CN100565992C - 高分子电解质型燃料电池及用于其的燃料电池用密封部件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池，即使在燃料电池的阳极侧密封部件及阴极侧密封部件与阳极及阴极的端面之间形成间隙的情况下，也可以针对电极反应有效地利用反应气体，并且以简单的构成就能确保充分的发电性能。将燃料电池中的阳极侧密封部件及阴极侧密封部件中的至少一个用环状的主体部和在环状的主体部的内侧面上设置的至少一个形状可变的突起部构成。

Description

高分子电解质型燃料电池及用于其的燃料电池用密封部件
技术领域
本发明涉及用于便携式电源、便携设备用电源、电动汽车用电源和家庭内热电联供系统等的使用高分子电解质的燃料电池。
背景技术
高分子电解质型燃料电池是，在作为气体扩散电极的阳极以及阴极中分别使作为反应气体的氢等的燃料气体和空气等的氧化剂气体进行电化学反应，同时产生电和热的电池。在图8中表示了这样的高分子电解质型燃料电池的一般基本构成(单电池)的主要部分截面图。如图8所示，燃料电池100具备至少一个主要包括膜电极组件(MEA)110和夹持着膜电极组件110的一对板状的隔板、即阳极侧隔板120以及阴极侧隔板130的构成的单电池。
膜电极组件110具有在阳极112和阴极113之间配置有选择性地输送阳离子(氢离子)的高分子电解质膜111的构成。而且，阳极112至少包含着以贴紧于高分子电解质膜111侧的状态配置的催化剂层114和在该催化剂层114与阳极侧隔板120之间配置的气体扩散层116；阴极113至少包含着以贴紧于高分子电解质膜111侧的状态配置的催化剂层115和在该催化剂层115与阴极侧隔板130之间配置的气体扩散层117。
催化剂层114、115是以担载了电极催化剂(例如铂类金属)的导电性碳粉末为主要成份的层。另外，气体扩散层116、117是兼备透气性和导电性的层。该气体扩散层116、117通过例如在由碳形成的导电性多孔基材之上形成由导电性碳粉末和氟树脂形成的导电性拨水层而得到。
在此，如图8所示，在MEA110中，从为了防止气体泄漏而配置密封部件(垫圈)140、150的观点出发，具有高分子电解质膜111的主面的大小大于阳极112和阴极113的主面的大小并且高分子电解质膜111的全部外缘部比阳极112和阴极113的外缘部更加突出于外侧这样的构成。在本说明书中，将这些比阳极112和阴极113的外缘部更加突出于外侧的高分子电解质膜111的外缘部称作为“露出部”(图8中的P)。
阳极侧隔板120和阴极侧隔板130具有导电性，机械性地固定MEA110，同时在层叠多个MEA110的情况下将邻接的MEA110彼此之间互相电串联连接。另外，在阳极侧隔板120和阴极侧隔板130上的一个面(即阳极侧隔板120和阴极侧隔板130的分别与阳极112和阴极113相接触的一侧的主面)上形成有气体流道124、135，该气体流道124、135用于向阳极120和阴极130供给反应气体，将含有由电极反应生成的生成物和未反应的反应物的气体运往MEA110外部。
而且，在阳极侧隔板120和阴极侧隔板130的另外一面上形成有冷却流体流道127、137，其用于导入用于将电池温度调节成大致一定的冷却流体(冷却水等)。通过形成使冷却流体在燃料电池和配置在外部的换热器之间循环的构成，从而能够以温水等的形式利用由反应所产生的热能。
从能够使制造工序简单化等优点的角度出发，通常的方式是在阳极侧隔板120和阴极侧隔板130的分别与阳极112和阴极113相接触的一侧的主面上配设沟槽而形成气体流道124、135。另外，通常的方式是在阳极侧隔板120和阴极侧隔板130的外侧的主面上设置沟槽而形成冷却流体流道127、137。
另外，在使阳极侧隔板120和阴极侧隔板130介于多个MEA110之间并电串联层叠多个MEA110而得到的所谓的层叠型的燃料电池(燃料电池堆)中，设置有用于将供给燃料电池的反应气体进行分流而供给各个MEA110的集流管(manifold)(将设置于阳极侧隔板120和阴极侧隔板130上的反应气体供给用集流管孔及反应气体排出用集流管孔以连续性地层叠的状态组合而形成的集流管(未图示))。
另外，设置有用于使供给燃料电池的冷却流体分流从而供给各MEA110的集流管(将设置于阳极侧隔板120和阴极侧隔板130的冷却流体供给用集流管孔及冷却流体排出用集流管孔以连续性地层叠的状态组合而形成的集流管(未图示))。将如上所述在燃料电池的内部所形成的集流管称为内部集流管，这样的“内部集流管型”的燃料电池是通常的。
而且，在燃料电池100中，为了防止反应气体的气体泄漏(燃料气体向阴极112侧的泄漏，氧化剂气体向阳极113侧的泄漏，反应气体向MEA110外部的泄漏等)，在互相面对着的阳极侧隔板120及阴极侧隔板130之间，在MEA110的外缘部(阳极112及阴极113的外部的高分子电解质膜111的外缘部)，配置了具有气体密封功能的一对面对着的密封部件，即阳极侧密封部件140和阴极侧密封部件150。
