CN101176229A - 燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本发明的燃料电池具有单电池(102)并且由1个以上的上述单电池层叠而成，单电池(102)具有：MEA(4)，其具有高分子电解质膜(7)和除了该高分子电解质膜(7)的周缘部以外夹住该高分子电解质膜(7)而设置的一对气体扩散层(5)；一对自密封隔板(1)，其夹着该MEA(4)而配设，作为整体形成板状，具有有导电性的隔离部(41)以及比该隔离部(41)更有弹性的密封部(40)，至少上述隔离部(41)与上述气体扩散层(5)相接触，且上述密封部(40)包围上述气体扩散层(5)而与上述高分子电解质膜(7)的周缘部相接触；在上述自密封隔板(1)上形成容纳形成于上述气体扩散层(5)的外表面的周缘部的隆起部(51)的低部(11)，在该低部(11)配设上述密封部(40)。
Description
技术领域
本发明涉及用于便携式电源、电动汽车用电源和家庭内热电联供系统的燃料电池，特别是使用了高分子电解质膜的燃料电池。
背景技术
作为现有的燃料电池有高分子电解质型燃料电池。在这种高分子电解质型燃料电池中，夹着高分子电解质膜而形成了由催化剂反应层和气体扩散层构成的阳极和阴极，分别向阳极和阴极供给含有氢的燃料气体和空气等含有氧的氧化剂气体(以下有时将燃料气体和氧化剂气体统称为反应气体)。并且，在阳极处，由于电极反应从燃料气体中的氢原子中释放电子生成了氢离子，同时该电子通过外部回路(负载)到达阴极。另外，氢离子通过高分子电解质膜到达阴极。并且，在阴极，氢离子与电子以及氧化剂气体中的氧结合而生成水。于是，在该反应进行的时候同时产生了电力和热能。
在此，在现有的燃料电池中使用如下得到的部件：在选择性地输送氢离子的高分子电解质膜的两面形成将担载了铂等的有催化能力的金属的碳粉末作为主成分的催化剂反应层后，在该催化剂反应层的外侧形成同时具有燃料气体的通气性和电子传导性的气体扩散层。将其称为电极电解质膜接合体(MEA：Membrane Electrode Assembly)。
其次，在现有的燃料电池中使用如下得到的部件：如图16所示，包围MEA4的气体扩散层5和催化剂层6而配设与高分子电解质膜7的周缘部相接触的垫圈40，从而使得所供给的燃料气体和氧化剂气体不会外漏，各个气体也不会相互混合，再进一步配设用于将邻接的MEA4相互电串联连接的导电性隔板41。将由MEA4、垫圈40以及隔板41所构成的部件称为单电池。
在隔板41和MEA4的气体扩散层5相接触的部分，形成有用于向阳极和阴极供给反应气体并将生成气体和剩余气体排出的气体流道3。虽然气体流道3也可以与隔板41分别设置，但通常是在隔板41的表面形成沟槽，将由这个沟槽和气体扩散层5形成的流道沟槽作为气体流道3的方式。
此外，在现有的燃料电池中，由于上述高分子电解质膜7的机械强度较弱，如图17所示，也采用以保护膜10增强高分子电解质膜7的周缘部的方法(参照专利文献1、专利文献2)。
在如上述的燃料电池中，需要通过隔板41对MEA4均匀地加压。在MEA4没有被隔板41均匀地加压的情况下，产生MEA4被隔板41强加压的部分和弱加压的部分。
在此，在MEA4被隔板41强加压的部分，如上所述固体电解质膜7机械强度弱，因而会导致由于局部压力的集中而在固体电解质膜7上产生小孔。
另一方面，在MEA4被隔板41弱加压的部分，气体扩散层5和隔板41不能充分地接触，作为整体气体扩散层5和隔板41的接触面积减少，因而发电电压会降低。
