專利名稱：燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及例如作為汽車等移動體、分散發(fā)電系統(tǒng)、家庭用廢熱發(fā)電系統(tǒng)等的驅(qū)動源來使用的燃料電池。
背景技術(shù)：
燃料電池(例如，高分子電解質(zhì)型燃料電池)，是通過使含有氫的燃料氣體與空氣等含有氧的氧化劑氣體發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，來使電力和熱同時(shí)產(chǎn)生的裝置。根據(jù)該燃料電池，由于直接或間接地將燃料所具有的化學(xué)能量變換為電能，因此能夠獲得高發(fā)電效率。燃料電池，一般來說通過層疊多個(gè)單元(單電池)，并用螺栓等緊固構(gòu)件對它們進(jìn)行加壓緊固而構(gòu)成。I個(gè)單元，用一對板狀的導(dǎo)電性的隔離件夾住膜電極接合體(以下，稱作MEA Membrane-Electrode-Assembly)而構(gòu)成。MEA,為了提高操作性，用形成為邊框狀的框體來保持其邊緣部(也稱作外周區(qū)域)。另外，在此，將具備所述框體的MEA稱作電極-膜-框接合體。MEA,由外周區(qū)域(邊緣部)被所述框體支撐的高分子電解質(zhì)膜、和形成于該電解質(zhì)膜的兩面并且配置于所述框體的內(nèi)側(cè)的一對電極層構(gòu)成。一對電極層，由形成于高分子電解質(zhì)膜的兩面的催化劑層、和在該催化劑層上形成的氣體擴(kuò)散層構(gòu)成。通過對一對電極層供給反應(yīng)氣體(燃料氣體或氧化劑氣體)，從而發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電力和熱。此外，在框體的表面，為了阻斷或抑制反應(yīng)氣體向外部的漏出，按照對隔離件與框體之間進(jìn)行密封的方式設(shè)置有墊圈(彈性構(gòu)件)。該墊圈通常由樹脂材料構(gòu)成。在所述墊圈中，通常含有為了保持防漏氣功能所需的添加劑、軟化劑等。此外，在所述墊圈中，通常含有為了通過注塑成型等來形成密封的形狀所需的增塑劑、添加劑、抗氧化劑、成型后殘留的它們的反 應(yīng)物或分解物等。在這些墊圈所含有的物質(zhì)中，有時(shí)含有成為阻礙燃料電池的發(fā)電反應(yīng)的催化劑中毒物質(zhì)的雜質(zhì)。因此，在具有上述構(gòu)成的現(xiàn)有的燃料電池中，墊圈所含的雜質(zhì)，溶出到反應(yīng)氣體中的水分或伴隨電化學(xué)反應(yīng)而生成的生成水中，存在使電極層催化劑中毒的問題。若電極層催化劑中毒，則電化學(xué)反應(yīng)受到阻礙，將會導(dǎo)致燃料電池的發(fā)電性能的下降。因此，在現(xiàn)有技術(shù)中，作為墊圈的材料，使用不溶出或不易溶出雜質(zhì)的樹脂材料(例如氟系樹脂)，或者應(yīng)用從墊圈溶出的雜質(zhì)不使MEA催化劑中毒或不易使MEA催化劑中毒的構(gòu)成等。例如，在專利文獻(xiàn)I (JP特開2009-170273號公報(bào))中，公開了一種燃料電池，該燃料電池通過按照覆蓋氣體擴(kuò)散層的外周區(qū)域的方式形成框體，并將設(shè)置于該框體的突起部扎入氣體擴(kuò)散層來抑制框體的移動，由此不需要設(shè)置墊圈。此外，在專利文獻(xiàn)2 (JP特開2003-217613號公報(bào))中，公開了一種燃料電池，該燃料電池通過使從樹脂材料溶出的雜質(zhì)，吸附于隔離件或在氣體擴(kuò)散層中分散配置的吸附介質(zhì)，來進(jìn)行凈化。在先技術(shù)文獻(xiàn)
專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I JP特開2009-170273號公報(bào)專利文獻(xiàn)2 JP特開2003-217613號公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的課題但是，在采用不易溶出雜質(zhì)的材料作為墊圈的材料的情況下，密封性不足，結(jié)果，存在燃料電池的發(fā)電性能下降的可能性。此外，不易溶出雜質(zhì)的材料，通常價(jià)格高，因此生產(chǎn)成本提高。此外，在專利文獻(xiàn)I的構(gòu)成中，由于不設(shè)置墊圈，因此隔離件與框體的密接性不足，存在產(chǎn)生反應(yīng)氣體的泄露不良，燃料電池的發(fā)電性能下降的可能性。此外，在專利文獻(xiàn)2的構(gòu)成中，在隔離件或氣體擴(kuò)散層形成了氣體流路的情況下，由于在隔離件或氣體擴(kuò)散層中分散配置的吸附介質(zhì)，存在反應(yīng)氣體的壓力損失上升而燃料電池的發(fā)電性能下降的可能性。此外，由于設(shè)置吸附介質(zhì)，生產(chǎn)成本提高。因此，本發(fā)明的目的在于，解決上述課題，提供一種能夠抑制生產(chǎn)成本的增加，并且抑制發(fā)電性能的下降的燃料電池。