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，其具備電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體和隔板，其中電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體在固體高分子電解質(zhì)膜的兩側(cè)設(shè)有分別具有電極催化劑層和氣體擴(kuò)散層的第一電極及第二電極，所述隔板配置于所述電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體的兩面。
背景技術(shù)：
一般而言，固體高分子型燃料電池采用由高分子離子交換膜構(gòu)成的固體高分子電解質(zhì)膜。該燃料電池通過隔板夾持電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體(MEA)，其中電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體在固體高分子電解質(zhì)膜的兩側(cè)分別配置有由催化劑層(電極催化劑層)和氣體擴(kuò)散層(多孔質(zhì)碳)構(gòu)成的陽極電極及陰極電極。該燃料電池通過層疊規(guī)定的數(shù)量，例如作為車載用燃料電池堆使用。在這種電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體中，一方的催化劑層的外周端部位置和另一方的催化劑層的外周端部位置有時(shí)相對(duì)于固體高分子電解質(zhì)膜的膜厚度方向相互錯(cuò)開。例如，日本特開2006-338938號(hào)公報(bào)(以下，稱為現(xiàn)有技術(shù)I)所公開的電解質(zhì)膜-電極接合體如圖17所示，具有:高分子電解質(zhì)膜la、在所述高分子電解質(zhì)膜Ia的一方的面上形成的陰極催化劑層2a、在所述高分子電解質(zhì)膜Ia的另一方的面上形成的陽極催化劑層3a以及以有效陽極催化劑層的面積大于有效陰極催化劑層的面積的方式在所述陰極催化劑層2a的端部的至少一部分形成的第一密封墊層4a。而且，相對(duì)于高分子電解質(zhì)膜Ia的至少電解質(zhì)膜-電極接合體的厚度方向，在與陰極催化劑層2a的端部重復(fù)的部位，配置有強(qiáng)度比所述高分子電解質(zhì)膜Ia高的加強(qiáng)層5a。另外，例如，在日本特開2008-135295號(hào)公報(bào)(以下，稱為現(xiàn)有技術(shù)2)所公開的固體高分子形燃料電池中，如圖18所示，氣體擴(kuò)散層要素Ib與膜電極接合體2b的兩側(cè)組合而構(gòu)成。膜電極接合體2b具有高分子電解質(zhì)膜3b，并且在所述高分子電解質(zhì)膜3b的兩面形成有催化劑層4b。氣體擴(kuò)散層要素Ib例如包括:由碳制的通氣性導(dǎo)電材料構(gòu)成的片狀多孔質(zhì)基材5b ;以及含浸在所述多孔質(zhì)基材5b的周緣部的細(xì)孔內(nèi)的、例如由聚碳酸酯系樹脂等熱可塑性樹脂構(gòu)成的密封用樹脂6b。密封用樹脂6b的含浸是通過向?qū)盈B配置于周緣部的膜狀密封用樹脂照射激光而使該膜狀密封用樹脂熔化來進(jìn)行的，由此形成密封部7b。在上述的現(xiàn)有技術(shù)I中，通過電解質(zhì)膜-電極接合體被夾持在隔板間，從而構(gòu)成燃料電池，并且層疊多個(gè)所述燃料電池而作為燃料電池堆使用。為了確保希望的發(fā)電性能及密封性能，在層疊方向上對(duì)燃料電池堆施加規(guī)定的緊固載荷。此時(shí)，陰極催化劑層2a的外周端部(邊緣部)被壓接向加強(qiáng)層5a，并且陽極催化劑層3a的外周端部(邊緣部)被壓接向所述加強(qiáng)層5a及高分子電解質(zhì)膜la。因此，加強(qiáng)層5a及高分子電解質(zhì)膜Ia在各邊緣部附近面壓升高而薄壁化，耐久性下降。另外，在上述的現(xiàn)有技術(shù)2中，通常，固體高分子形燃料電池(Μ EA)被夾持在隔板間，并且通過層疊多個(gè)所述固體高分子形燃料電池，從而作為燃料電池堆使用。為了確保希望的發(fā)電性能及密封性能，在層疊方向上對(duì)燃料電池堆施加規(guī)定的緊固載荷。此時(shí)，在密封部7b的內(nèi)側(cè)設(shè)置的發(fā)電部(擴(kuò)散層非含浸部)Sb與包括所述密封部7b的擴(kuò)散層含浸部9b的各自的揚(yáng)氏模量不同。即，在擴(kuò)散層含浸部9b中，與發(fā)電部Sb相t匕，揚(yáng)氏模量變高。因此，當(dāng)對(duì)固體高分子形燃料電池施加載荷時(shí)，擴(kuò)散層含浸部9b被壓接于高分子電解質(zhì)膜3b。由此，高分子電解質(zhì)膜3b在被壓接于擴(kuò)散層含浸部9b的外周緣部載荷升高而薄壁化，導(dǎo)致所述高分子電解質(zhì)膜3b的耐久性下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種燃料電池，在燃料電池的緊固時(shí)，不會(huì)對(duì)電極催化劑層的外周端部施加過剩的載荷，能夠可靠地阻止固體高分子電解質(zhì)膜的損傷。另外，本發(fā)明的目的在于，提供一種燃料電池，在燃料電池的緊固時(shí)，不會(huì)對(duì)配置于樹脂含浸部的固體高分子電解質(zhì)膜施加過剩的載荷，能夠可靠地阻止所述固體高分子電解質(zhì)膜的耐久性的下降。