为了使阳极侧隔板120及阴极侧隔板130与阳极112及阴极113进行接触同时进行气体密封，作为这样的阳极侧密封部件140和阴极侧密封部件150，需要有高尺寸精度、充分的弹性以及紧固余量。因此，使用例如树脂和橡胶制作的O型圈和片状密封部件、弹性树脂和刚性树脂形成的复合片等。从MEA110的操作性的观点出发，较多的是将具有一定程度刚性的复合材料类的密封部件与MEA110一体形成而使用。
另外，在最近如同在专利文献1和专利文献2中所见的，为了降低燃料电池堆的夹紧负荷(clamping load)，进行构造部件的轻量化、简便化以及低成本化，进行了降低密封部件的密封所必要的负荷的尝试，除了O型圈形状以外，还提出了具有三角形状和半圆形状等的截面的密封部件。另外，还进行了将O型圈等的具有一定程度的截面积的密封部件设置于隔板侧的尝试。
通过将阳极侧密封部件140和阴极侧密封部件150以把上述的高分子电解质膜111的全部的露出部夹入的形式加以配置，从而由阳极侧隔板120、高分子电解质膜111以及阳极侧密封部件140形成将阳极112包入的一个密闭空间，由阴极侧隔板130、高分子电解质膜111以及阴极侧密封部件150形成将阴极113包入的另外的密闭空间。
由这些密闭空间来实现防止向阳极112和阴极113供给的反应气体的气体泄漏。另外，也有时把阳极侧密封部件140及阴极侧密封部件150与膜电极组件110的组合称作为膜电极密封件接合体(MESA)。
在此，将阳极侧密封部件140和阴极侧密封部件150配置于上述位置的时候，随便怎样都会产生部件的加工公差和组装公差等。因此，要使阳极侧密封部件140及阴极侧密封部件150分别与阳极112及阴极113的端面充分密合是极为困难的。因此，如图8所示，在将阳极侧密封部件140和阴极侧密封部件150配置于上述位置的时候，容易分别在阳极侧密封部件140及阴极侧密封部件150与阳极112及阴极113之间形成间隙(即阳极侧间隙112a和阴极侧间隙113a)。
形成这样的阳极侧间隙112a和阴极侧间隙113a之后，就会产生反应气体泄漏到阳极侧间隙112a和阴极侧间隙113a的情况。另外，反应气体的一部分不流向阳极112及阴极113的内部而在该阳极侧间隙112a及阴极侧间隙113a内行进并向MEA110之外放出，于是就存在维持有效的发电性能变得极为困难的问题。
如果阳极侧间隙112a及阴极侧间隙113a较小，则阳极112及阴极113的一部分进入阳极侧密封部件140及阴极侧密封部件150从而产生密封不良，或者，阳极侧密封部件140及阴极侧密封部件150接触于阳极112及阴极113，从而降低电池性能，过大的面压作用于阳极112及阴极113，引起高分子电解质膜111的破损以及耐久性的降低等。因此，在阳极侧密封部件140及阴极侧密封部件150与MEA110之间不得不设置一定程度的阳极侧间隙112a和阴极侧间隙113a。
对此，例如在专利文献1中，为了减少紧固力，同时在MEA11的厚度方向扩大阳极侧间隙112a和阴极侧间隙113a，消除气体泄漏等而有效地确保所希望的单电池性能，同时简化加工操作，提出了使用管状的密封件。
专利文献1：日本特开平11-233128号公报
专利文献2：日本特开2002-141082号公报
发明内容
即使是上述专利文献1的技术，也难以有效防止燃料气体和氧化剂气体以阳极侧密封部件及阴极侧密封部件与阳极及阴极之间的阳极侧间隙及阴极侧间隙作为旁路来流动，还存在改善的余地。
本发明是鉴于以上的问题而做出的，目的是提供即使在阳极侧密封部件及阴极侧密封部件与阳极及阴极的端面之间分别形成如上所述的间隙的情况下，相对于电极反应也能够有效地利用反应气体，并且可以以简单的构成确保充分的发电性能的高分子电解质型燃料电池。而且，本发明的目的是，提供能够容易并且可靠地实现如上所述的高分子电解质型燃料电池的密封部件。
本发明，为了达到上述的目的，提供一种高分子电解质型燃料电池，其特征在于，具备：
膜电极组件，其具有高分子电解质膜以及夹着高分子电解质膜的阳极和阴极，上述高分子电解质膜具有氢离子传导性，
阳极侧隔板和阴极侧隔板，上述阳极侧隔板具有将燃料气体供给阳极的气体流道，上述阴极侧隔板具有将氧化剂气体供给阴极的气体流道，
阳极侧密封部件，配置在膜电极组件的外周部与阳极侧隔板的膜电极组件侧的侧面之间，保持阳极和阳极侧隔板之间的气密性，以及
阴极侧密封部件，配置在膜电极组件的外周部与阴极侧隔板的膜电极组件侧的侧面之间，保持阴极和阴极侧隔板之间的气密性，
阳极侧密封部件及阴极侧密封部件中的至少一个具有沿着膜电极组件的外周部配置的环状的主体部和在主体部的内侧面上设置的至少一个形状可变的突起部。