解決課題的手段為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明如以下方式構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明，提供 一種燃料電池，其具備高分子電解質(zhì)膜；催化劑層，其設(shè)置在所述高分子電解質(zhì)膜上；氣體擴(kuò)散層，其設(shè)置在所述催化劑層上；框體，其設(shè)置在從所述高分子電解質(zhì)膜的厚度方向來看比所述氣體擴(kuò)散層的外緣部更靠外側(cè)的所述高分子電解質(zhì)膜的外周區(qū)域上；隔離件，其設(shè)置在所述氣體擴(kuò)散層上，并且按照具有與所述框體緊密相接的密接區(qū)域的方式設(shè)置；和墊圈，其在從所述厚度方向來看比所述密接區(qū)域更靠外側(cè)的位置，按照將所述隔離件和所述框體之間密封的方式設(shè)置。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明所涉及的燃料電池，通過設(shè)置所述密接區(qū)域這一簡單的構(gòu)成，能夠防止從墊圈溶出的雜質(zhì)流動到氣體擴(kuò)散層側(cè)。由此，能夠抑制生產(chǎn)成本的增加，并且抑制發(fā)電性能的下降。


本發(fā)明的這些及其他目的和特征，由針對附圖的與優(yōu)選實(shí)施方式關(guān)聯(lián)的如下記述而明確。在該附圖中，圖1是示意性地表示本發(fā)明的第I實(shí)施方式所涉及的燃料電池的基本構(gòu)造的剖面圖，圖2是圖1的燃料電池的局部放大剖面圖，
圖3是表示連結(jié)了多個(gè)圖1的燃料電池而得到的燃料電池堆的基本構(gòu)造的分解立體圖，圖4是示意性地表示本發(fā)明的第2實(shí)施方式所涉及的燃料電池的構(gòu)成的局部放大剖面圖，圖5是示意性地表示本發(fā)明的第3實(shí)施方式所涉及的燃料電池的構(gòu)成的局部放大剖面圖，圖6是示意性地表示本發(fā)明的第4實(shí)施方式所涉及的燃料電池的構(gòu)成的局部放大剖面圖，圖7是示意性地表示本發(fā)明的第5實(shí)施方式所涉及的燃料電池的構(gòu)成的局部放大剖面圖，圖8是表示圖7的燃料電池的變形例的局部放大剖面圖，圖9是示意性地表示本發(fā)明的第6實(shí)施方式所涉及的燃料電池的構(gòu)成的局部放大剖面圖，圖10是示意性地表示本發(fā)明的第7實(shí)施方式所涉及的燃料電池的構(gòu)成的局部放大剖面圖，

圖11是示意性地表示本發(fā)明的第8實(shí)施方式所涉及的燃料電池的構(gòu)成的局部放大剖面圖。
具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明的第I方式，提供一種燃料電池，其具備高分子電解質(zhì)膜；催化劑層，其設(shè)置在所述高分子電解質(zhì)膜上；氣體擴(kuò)散層，其設(shè)置在所述催化劑層上；框體，其設(shè)置在從所述高分子電解質(zhì)膜的厚度方向來看比所述氣體擴(kuò)散層的外緣部更靠外側(cè)的所述高分子電解質(zhì)膜的外周區(qū)域上，隔離件，其設(shè)置在所述氣體擴(kuò)散層上，并且設(shè)置為具有與所述框體緊密相接的密接區(qū)域；和墊圈，其在從所述厚度方向來看比所述密接區(qū)域更靠外側(cè)的位置，按照將所述隔離件與所述框體之間密封的方式設(shè)置。根據(jù)本發(fā)明的第2方式，提供一種第I方式所述的燃料電池，其中，所述氣體擴(kuò)散層的外緣部與所述框體的內(nèi)緣部緊密相接。根據(jù)本發(fā)明的第3方式，提供一種第2方式所述的燃料電池，其中，構(gòu)成所述框體的樹脂材料的一部分混合存在于所述氣體擴(kuò)散層的外周區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明的第4方式，提供一種第I 3方式中任一項(xiàng)所述的燃料電池，其中，所述催化劑層的外緣部，從所述厚度方向來看，設(shè)置為比所述氣體擴(kuò)散層的外緣部更靠外側(cè)并且比所述墊圈的中心部更靠內(nèi)側(cè)。根據(jù)本發(fā)明的第5方式，提供一種第I 4方式中任一項(xiàng)所述的燃料電池，其中，從所述厚度方向來看所述密接區(qū)域的內(nèi)緣部與外緣部的最短距離，比所述墊圈的寬度長。根據(jù)本發(fā)明的第6方式，提供一種第I 4方式中任一項(xiàng)所述的燃料電池，其中，從所述厚度方向來看所述密接區(qū)域的內(nèi)緣部與外緣部的最短距離，是所述墊圈的寬度的2倍以上。根據(jù)本發(fā)明的第7方式，提供一種第I 6方式中任一項(xiàng)所述的燃料電池，其中，在所述密接區(qū)域設(shè)置有將所述隔離件和所述框體粘接的粘接構(gòu)件。根據(jù)本發(fā)明的第8方式，提供一種第I方式所述的燃料電池，其中，所述框體，在所述密接區(qū)域具備與所述隔離件緊密相接的環(huán)狀的凸部。根據(jù)本發(fā)明的第9方式，提供一種第8方式所述的燃料電池，其中，所述隔離件，在所述密接區(qū)域具備收容所述框體的凸部的環(huán)狀的凹部。根據(jù)本發(fā)明的第10方式，提供一種第I方式所述的燃料電池，其中，所述隔離件，在所述密接區(qū)域具備與所述框體緊密相接的環(huán)狀的凸部。以下，參照附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。另外，在以下所有的圖中，對相同或相當(dāng)?shù)牟糠指郊酉嗤姆枺÷灾貜?fù)的說明。《第I實(shí)施方式》對本發(fā)明的第I實(shí)施方式所涉及的燃料電池進(jìn)行說明。