再则，在MEA4被隔板41弱加压的部分，在隔板41和气体扩散层5之间会产生间隙。并且如图18所示，在从反应气体供给集流管(manifold)孔2a供给的反应气体到达反应气体排出集流管孔2b的过程中，容易穿过这个间隙(图18中的B所示的部分)，从而在气体流道3的一部分中就会产生反应气体的供给不足的部分(图18中的A所示的部分)。在反应气体的供给不足的部分中，电极反应的极化增大，因而电池性能降低。
此外，一般的固体高分子电解质膜7在湿润状态显示出高的离子传导性，所以向形成在隔板41上的气体流道3供给的反应气体为被加湿的状态。再则，由于加入电极反应的生成水，气体流道3之中成为容易产生凝结水的环境。为了防止该凝结水闭塞气体流道3，现有的燃料电池的气体流道3形成为了除去凝结水而以充分的压力供给反应气体的设计。但是，如上所述，在气体流道3的反应气体的供给不足的部分，除去凝结水的能力降低，电池性能变得降低。
因此，在如上所述的燃料电池中，为了使气体扩散层5被隔板41均匀地加压，通常使隔板41和气体扩散层5的接触面变为均匀，使与气体扩散层5相接触的隔板41的表面高度均匀。
专利文献1：专利文献1：日本特开平5-242897号公报
专利文献2：专利文献2：日本特开2004-47230号公报
发明内容
可是，在如上所述的现有的燃料电池中，隔板和气体扩散层没有充分均匀地接触。
本发明就是为了解决这样的问题而做出的，目的是提供隔板和气体扩散层充分均匀地接触的燃料电池。
本发明者为了解决上述课题专心研讨的结果是，彻底查明了原因在于在制造气体扩散层的时候在气体扩散层外表面的周缘部形成有隆起部。即，在制造气体扩散层的时候，一般使用将气体扩散层由大面积的整布(whole cloth)切断加工成目标尺寸的方法。但是，切断加工时在气体扩散层的切断端面形成了隆起部，气体扩散层不会达到均匀的厚度。加工时厚度的变化根据气体扩散层的尺寸和材料等稍有不同，比如在实际当中切断加工碳布(Toray Industries.Inc.：CO6645B)，测定其厚度的结果为，在从气体扩散层的切断端面到1mm内侧为止的周缘部中，厚度比其他部分增大5％～10％。另外，如图17所示，在用保护膜增强高分子电解质膜的周缘部的时候，在气体扩散层的外表面的周缘部上形成的隆起部会变大，周缘部的厚度会进一步增大。
因此，本申请发明人发现了即使如现有技术那样使与气体扩散层相接触的隔板的表面高度均匀，在气体扩散层外表面的周缘部形成有隆起部的情况下，也不能使隔板和气体扩散层的接触面均匀。
并且，使用如上所述的周缘部变厚的气体扩散层制造燃料电池后，很明显在超过10000小时的长时间使燃料电池进行工作的情况下，会促进高分子电解质膜的劣化。推测其原因是气体扩散层的周缘部局部挤压高分子电解质膜。
因此，本发明的燃料电池具有单电池并且是由1个以上的上述单电池层叠而成，上述单电池具有MEA和一对自密封隔板，所述MEA具有高分子电解质膜和一对气体扩散层，上述一对气体扩散层设置成夹住除了该高分子电解质膜的周缘部以外的该高分子电解质膜；所述一对自密封隔板被配设成夹着该MEA，作为整体形成为板状，具有有导电性的隔离部以及比该隔离部更有弹性的密封部，至少上述隔离部与上述气体扩散层相接触，而且上述密封部包围上述气体扩散层而与上述高分子电解质膜的周缘部相接触；其中，在上述自密封隔板上形成有低部，该低部容纳形成于上述气体扩散层的外表面的周缘部的隆起部，且在该低部配设了上述密封部。
形成如此构成后，在气体扩散层外表面的周缘部所形成的隆起部被容纳在上述低部，因而能够使自密封隔板的隔离部和气体扩散层充分均匀地接触。另外，由于密封部被配设于上述低部，所以密封部和隔离部的定位变得简单，燃料电池的组装也变得容易。
上述低部也可以具有沟槽，该沟槽被形成于上述自密封隔板的内面并容纳上述隆起部，并且在该沟槽中配设上述密封部。