本發(fā)明涉及一種燃料電池，其具備電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體和隔板，電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體在固體高分子電解質(zhì)膜的兩側(cè)設(shè)有第一電極及第二電極，第一電極及第二電極分別具有電極催化劑層和氣體擴(kuò)散層，隔板配置在所述電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體的兩面。而且，電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體具有:在第一電極及第二電極間夾著固體高分子電解質(zhì)膜的發(fā)電部；以及在所述第一電極及所述第二電極的各自的電極催化劑層外周端部間夾著所述固體高分子電解質(zhì)膜的邊緣部，在隔板上，在與所述電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體相接的面上，形成有收容所述邊緣部的凹部。另外，本發(fā)明涉及一種燃料電池，其具備電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體和隔板，電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體在固體高分子電解質(zhì)膜的兩側(cè)設(shè)有第一電極及第二電極，并且在構(gòu)成所述第一電極及所述第二電極的氣體擴(kuò)散層的外周端部，設(shè)有使樹脂含浸的樹脂含浸部，隔板配置于所述電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體的兩面。而且，在隔板上，在與電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體相接的面上，形成有收容樹脂含浸部的凹部。根據(jù)本發(fā)明，在隔板上，對(duì)應(yīng)于電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體的邊緣部形成有凹部。因此，在燃料電池被緊固時(shí)，邊緣部的緊固量被設(shè)定成小于發(fā)電部的緊固量的尺寸。因此，在發(fā)電部，確保用來確保發(fā)電性能所需的面壓，另一方面，在邊緣部，能夠抑制過剩的緊固力施加于電極催化劑層外周端部。由此，可以具有希望的發(fā)電性能，并且可以良好地抑制在邊緣部的固體高分子電解質(zhì)膜的破損。另外，根據(jù)本發(fā)明，在隔板上，對(duì)應(yīng)于電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體的樹脂含浸部而形成有凹部。因此，在燃料電池被緊固時(shí)，樹脂含浸部的緊固量被設(shè)定成小于發(fā)電部的緊固量的尺寸。因此，在發(fā)電部，確保用來確保發(fā)電性能所需的面壓，另一方面，在樹脂含浸部，能夠抑制過剩的緊固力施加于固體高分子電解質(zhì)膜。由此，可以具有希望的發(fā)電性能，并且可以良好地抑制樹脂含浸部引起的固體高分子電解質(zhì)膜的耐久性的降低。上述的目的、特征及優(yōu)點(diǎn)，可從通過參照


的以下實(shí)施方式的說明中更容易理解。

圖1是本發(fā)明的第一實(shí)施方式的燃料電池的主要部分分解立體說明圖。圖2是所述燃料電池的圖1中I1-1I線剖面說明圖。圖3是構(gòu)成所述燃料電池的帶保護(hù)膜電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體的陽極電極側(cè)的主視說明圖。圖4是所述燃料電池的緊固前的主要部分剖面說明圖。圖5是單電池厚度與發(fā)電部面壓及邊緣部面壓之間的關(guān)系說明圖。圖6是本發(fā)明的第二實(shí)施方式的燃料電池的主要部分分解立體說明圖。圖7是所述燃料電池的主要部分剖面說明圖。圖8是所述燃料電池的緊固前的主要部分剖面說明圖。圖9是本發(fā)明的第三實(shí)施方式的燃料電池的主要部分剖面說明圖。圖10是本發(fā)明的第四實(shí)施方式的燃料電池的主要部分剖面說明圖。圖11是本發(fā)明的第五實(shí)施方式的燃料電池的主要部分分解立體說明圖。圖12是所述燃料電池的圖11中XI1-XII線剖面說明圖。圖13是構(gòu)成所述燃料電池的電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體的陽極電極側(cè)的主視說明圖。圖14是所述電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體與陰極側(cè)隔板及陽極側(cè)隔板的緊固前的局部剖面說明圖。圖15是所述電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體的制造方法的說明圖。圖16是MEA厚度與發(fā)電部面壓及含浸部周邊面壓之間的關(guān)系說明圖。圖17是現(xiàn)有技術(shù)I所公開的膜電極組裝體的說明圖。圖18是現(xiàn)有技術(shù)2所公開的固體高分子形燃料電池的說明圖。
