燃料电池及其制造方法

专利名称：燃料电池及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池以及制造所述燃料电池的方法，具体地，本发明涉及一种经受发电能力降低的可能性较小的燃料电池以及一种制造这种燃料电池的方法。
背景技术：
近年来，能够利用氢气和氧气之间的电化学反应来产生电力的燃料电池获得了广泛的关注。燃料电池的示例之一具有层叠结构，其主要包括膜
电极组件(在适当的时候将其称之为"MEA")、扩散层和隔板，其中，所述扩散层布置于所述MEA的相反的主表面上，所述隔板布置于所述扩^的与面对所述MEA的主表面相反的主表面上。所述MEA可构造为^f吏得阴电极层布置于所述电解质层的相反表面之一上，而阳电极层布置于所述电解质层的另一表面上。所述扩散层由例如多孔材料制成。
工作中，包含氧气的空气和包含氢气的燃料气体通过隔板供应至燃料电池的扩散层。供应至燃料电池的所述空气和燃料气体也可称为"反应气体"。然后，供应至燃料电池的扩散层的所述反应气体在流过扩散层的内部的同时供应至MEA，以使^JL气体在MEA中用于发电。部分未用于发电的M气体通过扩散层和隔板排放至燃料电k外。
为防止反应气体从燃料电池之内泄漏至燃料电池之外，围绕所述MEA和扩散层的周边可设置密封件，例如日本专利JP-A-2002-231274中所披露的那样。
在如上所述的燃料电池中，为防止由于所述密封件和所述扩散层之间沿燃料电池的层叠方向的干扰导致的不完全的密封和表面压力的变化，所述密封件和扩散层布置为在它们之间形成一定间距。结果，在所述密封件和扩M之间形成一定空间。才艮据该布置，供应至燃料电池的部分>^应气体可能通过所述空间，且可能在未用于发电的情况下就被排放至燃料电池之外。如果部分反应气体在未用于发电的情况下就被排出，则会降低燃料电池的发电效率。

发明内容
本发明提供一种抑制燃料电池的发电效率降低的技术。
本发明的第一方面涉及一种燃料电池，所述燃料电池包括(a)发电体，所述发电体包括电解质层和布置于所述电解质层的相反的主表面上的电极层；(b)多个扩散层，所述多个扩散层布置于所逸&电体的相反的主表面上，并且具有用于让发电的气体从中流过的内部通道，从而将所述气体供应至所述发电体；(c)多个隔板，所述多个隔板布置于所述扩散层的与面对所idJL电体的所述扩散层的主表面相反的主表面上，以便将所述气体供应至所述扩散层，所U电体、所述扩散层以及所述隔板层叠在一起以形成所述燃料电池；(d)第一密封件，所述第一密封件围绕所述发电体的周边形
有效密封部；以及(e)第二密封件，所述第二密封件与所述扩散层中的至少一个扩散层一体形成以沿着所述至少一个扩散层的端面延伸，所述第二密封件紧密接触其上层叠有所述扩散层的所述发电体的层叠面以及层叠于所述扩散层上的所述隔板中的相应一个隔板的层叠面.
根据如上所述构造的燃料电池，防止了气体泄漏至在所述扩散层和所述第一密封件之间形成的空间内，从而能够抑制由于气体泄漏导致的燃料电池发电效率的降低。
在根据本发明以上方面的燃料电池中，形成所述第二密封件的材料以及在层叠所iOL电体、扩散层以及隔板之前所述第二密封件的形状确定为使得在层叠期间当所述第二密封件夹设在所述发电体和相应的隔板之间时所述第二密封件发生变形。
利用该布置，所述第二密封件能够形成为紧密接触所述发电体的所述层叠面和所述隔板的所述层叠面。
在根据本发明以上方面的燃料电池中，在进行层叠之前沿所述燃料电池的层叠方向测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扩散层的厚度。
利用该布置，在对燃料电池进行层叠的时候，当所述第二密封件夹设在所iiJC电体和相应的隔板之间时，所述第二密封件能够变形。在根据本发明以上方面的燃料电池中，在进行层叠之前所述第二密封 件可成形为使得所述第二密封件不从与所述扩散层的相反的主表面中的 至少 一个主表面齐平的平面伸出。
利用该布置，与所述第二密封件一体形成的所述扩散层能够在其相反 的层叠面之一处容易地连接至另一构件一例如隔板一的层叠面，从而保证 制造燃料电池的效率提高。
在根据本发明以上方面的燃料电池中，所述第二密封件可形成为覆盖 所述扩散层的端面的整个区域。
利用该布置，能够更可靠地抑制或者防止气体泄漏至在所述扩散层和 所述第一密封件之间形成的空间内，从而能够抑制燃料电池的发电效率的 降低。
在根据本发明以上方面的燃料电池中，所述第二密封件可紧密接触所 述第一密封件的一部分。
利用该布置，防止气体通过所iOC电体的所述层叠面泄漏至在所述扩
散层和所述第一密封件之间形成的空间内，从而能够抑制燃料电池发电效 率的降低。