上述低部也可以具有台阶部，该台阶部在上述自密封隔板的内面形成为低于其它部分且可容纳上述隆起部，并且上述密封部被配设于该台阶部中。
上述低部也可以具有在上述自密封隔板的内面形成的沟槽，上述密封部被配置于该沟槽，该密封部具有凸部和弹性膜部，上述凸部与上述MEA的高分子电解质膜的周缘部接触，上述弹性膜部在该沟槽的未形成该凸部的区域的底面上形成为膜状且进行弹性变形而容纳上述隆起部。
本发明的燃料电池具有单电池并且是由1个以上的上述单电池层叠而成，上述单电池具有：MEA，该MEA具有高分子电解质膜和一对气体扩散层，上述一对气体扩散层设置成夹住除了该高分子电解质膜的周缘部以外的该高分子电解质膜；一对自密封隔板，其配设成夹着该MEA，作为整体形成为板状，具有有导电性的隔离部以及比该隔离部更有弹性的密封部，至少上述隔离部与上述气体扩散层相接触，而且上述密封部包围上述气体扩散层而与上述高分子电解质膜的周缘部相接触；其中，在上述自密封隔板上形成有低部，该低部容纳形成于上述气体扩散层的外表面的周缘部的隆起部，并且该低部具备沟槽和弹性膜，上述沟槽形成在上述自密封隔板的内面，上述弹性膜架设于该沟槽的开口部。
另外，本发明的燃料电池具有单电池并且是由1个以上的上述单电池层叠而成，上述单电池具有：MEA，该MEA具有高分子电解质膜和一对气体扩散层，上述一对气体扩散层设置成夹住除了该高分子电解质膜的周缘部以外的该高分子电解质膜；一对自密封隔板，其配设成夹着该MEA，作为整体形成为板状，具有有导电性的隔离部以及比该隔离部更有弹性的密封部，至少上述隔离部与上述气体扩散层相接触，而且上述密封部包围上述气体扩散层而与上述高分子电解质膜的周缘部相接触；其中，在上述自密封隔板上形成有隆起部容纳部，该隆起部容纳部容纳形成于上述气体扩散层的外表面的周缘部的隆起部，该隆起部容纳部具备贯通孔和弹性填充材料，上述贯通孔在上述自密封隔板的内面形成，上述弹性填充材料填充在该贯通孔内且进行弹性变形而容纳上述隆起部。
此外，本发明的燃料电池具有单电池并且是由1个以上的上述单电池层叠而成，上述单电池具有：MEA，该MEA具有高分子电解质膜和一对气体扩散层，上述一对气体扩散层设置成夹住除了该高分子电解质膜的周缘部以外的该高分子电解质膜；一对自密封隔板，其配设成夹着该MEA，作为整体形成为板状，具有有导电性的隔离部以及比该隔离部更有弹性的密封部，至少上述隔离部与上述气体扩散层相接触，而且上述密封部包围上述气体扩散层而与上述高分子电解质膜的周缘部相接触；其中，在上述自密封隔板上形成有隆起部容纳部，该隆起部容纳部容纳形成于上述气体扩散层的外表面的周缘部的隆起部，上述自密封隔板的第一部分和该第一部分以外的第二部分分别由上述隔离部和上述密封部构成，上述第一部分与上述气体扩散层的位于形成有上述隆起部的内侧的部分相接触，该密封部进行弹性变形而容纳上述隆起部，从而构成上述隆起部容纳部。
形成如此构成后，能够节省用于燃料电池的部件的加工的工时，因而能够提高燃料电池的生产性。
本发明的上述目的、其他目的、特征和优点通过参照附图从以下的优选的实施方式的详细说明中会明确。
本发明具有上述的构成，在燃料电池中起到能够使自密封隔板的隔离部和气体扩散层充分地接触的效果。
附图说明
图1是表示用于本发明的第一实施方式的燃料电池中的隔板的构成的平面图。
图2是表示用于本发明的第一实施方式的燃料电池中的单电池的部分截面图，是沿着图1所示的II-II线切断隔板而切断该单电池的情况下的截面图。
图3是表示本发明的第一实施方式的燃料电池的构成的分解立体图。
图4是表示用于本发明的第二实施方式的燃料电池中的隔板的构成的平面图。