如果具有这样的本发明的构成，则在阳极侧隔板及阴极侧隔板的膜电极组件侧的面上，能够分别保持阳极与阳极侧隔板之间的气密性及阴极与阴极侧隔板之间的气密性，同时，即使在密封部件与阳极或阴极的端面之间形成如上所述的间隙(阳极侧间隙或阴极侧间隙)的情况下，也可以利用上述突起部抑制在该间隙中的气流。
更具体而言，即使燃料气体或氧化剂气体分别流向上述的阳极侧间隙或阴极侧间隙，由于上述的突起部形状可变，所以在受到气流而变形的同时起到抑制该气流的作用。因此，可以针对电极反应而有效地利用反应气体，并且可以容易并且可靠地实现能够以简单的构成确保充分的发电性能的高分子电解质型燃料电池。
而且，根据本发明，上述突起部具有在使膜电极组件和密封部件组合时的定位效果，所以能够提高本发明的高分子电解质型燃料电池的批量生产时的成品率，而且还能够实现大幅度地降低成本。
此外，本发明还提供一种燃料电池用密封部件，其特征在于，具有环状的主体部和在上述主体部的内侧面上设置的至少一个形状可变的突起部。
如果具有这样的本发明的构成，则在将上述燃料电池用密封部件使用于高分子电解质型燃料电池的时候，在阳极侧隔板及阴极侧隔板的膜电极组件侧的面上能够分别保持阳极与阳极侧隔板之间的气密性及阴极与阴极侧隔板之间的气密性，同时，即使在密封部件与阳极或阴极的端面之间形成有如上所述的间隙(阳极侧间隙或阴极侧间隙)的情况下，也能够利用上述突起部抑制在该间隙中的气流。
更具体而言，即使燃料气体或氧化剂气体分别流向上述的阳极侧间隙或阴极侧间隙，由于上述的突起部形状可变，所以也在受到气流而变形的同时起到抑制该气流的作用。因此，能够针对电极反应有效地利用反应气体，并且可以容易并且可靠地实现能够以简单的构成确保充分的发电性能的高分子电解质型燃料电池。
而且，如果使用本发明的燃料电池用密封部件，则上述突起部具有在使膜电极组件和密封部件组合时的定位效果，所以能够提高高分子电解质型燃料电池的批量生产时的成品率，而且还能够实现大幅度地降低成本。
根据本发明，即使在分别在阳极侧密封部件及阴极侧密封部件与阳极及阴极的端面之间形成间隙的情况下，也能够针对电极反应有效地利用反应气体，并且可以提供能够以简单的构成确保充分的发电性能的高分子电解质型燃料电池。
而且，根据本发明，可以提供如上所述的可以容易并且可靠地实现能够以简单的构成确保充分的发电性能的高分子电解质型燃料电池的密封部件。
附图说明
图1是表示本发明的高分子电解质型燃料电池的基本构成(单电池)的主要部分截面图。
图2是图1的I-I线截面图。
图3是用于说明在第一实施方式的燃料电池中的阳极侧密封部件40的构造的图。
图4是用于说明在第二实施方式的燃料电池中的阳极侧密封部件40的构造的图。
图5是用于说明在第三实施方式的燃料电池中的阳极侧密封部件40的构造的图。
图6是用于说明在第四实施方式的燃料电池中的阳极侧密封部件40的构造的图。
图7是用于说明在第四实施方式的燃料电池中的阳极侧密封部件40的构造的另外的图。
图8是现有的高分子电解质型燃料电池的基本构成(单电池)的主要部分截面图。
具体实施方式
以下，参照图面说明有关本发明的适合的实施方式。另外，在以下说明中，对相同或相当部分标记相同符号，省略重复说明。
[第一实施方式]
在图1中表示了本发明的高分子电解质型燃料电池的基本构成(单电池)的主要部分截面图。如图1所示，燃料电池1具备至少一个单电池，该单电池构成为主要包括膜电极组件(MEA)10和夹着膜电极组件10的一对板状的隔板，即阳极侧隔板20及阴极侧隔板30。
膜电极组件10具有在阳极12及阴极13之间配置有选择性地输送阳离子(氢离子)的高分子电解质膜11的构成。而且，阳极12至少包括以贴紧于高分子电解质膜11侧的状态配置的催化剂层14和配置在该催化剂层14与阳极侧隔板20之间的气体扩散层16；阴极13至少包括以贴紧于高分子电解质膜11侧的状态配置的催化剂层15和配置在该催化剂层15与阴极侧隔板30之间的气体扩散层17。
催化剂层14、15是以担载有电极催化剂(例如铂类金属)的导电性碳粉末为主成分的层。另外，气体扩散层16、17是兼备透气性和导电性的层。该气体扩散层16、17例如通过在由碳形成的导电性多孔基材之上形成由导电性碳粉末及氟树脂形成的导电性拨水层而得到。
在此，如图1所示，从为防止气体泄漏而配置密封部件(垫圈)40、50的观点出发，在MEA10中，具有高分子电解质膜11的主面的大小大于阳极12及阴极13的主面的大小且高分子电解质膜11的全部外缘部比阳极12及阴极13的外缘部更突出于外侧的构成。
阳极侧隔板20及阴极侧隔板30具有导电性，机械性地固定MEA10，同时在层叠多个MEA10的时候将邻接的MEA10彼此之间相互电串联连接。另外，在阳极侧隔板20和阴极侧隔板30的一个面(即阳极侧隔板20及阴极侧隔板30的分别与阳极12及阴极13相接触的一侧的主面)上形成有气体流道24、35，用于将反应气体供给阳极20及阴极30，并且将含有由电极反应生成的生成物和未反应的反应物的气体运往MEA10的外部。