在根据本发明以上方面的燃料电池中，第一密封件可包括覆盖部分， 所述覆盖部分覆盖其上层叠有所述扩散层的所述发电体的端部的每个相
反的层叠面；并且第二密封件可包括位于所述扩散层的端面之外并且与所 述发电体的未被所述覆盖部分覆盖的所述层叠面的整个区域紧密接触的 一部分。
利用该布置，能够更可靠地抑制或者防止气体通过所U电体的所述 层叠面泄漏至在所述扩散层和所述第一密封件之间形成的空间内，从而能 够抑制燃料电池的发电效率的降低。
在根据本发明以上方面的燃料电池中，所述第二密封件可由^yt低于 所述第一密封件的現复的材料制成。
利用该布置，即^吏在所述第一密封件和所述第二密封件沿层叠方向相 互干扰或者相互重叠的情况下，所述第二密封件也会变形以防止不完全的 密封和/或表面压力的变化，从而避免燃料电池的发电能力的降低。在才艮据本发明以上方面的燃料电池中，每个所述隔板的面对所述扩散 层中的相应一个扩散层的所述主表面可为平面形状。
即4吏在这种较难控制气体流动的燃料电池中，也能够抑制反应气体泄 漏至在所述扩散层和所述第一密封件之间形成的空间内，从而能够抑制发 电效率的降低。
本发明的第二方面涉及一种制造燃料电池的方法，所述方法包括以下
步骤(a)制名^发电体、多个扩散层和多个隔板，所述发电体包括电解质 层和布置于所述电解质层的相反的主表面上的电极层，所述多个扩散层具 有让用于发电的气体从中流过的内部通道，从而将所述气体供应至所^JC 电体，所述多个隔板适于将所述气体供应至所述扩散层；(b)将所述扩散 层放置于所述发电体的相反的主表面上；(c)沿着所述发电体的端面形成 第 一密封件；(d)与所述扩散层中的至少一个扩散层一体形成第二密封件， 以使所述第二密封件沿着所述扩散层的端面延伸；以及(e)将所述隔M 置于所述扩散层的与面对所述发电体的所述扩散层的主表面相反的主表 面上，并使得所述第二密封件紧密接触其上层叠有所述扩散层的所iOL电 体的层叠面以及层叠于所述扩散层上的所述隔板中的相应一个隔板的层 叠面。
应当理解的是，本发明能够采用不同形式实施，例如采用的形式有燃 料电池、制造燃料电池的方法、用于燃料电池的单元电池和具有燃料电池 的移动单元。


通过参考附图对优选实施方式进行的以下说明，本发明的以上和/或另 外的目的、特征和优点将变得更明显，图中相同的数字用于代^目同的元 件，其中
图1A和图1B为示意性地示出根据本发明的第一实施方式构造的燃料 电池的横截面视图2A和2B为示意性地示出才艮据本发明的所述第一实施方式构造的所 述燃料电池的横截面视图3为示意性地示出作为本发明的第一实施方式的所述燃料电池的俯视图4为示意性地示出作为;^发明的第一实施方式的所述燃料电池的俯 视图5A和图5B为用于说明制造根据所述第一实施方式的所述燃料电池 的方法的横截面视图6为用于说明设定在层叠所述燃料电^前沿层叠方向测量的第二 密封件的厚度ts的方法的图7为用于说明制造才艮据所述第二实施方式的所述燃料电池的方法的 横截面视图8A和8B为示意性地示出根据本发明的第三实施方式构造的燃料电 池的横截面视图；以及
图9为示意性地示出作为修改示例的燃料电池的横截面视图。
具体实施例方式
在以下说明书中，将根据示例性实施方式更详细地i兌明本发明。
首先将i^明本发明的第一实施方式。图1A、图1B、图2A和图2B为示 意性地示出根据本发明的第一实施方式构造的燃料电池100的横截面视 图。图3和图4为示意性地示出所述第一实施方式的燃料电池100的俯视 图。更具体地，图1A示出沿图3和图4中的线1-1获得的燃料电池100 的截面，而图1B为图1A中示出的燃料电池100的X1部分的放大图；图 2A示出沿图3和图4中的线2-2获得的燃料电池100的截面，而图2B为 图2A中示出的燃料电池100的X2部分的放大图。图3为从图1A和1B以 及图2A和2B的顶部所观察到的隔板300的平面图。图3中，由双点划线 限定的区域PA表示与单元电池200 (更具体地，为如下所述的阴极侧第一 扩散层230 )接触的区域。图4为从图1A和1B以及图2A和2B的顶部所 观察到的单元电池200的平面图。
燃料电池100为一种使用例如作为氧化气体的空气和富氢燃料气体来 产生电力的设备。该实施方式的燃料电池100为聚合物电解质燃料电池。 如图1A和1B以及图2A和2B所示，燃料电池100主要包括交替地层叠或者叠置在一起的单元电池200和隔板300。图1A和IB以及图2A和2B仅 示出一个单元电池200和设置于单元电池200的相反侧的一对隔板300， 而未示出燃料电池100的其余单元电池200和隔板300。在该说明书中， 燃料电池100的各个元件层叠在一起的方向，亦即从图1A和1B以及图2A 和2B所观察到的竖直方向被称为"燃料电池100的层叠方向"，或者简称 为"层叠方向"。