圖1是示意性地表示本發(fā)明的第I實(shí)施方式所涉及的燃料電池的基本構(gòu)造的剖面圖，圖2是其局部放大剖面圖。本第I實(shí)施方式所涉及的燃料電池，通過使含有氫的燃料氣體、和空氣等含有氧的氧化劑氣體發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，來使電力和熱同時(shí)產(chǎn)生的高分子電解質(zhì)型燃料電池。另外，本發(fā)明不限定于高分子電解質(zhì)型燃料電池，能夠應(yīng)用于各種燃料電池。如圖1所示，本第I實(shí)施方式所涉及的燃料電池1，具備電極-膜-框接合體2 ;和夾著電極-膜-框接合體2而配置的一對隔離件30、40。電極-膜-框接合體2具備MEA(膜電極接合體)10 ;和 在MEAlO的外周區(qū)域(邊緣部)上設(shè)置的邊框狀的框體20。MEAlO具備高分子電解質(zhì)膜11 ;和在該高分子電解質(zhì)膜11的兩面形成的一對電極層12、12。一對電極層12的一方是陽極，另一方是陰極。電極層12具備催化劑層13和氣體擴(kuò)散層14。催化劑層13形成在高分子電解質(zhì)膜11的表面，在該催化劑層13上形成氣體擴(kuò)散層14。高分子電解質(zhì)膜11設(shè)置為比催化劑層13以及氣體擴(kuò)散層14尺寸大，外周區(qū)域從催化劑層13以及氣體擴(kuò)散層14露出。在該高分子電解質(zhì)膜11的外周區(qū)域(邊緣部)上設(shè)置有框體20。隔離件30，設(shè)置在一方的氣體擴(kuò)散層14上，并且設(shè)置為在從高分子電解質(zhì)膜11的厚度方向(圖1的上下方向)來看比一方的氣體擴(kuò)散層14的外緣部14a更靠外側(cè)的位置具有與框體20緊密相接的密接區(qū)域E1。在從高分子電解質(zhì)膜11的厚度方向來看比密接區(qū)域El更靠外側(cè)的位置，按照對隔離件30與框體20之間進(jìn)行密封的方式設(shè)置有環(huán)狀的墊圈21。同樣，隔離件40，設(shè)置在另一方的氣體擴(kuò)散層14上，并且設(shè)置為在從高分子電解質(zhì)膜11的厚度方向來看比另一方的氣體擴(kuò)散層14的外緣部14a更靠外側(cè)的位置，具有與框體20緊密相接的密接區(qū)域El。在從高分子電解質(zhì)膜11的厚度方向來看比密接區(qū)域El更靠外側(cè)的位置，按照對隔離件40與框體20之間進(jìn)行密封的方式設(shè)置有環(huán)狀的墊圈21。墊圈21由含有對MEAlO會產(chǎn)生不良影響的成分(以下，簡稱雜質(zhì))的樹脂材料構(gòu)成。因此，存在樹脂材料所含的雜質(zhì)溶出的可能性。對此，在本第I實(shí)施方式中，在墊圈21與電極層12之間設(shè)置有密接區(qū)域E1，因此能夠抑制從墊圈21溶出的雜質(zhì)向氣體擴(kuò)散層14側(cè)流動。因此，能夠抑制燃料電池的發(fā)電性能的下降。此外，因?yàn)槭窃O(shè)置密接區(qū)域El這種簡單的構(gòu)成，因此能夠抑制生產(chǎn)成本的增加。接著，對構(gòu)成燃料電池I的各構(gòu)件更詳細(xì)地進(jìn)行說明。高分子電解質(zhì)膜11，優(yōu)選為具有氫離子傳導(dǎo)性的高分子膜。作為高分子電解質(zhì)膜11，雖沒有特別限定，但可以使用例如由全氟化碳磺酸構(gòu)成的氟系高分子電解質(zhì)膜(例如，美國DuPont社制的Nafion (注冊商標(biāo))、旭化成(株)制的Aciplex (注冊商標(biāo))、旭硝子(株)制的Flemion(注冊商標(biāo))等)或各種碳化氫系電解質(zhì)膜。高分子電解質(zhì)膜11的材料，只要是使氫離子選擇性地移動的材料即可。高分子電解質(zhì)膜11的形狀，雖然沒有特別限定，但在本第I實(shí)施方式中設(shè)為大致矩形。催化劑層13，優(yōu)選為含有針對氫或氧的氧化還原反應(yīng)的催化劑的層。催化劑層13，優(yōu)選設(shè)置為，外緣部13a從高分子電解質(zhì)膜11的厚度方向看，位于比氣體擴(kuò)散層14的外緣部14a更靠外側(cè)并且比墊圈21的中心部更靠內(nèi)側(cè)的位置。若催化劑層13的外緣部13a位于比墊圈21的中心部更靠外側(cè)的位置，則通過了多孔質(zhì)的催化劑層13的內(nèi)部的反應(yīng)氣體容易漏到外側(cè)，產(chǎn)生(外部泄露)氣體損失。此外，若催化劑層13的外緣部13a比氣體擴(kuò)散層14的外緣部14a更靠內(nèi)側(cè)，則氣體擴(kuò)散層14和高分子電解質(zhì)膜11直接接觸，存在膜劣化加速的擔(dān)憂。此外，催化劑層13，雖然沒有特別限定，但可以由如下多孔質(zhì)構(gòu)件構(gòu)成，該多孔質(zhì)構(gòu)件例如以擔(dān)載了白金系金屬催化劑的碳粉末和具有質(zhì)子導(dǎo)電性的高分子材料為主要成分。催化劑層13只要具有導(dǎo)電性并且具有對氫以及氧的氧化還原反應(yīng)的催化能力即可。催化劑層13的形狀雖然沒有特別限定，但在本第I實(shí)施方式中設(shè)為大致矩形。催化劑層13可以通過在高分子電解質(zhì)膜11的表面涂布或噴射催化劑層形成用墨液等而形成。此外，也可以通過一般的轉(zhuǎn)印法來制作。