而且，在阳极侧隔板20和阴极侧隔板30的另外的面上形成有冷却流体流道27、37，用于导入将电池温度调节到大致一定用的冷却流体(冷却水等)。通过形成使冷却流体在燃料电池与配置在外部的换热器之间循环的构成，可以以温水等的形式利用由反应所产生的热能。
从能够使制造工序简单化等优点的角度出发，通常的方式是在阳极侧隔板20和阴极侧隔板30的分别与阳极12和阴极13相接触的一侧的主面上设置沟槽而形成气体流道24、35。另外，通常的方式是在阳极侧隔板20和阴极侧隔板30的外侧的主面上设置沟槽而形成冷却流体流道27、37。
另外，在使阳极侧隔板20和阴极侧隔板30介于多个MEA10之间，并将多个MEA10电串联层叠而得到的所谓的层叠型的燃料电池(燃料电池堆)中，设置有用于使供给燃料电池的反应气体进行分流而供给各个MEA10的集流管(将设置于阳极侧隔板20和阴极侧隔板30上的反应气体供给用集流管孔及反应气体排出用集流管孔以连续地层叠的状态组合而形成的集流管(未图示))。
另外，设置有用于使供给燃料电池的冷却流体分流而供给各MEA10的集流管(将设置于阳极侧隔板20和阴极侧隔板30上的冷却流体供给用集流管孔及冷却流体排出用集流管孔以连续地层叠的状态组合而形成的集流管(未图示))。将如上所述在燃料电池的内部形成的集流管称为内部集流管，这样的“内部集流管型”的燃料电池是普通的。
在此，图2是图1中的I-I线截面。图2所示的阳极侧隔板20例如由石墨板或将碳粉末和粘合剂的混合物成形而得到的碳板构成，并且具有各一对的燃料气体用集流管孔22、氧化剂气体用集流管孔25以及冷却水用集流管孔23。另外，阳极侧隔板20，在面对着阳极12的面上具有连通一对燃料气体用集流管孔22的燃料气体的流道24，在背面有连通一对冷却水用集流管孔23的冷却水的流道27。
在图2中，气体流道24由并行的4条沟槽构成。在该气体流道24的与燃料气体用集流管孔22连通的部分中，设置了为防止阳极侧密封部件40向沟槽内陷入的盖板(隔离板)26，该部分的气体流道24成隧道状。关于该盖板，例如在日本特开2000-133289号公报中有记载，在本说明书中引用其。
虽然未图示，但与阳极侧隔板20同样，阴极侧隔板30具有各一对的燃料气体用集流管孔、氧化剂气体用集流管孔以及冷却水用集流管孔，而且，在面对着阴极的面上有连通一对氧化剂气体用集流管孔的氧化剂气体的流道35，在背面上有连通一对冷却水用集流管孔的冷却水的流道37。
而且，在燃料电池1中，为了防止反应气体的泄漏(燃料气体向阴极12侧的泄漏、氧化剂气体向阳极13侧的泄漏以及反应气体向MEA10外部的泄漏等)，在互相面对着的阳极侧隔板20及阴极侧隔板30之间，在MEA10的外缘部(在阳极12及阴极13的外部的高分子电解质膜11的外缘部)配置了具有气体密封功能的一对相对的密封部件，即阳极侧密封部件40及阴极侧密封部件50。
这样，通过将如上所述的高分子电解质膜11的全部露出部夹入而配置阳极侧密封部件40及阴极侧密封部件50，以规定的紧固压力将阳极侧隔板20、阳极侧密封部件40、MEA10、阴极侧密封部件50以及阴极侧隔板30进行紧固连结，从而构成了具有图1所示构造的单电池。
在此，由阳极侧隔板20、高分子电解质膜11及阳极侧密封部件40形成了将阳极12包入的一个密闭空间；由阴极侧隔板30、高分子电解质膜11及阴极侧密封部件50形成了将阴极13包入的另外的一个密闭空间。
利用这些密闭空间实现防止供给阳极12及阴极13的反应气体的气体泄漏，但如上所述，在将阳极侧密封部件40及阴极侧密封部件50配置于上述位置的时候，无论如何都会产生部件的加工公差和组装公差等，所以分别使阳极侧密封部件40及阴极侧密封部件50与阳极12及阴极13的端面充分地贴紧是极其困难的。因此，如图1所示，将阳极侧密封部件40及阴极侧密封部件50配置于上述的位置后，在阳极侧密封部件40及阴极侧密封部件50与阳极12及阴极13之间容易分别形成间隙(即阳极侧间隙12a及阴极侧间隙13a)。
于是，反应气体迂回绕入如上所述的阳极侧间隙12a及阴极侧间隙13a作为旁路，反应气体的利用率降低，从而极其难以维持高效率的发电性能，在本实施方式中，为了解决上述问题，用沿着膜电极组件10的外周部配置的环状的主体部和设置在该主体部的内侧面上的至少一个形状可变的突起部构成阳极侧密封部件40及阴极侧密封部件50。
图3是放大了图2中的II部分的图，即用于说明在II部分中的阳极侧密封部件40的构造的图。如图1及图3所示，在阳极侧密封部件40中，在配置成包围阳极12的环状的主体部46上设置有多个由于具有可挠性(flexibility)而使形状可变的毛状的突起部60，使该突起部60的长度方向与环状主体部46的内侧面的面方向大致成直角交叉，该突起部60与阳极12的侧面相接触。