如图1A和图2A所示，单元电池200包括发电体210、布置于作为发 电体210的相反侧之一的阳极侧的第一扩散层220、以及布置于作为发电 体210的另一侧的阴极侧的第一扩散层230。第一扩散层220、 230布置为 在其二者之间夹i议电体210。以下说明中，布置于所述阳极侧的第一扩 M 220将被简称为"阳极侧第一扩散层220"，而布置于所述阴极侧的第 一扩散层230将被简称为"阴极侧第一扩散层230"。此外，在适当的时候， 所述阳极侧第一扩散层220和阴极侧第一扩散层230将共同被称为"第一 扩散层220和230"。每个所述第一扩散层220和230由金属多孔体或者碳 多孔体构成，所述金属多孔体或者碳多孔体具有高内部孔隙率，在气体流 过其内部时^现出小的压力损失，并且充当允许由发电体210用于发电 的反应气体(空气或者燃料气体)从其中流过的多孔体通道。
如图1B和图2B所示，发电体210包括由离子交换膜形成的电解质层 212、阳极侧催化剂电极层214和阴极侧催化剂电极层215，所述阳极侧催 化剂电M 214和阴极侧催化剂电极层215布置于电解质层212的相反侧， 以将所述电解质层212夹设在它们之间。阳极侧催化剂电极层214和阴极 侧催化剂电极层215包含载有催化剂的碳。电解质层212和阳极侧催化剂 电极层214以及阴极侧催化剂电极层215的叠置或者层叠结构将被称为 "MEA"(膜电极组件)。
所述实施方式中，发电体210还包括所述阳极侧的第二扩散层216和 所述阴极侧的第二扩散层217,所述第二扩散层216布置于阳极侧催化电 解质层214的相反的主表面之一上，所述阳极侧催化电解质层214的另一 表面面对电解质层212，所述第二扩散层217布置于阴极侧催化电解质层 215的相反的主表面之一上，所述阴极侧催化电解质层215的另一表面面 对电解质层212。在以下说明中，所述阳极侧的所述第二扩散层216将被 简称为"阳极侧第二扩散层216",而所述阴极侧的所述第二扩^b^217将 被简称为"阴极侧第二扩散层217"。另外，在适当的时候，所述阳极侧第二扩散层216和阴极侧第二扩散层217将共同被称为"第二扩M 216和 217"。每个所述第二扩M 216和217由金属多孑L体或者碳多孔体构成， 所述金属多孔体或者碳多孔体具有高内部孔隙率，在气体流过其内部时仅 表现出小的压力损失。根据如上所述构造的该实施方式的发电体210也被 称为"MEGA"。
图如1B和图2B所示，隔板300具有三层层叠结构，所述三层层叠结 构包括面对阴极侧第一扩散层230的面对阴极的板310、面对阳极侧第一 扩散层220的面对阳极的板330、以及夹设在所述面对阴极的板310和所 述面对阳极的板330之间的中间板320。构成隔板330的所述三块板(亦 即，面对阴极的板310、面对阳极的板330和中间板320)中的每块板采 用由金属制成的大体上为矩形的平薄板的形式。
如图1A所示，燃料电池IOO设有让用于发电的空气从中供应通过的空 气供应通道640和让未用于发电的空气从中排出的空气排放通道650。如 图1A和图3所示，隔板300形成有用于将从空气供应通道640供应的空 气引导至相应的单元电池200的通道，还形成有用于将从单元电池200排 放的空气引导至空气排放通道650的通道。更具体地，隔板300具有让空 气供应通道640从中延伸通过的通孔342、用于将空气从空气供应通道640 引导至隔板300内部的空气通道344、以及穿过面对阴极的板310形成以 使空气通道344与阴极侧第一扩散层230的表面连通的空气供应口 346。 隔板300还具有让空气排放通道650从中延伸通过的通孔352、用于将空 气引导至空气排放通道650的空气通道354、以及穿过面对阴极的板310 形成以使空气通道354与阴极侧第一扩散层230的表面连通的空气排放口 356。如图1A和图1B中的箭头所示，供应至空气供应通道640的空气通 过通孔342、空气通道344和空气供应口 346流入阴极侧第一扩散层230 的内部。此后，所述空气在流过阴极侧第一扩散层230的内部的同时^iC 电体210用于发电，而未用于发电的部分空气通过空气排放口 356、空气 通道354和通孔352排放至空气排放通道650。
同样，如图2A所示，燃料电池100设有让用于发电的燃料气体从中供