氣體擴(kuò)散層14，優(yōu)選由不將碳纖維用作基底材料而構(gòu)成的所謂無基底材料氣體擴(kuò)散層構(gòu)成。具體來說，氣體擴(kuò)散層14由以導(dǎo)電性粒子和高分子樹脂為主要成分的多孔質(zhì)構(gòu)件構(gòu)成。在此，“以導(dǎo)電性粒子和高分子樹脂為主要成分的多孔質(zhì)構(gòu)件”是指，不將碳纖維作為基底材料，且具有僅通過導(dǎo)電性粒子和高分子樹脂來支撐的構(gòu)造(所謂自我支撐體構(gòu)造)的多孔質(zhì)構(gòu)件。在用導(dǎo)電性粒子和高分子樹脂來制造多孔質(zhì)構(gòu)件的情況下，例如，使用界面活性劑和分散溶劑。在此情況下，在制造工序中，雖然通過燒結(jié)來去除界面活性劑和分散溶劑，但有可能無法充分去除而將這些殘留在多孔質(zhì)構(gòu)件中。因此，“以導(dǎo)電性粒子和高分子樹脂為主要成分的多孔質(zhì)構(gòu)件”意味著，只要是不將碳纖維作為基底材料來使用的自我支撐體構(gòu)造，則由此殘留的界面活性劑和分散溶劑也可以包含在多孔質(zhì)構(gòu)件中。此外，還意味著只要是不將碳纖維作為基底材料來使用的自我支撐體構(gòu)造，則其他材料(例如，短纖維的碳纖維等)也可以包含在多孔質(zhì)構(gòu)件中。氣體擴(kuò)散層14可以通過對含有高分子樹脂和導(dǎo)電性粒子的混合物進(jìn)行混煉、擠出、軋制，然后進(jìn)行燒結(jié)來制造。具體來說，在將作為導(dǎo)電性粒子的碳和分散溶劑、界面活性劑投入到攪拌/混煉機(jī)之后，進(jìn)行混煉并粉碎/造粒，使碳分散在分散溶劑中。接著，進(jìn)一步將作為高分子樹脂的氟樹脂投入到攪拌/混煉機(jī)，進(jìn)行攪拌以及混煉，使碳和氟樹脂分散。對得到的混煉物進(jìn)行軋制來形成片，并進(jìn)行燒結(jié)來去除分散溶劑、界面活性劑。由此，能夠制造片狀的氣體擴(kuò)散層14。作為構(gòu)成氣體擴(kuò)散層14的導(dǎo)電性粒子的材料， 例如，可以列舉石墨、碳黑、活性炭等碳材料。作為所述碳黑，可以列舉乙炔黑(AB)、爐黑、科琴黑、VULCAN等，既可以單獨(dú)使用這些材料，或者也可以將多個(gè)材料組合來使用。此外，作為碳材料的原料形態(tài)，可以為粉末狀、纖維狀、粒狀等任意的形狀。作為構(gòu)成氣體擴(kuò)散層14的高分子樹脂的材料，可以列舉PTFE(聚四氟乙烯)、FEP (四氟乙烯 六氟丙烯共聚物)、PVDF(聚偏二氟乙烯)、ETFE(四氟乙烯 乙烯共聚物)、PCTFE (聚三氟氯乙烯)、PFA (四氟乙烯 全氟烷基乙烯基醚共聚物)等。其中，從耐熱性、防水性、耐化學(xué)藥品性的觀點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選使用PTFE作為高分子樹脂的材料。作為PTFE的原料形態(tài)，可以列舉分散體(dispersion)、粉末狀等。其中，從操作性的觀點(diǎn)出發(fā)優(yōu)選采用分散體作為PTFE的原料形態(tài)。另外，構(gòu)成氣體擴(kuò)散層14的高分子樹脂，具有作為將導(dǎo)電性粒子彼此粘合的粘合劑的功能。此外，所述高分子樹脂，由于具有防水性，因此還具有在燃料電池的內(nèi)部將水封鎖在系統(tǒng)內(nèi)的功能(保水性)。此外，在氣體擴(kuò)散層14中，如上所述，除了導(dǎo)電性粒子以及高分子樹脂以外，也可以含有微量的在制造時(shí)使用的界面活性劑以及分散溶劑等。作為分散劑，例如可以列舉水、甲醇以及乙醇等醇類、乙二醇等二醇類。作為界面活性劑，例如，可以列舉聚氧乙烯烷基醚等非離子系、烷基氧化胺等兩性離子系。在制造時(shí)使用的分散溶劑的量以及界面活性劑的量，根據(jù)導(dǎo)電性粒子的種類、高分子樹脂的種類、它們的混合比率等來適當(dāng)設(shè)定即可。另夕卜，一般來說，分散溶劑的量、界面活性劑的量越多，則越存在高分子樹脂和導(dǎo)電性粒子容易均勻分散的傾向，另一方面，存在流動性提高，氣體擴(kuò)散層的片化變難的傾向。另外，界面活性劑，可以根據(jù)導(dǎo)電性粒子的材料、分散溶劑的種類來適當(dāng)選擇。此外，也可以不使用界面活性劑。另外，氣體擴(kuò)散層14，在陰極側(cè)以及陽極側(cè)既可以使用相同構(gòu)造的氣體擴(kuò)散層，也可以使用不同構(gòu)造的氣體擴(kuò)散層。例如，可以在陰極側(cè)以及陽極側(cè)的任意一方使用將碳纖維作為基底材料的氣體擴(kuò)散層，在任意另一方使用前述的無基底材料氣體擴(kuò)散層?？蝮w20是為了提高M(jìn)EAlO的操作性而設(shè)置的構(gòu)件。作為框體20的材料，可以采用一般的熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等。例如，作為框體20的材料，可以采用硅樹脂、環(huán)氧樹脂、密胺樹脂、聚 氨酯系樹脂、聚酰亞胺系樹脂、丙烯樹脂、ABS樹脂、聚丙烯、液晶性聚合物、聚苯硫醚樹脂、聚砜、玻璃纖維強(qiáng)化樹脂等?？蝮w20的形狀，雖然沒有特別限定，但在本第I實(shí)施方式中設(shè)為大致矩形環(huán)狀。隔離件30、40，優(yōu)選為用于機(jī)械固定MEAlO的構(gòu)件。隔離件30、40，優(yōu)選由含有碳的材質(zhì)或含有金屬的材質(zhì)構(gòu)成。