在燃料气体将阳极侧间隙12a作为旁路流动的时候，该突起物60受到该燃料气体的气流而进行变形，由此起到抑制其流动的效果。另外，突起部60在阳极12的整体上与该阳极12的侧面相接触，所以也起到在阳极侧密封部件40的内侧能够容易并且可靠地将阳极12定位的效果。虽未图示，但阴极侧密封部件50也具有与阳极侧密封部件40同样的构造以及功能。
在此，作为对于本实施方式中的突起部60的必要条件，主要可列举(1)在MEA10和燃料电池1组装时变形而收容于环状的主体部46与阳极12或阴极13的侧面之间，即收容于阳极侧间隙12a或阴极侧间隙13a中，以及(2)化学耐久性高等。
因此，作为构成突起部60的材料，例如可列举氟橡胶、聚异戊二烯、丁基橡胶、乙丙橡胶、硅橡胶、丁腈橡胶、热可塑性弹性体、液晶聚合物、聚酰亚胺树脂、聚醚醚酮树脂、聚醚酰亚胺树脂、聚苯硫醚树脂、对苯二酰胺树脂(terephthalamide resin)、聚醚砜树脂、聚砜树脂、间规聚苯乙烯树脂、聚甲基戊烯树脂、改性聚苯醚树脂、聚缩醛树脂、聚丙烯树脂、氟树脂以及聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂或含有多个这些物质的复合材料等。
其中，通过使用具有弹性的材料，能够进一步提高在组装MEA10和燃料电池1时由突起物60所起到的定位效果。
作为构成阳极侧密封部件40及阴极侧密封部件50的环状的主体部46和56的材料，可以使用用于现有的密封部件和垫圈的材料，但是优选使用与突起部60相同的材料，一体地构成(成形)突起部60和环状的主体部46、56从而制得一体形成的构造。由此，能够减少阳极侧密封部件40及阴极侧密封部件50的制造工序，同时能够提高耐久性，能够实现大幅度地降低成本。
如上所述，根据本实施方式，即使在阳极侧密封部件40及阴极侧密封部件50与阳极12及阴极13的端面之间分别形成间隙的情况下，也能够针对电极反应有效地利用反应气体，可以提供能够以简单的构造确保充分的发电性能的高分子电解质型燃料电池。
而且，可以提供能够容易且可靠地实现以如上所述的简单构成就能够确保充分的发电性能的高分子电解质型燃料电池的阳极侧密封部件40及阴极侧密封部件50。
[第二实施方式]
以下就本发明的高分子电解质型燃料电池的第二实施方式进行说明。该第二实施方式的燃料电池(未图示)是将图1所示的第一实施方式的燃料电池1中的阳极侧密封部件及阴极侧密封部件替代成不同的构成的燃料电池，除了阳极侧密封部件及阴极侧密封部件以外的构成与第一实施方式的燃料电池1相同。
以下就第二实施方式的燃料电池所具备的阳极侧密封部件进行说明。图4是放大了图2中的II部分的主要部分的图，即用于说明第二实施方式的燃料电池中的阳极侧密封部件40的构造的图。
如图4所示，在本实施方式的阳极侧密封部件40中，在配置成包围阳极12的环状的主体部46a上设置了多个由于具有可挠性而使形状可变的针状的突起部60a，该突起部60a的长度方向和环状主体部46a的内侧面的面方向大致成直角交叉，该突起部60a与阳极12的侧面相接触。
在燃料气体将阳极侧间隙12a作为旁路而流过的时候，该突起物60a受到该燃料气体的气流而变形，起到抑制其流动的效果。另外，突起部60a在阳极12的整体上与该阳极12的侧面相接触，所以还起到能够容易并且可靠地在阳极侧密封部件40的内侧将阳极12进行定位的效果。虽未图示，但阴极侧密封部件50也具有和阳极侧密封部件40同样的构造以及功能。
如上所述，根据本实施方式，即使在阳极侧密封部件40及阴极侧密封部件50与阳极12及阴极13的端面之间形成间隙的情况下，也能够针对电极反应有效地利用反应气体，能够提供以简单的构造就可确保充分的发电性能的高分子电解质型燃料电池。
而且，按照如上所述的简单构成，可以提供可以容易并且可靠地实现可确保充分的发电性能的高分子电解质型燃料电池的阳极侧密封部件40及阴极侧密封部件50。
[第三实施方式]
以下就本发明的高分子电解质型燃料电池的第三实施方式进行说明。该第三实施方式的燃料电池(未图示)将图1所示的第一实施方式的燃料电池1中的阳极侧密封部件及阴极侧密封部件替代成不同的构成，除了阳极侧密封部件及阴极侧密封部件以外的构成与第一实施方式的燃料电池1相同。
以下就第三实施方式的燃料电池所具备的阳极侧密封部件加以说明。图5是放大了图2中的II部分的主要部分的图，即用于说明第三实施方式的燃料电池中的阳极侧密封部件40的构造的图。
如图5所示，在本实施方式的阳极侧密封部件40中，在配置成包围阳极12的环状的主体部46b的内侧面上设置有多个由于具有可挠性而使形状可变的月牙状的突起部60b，其构成为能够受到与环状的主体部46b的内侧面的面方向大致平行地流动的气流，该突起部60b的另一端与阳极12的侧面相接触。