放通道670。如图2A和图3所示，隔板300形成有用于将从燃料供应通道 660供应的燃料气体引导至相应的单元电池200的通道，还形成有用于将 从单元电池200排放的燃料气体引导至燃料排放通道670的通道。更具体地，隔板300具有燃料供应通道660从中延伸通过的通孔362、用于将燃 料气体从燃料供应通道660引导至隔板300内部的燃料通道364、以及穿 过面对阳极的板330形成以使燃料通道364与阳极侧第一扩散层220的表 面连通的燃料供应口 366。隔板300还具燃料排放通道670从中延伸通过 的通孔372、用于将燃料气体引导至燃料排放通道670的燃料通道374、 以及穿过面对阳极的板330形成以使燃料通道374与阳极侧第一扩lbi: 220的表面连通的燃料排放口 376。如图2A和图2B中的箭头所示，供应 至燃料供应通道660的燃料气体通过通孔362、燃料通道364和燃料供应 口 366流入阳极侧第一扩散层220的内部。此后，所述燃料气体在流过阳 极侧第一扩散层220的内部的同时^Ul电体210用于发电，而未用于发电 的部分燃料气体通过燃料排放口 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形成有让用于冷却燃料电池100的冷却介质从中流过 的通道。更具体地，隔板300具有用于供应冷却介质的冷却介质供应通道 (未示出)从中延伸通过的通孔382 (图3 )、用于排放冷却介质的冷却介 质排放通道(未示出)从中延伸通过的通孔392 (图3 )、以及连通两个通 孔382和392以在它们之间形成连接的冷却介质通道384 (图3和图1A)。 供应至所述冷却^h质供应通道的所述冷却^^质流过通孔382、冷却^h质通 道384和通孔392，从而被排放至所述冷却介质排放通道。
因此，面对相邻单元电池200的隔板300的主表面形成为平面形状， 并且不具有为反应气M供通道的凹槽。为了在隔板300中形成用于空气、 燃料气体和冷却介质上述通道，将构成隔板300的三块板(亦即，面对阴 极的板310、面对阳极的板330和中间板320 )冲压成某些式样。从而， 该实施方式的燃料电池100具有的优点在于，能够以较少的成本容易地制 造所述隔板300。
如图1A和1B以及图2A和2B所示，第一密封件510围绕发电体210 设置以便沿发电体210的端面延伸。第一密封件510充当村垫，用于抑制 供应至单元电池200的所述反应气体(燃料气体和空气)泄漏至燃料电池 100之外，并且还抑制反应气体通过发电体210的端面在所述阳极侧和阴 极侧之间流动(所谓的横向泄漏)。在该说明书中，与层叠结构的厚度方 向平行的所述层叠结构的每个构件或者元件的表面将被称为"端面，，，而 与层叠结构的厚度方向垂直的所述构件的主表面将被称为"层叠面"。发电体210的所述端面可以对应于发电体210的外部周边。
第一密封件510使用包含例如橡胶的密封材料通过注塑成型方法形 成。在形成第一密封件510的过程中，发电体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，从而由于所谓的固着效应使得第一密 封件部分510和发电体210相互粘接。在图1B和图2B中，渗入发电体210 中的所述密封材料由与表示第一密封件510的阴影图案相同的阴影图案表
示o
第一密封件510形成为覆盖构成发电体210的各个层的端面的整个区 域。另外，第一密封件510具有以在其阳极侧和阴极侧的凸起的形式存在 的唇缘512。唇缘512对应于本发明的有效密封部分。唇缘512紧密接触 隔板300的表面(层叠面)。在所述实施方式中，密封材料不但朝着发电 体210的所述端面注射，而且也朝着发电体210的端部的所述层叠面注射， 从而发电体210的所述端部被有利地由所述密封材料浸透。通过这样注入 密封材料，就使得第一密封件510具有覆盖发电体210的端部的层叠面的 覆盖部分。
如图4所示，第一密封件510布置为围绕发电体210的周边。在图4 中，第一密封件510由第一密封件510的唇缘512和相应的隔板300之间 的接触部分(密封线SL)表示。尽管图4中仅示出阳极侧的第一密封件 510，但是第一密封件510也布置于阴极侧，以围绕发电体210的周边。
如上所述，第一密封件510布置为围绕发电体210的周边，并且第一 密封件510的唇缘512紧密接触隔板300的所i^面，从而抑制了反应气 体从燃料电池100之内泄漏至燃料电池100之外。另外，第一密封件510 覆盖发电体210的端面的整个区域，并JJL电体210的所述端部由所述密 封材料浸透，从而抑制了^Ji气体的横向泄漏。