具體實(shí)施例方式如圖1及圖2所示，本發(fā)明的第一實(shí)施方式的燃料電池10具備:帶保護(hù)膜電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體12、以及夾持所述帶保護(hù)膜電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體12的陰極側(cè)隔板14及陽極側(cè)隔板16。陰極側(cè)隔板14及陽極側(cè)隔板16例如由碳隔板構(gòu)成。需要說明的是，陰極側(cè)隔板14及陽極側(cè)隔板16也可以不用碳隔板，而例如由金屬薄板構(gòu)成。如圖2所示，帶保護(hù)膜電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體12具備MEA12a，并且所述MEA12a具有:例如在全氟磺酸(〃一7 >才α 7 > * >酸)的薄膜中含浸有水的固體高分子電解質(zhì)膜18 ;以及夾持所述固體高分子電解質(zhì)膜18的陰極電極(第二電極)20及陽極電極(第一電極)22。固體高分子電解質(zhì)膜18除了氟系電解質(zhì)以外，還使用HC(碳化氫)系電解質(zhì)。陰極電極20配置于固體高分子電解質(zhì)膜18的一方的面18a，并且陽極電極22配置于所述固體高分子電解質(zhì)膜18的另一方的面18b。固體高分子電解質(zhì)膜18的外周端部比陰極電極20及陽極電極22的外周端部更向外伸展。陰極電極20設(shè)有與固體高分子電解質(zhì)膜18的面18a接合的電極催化劑層20a以及層疊于所述電極催化劑層20a的氣體擴(kuò)散層20b。陽極電極22設(shè)有與固體高分子電解質(zhì)膜18的面18b接合的電極催化劑層22a以及層疊于所述電極催化劑層22a的氣體擴(kuò)散層22b。構(gòu)成陽極電極22的電極催化劑層22a的外周端部22ae的尺寸被設(shè)定成:相比構(gòu)成陰極電極20的電極催化劑層20a的外周端部20ae，更向電極面方向外方突出的尺寸。需要說明的是，也可以與上述構(gòu)成相反，將陰極電極20的外周端部20ae設(shè)成相比陽極電極22的外周端部22ae更向電極面方向外方突出。電極催化劑層20a、22a是通過如下方式構(gòu)成的:形成在碳黑上承載白金粒子的催化劑粒子，使用高分子電解質(zhì)作為離子傳導(dǎo)性粘合劑，在該高分子電解質(zhì)的溶液中均勻混合所述催化劑粒子，制作催化劑膏，將該催化劑膏印刷、涂敷或轉(zhuǎn)印在固體高分子電解質(zhì)膜18的兩面上，由此構(gòu)成電極催化劑層20a、22a。氣體擴(kuò)散層20b、22b由碳紙等構(gòu)成，并且相比電極催化劑層20a、22a的外周端部20ae、22ae終端在更靠外方的位置。如圖1 圖3所示，帶保護(hù)膜電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體12具備由樹脂制框部件構(gòu)成的保護(hù)膜24a、24b，保護(hù)膜24a、24b由粘結(jié)劑接合在固體高分子電解質(zhì)膜18的面18a、18b的外周端緣部，并且與陰極電極20及陽極電極22的前端部接合。保護(hù)膜24a、24b除了例如由PPS(聚苯硫醚)或PPA(聚鄰苯二甲酰胺)等構(gòu)成以外，也可以使用具有彈性的高分子材料。如圖2所示，陰極側(cè)隔板14在與MEA12a相接的外周緣部設(shè)有對(duì)包括外周端部20ae(邊緣部)在內(nèi)的邊緣部周邊(后述)進(jìn)行收容的凹部14c。陽極側(cè)隔板16在與MEA12a相接的外周緣部設(shè)有對(duì)包括外周端部22ae (邊緣部)在內(nèi)的邊緣部周邊(后述)進(jìn)行收容的凹部16c。在燃料電池10被層疊的狀態(tài)(被緊固的狀態(tài))下，在保護(hù)膜24a、24b與陰極側(cè)隔板14的面14a及陽極側(cè)隔板16的面16b之間，分別形成間隙S。通過用陰極側(cè)隔板14和陽極側(cè)隔板16直接夾持保護(hù)膜24a、24b，從而用于阻止面壓變得過高。如圖1所示，在燃料電池10的箭頭A方向(圖1中，水平方向)的一端緣部，在層疊方向即箭頭B方向上相互連通而沿箭頭C方向(鉛直方向)排列設(shè)有:用于供給氧化劑氣體例如含氧氣體的氧化劑氣體入口連通孔30a、用于供給冷卻介質(zhì)的冷卻介質(zhì)入口連通孔32a、及用于排出燃料氣體例如含氫氣體的燃料氣體出口連通孔34b。在燃料電池10的箭頭A方向的另一端緣部，在箭頭B方向上相互連通而沿箭頭C方向排列設(shè)有:用于供給燃料氣體的燃料氣體入口連通孔34a、用于排出冷卻介質(zhì)的冷卻介質(zhì)出口連通孔32b、及用于排出氧化劑氣體的氧化劑氣體出口連通孔30b。在陰極側(cè)隔板14的朝向帶保護(hù)膜電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體12的面14a上，設(shè)有與氧化劑氣體入口連通孔30a和氧化劑氣體出口連通孔30b連通的氧化劑氣體流路36。在陽極側(cè)隔板16的朝向帶保護(hù)膜電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體12的面16a上，形成有與燃料氣體入口連通孔34a和燃料氣體出口連通孔34b連通的燃料氣體流路38。在陰極側(cè)隔板14的面14b和陽極側(cè)隔板16的面16b之間，形成有與冷卻介質(zhì)入口連通孔32a和冷卻介質(zhì)出口連通孔32b連通的冷卻介質(zhì)流路40。在陰極側(cè)隔板14的面14a、14b上，繞該陰極側(cè)隔板14的外周端部一周設(shè)有第一密封部件42，并且在陽極側(cè)隔板16的面16a、16b上，繞該陽極側(cè)隔板16的外周端部一周設(shè)有第二密封部件44。第一及第二密封部件42、44例如使用EPDM、NBR、氟橡膠、硅酮橡膠、氟硅橡膠、丁基橡膠、天然橡膠、苯乙烯橡膠、氯丁二烯或丙烯酸橡膠等密封材料、緩沖材料或者填料材料。