在隔離件30、40由含有碳的材質(zhì)構(gòu)成的情況下，通過將混合了碳粉末和樹脂粘合劑的原料粉提供到模具內(nèi)，并對提供到該模具內(nèi)的原料粉施加壓力和熱，由此能夠形成隔離件30、40。在隔離件30、40由含有金屬的材質(zhì)構(gòu)成的情況下，隔離件30、40也可以由金屬板構(gòu)成。此外，作為隔離件30、40，可以使用在鈦或不銹鋼制的板的表面實(shí)施了鍍金而得到的構(gòu)件。在隔離件30的與氣體擴(kuò)散層14接觸的主面(以下，也稱作電極面)，設(shè)置有燃料氣體用的氣體流路31。此外，在隔離件40的與氣體擴(kuò)散層14接觸的主面(以下，也稱作電極面)，設(shè)置有氧化劑氣體用的氣體流路41。通過氣體流路31向一方的電極層12供給燃料氣體，通過氣體流路41向另一方的電極層12供給氧化劑氣體，由此發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電力和熱。
墊圈21，優(yōu)選由具有適度的機(jī)械強(qiáng)度和柔軟性的合成樹脂構(gòu)成。作為構(gòu)成墊圈21的材料，例如，可以使用橡膠材料、熱可塑性彈性體、粘接劑等化合物。作為構(gòu)成墊圈21的密封材料的具體例，可以列舉氟橡膠、硅酮橡膠、天然橡膠、EPDM、丁基橡膠、氯化丁基橡膠、溴化丁基橡膠、聚丁橡膠、苯乙烯-丁二烯共聚物、乙烯-醋酸乙烯橡膠、丙烯酸橡膠、聚異丙烯聚合物、全氟碳、聚苯并咪唑、聚苯乙烯系、聚烯烴系、聚酯系以及聚酰胺系等熱可塑性彈性體，或者使用了異戊二烯橡膠以及聚丁橡膠等的乳膠的粘接劑、使用了液狀的聚丁二烯、聚異戊二烯、聚氯丁二烯、硅酮橡膠、氟橡膠以及丙烯腈-聚丁橡膠等的粘接劑等，但不限定于這些化合物。此外，既可以以單體來使用這些化合物，或者也可以將2種以上混合或復(fù)合來使用。此外，作為構(gòu)成墊圈21的密封材料，具體來說，可以采用具有聚丙烯以及EPDM而成的聚烯烴系熱可塑性彈性體即山都平(Santoprene) 8101-55等。墊圈21的形狀，雖然沒有特別限定，但在本第I實(shí)施方式中設(shè)為大致矩形環(huán)狀。接著，對串聯(lián)連結(jié)多個(gè)圖1所示的燃料電池(單電池)1，作為所謂燃料電池堆來使用的情況的構(gòu)造進(jìn)行說明。圖3是表示連結(jié)了多個(gè)燃料電池I的燃料電池堆3的基本構(gòu)造的分解立體圖。 在將多個(gè)燃料電池I作為燃料電池堆3來使用的情況下，為了對氣體流路31、41供給反應(yīng)氣體(燃料氣體或氧化劑氣體)，需要歧管，所述歧管將供給反應(yīng)氣體的配管分支為與隔離件30、40的片數(shù)相對應(yīng)的數(shù)量，并將它們的分支目標(biāo)與氣體流路31，41相連。因此，在本第I實(shí)施方式中，如圖3所示，在框體20以及一對隔離件30、40分別設(shè)置有供給燃料氣體的一對貫通孔即燃料氣體歧管孔22、32、42。此外，在框體20以及一對隔離件30、40分別設(shè)置有流通氧化劑氣體的一對貫通孔即氧化劑氣體歧管孔23、33、43。在框體20以及一對隔離件30、40作為燃料電池I而被連結(jié)的狀態(tài)下，燃料氣體歧管孔22、32、42被連結(jié)，形成燃料氣體歧管。同樣，在框體20以及一對隔離件30、40作為燃料電池I而被連結(jié)的狀態(tài)下，氧化劑氣體歧管孔23、33、43被連結(jié)，形成氧化劑氣體歧管。此外，在框體20以及一對隔離件30、40，設(shè)置有流通冷卻介質(zhì)(例如，純水或乙二醇)的各兩對的貫通孔即冷卻介質(zhì)歧管孔24、34、44。在框體20以及一對隔離件30、40作為燃料電池I而被連結(jié)的狀態(tài)下，冷卻介質(zhì)歧管孔24，34，44被連結(jié)，形成兩對冷卻介質(zhì)歧管。此外，在框體20以及一對隔離件30、40，在各自的角部的附近設(shè)置有4個(gè)螺栓孔50。在各螺栓孔50中插通緊固螺栓，通過螺母與該緊固螺栓結(jié)合來緊固多個(gè)燃料電池I。氣體流路31，按照連結(jié)一對燃料氣體歧管32、32間的方式設(shè)置。氣體流路41按照連結(jié)一對氧化劑氣體歧管43、43間的方式設(shè)置。另外，在圖3中，將氣體流路31、41表示為蛇型的流路，但也可以為其他形態(tài)(例如直線型)的流路。此外，在隔離件30的電極面的相反側(cè)的主面以及隔離件40的電極面的相反側(cè)的主面，雖未圖示，但優(yōu)選分別形成冷卻介質(zhì)流路。冷卻介質(zhì)流路按照連結(jié)兩對冷卻介質(zhì)歧管孔34、44間的方式形成。即，按照如下方式構(gòu)成冷卻介質(zhì)分別從供給側(cè)的冷卻介質(zhì)歧管分支到冷卻介質(zhì)流路，并分別流通到排出側(cè)的冷卻介質(zhì)歧管。由此，利用冷卻介質(zhì)的傳熱能力，將燃料電池I保持在適合電化學(xué)反應(yīng)的規(guī)定的溫度。另外，在上述中，舉例說明了按照在隔離件30、40設(shè)置燃料氣體、氧化劑氣體、以及冷卻水的各歧管孔，并在進(jìn)行層疊時(shí)形成燃料氣體、氧化劑氣體、以及冷卻水的各供給歧管的方式構(gòu)成的、所謂內(nèi)部歧管方式的燃料電池，但本發(fā)明不限定于此。例如，也可以為在燃料電池堆3的側(cè)面設(shè)置燃料氣體、氧化劑氣體、以及冷卻水的各供給歧管的、所謂外部歧管方式的燃料電池。