如图1B和图2B所示，第一密封件510的覆盖部分514布置为与第一 扩散层220和230之间留有一定距离或者间距，不存在相互干扰。采用该 布置以避免由于不完全的密封和/或表面压力的变化导致燃料电池的发电 能力降低的情况，当由于尺寸误差等造成覆盖部分514沿层叠方向与第一 扩散层220和230相互干扰时将会发生上述情况。
如图1A和1B以及图2A和2B所示，第二密封件520围绕第一扩散层220和230布置以沿第一扩散层220和230的端面延伸。如同第一密封件 510,第二密封件52Q通过注塑成型方法形成。在此，第二密封件520由 ^JL低于第一密封件510的現复的材料制成。例如，使用弹性体型树脂或 者含有橡胶的密封材料来制成第二密封件520。
在形成第二密封件520的过程中，第一扩散层220和230的一部分由 形成第二密封件520的密封材料浸透，从而由于所谓的固着效应导致第二 密封件520粘接至第一扩散层220和230。在图1B和2B中，渗入第一扩 散层220和230的所述密封材料由与表示第二密封件520的阴影图案相同 的阴影图案表示。
第二密封件520形成为覆盖第一扩散层220和230的端面的整个区域. 另外，位于第一扩散层220和230的所述端面外侧的第二密封件520的各 部分紧密接触相应的隔板300的各层叠面，并且也紧密接触发电体210， 从而覆盖发电体210的未被第一密封件510的覆盖部分514覆盖的暴露的 层叠面的整个区域。第二密封件520沿层叠方向与覆盖部分514发生干扰 (或者重叠)。
如图4所示，第二密封件520布置为围绕阳极侧第一扩散层220的周 边。尽管图4中仅示出阳极侧的第二密封件520，但是第二密封件520也 同样布置于阴极侧以围绕阴极侧第一扩散层230的周边。
图5A和图5B为示意性地示出制造才艮据本发明的第一实施方式的燃料 电池100的方法的说明性视图。图5A示出了在发电体210、第一扩"fbi: 220和230以及隔板300层叠在一起之前所存在的燃料电池100的各个构 件或者元件的状态。如图5A所示，在进行层叠之前，发电体210与第一 密封件510 —体形成。此时在布置唇缘512的位置处沿层叠方向测量的第 一密封件510的厚度设定为大于发电体210的厚度与第 一扩散层2 2 0和2 3 0 的厚度之和。
在进行层叠之前，每个第一扩散层220和230与第二密封件520 —体 形成。如图5A所示，此时沿层叠方向测量的第二密封件520的最M度 ts设定为大于第一扩散层220、 230的厚度tp。
随后，将如图5A所示的燃料电池的各个构件层叠并紧固在一起。图 5B示出的燃料电池100的状态与图1A的燃料电池100的状态相似。当构成燃料电池100的各个构件层叠在一起时，第一密封件510的唇缘512受 到隔板300的压缩，且开始紧密接触隔板300的层叠面。与此同时，第二 密封件520由发电体210和隔板300夹设在它们之间而发生变形，并开始 紧密接触发电体210的层叠面(更具体地为未^ft盖部分514覆盖的暴露 的层叠面的整个区域)和隔板300的层叠面。在所述实施方式中，第二密 封件520沿层叠方向与第一密封件510的覆盖部分514发生干扰(或者重 叠)，但是由^JL低于第一密封件510的現变的材料形成的第二密封件520 在层叠时发生变形，从而消除了不完全密封和表面压力变化的问题。
在根据上述方式制造的燃料电池100中，第二密封件520更具体而言 第二密封件520的位于第一扩散层220和230的端面外侧的部分紧密接触 隔板300的所述层叠面，并且紧密接触发电体210的未被第一密封件510 的覆盖部分514覆盖的暴露的层叠面的整个区域。因此，在燃料电池IOO 中，能够防止^JL气体泄漏至第一扩M 220、 230与第一密封件510之 间形成的空间(将其称之为"围绕扩散层的空间SS")中。更具体地，防 止空气通过阴极侧第一扩散层230的端面从阴极侧第一扩散层230的内部 泄漏至所述围绕扩散层的空间SS中(如图5B中的虚线箭头F1所示)。此 外，还防止iiX阴极侧第二扩散层217的空气通ii&电体210的未被第一 密封件510的覆盖部分514覆盖的暴露的层叠面泄漏至所述围绕扩散层的 空间SS中(如图5B中的虚线箭头F2所示)。在阳极侧，也以相似的方式 抑制燃料气体泄漏至所述围绕扩散层的空间SS中。
如果部分反应气体泄漏至所述围绕扩散层的空间SS中并且经过所述 空间SS以排放到燃料电池100之外，则所述部分il应气体未用于发电， 从而导致燃料电池100的发电效率降低。在该实施方式的燃料电池100中， 能够抑制所述反应气体泄漏至所述围绕扩散层的空间SS中，从而能够防 止由于气体泄漏导致的所iOL电效率的降低。