图5是表示用于本发明的第二实施方式的燃料电池中的单电池的部分截面图，是沿着图4所示的V-V线切断隔板而切断该单电池的情况下的截面图。
图6是表示用于本发明的第三实施方式的燃料电池中的单电池的部分截面图。
图7是表示用于本发明的第四实施方式的燃料电池中的单电池的部分截面图。
图8是表示用于本发明的第五实施方式的燃料电池中的隔板的构成的平面图。
图9是表示用于本发明的第五实施方式的燃料电池中的单电池的部分截面图，是沿着图8所示的IX-IX线切断隔板而切断该单电池的情况下的截面图。
图10是表示用于本发明的第六实施方式的燃料电池中的隔板的构成的平面图。
图11是表示用于本发明的第六实施方式的燃料电池中的单电池的部分截面图，是沿着图10所示的XI-XI线切断隔板而切断该单电池的情况下的截面图。
图12是表示用于本发明的第七实施方式的燃料电池中的隔板的构成的平面图。
图13是表示用于本发明的第七实施方式的燃料电池中的单电池的部分截面图，是沿着图12所示的XIII-XIII线切断隔板而切断该单电池的情况下的截面图。
图14是表示用于本发明的第八实施方式的燃料电池中的隔板的构成的平面图。
图15是表示用于本发明的第八实施方式的燃料电池中的单电池的构成的部分截面图，是沿着图14所示的XV-XV线切断隔板而切断该单电池的情况下的截面图。
图16是表示用于现有的燃料电池中的单电池的部分截面图。
图17是表示用于现有的燃料电池中的单电池的部分截面图。
图18是表示在现有的燃料电池内的反应气体的流动的示意图。
符号的说明
1 自密封隔板
2 集流管孔
2a 反应气体供给集流管孔
2b 反应气体排出集流管孔
3 气体流道
4 MEA
5 气体扩散层
6 催化剂层
7 高分子电解质膜
8 集电板
9 端板
10 保护膜
11 隆起部容纳部(低部、沟槽和低位台阶部)
11a 沟槽
12 弹性填充体
12a 凹部
13 弹性膜
13a 凹部
14 贯通孔
40 密封部(垫圈)
40a 凸部
40b 弹性膜部
40c 板周缘部
40d 凹部
41 隔离部(隔板)
51 隆起部
101 电池堆
102 单电池
103 流道形成区域
A 气体不足的区域
B 穿过的反应气体
具体实施方式
以下参照附图说明本发明的实施方式。
(第一实施方式)
图1是表示用于本发明的第一实施方式的燃料电池中的隔板的构成的平面图。图2是表示用于本发明的第一实施方式的燃料电池中的单电池的构成的部分截面图，是沿着图1所示的II-II线切断隔板而切断该单电池的情况下的截面图。图3是表示本发明的第一实施方式的燃料电池的构成的分解立体图。
如图1和图2所示，本实施方式的燃料电池具备自密封隔板1。自密封隔板1具有隔离部41和在这个隔离部41上形成的密封部40。隔离部41相当于所谓的隔板，在此形成为矩形的板状。并且，在隔离部41的一个主面(以下称内面)上，配设通常的密封部件(在此称为垫圈)而形成了密封部40。如此，在本发明中，将具备密封部件的隔板，即，将隔板和配设在隔板上的密封部件总称为自密封隔板1，把相当于隔板的部分称作为隔离部41，把相当于密封部件的部分称作为密封部40。
自密封隔板1在后述的每一个单电池102中配设一对。首先，就一方的自密封隔板1进行说明。