月牙状的突起部60b的厚度与环状的主体部46b相同或者在其以下即可。
在燃料气体将阳极侧间隙12a作为旁路而流动的时候，该突起物60b受到该燃料气体的气流而变形，特别是抑制其流动的效果方面优异。另外，突起部60b在阳极12的整体上与该阳极12的侧面相接触，所以也起到在阳极侧密封部件40的内侧能够容易并且可靠地将阳极12定位的效果。虽未图示，但阴极侧密封部件50也具有与阳极侧密封部件40同样的构造以及功能。
如上所述，根据本实施方式，即使在阳极侧密封部件40及阴极侧密封部件50与阳极12及阴极13的端面之间分别形成间隙的情况下，也能够针对电极反应有效地利用反应气体，能够提供以简单的构造就能确保充分的发电性能的高分子电解质型燃料电池。
而且，可以提供以如上所述的简单构成能够容易并且可靠地实现能确保充分的发电性能的高分子电解质型燃料电池的阳极侧密封部件40及阴极侧密封部件50。
[第四实施方式]
以下就本发明的高分子电解质型燃料电池的第四实施方式进行说明。该第四实施方式的燃料电池(未图示)将图1所示的第一实施方式的燃料电池1中的阳极侧密封部件及阴极侧密封部件替代成不同的构成，除了阳极侧密封部件及阴极侧密封部件以外的构成与第一实施方式的燃料电池1相同。
以下就第四实施方式的燃料电池所具备的阳极侧密封部件加以说明。图6及图7是放大了图2中的II部分的主要部分的图，即用于说明在第四实施方式的燃料电池中的阳极侧密封部件40的构造的图。更加详细地说，图6及图7是用于说明本实施方式中的阳极侧密封部件的突起部变形的样子的图。
如图6所示，在本实施方式的阳极侧密封部件40中，在配置成包围阳极12的环状的主体部46c的内侧面上配置了多个由于具有可挠性而使形状可变的瓣状(valve)的突起部60c，该突起部60c的长度方向与环状的主体部46c的内侧面的面方向大致平行。而且，如图7所示，在阳极侧间隙12a处如箭头所示那样反应气体与环状的主体部46c的内侧面的面方向大致平行地进行流动的时候，突起部60c受到上述反应气体的气流而张开，该突起部60c的另一端与阳极12的侧面相接触。
瓣状的突起部60c的厚度与环状的主体部46c相同或者在其以下即可。
即，在燃料气体将阳极侧间隙12a作为旁路流动的时候，突起物60c受到该燃料气体的气流而变形，特别是在抑制其流动的效果方面优异。另外，突起部60c在阳极12的整体上挤压该阳极12的侧面，所以还起到在阳极侧密封部件40的内侧能够容易并且可靠地将阳极12定位的效果。特别是，如图6所示，在没有气体流动的时候突起部60c沿着环状的主体部46c的内侧面，所以在组装MEA10和燃料电池1时的操作性方面优异。虽然未图示，但阴极侧密封部件50也具有与阳极侧密封部件40同样的构造以及功能。
如上所述，根据本实施方式，即使在阳极侧密封部件40及阴极侧密封部件50与阳极12及阴极13的端面之间分别形成间隙的情况下，也能够针对电极反应有效地利用反应气体，能够提供以简单的构造能够确保充分的发电性能的高分子电解质型燃料电池。
而且，利用如上所述的简单构成，能够提供可以容易并且可靠地实现能够确保充分的发电性能的高分子电解质型燃料电池的阳极侧密封部件40及阴极侧密封部件50。
在上述实施方式中，对于阳极侧密封部件及阴极侧密封部件的二者都使用了本发明的燃料电池用密封部件的情况作了说明，但即使是在阳极侧和阴极侧的任何一方中使用了本发明的燃料电池用密封部件的情况也能够取得同样的效果。另外，突起部的形状也可以为弹簧状，为了可靠地进行MEA10和单电池组装后的定位·固定，还优选不仅仅与MEA10相接触而且以一定程度的力挤压MEA10。
另外，上述突起物也可以在例如用注塑成形等的成形法制造密封部件的时候，与环状的主体部同时形成，另外，也可以先制造环状的密封部件，然后用汤姆森(Thomson)模具切出而形成。另外，以成形法制作密封部件时，也可以积极地利用由树脂流入口能够形成的毛刺(burr)，来构成上述突起部。
此外，虽然在上述实施方式中没有特别说明，但密封部件也可以用粘结剂固定于隔板，也可以将密封部件通过直接烧接等固定于隔板。再则，也可以在隔板上设置沟槽，将密封部件的环状的主体部嵌入到该沟槽中。
另外，上述突起物只要具有可挠性，就发挥对在上述间隙中的反应气体的流动抑制效果以及定位效果，其中从容易制作的观点出发在密封部件的制造上优选具有瓣状、针状以及毛状等的细微构造的突起部；从容易收容于上述间隙中的观点出发在性能上也优选这些形状的突起物。
此外，上述突起物也可以按照与流动于上述间隙中的气流相反的方向配置，而且，也优选受到该气流而变形并抑制该气流的构成。因此，也可以构成为，例如，在上述第一实施方式及第二实施方式中的突起部60、60a设置成，该突起部60、60a的长度方向与环状的主体部46、46a的内侧面大致平行的方向成锐角交叉，受到气流而如同瓣那样张开，从而抑制该气流。