在进行层叠之后使用例如液态密封垫这样的充填型密封件来提供密封 的密封方法中，难以在例如所述围绕扩散层的空间SS这样的小间隙中放 置密封材料。在这样的实施方式一在层叠燃料电池100的各个构件之前第 二密封件520 —体形成在第一扩M 220和230上一中，在保证减少部件 的数目并提高将所述部件组装在一起的效率的同时，所述密封材料能够确 实地故置于例如所述围绕扩散层的空间SS这样的小间隙中。
在所述实施方式的燃料电池100中，每个隔板300的面对相邻单元电池200的主表面形成为平面形状，并且所述隔板300不具有为^JI气体提 供通道的凹槽。因此，^L气体流过第一扩"^ 220和230的内部，而不 是流过采用凹槽形式的通道。与将凹槽用作通道的情;M目比，当第一扩散 层220和230的内部用作^Ji气体的通道时难以控制气体的流动。因此， 在第一扩散层220和230的内部用作反应气体的通道时，>^应气体泄漏至 所述围绕扩散层的空间SS中的问题变得更为严重。在该实施方式的燃料 电池100中，即使隔板300的面对单元电池200的主表面形成为平面形状， 也能够抑制反应气体泄漏至所述围绕扩散层的空间SS中并且能够防止发 电效率降低。
图6为用于说明设定在燃料电池100进行层叠之前沿层叠方向测量的 第二密封件520的厚度ts (图5A)的方法的图。在图6中，水平轴表示 沿层叠方向测量的第二密封件520的厚度ts与第一扩散层220、 230的厚 度tp之间的差(将其称之为"厚度差DT")，而竖直轴表示第二密封件520 的密封压力。所^f度差DT和所述密封压力大体上相互成比例。第二密 封件520所需的密封压力(将其称之为"所需密封压力")等于>^应气体 的供应压力和排放压力之间的差。 一旦设定所述所需密封压力并且设定产 品与产品之间的变化，则确定了所需厚度差DTr。 一旦设定了所需厚度差 DTr以及第一扩散层220、 230的厚度tp,则基于这些设定值来设定沿层 叠方向的第二密封件520的厚度ts。
以下将说明本发明的第二实施方式。图7为示意性地示出制it才艮据所 述第二实施方式的燃料电池100的方法的说明性视图。在该实施方式中， 在燃料电池100进行层叠之前沿第一扩^bi「 220和230的端面形成的第二 密封件520a的形状不同于图5A所示的第一实施方式的所述第二密封件的 形状。燃料电池100的其它特征与第一实施方式的其它特似目似。
如图7所示，在第二实施方式的燃料电池100中，第二密封件520a 的平行于层叠方向的一部分形成为不与包含第一扩lt^ 220、 230的面对 相应的隔板300的层叠面的平面相交。亦即，第二密封件520a形成为使 得第二密封件520a的面对隔板300的表面大体上与相应的第一扩散层 220、 230的面对隔板300的层叠面齐平。
同时，沿层叠方向测量的第二密封件520a的最大厚度ts大于第一扩 散层220、 230的厚度tp。为提供所述厚度差，所述第二密封件520a的平 行于层叠方向的所述部分形成为与包含第一扩散层220、 230的其它层叠面(面对发电体210)的平面相交。亦即，第二密封件520a从包含第一扩 散层220、 230的其它层叠面的所述平面向发电体210凸出某一距离。
在所述实施方式中，如图7所示的燃料电池100的各个构件层叠并紧 固在一起。在该过程中，最初将第一扩M 220和230连接至相应的隔板 300。此后，将相互连接的阳极侧第一扩散层220与隔板300的层叠组件 以;M目互连接的阴极侧第一扩散层230与隔板300的层叠组件连接至发电 体210。从而，以与第一实施方式的方式相似的方式制造如图5B所示构造 的燃料电池IOO。
在第二实施方式中，如同第一实施方式，第二密封件520a更具体为第 二密封件520a的位于第一扩散层220和230的端面外侧的部分紧密接触 隔板300的所述层叠面，并且紧密接触发电体210以覆盖发电体210的未 被第一密封件510的覆盖部分514覆盖的暴露的层叠面的整个区域。因而， 能够抑制及^应气体泄漏至所述围绕扩散层的空间SS中，并且能够抑制以 其它方式可能产生的发电效率的降低。
在所述实施方式中，当构成燃料电池100的各个构件层叠在一起时， 最初将与第二密封件520a —体形成的第一扩散层220和230连接至相应 的隔板300。如上所述，在进行层叠之前，将第二密封件520a的平行于层 叠方向的部分形成为不与包含第一扩M 220、 230的面对相应的隔板300 的层叠面的平面相交。从而，第一扩散层220和230能够容易地连接至隔 板300。因而，能够更容易地制造第二实施方式的燃料电池IOO。