一方的自密封隔板1的隔离部41可以用具有刚性的导电性板材加以制造。比如，可以利用在玻璃碳制的板的表面上通过切削加工形成后述的气体流道3的方法制造隔离部41。另外，也可以将热可塑性树脂(聚乙烯、聚乙烯醇等)或热固化性树脂(酚醛树脂、环氧树脂等)作为粘合剂添加于天然石墨和人造石墨等的导电性碳材料中，并将所得到的材料在该树脂(热可塑性树脂或热固化性树脂)不会石墨化的温度下加以加热压缩成形、传递模塑或注射成形来制造隔离部41。再则，也可以通过冲压加工金属制的板(不锈钢、电镀了的铜、铁等)来制造隔离部41。在这个隔离部41的周缘部，形成有分别供给和排出2种反应气体(燃料气体和氧化剂气体)的二对集流管孔2，它们沿厚度方向贯通该隔离部41。而且，以连接一对集流管孔2的方式形成了一种反应气体的流道(以下称气体流道)3。气体流道3的大部分形成于隔离部41的内面的除去周缘部的规定的区域(以下称流道形成区域)103中。如后所述，这个流道形成区域103是在自密封隔板1被排入单电池102时接触MEA4的气体扩散层5的除了隆起部51以外的部分的区域。气体流道3由形成于隔离部41的内面的沟槽所构成，形成为具有许多分流道。
并且，包围流道形成区域103而形成了隆起部容纳部11。隆起部容纳部11由作为形成于隔离部41的内面的低部的沟槽中所构成。在本发明中，所谓低部是包含沟槽(第二、第三、第五和第七实施方式)和低位台阶部(第六实施方式)的概念。如后所述，隆起部容纳部11是在自密封隔板1被排入单电池102时MEA4的气体扩散层5的隆起部51所在的区域。隆起部51环状形成于气体扩散层5的周缘部。并且，隆起部容纳部11形成为，在隔离部41的流道形成区域103与气体扩散层5的除了隆起部51的区域相接触的状态下，具有可容纳隆起部51的宽度和深度。隆起部容纳部11形成得比气体流道3浅，因此被形成在流道形成区域103和集流管孔2之间的气体流道3切断(在气体流道3上不形成隆起部容纳部11)。隆起部容纳部11，作为隔离部41的一个区域，由成形加工和注射成形加工等而形成。另外，隆起部容纳部11在做成隔离部41后通过切削加工而形成。隆起部容纳部11的沟槽的深度，有必要根据气体扩散层的材质、尺寸、加工精度等来进行最佳设计，但只要在由下式所求得的值以上即可。
沟槽的深度＝(tr-t×β)×α
在此，如图2所示，tr为气体扩散层5的隆起部51的厚度，t为气体扩散层5的隆起部51以外的部分的厚度。另外，β为气体扩散层5连结时的压缩率(在组装成电池堆的状态下的压缩率)，α为由隔离部41和气体扩散层5的公差所确定的系数(安全系数)。
并且，将密封部40形成为包围这个隆起部容纳部11和二对集流管孔2。关于另一对的各个集流管孔，密封部40为包围其而形成。密封部40形成的高度为，在自密封隔板1被排入单电池2的状态下可与MEA4的高分子电解质膜7的周缘部相接触的高度。在此，密封部40形成为使得由具有比隔离部41大的弹性的材料构成的密封部件嵌入在形成于隔离部41的内面的沟槽中(未图示)。作为构成密封部40的密封材料，如果是能够得到本发明的作用效果的，就没有特别的限定，但可以列举一些下述优选的例子，比如使用了氟橡胶、硅橡胶、天然橡胶、乙丙橡胶(EPDM)、丁基橡胶、氯化丁基橡胶、溴化丁基橡胶、丁二烯橡胶、苯乙烯-丁二烯共聚物、乙烯-醋酸乙烯橡胶、丙烯酸橡胶、聚异丙烯聚合物、全氟化碳、热可塑性弹性体(聚苯乙烯类弹性体、聚烯烃类弹性体、聚酯类弹性体和聚酰胺类弹性体等)、乳胶(异戊间二烯橡胶和丁二烯橡胶等)的粘合剂，液状的粘合剂(使用了聚丁二烯、聚异戊二烯、聚氯丁二烯、硅橡胶、氟橡胶和丙烯腈-丁二烯橡胶等的粘合剂)等。还有，上述的密封材料既可以单体使用又可以2种以上混合使用，也可以将2种以上进行复合使用从而构成密封部40。
另外，除上述密封材料以外，可以进一步适当配合阻燃剂和增塑性剂等的添加剂而构成密封部40，可以实现阻燃性的提高和可塑性的提高等目标功能的提高。