如圖2所示，帶保護(hù)膜電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體12具有:在陰極電極20及陽極電極22間夾著固體高分子電解質(zhì)膜18的發(fā)電部46 ;以及對(duì)包括電極催化劑層20a、22a的外周端部20ae、22ae在內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行覆蓋的邊緣部周邊48。邊緣部周邊48對(duì)應(yīng)于設(shè)有陰極側(cè)隔板14的凹部14c及陽極側(cè)隔板16的凹部16c的范圍L。在燃料電池10中，在該燃料電池10被層疊時(shí)，邊緣部周邊48的緊固量被設(shè)定成小于發(fā)電部46的緊固量的尺寸。具體而言，如圖4所示，在燃料電池10的組裝前，帶保護(hù)膜電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體12的發(fā)電部46的厚度Tam、陰極側(cè)隔板14的所述發(fā)電部46的厚度Tac、陽極側(cè)隔板16的所述發(fā)電部46的厚度Taa、所述帶保護(hù)膜電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體12的邊緣部周邊48的厚度Tbm、所述陰極側(cè)隔板14的所述邊緣部周邊48的厚度Tbc及陽極側(cè)隔板16的所述邊緣部周邊48的厚度Tba被設(shè)定為Tam+Tac+Taa > Tbm+Tbc+Tba的關(guān)系。更優(yōu)選的是，設(shè)定為TamX0.8+Tac+Taa > Tbm+Tbc+Tba的關(guān)系。進(jìn)一步優(yōu)選的是，設(shè)定為TamX0.6+Tac+Taa > Tbm+Tbc+Tba的關(guān)系。需要說明的是，在燃料電池10被緊固的狀態(tài)下，包括發(fā)電部46在內(nèi)的所述燃料電池10的厚度(單電池厚度)通過在面壓作用下被壓縮，從而成為與包括邊緣部周邊48在內(nèi)的所述燃料電池10的厚度(單電池厚度)相同的尺寸。在邊緣部周邊48中，設(shè)定從作為短邊側(cè)的陰極電極20的外周端部20ae到凹部14c、16c的內(nèi)周側(cè)端部的距離L1、以及從作為長(zhǎng)邊側(cè)的陽極電極22的外周端部22ae到所述凹部14c、16c的外周側(cè)端部的距離L2。距離L1、L2優(yōu)選設(shè)定為0.1mm以上,更優(yōu)選設(shè)定為0.4mm以上,進(jìn)一步優(yōu)選設(shè)定為2mm以上。以下說明該燃料電池10的動(dòng)作。首先，如圖1所示，向氧化劑氣體入口連通孔30a供給含氧氣體等氧化劑氣體，并且向燃料氣體入口連通孔34a供給含氫氣體等燃料氣體。進(jìn)而，向冷卻介質(zhì)入口連通孔32a供給純水或甘醇、油等冷卻介質(zhì)。因此，氧化劑氣體從氧化劑氣體入口連通孔30a被導(dǎo)入陰極側(cè)隔板14的氧化劑氣體流路36，沿箭頭A方向移動(dòng)而被供應(yīng)給MEA12a的陰極電極20。另一方面，燃料氣體從燃料氣體入口連通孔34a被導(dǎo)入陽極側(cè)隔板16的燃料氣體流路38。燃料氣體沿著燃料氣體流路38向箭頭A方向移動(dòng)，被供應(yīng)給MEA12a的陽極電極22。因此，在各MEA12a，供應(yīng)給陰極電極20的氧化劑氣體和供應(yīng)給陽極電極22的燃料氣體在電極催化劑層內(nèi)通過電化學(xué)反應(yīng)而被消耗，從而進(jìn)行發(fā)電。接著，供應(yīng)給陰極電極20而被消耗的氧化劑氣體沿著氧化劑氣體出口連通孔30b被排出向箭頭B方向。同樣，供應(yīng)給陽極電極22而被消耗的燃料氣體沿著燃料氣體出口連通孔34b被排出向箭頭B方向。另外，供應(yīng)給冷卻介質(zhì)入口連通孔32a的冷卻介質(zhì)在被導(dǎo)入陰極側(cè)隔板14和陽極側(cè)隔板16之間的冷卻介質(zhì)流路40后，沿箭頭A方向流通。該冷卻介質(zhì)在冷卻MEA12a后，從冷卻介質(zhì)出口連通孔32b排出。此時(shí)，在第一實(shí)施方式中，如圖2所示，在陰極側(cè)隔板14設(shè)有對(duì)包括陰極電極20的外周端部20ae在內(nèi)的邊緣部周邊48進(jìn)行收容的凹部14c。同樣，在陽極側(cè)隔板16設(shè)有對(duì)包括陽極電極22的外周端部22ae在內(nèi)的邊緣部周邊48進(jìn)行收容的凹部16c。此時(shí)，如圖4所示，在燃料電池10的緊固前，設(shè)定為Tam+Tac+Taa > Tbm+Tbc+Tba的關(guān)系。更優(yōu)選的是，設(shè)定為TamX0.8+Tac+Taa > Tbm+Tbc+Tba,進(jìn)一步優(yōu)選的是,設(shè)定為TamX0.6+Tac+Taa > Tbm+Tbc+Tba 的關(guān)系。因此，可以將燃料電池10的緊固后的固體高分子電解質(zhì)膜18的面壓設(shè)定為發(fā)電部面壓>邊緣部面壓。即，如圖5所示，根據(jù)燃料電池10的厚度(單電池厚度)與面壓的關(guān)系，算出與希望的發(fā)電部面壓及邊緣部面壓對(duì)應(yīng)的緊固后的單電池厚度。因此，在燃料電池10被緊固時(shí)，邊緣部周邊48的緊固量被設(shè)定為小于發(fā)電部46的緊固量的尺寸。由此，在發(fā)電部46，確保用來確保發(fā)電性能所需的面壓，另一方面，在邊緣部周邊48，能夠抑制過剩的緊固力施加于電極催化劑層20a、22a的外周端部20ae、22ae。因此，能夠具有希望的發(fā)電性能，并且可以良好地抑制作為邊緣部的外周端部20ae、22ae引起的固體高分子電解質(zhì)膜18的破損。尤其,如圖4所示,距離L1、L2優(yōu)選設(shè)定為0.1mm以上,更優(yōu)選設(shè)定為0.4mm以上,進(jìn)一步優(yōu)選設(shè)定為2mm以上。