以下将^L明本发明的第三实施方式。图8A和图8B为示意性地示出根 据第三实施方式的燃料电池100b的横截面视图。获得如图8A和图8B所 示的燃料电池100b的所述截面的位置对应于第一实施方式中获得如图1A 和图AB所示的燃料电池100的所述截面的所述位置。亦即，沿图3中的 线1-1获得如图8A所示的燃料电池100b的所述截面。在该实施方式的燃 料电池100b中，单元电池200b的构造不同于第一实施方式的燃料电池100 中的单元电池200的构造。燃料电池100b的其它特征与第一实施方式的 燃料电池100的其它特斜目似。
如图8A所示，根据第三实施方式的燃料电池100b的单元电池200b 主要包括发电体210b、阳极侧第二扩M 216b和阴极侧第二扩散层217b， 所述阳极侧第二扩散层216b和阴极侧第二扩散层217b布置于发电体210b的相反侧，以便将发电体210b夹设在它们之间。如图8B所示，发电体210b 主要包括电解质层212、阳极侧催化剂电极层214b和阴极侧催化剂电极层 215b，所述阳极侧催化剂电极层214b和阴极侧催化剂电极层215b布置于 电解质层212的相反侧，以便将电解质层212夹设在它们之间。该实施方 式的燃料电池100b未设有如图1A和1B以及图2A和2B所示的第一实施 方式的燃料电池100中设有的阳极侧第一扩散层220和阴极侧第一扩lt^ 230'
在第三实施方式的燃料电池100b中，与第一实施方式的燃料电池100 一样，也围绕发电体210b设置有第一密封件510。另外，第二密封件520 分别围绕阳极侧第二扩散层216b和阴极侧第二扩散层217b设置。除了发 电体210b的构造不同于发电体210的构造以及第二密封件520在所述第 二扩散层而不是在所述第 一扩散层上形成之外，制造根据第三实施方式的 燃料电池100b的方法基本上与如图5A和5B所示的制造根据第一实施方 式的燃料电池100的方法相同。
在第三实施方式中，第二密封件520更具体为第二密封件520的位于 阳极侧第二扩散层216b和阴极侧第二扩散层217b的端面外侧的部分紧密 接触相应的隔板300的所述层叠面，并且紧密接触发电体210b,以覆盖发 电体210b的未被第一密封件510的覆盖部分514覆盖的暴露的层叠面的 整个区域。与第一实施方式一样，根据该布置，能够抑制Jl应气体泄漏至 所述围绕扩散层的空间SS中，并且能够抑制以其它方式可能产生的发电 效率的降低。
可以理解的是，本发明不局限于所示实施方式的细节，而是在不偏离 本发明原理的情况下可按各种其它形式具体实施。例如，所示实施方式可 按如下所示修改。
尽管在每个所示实施方式中都已经使用示例示出了第二密封件520的 构造，但是能够根据其它方式构造第二密封件520。如图9所示，与每个 所示的实施方式一样，作为修改示例的燃料电池100的第二密封件520c 紧密接触隔板300的层叠面以瓦良电体210的层叠面，从而能够抑制反应 气体泄漏至围绕扩散层的空间SS中。然而，应注意，作为修改示例的燃 料电池100的第二密封件520c未布置为紧密接触发电体210的未被第一 密封件510的覆盖部分514覆盖的暴露的层叠面的整个区域。如果与每个 所示的实施方式一样第二密封件520紧密接触发电体210的未被第一密封件510的覆盖部分514覆盖的暴露的层叠面的整个区域，则能够更可靠地 防止反应气体通it;良电体210的层叠面泄漏至围绕扩散层的空间SS中。 从而，优选地采用所示实施方式的第二密封件520。
另夕卜，作为修改示例的燃料电池100的第二密封件520c未布置为与每 个所示实施方式的第二密封件520的情况一样覆盖第一扩散层220和230 的端面的整个区域。如果第二密封件520布置为与每个所示实施方式中的 情况一样覆盖第一扩散层220和230的端面的整个区域，则能够更可靠地 防止及JI气体泄漏至围绕扩散层的空间SS中。从而，优选地采用所示实 施方式的第二密封件520。
尽管在每个所示实施方式中都已经使用示例说明了在进行层叠之前第 二密封件520的横截面形状，但是第二密封件520能够具有其它的横截面 形状。例如，在进行层叠之前沿层叠方向测量的第二密封件520的最大厚 度ts不必大于第一扩M 220、 230 (或者第二扩散层216b、 217b)的厚 度tp。例如取决于隔板300的形状，即使所述厚度ts等于或者小于所述 厚度tp，第二密封件520也能紧密接触隔板300和发电体210。
另夕卜，沿层叠方向测量的第二密封件520的最;kjf度ts可在所述阳极 侧和所述阴极侧之间独立地设定。在第一扩散层220和230具有不同厚度 的情况下，例如阳极侧的第二密封件520的最大厚度ts可设为不同于阴 极侧的第二密封件520的最大厚度ts的值。
