòu)。
2.一種燃料電池，是包括膜電極接合體、夾持該膜電極接合體的氣體流路層、夾持氣體 流路層的隔板、和密封墊的燃料電池，所述膜電極接合體至少包括電解質(zhì)膜和夾持該電解 質(zhì)膜的陽極電極層以及陰極電極層，所述密封墊形成于該膜電極接合體以及該氣體流路層 的周緣，且具有成為氣體流路的歧管，在所述密封墊中，在歧管的周圍形成有第1密封用突條，在所述氣體流路層的端部形成有切口，所述密封墊的端部具有相互交叉的多條第2密 封用突條，該第2密封用突條閉塞該切口，并且與氣體流路層表面齊平或者從氣體流路層 表面突出，所述隔板以將第1密封用突條壓扁了的姿勢與所述氣體流路層抵接，由所述相互交叉 的第2密封用突條和隔板形成了面狀密封結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有密封結(jié)構(gòu)的燃料電池，該密封結(jié)構(gòu)即使在密封墊存在如以往那樣的加工誤差(偏差)的情況下也具有高的氣體密封性能，而且不會被截?cái)嗤范軌蛳蚰る姌O接合體供給氣體。在設(shè)置于膜電極接合體的周緣的密封墊(5)中，在歧管(6)的周圍形成有第1密封用突條(51)，在氣體流路層(3)的端部形成有切口(31)，密封墊(5)的端部具有閉塞該切口(31)、并且從氣體流路層(3)表面突出而具有與第1密封用突條(51)相同或更低的高度的1條以上的第2密封用突條(52)，隔板(4)以將第1密封用突條(51)和第2密封用突條(52)壓扁了的姿勢與氣體流路層(3)抵接，由第2密封用突條(52)和隔板(4)形成了1個(gè)以上的線狀密封結(jié)構(gòu)。
文檔編號H01M8/10GK101946348SQ200980105308
公開日2011年1月12日 申請日期2009年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月21日
發(fā)明者加藤千智, 飯塚和孝 申請人:豐田自動車株式會社