而且，也可以通过例如热熔接(热压)或使用粘结剂的粘合等的方法将阳极侧密封部件40和阴极侧密封部件50中的至少一个与MEA10一体形成。
根据这样的构成，密封部件与MEA的接合体的操作容易，容易使用阳极侧密封部件40、阴极侧密封部件50、MEA10、阳极侧隔板20以及阴极侧隔板30来制作燃料电池1。特别是如果阳极侧密封部件40和阴极侧密封部件50二者都与MEA10一体形成，就更加容易制作燃料电池1。
也可以利用例如热熔接(热压)或使用粘结剂的粘合等的方法，将阳极侧密封部件40与阳极侧隔板20一体形成。另外，同样也可以利用例如热熔接(热压)或使用粘结剂的粘合等的方法，将阴极侧密封部件50与阴极侧隔板30一体形成。
根据这样的构成，密封部件和隔板的接合体的组装容易，容易使用阳极侧密封部件40、阴极侧密封部件50、MEA10、阳极侧隔板20以及阴极侧隔板30制作燃料电池1。
实施例
以下使用实施例来更详细地说明本发明，但本发明并不只限定于此。
(实施例1)
作为MEA，准备了具有图1所示的构成的Japan Gore-Tex Inc.制造的“PRIMEA(商品名)”(阳极及阴极的主面尺寸6cm×6cm)。
通过使用氟橡胶制片，并对其冲孔加工而形成将成为对应于图2所示的各集流管孔(燃料气体用集流管孔22、冷却水用集流管孔23、氧化剂气体用集流管孔25)的部分的开口部以及将成为配置MEA的部分的中央的开口部来制作阳极侧密封部件(厚度：280μm)。另外，将成为配置MEA的部分的中央的开口部的尺寸大于MEA的阳极的主面尺寸，为6.2cm×6.2cm。
即，图1所示的阳极侧间隙12a的宽度形成为1mm。
在对氟橡胶制片的将成为配置MEA的部分的中央的开口部(大致矩形的开口部)进行冲孔的时候，将图6所示的多个的突起部(长度：约1cm；厚度：约0.1cm)以大致均等间隔在每一边上各形成3个合计形成12个。还有，突起部形成为，当气体渗入阳极侧间隙12a时，如图6和图7所示，张开(变形)而使得气体不在阳极侧间隙12a中行进。
通过使用氟橡胶制片，并对其进行冲孔加工而形成将成为对应于图2所示的各集流管孔(燃料气体用集流管孔22、冷却水用集流管孔23、氧化剂气体用集流管孔25)的部分的开口部以及将成为配置MEA的部分的中央的开口部，从而制作阴极侧密封部件(厚度：280μm)。另外，将成为配置MEA的部分的中央的开口部的尺寸大于MEA的阴极的主面的尺寸，为6.1cm×6.1cm。另外，在该阴极侧密封部件上没有设置突起部。
接着，用具有燃料气体供给用的气体流道及冷却水流道的阳极侧隔板20和具有氧化剂气体供给用的气体流道及冷却水流道的阴极侧隔板30夹持上述MEA。此时，在MEA的阴极的周围配置了阴极侧密封部件，在阳极的周围配置了阳极侧密封部件。接着，在得到的阳极侧隔板、MEA、阴极侧隔板的层叠体的两端分别叠合集电板以及绝缘板，将该层叠体配置于一对端板之间，再进一步用一对加热器将所得到的层叠体进行夹持，然后使用弹簧和紧固连结器具(螺栓和螺母)进行紧固连结。另外，通过调节弹簧的长度来将MEA的紧固压力调节至7～10kgf/cm2。这样，得到了单电池1(本发明的高分子电解质型燃料电池)。
(比较例1)
与实施例1的燃料电池相比较，制作了除使用没有突起部的阳极侧密封部件(除了没有突起部之外与实施例1的阳极侧密封部件相同)之外具有与实施例1相同构成的单电池2(高分子电解质型燃料电池)。
[评价试验]
(1)熟化处理(活化处理)
将由实施例1以及比较例1得到的单电池1和单电池2控制在64℃，并分别将氢气及二氧化碳的混合气体作为燃料气体(体积比4∶1)供给阳极侧的气体流道，将空气供给阴极侧的气体流道。此时，将氢气利用率设定在75％，将空气利用率设定在40％，加湿成使得氢气和空气的露点分别达到约64℃后供给单电池。然后以电流密度0.2A·cm-2运行单电池12小时，以此进行熟化。
(2)电池输出特性评价试验
使用实施例1的单电池1和比较例1的单电池2，按照以下的工作条件测定极限燃料气体利用率。其结果表示于表1。在此，所谓“极限燃料气体利用率”是指燃料电池不发生电压下降而能够稳定发电的最大的氢气利用率。
·燃料电池的工作温度：64℃
·燃料气体(H2)利用率：在80～95％之间变动
·氧化剂气体(O2)利用率：40％固定
·燃料气体及氧化剂气体的加湿温度：64℃
在该评价试验中，电流密度为0.2A·cm-2，将氢气及二氧化碳的混合气体(体积比4∶1)供给阳极侧的气体流道，使氢气利用率在80～95％之间变化，记录经过30分钟后的输出电压。
在该评价试验中，对实施例1的单电池1及比较例1的单电池2的每一个求得极限燃料气体利用率，算出加和平均从而将其作为极限燃料气体利用率。
[表1]
  极限燃料气体利用率(％)
  实施例1   95％
  比较例1   90％
在实施例1中，即使燃料气体利用率达到95％，也不会发生电压下降。而在比较例1中，氢气利用率一旦超过了90％，电压就会开始下降。