尽管在每个所示实施方式中每个隔板300包括层叠在一起的三块金属 板，并且其表面具有平面形状，但是隔板300可根据其它方式构造或者设 计，或者可具有任何其它形状。尽管在每个所示实施方式中隔板300由金 属制成，但是隔板300也可由诸如碳这样的其它材料制成。
尽管在每个所示实施方式中燃料电池100包括交替地层叠或者叠置在 一起的单元电池200和隔板300，但是燃料电池100也可包括多个单元， 所述多个单元中的每个都包括单元电池200和布置于单元电池200的相反 的侧的隔板300。
权利要求
1. 一种燃料电池，包括发电体，所述发电体包括电解质层和布置于所述电解质层的相反的主表面上的电极层；多个扩散层，所述多个扩散层布置于所述发电体的相反的主表面上，并且具有用于让发电的气体从中流过的内部通道，从而将所述气体供应至所述发电体；多个隔板，所述多个隔板布置于所述扩散层的与面对所述发电体的所述扩散层的主表面相反的主表面上，以便将所述气体供应至所述扩散层，所述发电体、所述扩散层以及所述隔板层叠在一起以形成所述燃料电池；第一密封件，所述第一密封件围绕所述发电体的周边形成并且具有位于所述隔板之间的抑制所述气体泄漏至所述燃料电池外的有效密封部；以及第二密封件，所述第二密封件与所述扩散层中的至少一个扩散层一体形成以沿着所述至少一个扩散层的端面延伸，所述第二密封件紧密接触其上层叠有所述扩散层的所述发电体的层叠面以及层叠于所述扩散层上的所述隔板中的相应一个隔板的层叠面。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其中，形成所述第二密封件的材 料以及在层叠所述发电体、扩散层以及隔板之前所述第二密封件的形状确 定为使得在层叠期间当所述第二密封件夹设在所述发电体和相应的隔板 之间时所述第二密封件发生变形。
3.如权利要求2所述的燃料电池，其中，在进行层叠之前沿所述燃 料电池的层叠方向测量的所述第二密封件的厚度大于其上形成有所述第 二密封件的所述扩散层的厚度。
4.如权利要求3所述的燃料电池，其中，在进行层叠之前所述第二 密封件成形为使得所述第二密封件不从与所述扩散层的相反的主表面中 的至少一个主表面齐平的平面伸出。 2
5.如权利要求1所述的燃料电池，其中，所述第二密封件形成为覆 盖所述扩散层的端面的整个区域。
6.如权利要求1所述的燃料电池，其中，所述第二密封件与所述第 一密封件的一部分紧密接触。
7.如权利要求6所述的燃料电池，其中第一密封件包括覆盖部分，所l菱盖部分覆盖其上层叠有所述扩散层 的所述发电体的端部的每个相反的层叠面；并且第二密封件包括位于所述扩散层的端面之外并且与所述发电体的未 被所a盖部分覆盖的所述层叠面的整个区域紧密接触的 一部分。
8.如权利要求6或7所述的燃料电池，其中，所述第二密封件由硬 度低于所述第一密封件的現变的材料制成。
9.如权利要求1至8中任一项所述的燃料电池，其中，每个所述隔 板的面对所述扩散层中的相应一个扩散层的所述主表面为平面形状。
10. —种制造燃料电池的方法，包括制名^发电体、多个扩散层和多个隔板，所述发电体包括电解质层和布 置于所述电解质层的相反的主表面上的电极层，所述多个扩散层具有让用 于发电的气体从中流过的内部通道，从而将所述气体供应至所述发电体， 所述多个隔板适于将所述气体供应至所述扩散层；将所述扩M放置于所^JC电体的相反的主表面上；沿着所U电体的端面形成第一密封件；与所述扩散层中的至少一个扩散层一体形成第二密封件，以使所述第 二密封件沿着所述至少一个扩散层的端面延伸；以及将所述隔板放置于所述扩散层的与面对所述发电体的所述扩散层的主表面相反的主表面上，并使得所述第二密封件紧密接触其上层叠有所述 扩散层的所述发电体的层叠面以及层叠于所述扩散层上的所述隔板中的 相应一个隔板的层叠面。
全文摘要
根据本发明的一个方面的一种燃料电池，包括发电体，所述发电体包括电解质层和电极层；扩散层，所述扩散层布置于所述发电体的相反的主表面上；隔板，所述隔板布置于所述扩散层的与面对所述发电体的所述扩散层的主表面相反的主表面上；第一密封件，所述第一密封件围绕所述发电体的周边形成并且具有位于所述隔板之间的抑制所述气体泄漏至所述燃料电池之外的有效密封部；以及第二密封件，所述第二密封件与所述扩散层中的至少一个扩散层一体形成以沿着所述扩散层的端面延伸，所述第二密封件紧密接触其上层叠有所述扩散层的所述发电体的表面以及层叠于所述扩散层上的所述隔板中的相应一个隔板的表面。
文档编号H01M8/02GK101467289SQ200780021492
公开日2009年6月24日 申请日期2007年6月6日 优先权日2006年6月9日
发明者竹下直宏, 雫文成 申请人:丰田自动车株式会社