在此情況下，也能夠獲得同樣的效果。此外，也可以為用多孔狀的導(dǎo)電材料形成隔離件30、40，使流過冷卻介質(zhì)流路的冷卻水的壓力比流過氣體流路31、41的反應(yīng)氣體的壓力高，使冷卻水的一部分在電極面?zhèn)葔蛲高^隔離件30、40，來使高分子電解質(zhì)膜11濕潤的、所謂內(nèi)部加濕型的燃料電池。此外，在上述中，在隔離件30、40設(shè)置氣體流路31、41，但本發(fā)明不限定于此。例如，也可以在一方的氣體擴(kuò)散層14設(shè)置氣體流路31，在另一方的氣體擴(kuò)散層14設(shè)置氣體流路41。此外，也可以在隔離件30和一方的氣體擴(kuò)散層14這兩者形成氣體流路31。此外，也可以在隔離件40和另一方的氣體擴(kuò)散層14這兩者形成氣體流路41。以上，根據(jù)本發(fā)明的第I實(shí)施方式，因?yàn)閺母叻肿与娊赓|(zhì)膜11的厚度方向來看在墊圈21與氣體擴(kuò)散層14之間設(shè)置有密接區(qū)域E1，所以能夠抑制從墊圈21溶出的雜質(zhì)向氣體擴(kuò)散層14側(cè)流動。因此，能夠抑制燃料電池的發(fā)電性能的下降。此外，由于是設(shè)置密接區(qū)域El這種簡單的構(gòu)成，因此能夠抑制生產(chǎn)成本的增加。《第2實(shí)施方式》接著，對本發(fā)明的第2實(shí)施方式所涉及的燃料電池進(jìn)行說明。圖4是示意性地表示本發(fā)明的第2實(shí)施方式所涉及的燃料電池的構(gòu)成的局部放大剖面圖。本第2實(shí)施方式的燃料電池與所述第I實(shí)施方式的燃料電池的不同點(diǎn)在于，框體20的厚度比電極層12的厚度厚，在隔離件30、40設(shè)置有段差部30a、40a。根據(jù)本第2實(shí)施方式，由于設(shè)置有密接區(qū)域E1，因此能夠獲得與所述第I實(shí)施方式同樣的效果。此外，根據(jù)本發(fā)明的第2實(shí)施方式，因?yàn)樵诟綦x件30、40設(shè)置有段差部30a、40a，所以與所述第I實(shí)施方式(參照圖2)相比，從墊圈21溶出的雜質(zhì)到達(dá)電極層12為止的路徑變長。由此，能夠抑制從墊圈 21溶出的雜質(zhì)到達(dá)電極層12的量，能夠進(jìn)一步抑制燃料電池的發(fā)電性能的下降?！兜?實(shí)施方式》接著，對本發(fā)明的第3實(shí)施方式所涉及的燃料電池進(jìn)行說明。圖5是示意性地表示本發(fā)明的第3實(shí)施方式所涉及的燃料電池的構(gòu)成的局部放大剖面圖。本第3實(shí)施方式的燃料電池與所述第I實(shí)施方式的燃料電池的不同點(diǎn)在于，密接區(qū)域El的寬度Wl是墊圈21的寬度W2的2倍以上。在此，“密接區(qū)域El的寬度”是指，從高分子電解質(zhì)膜11的厚度方向來看密接區(qū)域El中的內(nèi)緣部與外緣部的最短距離。根據(jù)本第3實(shí)施方式，由于將密接區(qū)域El的寬度Wl設(shè)為墊圈21的寬度W2的2倍以上，因此能夠進(jìn)一步提高隔離件30、40與框體20的緊密相接性。此外，與所述第I實(shí)施方式(參照圖2)相比，從墊圈21溶出的雜質(zhì)到達(dá)電極層12為止的路徑變長，因此能夠抑制從墊圈21溶出的雜質(zhì)到達(dá)電極層12的量。因此，能夠進(jìn)一步抑制燃料電池的發(fā)電性能的下降。另外，在本第3實(shí)施方式中，將密接區(qū)域El的寬度Wl設(shè)為墊圈21的寬度W2的2倍以上，但本發(fā)明不限定于此。例如，密接區(qū)域El的寬度Wl也可以比墊圈21的寬度W2短。但是，密接區(qū)域El的寬度Wl越長則越能夠抑制燃料電池的發(fā)電性能的下降。因此，密接區(qū)域El的寬度Wl優(yōu)選比墊圈21的寬度W2長，優(yōu)選如本第3實(shí)施方式那樣為墊圈21的寬度W2的2倍以上。此外，密接區(qū)域El的寬度Wl更加優(yōu)選為墊圈21的寬度W2的3倍以上。《第4實(shí)施方式》接著，對本發(fā)明的第4實(shí)施方式所涉及的燃料電池進(jìn)行說明。圖6是示意性地表示本發(fā)明的第4實(shí)施方式所涉及的燃料電池的構(gòu)成的局部放大剖面圖。本第4實(shí)施方式的燃料電池與所述第I實(shí)施方式的燃料電池的不同點(diǎn)在于，氣體擴(kuò)散層14的外緣部14a與框體20的內(nèi)緣部20緊密相接。根據(jù)本第4實(shí)施方式，通過使氣體擴(kuò)散層14的外緣部14a與框體20的內(nèi)緣部20a緊密相接，能夠抑制從墊圈21溶出的雜質(zhì)通過氣體擴(kuò)散層14和框體20之間而流向催化劑層13或高分子電解質(zhì)膜11。由此，能夠進(jìn)一步抑制燃料電池的發(fā)電性能的下降。另外，從使氣體擴(kuò)散層14的外緣部14a與框體20的內(nèi)緣部20a更進(jìn)一步緊密相接的觀點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選構(gòu)成框體20的樹脂材料的一部分混合存在(浸入)于氣體擴(kuò)散層14的外周區(qū)域。由此，能夠更進(jìn)一步抑制燃料電池的發(fā)電性能的下降。另外，“氣體擴(kuò)散層14的外周區(qū)域”是指，主要不是為了對發(fā)電做出貢獻(xiàn)的區(qū)域?！兜?實(shí)施方式》接著，對本發(fā)明的第5實(shí)施方式所涉及的燃料電池進(jìn)行說明。圖7是示意性地表示本發(fā)明的第5實(shí)施方式所涉及的燃料電池的構(gòu)成的局部放大剖面圖。本第5實(shí)施方式的燃料電池與所述第I實(shí)施方式的燃料電池的不同點(diǎn)在于，在緊密相接區(qū)域E1，框體20具備凸部20b，隔離件30、40具備收容凸部20b的凹部30b、40b。