因此,盡可能抑制固體高分子電解質(zhì)膜18的損傷。圖6是本發(fā)明的第二實(shí)施方式的燃料電池60的主要部分分解立體說明圖。需要說明的是，對(duì)于與第一實(shí)施方式的燃料電池10相同的構(gòu)成要素，標(biāo)注同一參照符號(hào)并省略其詳細(xì)的說明。另外，在以下說明的第三以后的實(shí)施方式中也同樣，省略其詳細(xì)的說明。燃料電池60具備:帶保護(hù)膜電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體62 ;以及夾持所述帶保護(hù)膜電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體62的陰極側(cè)隔板64及陽極側(cè)隔板66。 如圖7所示，帶保護(hù)膜電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體62具備MEA62a，并且所述MEA62a通過陰極電極(第二電極)68和陽極電極(第一電極)70夾持固體高分子電解質(zhì)膜18。陰極電極68設(shè)有電極催化劑層68a和氣體擴(kuò)散層68b,另一方面，陽極電極70設(shè)有電極催化劑層70a和氣體擴(kuò)散層70b。電極催化劑層68a、70a被設(shè)定為小于固體高分子電解質(zhì)膜18的外形尺寸，并且氣體擴(kuò)散層68b、70b被設(shè)定為與所述固體高分子電解質(zhì)膜18相同的外形尺寸。構(gòu)成陽極電極70的電極催化劑層70a的外周端部70ae被設(shè)定為:比構(gòu)成陰極電極68的電極催化劑層68a的外周端部68ae更向電極面方向外方突出的尺寸。需要說明的是，也可以與上述的構(gòu)成相反，將陰極電極68的外周端部68ae構(gòu)成為比陽極電極70的外周端部70ae更向電極面方向外方突出。帶保護(hù)膜電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體62具備由樹脂制框部件構(gòu)成的保護(hù)膜72a、72b，保護(hù)膜72a、72b被接合于固體高分子電解質(zhì)膜18的兩方的面18a、18b與氣體擴(kuò)散層68b、70b之間，并且各自的內(nèi)周緣部側(cè)被接合于電極催化劑層68a、70a與所述氣體擴(kuò)散層68b、70b之間。陰極側(cè)隔板64在與MEA62a相接的外周緣部設(shè)有對(duì)包括外周端部68ae (邊緣部)在內(nèi)的邊緣部周邊48進(jìn)行收容的凹部64c。陽極側(cè)隔板66在與MEA62a相接的外周緣部設(shè)有對(duì)包括外周端部70ae(邊緣部)在內(nèi)的邊緣部周邊48進(jìn)行收容的凹部66c。如圖8所示，在燃料電池60的組裝前，帶保護(hù)膜電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體62的發(fā)電部46的厚度Tam、陰極側(cè)隔板64的所述發(fā)電部46的厚度Tac、陽極側(cè)隔板66的所述發(fā)電部46的厚度Taa、所述帶保護(hù)膜電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體62的邊緣部周邊48的厚度Tbm、所述陰極側(cè)隔板64的所述邊緣部周邊48的厚度Tbc及陽極側(cè)隔板66的所述邊緣部周邊48的厚度 Tba 被設(shè)定為 Tam+Tac+Taa > Tbm+Tbc+Tba 的關(guān)系。
更優(yōu)選的是，設(shè)定為TamX0.8+Tac+Taa > Tbm+Tbc+Tba的關(guān)系。進(jìn)一步優(yōu)選的是，設(shè)定為TamX0.6+Tac+Taa > Tbm+Tbc+Tba的關(guān)系。需要說明的是，在燃料電池60被緊固的狀態(tài)下，包括發(fā)電部46在內(nèi)的所述燃料電池60的厚度(單電池厚度)成為與包括邊緣部周邊48在內(nèi)的所述燃料電池60的厚度(單電池厚度)相同的尺寸。在邊緣部周邊48，設(shè)定從作為短邊側(cè)的陰極電極68的外周端部68ae到凹部64c、66c的內(nèi)周側(cè)端部的距離L3、以及從作為長(zhǎng)邊側(cè)的陽極電極70的外周端部70ae到所述凹部64c、66c的外周側(cè)端部的距離L4。距離L3、L4優(yōu)選設(shè)定為0.1mm以上,更優(yōu)選設(shè)定為
0.4mm以上,進(jìn)一步優(yōu)選設(shè)定為2mm以上。在該第二實(shí)施方式中，如圖7所示，在陰極側(cè)隔板64設(shè)有對(duì)邊緣部周邊48進(jìn)行收容的凹部64c，并且在陽極側(cè)隔板66設(shè)有對(duì)所述邊緣部周邊48進(jìn)行收容的凹部66c。因此，能夠得到:燃料電池60具有希望的發(fā)電性能，并且能夠良好地抑制作為邊緣部的外周端部68ae、70ae引起的固體高分子電解質(zhì)膜18的破損等與上述第一實(shí)施方式同樣的效果。圖9是本發(fā)明的第三實(shí)施方式的燃料電池80的主要部分剖面說明圖。燃料電池80具備:帶保護(hù)膜電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體12 ;以及夾持所述帶保護(hù)膜電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體12的陰極側(cè)隔板82及陽極側(cè)隔板84。