从表1所示的结果很明显确认了，由于在本发明中的实施例1的单电池(燃料电池)的在阳极侧密封部件上形成的突起部充分地抑制了向阳极侧间隙的气体流入，所以本发明的燃料电池具有较高的极限燃料气体利用率，发挥了充分的发电性能。
另外，实施例1的单电池在测定中即使使燃料气体利用率发生变动也不发生电压的波动。但是，发现比较例1的单电池在让燃料气体利用率发生变动的整个范围中电压低于实施例1的单电池并且电压的波动也大。
产业上的可利用性
本发明的高分子电解质型燃料电池，即使在阳极侧密封部件及阴极侧密封部件与阳极及阴极的端面之间形成间隙的情况下，也可以针对电极反应有效地利用反应气体，利用简单的构成能够确保充分的发电性能，所以可以适用作家庭用热电联供系统和车载用的燃料电池。
另外，本发明的燃料电池用密封部件，利用如上所述的简单的构成能够容易并且可靠地实现能够确保充分的发电性能的高分子电解质型燃料电池，所以能够适用于家庭用热电联供系统和车载用的燃料电池中。

Claims (15)

1.一种高分子电解质型燃料电池，其特征在于：
具备：
膜电极组件，其具有高分子电解质膜以及夹着所述高分子电解质膜的阳极和阴极，所述高分子电解质膜具有氢离子传导性，
阳极侧隔板和阴极侧隔板，所述阳极侧隔板具有将燃料气体供给所述阳极的气体流道，所述阴极侧隔板具有将氧化剂气体供给所述阴极的气体流道，
阳极侧密封部件，配置在所述膜电极组件的外周部与所述阳极侧隔板的所述膜电极组件侧的侧面之间，保持所述阳极和所述阳极侧隔板之间的气密性，以及
阴极侧密封部件，配置在所述膜电极组件的外周部与所述阴极侧隔板的所述膜电极组件侧的侧面之间，保持所述阴极和所述阴极侧隔板之间的气密性，
所述阳极侧密封部件及所述阴极侧密封部件中的至少一个具有沿着所述膜电极组件的所述外周部配置的环状的主体部和在所述主体部的内侧面上设置的至少一个形状可变的突起部，
在所述主体部与所述膜电极组件之间形成有间隙，所述突起部位于所述间隙中，
所述突起部在所述内侧面上设置成使得所述突起部的长度方向与所述内侧面的面方向交叉。
2.如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于：
所述突起部在所述间隙中接触或挤压所述膜电极组件。
3.如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于：
所述突起部具有弹性。
4.如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于：
所述环状的主体部和所述突起部被一体形成。
5.如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于：
所述突起部为月牙状、瓣状、针状、弹簧状或毛状。
6.如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于：
按照与在所述间隙中流动的气流相反的方向配置所述突起部。
7.如权利要求6所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于：
所述突起部被构成为：由于流动于所述间隙中的气流而变形，并与所述膜电极组件的侧面相接触。
8.如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于：
所述阳极侧密封部件和所述阴极侧密封部件之中的至少一个与所述膜电极组件一体形成。
9.如权利要求8所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于：
所述阳极侧密封部件和所述阴极侧密封部件与所述膜电极组件一体形成。
10.如权利要求1所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于：
所述阳极侧密封部件与所述阳极侧隔板一体形成。
11.如权利要求1或10所述的高分子电解质型燃料电池，其特征在于：
所述阴极侧密封部件与所述阴极侧隔板一体形成。
12.一种燃料电池用密封部件，其特征在于：
具有环状的主体部和在所述主体部的内侧面上设置的至少1个形状可变的突起部，所述突起部在所述内侧面上被设置成使得所述突起部的长度方向与所述内侧面的面方向交叉。
13.如权利要求12所述的燃料电池用密封部件，其特征在于：
所述突起部具有弹性。
14.如权利要求12所述的燃料电池用密封部件，其特征在于：
所述主体部和所述突起部被一体形成。
15.如权利要求12所述的燃料电池用密封部件，其特征在于：
所述突起部为月牙状、瓣状、针状、弹簧状或毛状。
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