根據(jù)本第5實(shí)施方式，通過使框體20的凸部20b與隔離件30、40的凹部30b緊密相接，能夠更進(jìn)一步抑制從墊圈21溶出的雜質(zhì)向氣體擴(kuò)散層13或高分子電解質(zhì)膜11流動。此外，與所述第I實(shí)施方式(參照圖2)相比，從墊圈21溶出的雜質(zhì)到達(dá)電極層12為止的路徑變長，因此能夠抑制從墊圈21溶出的雜質(zhì)到達(dá)電極層12的量。此外，不需要像所述第3實(shí)施方式(參照圖5)那樣將框體20的寬度(圖5的左右方向)加長，能夠抑制燃料電池的大型化。此外，框體20 —般通過將MEAlO配置在模具內(nèi)，在該模具內(nèi)流入熔融了的樹脂材料之后，進(jìn)行冷卻而形成。在該冷卻時(shí)，熔融了的樹脂材料收縮，由于該收縮的偏差而可能發(fā)生框體20翹曲。特別是，在MEAlO的氣體擴(kuò)散層14是前述的無基底材料氣體擴(kuò)散層的情況下，該氣體擴(kuò)散層14的剛性低，因此容易發(fā)生框體20的翹曲。與此相對，根據(jù)本第5實(shí)施方式，通過在框體20設(shè)置環(huán)狀的凸部20b，該凸部20b起到加強(qiáng)筋(rib)的作用，能夠抑制框體20的翹曲。另外，在本第5實(shí)施方式中，從抑制從墊圈21溶出的雜質(zhì)向氣體擴(kuò)散層13或高分子電解質(zhì)膜11流動的觀點(diǎn)出發(fā)，在隔離件30、40設(shè)置了凹部30b、40b，但該凹部30b、40b不一定需要設(shè)置。此外，在圖7中，示出了凸部20b相對于框體20的內(nèi)緣部成為平坦面，但本發(fā)明不限定于此。例如，如圖8所示，也可以在比框體20內(nèi)緣部更靠外側(cè)的位置設(shè)置凸部20b?！兜?實(shí)施方式》接著，對本發(fā)明的第6實(shí)施方式所涉及的燃料電池進(jìn)行說明。圖9是示意性地表示本發(fā)明的第6實(shí)施方式所涉及的燃料電池的構(gòu)成的局部放大剖面圖。本第6實(shí)施方式的燃料電池與所述第I實(shí)施方式的燃料電池的不同點(diǎn)在于，框體20的厚度比電極層12的厚度薄，并在隔離件30、40設(shè)置有凸部30c、40c。根據(jù)本第6實(shí)施方式，在墊圈21與電極層12之間設(shè)置有密接區(qū)域El，因此能夠獲得與所述第I實(shí)施方式同樣的效果。此外，根據(jù)本發(fā)明的第6實(shí)施方式，在隔離件30、40設(shè)置有凸部30c、40c，因此與所述第I實(shí)施方式(參照圖2)相比，從墊圈21溶出的雜質(zhì)到達(dá)電極層12為止的路徑變長。由此，能夠抑制從墊圈21溶出的雜質(zhì)到達(dá)電極層12的量，能夠進(jìn)一步抑制燃料電池的發(fā)電性能的下降。《第7實(shí)施方式》接著，對本發(fā)明的第7實(shí)施方式所涉及的燃料電池進(jìn)行說明。圖10是示意性地表示本發(fā)明的第7實(shí)施方式所涉及的燃料電池的構(gòu)成的局部放大剖面圖。本第7實(shí)施方式的燃料電池與所述第6實(shí)施方式的燃料電池的不同點(diǎn)在于，在框體20設(shè)置有收容隔離件30、40的凸部30c、40c的段差部20c。根據(jù)本第7實(shí)施方式，根據(jù)本發(fā)明的第6實(shí)施方式，在隔離件30、40設(shè)置有凸部30c、40c，并且在框體20設(shè)置有段差部20c，因此與所述第6實(shí)施方式(參照圖9)相比，從墊圈21溶出的雜質(zhì)到達(dá)電極層12為止的路徑變長。由此，能夠抑制從墊圈21溶出的雜質(zhì)到達(dá)電極層12的量，能夠更進(jìn)一步抑制燃料電池的發(fā)電性能的下降。《第8實(shí)施方式》接著，對本發(fā)明的第7實(shí)施方式所涉及的燃料電池進(jìn)行說明。圖11是示意性地表示本發(fā)明的第8實(shí)施方式所涉及的燃料電池的構(gòu)成的局部放大剖面圖。本第8實(shí)施方式的燃料電池與所述第I實(shí)施方式的燃料電池的不同點(diǎn)在于，在密接區(qū)域El設(shè)置有將隔離件30、40和框體20粘接的粘接構(gòu)件60。根據(jù)本第8實(shí)施方式，通過在密接區(qū)域El設(shè)置粘接構(gòu)件60，能夠使隔離件30、40和框體20的密接性更進(jìn)一步提高。由此，能夠更進(jìn)一步抑制燃料電池的發(fā)電性能的下降。另外，作為粘接構(gòu)件60的材料,例如,可以使用聚異丁烯系(三鍵(ThreeBond)制TB1152等)、硅酮系、環(huán)氧樹脂系、加成聚合型烯烴系、丙烯樹脂系、苯乙烯系、腈系、酚系、熱溶系、乳膠系、氟系等密封劑。另外，本發(fā)明不限定于上述各實(shí)施方式，可以以其他各種方式來實(shí)施。