陰極側(cè)隔板82在與MEA12a相接的外周緣部設(shè)有對(duì)包括外周端部20ae在內(nèi)的邊緣部周邊48進(jìn)行收容的凹部82c。陽極側(cè)隔板84在與MEA12a相接的外周緣部設(shè)有對(duì)包括外周端部22a e在內(nèi)的邊緣部周邊48進(jìn)行收容的凹部84c。在燃料電池80的緊固狀態(tài)下，在凹部82c的內(nèi)壁面與氣體擴(kuò)散層20b之間形成間隙SI，另一方面，在凹部84c的內(nèi)壁面與氣體擴(kuò)散層22b之間形成間隙S2。在該第三實(shí)施方式中，能夠得到:具有希望的發(fā)電性能，并且能夠良好地抑制作為邊緣部的外周端部20ae、22ae引起的固體高分子電解質(zhì)膜18的破損等與上述第一及第二實(shí)施方式同樣的效果。圖10是本發(fā)明的第四實(shí)施方式的燃料電池90的主要部分剖面說明圖。燃料電池90具備:帶保護(hù)膜電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體62 ;以及夾持所述帶保護(hù)膜電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體62的陰極側(cè)隔板92及陽極側(cè)隔板94。陰極側(cè)隔板92在與MEA62a相接的外周緣部設(shè)有對(duì)包括外周端部68ae在內(nèi)的邊緣部周邊48進(jìn)行收容的凹部92c。陽極側(cè)隔板94在與MEA62a相接的外周緣部設(shè)有對(duì)包括外周端部70ae在內(nèi)的邊緣部周邊48進(jìn)行收容的凹部94c。在燃料電池90的緊固狀態(tài)下，在凹部92c的內(nèi)壁面與氣體擴(kuò)散層68b之間形成有間隙S3，另一方面，在凹部94c的內(nèi)壁面與氣體擴(kuò)散層70b之間形成有間隙S4。在該第四實(shí)施方式中，能夠得到:具有希望的發(fā)電性能，并且能夠良好地抑制作為邊緣部的外周端部68ae、70ae引起的固體高分子電解質(zhì)膜18的破損等與上述的第一 第三實(shí)施方式同樣的效果。圖11是本發(fā)明的第五實(shí)施方式的燃料電池100的主要部分分解立體說明圖。燃料電池100具備:電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體102 ;以及夾持所述電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體102的陰極側(cè)隔板104及陽極側(cè)隔板106。如圖12所示，構(gòu)成陰極電極20的電極催化劑層20a的外周端部20ae被設(shè)定為如下尺寸:終端在與構(gòu)成陽極電極22的電極催化劑層22a的外周端部22ae相同的位置上。需要說明的是，外周端部20ae與外周端部22ae的終端也可以在互不相同的位置上。如圖11 圖13所示，電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體102具備畫框形狀的含浸用樹脂部件110、112，含浸用樹脂部件110、112接合于固體高分子電解質(zhì)膜18的面18a、18b的外周緣部，并且含浸在陰極電極20及陽極電極22的前端部。含浸用樹脂部件110、112具有樹脂含浸部110a、112a，樹脂含浸部110a、112a在氣體擴(kuò)散層20b、22b的外周緣部延伸而含浸到電極催化劑層20a、22a的外周端部?jī)?nèi)方(與電極催化劑層20a、22a具有重合部)。作為含浸用樹脂部件110、112，例如可以采用PVDF (聚偏氟乙烯)或PPS (聚苯硫醚)等樹脂材料。如圖12所示，陰極側(cè)隔板104在與電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體102相接的外周緣部，設(shè)有對(duì)包括樹脂含浸部IlOa在內(nèi)的含浸部周邊(后述)進(jìn)行收容的凹部104c。陽極側(cè)隔板106在與電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體102相接的外周緣部，設(shè)有對(duì)包括樹脂含浸部112a在內(nèi)的含浸部周邊(后述)進(jìn)行收容的凹部106c。凹部104c、106c的內(nèi)方端面位置從樹脂含浸部110a、112a的內(nèi)周端部位置離開有距離L。在燃料電池100被層疊的狀態(tài)(被緊固的狀態(tài))下，在氣體擴(kuò)散層20b、22b的外周，在含浸用樹脂部件110、112與陰極側(cè)隔板104及陽極側(cè)隔板106之間分別形成有間隙
S。在陰極側(cè)及陽極側(cè)，優(yōu)選設(shè)定為同一間隙S。通過設(shè)置間隙S，能夠防止在電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體102的發(fā)電部和周邊部之間產(chǎn)生彎曲。而且，通過用陰極側(cè)隔板104和陽極側(cè)隔板106直接夾持含浸用樹脂部件110、112，從而阻止面壓變得過高。需要說明的是，含浸用樹脂部件110、112及固體高分子電解質(zhì)膜18的終端也可以是與氣體擴(kuò)散層20b、22b的外周端部相同的位置。另外，在氣體擴(kuò)散層20b、22b的外周緣部與陰極側(cè)隔板104及陽極側(cè)隔板106之間也可以配置密封件。如圖12所示，電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體102具有:在陰極電極20及陽極電極22間夾著固體高分子電解質(zhì)膜18的發(fā)電部46 ;以及對(duì)包括樹脂含浸部110a、112a在內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行覆蓋的含浸部周邊114。