例如，在上述各實(shí)施方式中，按照夾著高分子電解質(zhì)膜11的方式在陽極側(cè)和陰極側(cè)分別配置了框體20，但本發(fā)明不限定于此。例如，也可以構(gòu)成為陽極側(cè)的框體20和陰極側(cè)的框體20在端部連接。此外，在上述中，示出了邊框狀的框體，但不限定于此方式，可以采用各種形態(tài)。此外，通過將上述各種各樣的實(shí)施方式中的任意的實(shí)施方式適當(dāng)組合，能夠發(fā)揮各自所具有的效果。工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明所涉及的燃料電池，能夠抑制生產(chǎn)成本的增加，并且抑制發(fā)電性能的下降，因此，例如，作為用作汽車等移動體、分散發(fā)電系統(tǒng)、家庭用的廢熱發(fā)電系統(tǒng)等的驅(qū)動源的燃料電池很有用。本發(fā)明參照附圖與優(yōu)選實(shí)施方式關(guān)聯(lián)地充分進(jìn)行了記載，但對于對該技術(shù)熟練的人們來說各種變形或修正是顯而易見的。這種變形或修正，只要沒有脫離基于權(quán)利要求書的本發(fā)明的范圍，則應(yīng)理解為包含在其中。2011年8月10日提出申 請的日本國專利申請No. 2011-174625號的說明書、附圖、以及權(quán)利要求書的公開內(nèi)容， 作為整體被參照而被引入到本說明書中。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，具備 高分子電解質(zhì)膜； 催化劑層，其設(shè)置在所述高分子電解質(zhì)膜上； 氣體擴(kuò)散層，其設(shè)置在所述催化劑層上； 框體，其設(shè)置在從所述高分子電解質(zhì)膜的厚度方向來看比所述氣體擴(kuò)散層的外緣部更靠外側(cè)的所述高分子電解質(zhì)膜的外周區(qū)域上， 隔離件，其設(shè)置在所述氣體擴(kuò)散層上，并且設(shè)置為具有與所述框體緊密相接的密接區(qū)域；和 墊圈，其在從所述厚度方向來看比所述密接區(qū)域更靠外側(cè)的位置，按照將所述隔離件與所述框體之間密封的方式設(shè)置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中， 所述氣體擴(kuò)散層的外緣部與所述框體的內(nèi)緣部緊密相接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池，其中， 構(gòu)成所述框體的樹脂材料的一部分混合存在于所述氣體擴(kuò)散層的外周區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的燃料電池，其中， 所述催化劑層的外緣部，從所述厚度方向來看，設(shè)置為比所述氣體擴(kuò)散層的外緣部更靠外側(cè)并且比所述墊圈的中心部更靠內(nèi)側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所述的燃料電池，其中， 從所述厚度方向來看所述密接區(qū)域的內(nèi)緣部與外緣部的最短距離，比所述墊圈的寬度長。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所述的燃料電池，其中， 從所述厚度方向來看所述密接區(qū)域的內(nèi)緣部與外緣部的最短距離，是所述墊圈的寬度的2倍以上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1 6中任一項(xiàng)所述的燃料電池，其中， 在所述密接區(qū)域設(shè)置有將所述隔離件和所述框體粘接的粘接構(gòu)件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中， 所述框體，在所述密接區(qū)域具備與所述隔離件緊密相接的環(huán)狀的凸部。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池，其中， 所述隔離件，在所述密接區(qū)域具備收容所述框體的凸部的環(huán)狀的凹部。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中， 所述隔離件，在所述密接區(qū)域具備與所述框體緊密相接的環(huán)狀的凸部。
全文摘要
從高分子電解質(zhì)膜(11)的厚度方向來看，在比氣體擴(kuò)散層(14)的外緣部(14a)更靠外側(cè)并且比墊圈(21)的內(nèi)緣部更靠內(nèi)側(cè)的位置，設(shè)置隔離件(30、40)和框體(20)緊密相接的密接區(qū)域(E1)。由此，能夠抑制生產(chǎn)成本的增加并且抑制由于從墊圈溶出的雜質(zhì)向氣體擴(kuò)散層側(cè)流動而產(chǎn)生的發(fā)電性能的下降。
文檔編號H01M8/10GK103069630SQ20128000238
公開日2013年4月24日 申請日期2012年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月10日
發(fā)明者山內(nèi)將樹, 菅原靖, 竹口伸介, 辻庸一郎, 日下部弘樹, 森本隆志 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社