在發(fā)電部46和含浸部周邊114的邊界部位，也可以在陰極側(cè)隔板104及陽極側(cè)隔板106的各段部設(shè)置圓角。在燃料電池100中，在層疊該燃料電池100時(shí)，含浸部周邊114的緊固量被設(shè)定成小于發(fā)電部46的緊固量的尺寸。具體而言，如圖14所示，在燃料電池100的組裝前，電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體102的發(fā)電部46的厚度Tam、陰極側(cè)隔板104的所述發(fā)電部46的厚度Tac、陽極側(cè)隔板106的所述發(fā)電部46的厚度Taa、所述電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體102的含浸部周邊114的厚度Tbm、所述陰極側(cè)隔板104的所述含浸部周邊114的厚度Tbc及陽極側(cè)隔板106的所述含浸部周邊114的厚度Tba被設(shè)定成Tam+Tac+Taa > Tbm+Tbc+Tba的關(guān)系。更優(yōu)選的是，算上燃料電池100被緊固的狀態(tài)的單電池厚度Tcell、發(fā)電部46的氣體擴(kuò)散層20b、22b的緊固時(shí)的揚(yáng)氏模量Ea、及樹脂含浸部110a、112a的所述氣體擴(kuò)散層20b、22b的緊固時(shí)的揚(yáng)氏模量Eb，還設(shè)定成Tam+Tac+Taa-Tce 11 >(Tbm+Tbc+Tba-Tce11) X Eb+ Ea 的關(guān)系。接著，以下對(duì)制造電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體102的方法進(jìn)行說明。首先，如圖15所示，制作電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體要素102a。具體而言，在固體高分子電解質(zhì)膜18的兩方的面18a、18b上涂敷電極催化劑層20a、22a。然后，在固體高分子電解質(zhì)膜18的面18a側(cè)即在電極催化劑層20a配置氣體擴(kuò)散層20b，并且在所述固體高分子電解質(zhì)膜18的面18b即在電極催化劑層22a配置氣體擴(kuò)散層22b。通過將它們一體層疊并進(jìn)行熱壓處理，從而制作電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體要素102a。接著，在電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體要素102a配置含浸用樹脂部件110、112。含浸用樹脂部件110、112從固體高分子電解質(zhì)膜18的外周端部延伸到氣體擴(kuò)散層20b、22b的外周緣部的內(nèi)部，進(jìn)而延伸到電極催化劑層20a、22a的外周端部?jī)?nèi)側(cè)。然后，含浸用樹脂部件110、112在被施加載荷的狀態(tài)下，例如通過激光熔敷、紅外線熔敷或脈沖熔敷等被加熱熔化。因此，加熱熔化的含浸用樹脂部件110、112在氣體擴(kuò)散層20b、22b的外周緣部延伸而含浸到電極催化劑層20a、22a的外周端部?jī)?nèi)側(cè)，由此形成樹脂含浸部110a、112a。由此,制造電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體102。在第五實(shí)施方式中，此時(shí)，如圖12所示，在燃料電池100的壓縮時(shí)(緊固時(shí))，發(fā)電部46的緊固量為Tam+Tac+Taa-Tcell,另一方面，含浸部周邊114的緊固量為Tbm+Tbc+Tba-TcelL.而且,在發(fā)電部46,在固體高分子電解質(zhì)膜18的兩方的面18a、18b設(shè)有氣體擴(kuò)散層20b、22b，另一方面，在含浸部周邊114，在所述氣體擴(kuò)散層20b、22b設(shè)有樹脂含浸部 110a、112a。因此，如果發(fā)電部46的緊固量與含浸部周邊114的緊固量為同一尺寸的話，則在所述含浸部周邊114產(chǎn)生比所述發(fā)電部46高的面壓。這是因?yàn)?，在同一緊固量下，含浸部周邊部面壓=發(fā)電部面壓XEb~^Ea。在此，在含浸部周邊114，通過減小緊固量，需要減小在使用狀態(tài)下的面壓，并且未進(jìn)行發(fā)電，所以希望使面壓小于發(fā)電部46的面壓。
`
因此,通過設(shè)定成Tam+Tac+Taa-Tcell > (Tbm+Tbc+Tba-Tce11) X Eb+ Ea 的關(guān)系，從而在緊固時(shí)，可以設(shè)定成發(fā)電部面壓>含浸部周邊面壓。即，如圖16所示，根據(jù)電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體102的厚度(MEA厚度)與面壓的關(guān)系，算出與希望的發(fā)電部面壓及含浸部周邊面壓對(duì)應(yīng)的發(fā)電部緊固量及含浸部周邊面壓緊固量。因此，在發(fā)電部46，確保用來確保發(fā)電性能所需的面壓，另一方面，在含浸部周邊114，可以抑制施加于固體高分子電解質(zhì)膜18的面壓。由此，在第五實(shí)施方式中，能夠具有希望的發(fā)電性能，并且可以良好地抑制在含浸部周邊114的固體高分子電解質(zhì)膜18的損傷
坐寸ο
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，其具備: 電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體(12)，其在固體高分子電解質(zhì)膜(18)的兩側(cè)設(shè)有第一電極(22)及第二電極(20)，所述第一電極(22)及第二電極(20)分別具有電極催化劑層(22a、20a)和氣體擴(kuò)散層(22b、20b、68b、70b);以及 隔板(14、16)，其配置于所述電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體(12)的兩面， 其特征在于，所述電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體(12)具有:在所述第一電極(22)及所述第二電極(20)間夾著所述固體高分子電解質(zhì)膜(18)的發(fā)電部(46);以及在所述第一電極(22)及所述第二電極(20)的各自的電極催化劑層外周端部間夾著所述固體高分子電解質(zhì)膜(18)的邊緣部，在所述隔板(14、16) 上，在與所述電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體(12)相接的面形成有收容所述邊緣部的凹部(14c、16c)。
2.按權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于， 構(gòu)成所述第一電極(22)的電極催化劑層(22a)的外周端部(22ae)被設(shè)定成比構(gòu)成所述第二電極(20)的電極催化劑層(20a)的外周端部(20ae)更向電極面方向外方突出的尺寸。
3.按權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于， 在所述氣體擴(kuò)散層(22b、20b)的外周設(shè)有保護(hù)膜(24b、24a)。
4.按權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于， 在所述固體高分子電解質(zhì)膜(18)與所述氣體擴(kuò)散層(68b、70b)之間設(shè)有保護(hù)膜(72a、72b)。
5.按權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于， 在層疊所述燃料電池時(shí)，在比所述邊緣部更靠電極面方向外方在所述電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體(12)與所述隔板(14、16)之間形成有間隙。
6.一種燃料電池，其具備: 電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體(102)，其在固體高分子電解質(zhì)膜(18)的兩側(cè)設(shè)有第一電極(22)及第二電極(20)，并且在構(gòu)成所述第一電極(22)及所述第二電極(20)的氣體擴(kuò)散層(22b,20b)的外周端部設(shè)有使樹脂含浸的樹脂含浸部(112a、110a);以及隔板(104、106)，其配置于所述電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體(102)的兩面， 其特征在于， 在所述隔板(104、106)上，在與所述電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體(102)相接的面上形成有收容所述樹脂含浸部ai0a、112a)的凹部(104c、106c)。
7.按權(quán)利要求6所述的燃料電池，其特征在于， 所述固體高分子電解質(zhì)膜(18)被設(shè)定成比所述第一電極(22)及所述第二電極(20)的外周端部更向電極面方向外方突出的尺寸，并且 所述樹脂含浸部(110a、112a)是從所述固體高分子電解質(zhì)膜(18)的外周端部延伸到所述氣體擴(kuò)散層(20b、22b)的內(nèi)部的具有畫框形狀的含浸用樹脂部件(110、112)的一部分。
8.按權(quán)利要求7所述的燃料電池，其特征在于， 在所述燃料電池被緊固的狀態(tài)下，在所述氣體擴(kuò)散層(20b、22b)的外周，在所述含浸用樹脂部件(110,112)與所 述隔板(104,106)之間形成有間隙。
全文摘要
提供一種燃料電池，帶保護(hù)膜電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體(12)具備MEA(12a)，其具備夾持固體高分子電解質(zhì)膜(18)的陰極電極(20)及陽極電極(22)；及保護(hù)膜(24a、24b)，其接合于所述固體高分子電解質(zhì)膜(18)的外周端緣部。帶保護(hù)膜電解質(zhì)膜電極構(gòu)造體(12)具有發(fā)電部(46)和邊緣部周邊(48)。陰極側(cè)隔板(14)及陽極側(cè)隔板(16)在與MEA(12a)相接的外周緣部設(shè)有對(duì)包括外周端部(20ae、22ae)在內(nèi)的邊緣部周邊(48)進(jìn)行收容的凹部(14c、16c)。
文檔編號(hào)H01M8/10GK103094593SQ20121041305
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2012年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月1日
發(fā)明者杉浦誠(chéng)治, 新海洋, 田中健一, 川原田美帆子, 浦田健多, 田中之人, 加藤高士 申請(qǐng)人:本田技研工業(yè)株式會(huì)社