作为上述阻燃剂，只要是能够得到本发明的作用效果的，就没有特别的限定，但可以优选列举，比如氯化石蜡、全氯环癸烷、氯桥酸、磷酸酯、膦酸酯(phosphonate)、膦杂环己烷(phosphorinane)、氯化磷酸酯、氯化二磷酸酯(chlorinated diphosphonate)、溴化磷酸酯、四溴化苯二酸酐、聚二溴苯醚、聚四溴化苯乙烯、六溴化环十二烷、三聚氰胺磷酸盐、磷酸酯双三聚氰胺盐(dimelamine phosphate)和聚磷酸铵等。
作为上述增塑剂，只要是能够得到本发明的作用效果的，就没有特别的限定，但可以优选列举比如苯二酸酯、己二酸二辛酯、己二酸二异壬酯、偏苯三酸酯、均苯四酸酯和四羧酸联苯酯等。
接着，说明另一方的自密封隔板1。在这另一方的自密封隔板1上，以连接另一对集流管孔2的方式形成了另一种反应气体的气体流道3。并且，密封部40形成为包围一对的各集流管孔2，而不是包围另一对的各个集流管孔。除此以外的方面与一方的自密封隔板1同样。
然后，由形成有这一对自密封隔板1的流道形成区域103的面(内面)夹住MEA4而形成了单电池102。MEA4由公知的部件所构成，并且在背景技术栏里也有说明，所以在此省略其详细说明。MEA4是通过在除了高分子电解质膜7的周缘部以外的部分的各个面上分别层叠催化剂层6和气体扩散层5而构成。并且，在气体扩散层5的周缘部形成了由加工方法引起的隆起部51。气体扩散层5由具有通气性和电子传导性的材料所构成的。作为这样的材料，可以列举织布(比如碳布)、无纺布、纸、冲孔金属、钢丝棉以及将冲孔金属和钢丝棉组合后的材料。另外，气体扩散层5优选以具有弹性的材料构成。
在单电池102中，MEA4的气体扩散层5的除了隆起部51的部分和自密封隔板1的流道形成区域103相接触。由此，流过气体流道3的反应气体被供给电极(气体扩散层5和催化剂层6)。另外，气体扩散层5的隆起部51被容纳于自密封隔板1的隆起部容纳部11中。而且，自密封隔板1的密封部40的前端与MEA4的高分子电解质膜7的周缘部相接触。由此防止反应气体向外部泄漏和2种反应气体相互混合。
然后，如图3所示，将该单电池102在厚度方向以规定数层叠，在这个单电池102的层叠体的各端分别配置集电板8、绝缘板(未图示)和端板9，而且在形成在各个单电池102、集电板8、绝缘板和端板9上的螺栓插通孔(未图示)中插入紧固连结螺栓(未图示)并用螺帽加以紧固连结，由此形成了电池堆101。这个由紧固连结螺栓形成的紧固连结力设定为规定的值。在这个电池堆101中，各个自密封隔板1的各个集流管孔2连接在一起从而形成了各个集流管。由此，从电池堆101的外部将各个反应气体分别供给各反应气体供给侧的集流管，该供给的各反应气体通过单电池102的气体流道3，由各反应气体排出侧的集流管向电池堆101外部排出。于是，在那个过程中各反应气体分别供给各个单电池102的各个电极，在电极上发生化学反应，从而产生了电和热。于是，没有参与该化学反应的剩余的反应气体向排出侧的集流管流出。
以下就关于如上所述所构成的燃料电池的作用效果加以说明。
在本实施方式的燃料电池中，隆起部容纳部11形成于自密封隔板1的内面，在该隆起部容纳部11内容纳MEA4的气体扩散层5的隆起部51，所以在该隆起部51上不会增加来自于自密封隔板1的压力。因此，能够使自密封隔板1的隔离部41和MEA4的气体扩散层5充分均匀地进行接触。其结果是能够提高燃料电池的电池性能，而且能够延长电池的寿命。
[变形例]
作为隆起部容纳部11，也可以将贯通孔形成于隔离部41上来替代上述的沟槽。形成这样的构成，也能够得到与上述情况同样的效果。
(第二实施方式)
图4是表示用于本发明的第二实施方式的燃料电池的隔板的构成的平面图。图5是表示用于本发明的第二实施方式的燃料电池的单电池的构成的部分截面图，是沿着图4所示的V-V线切断隔板从而切断该单电池的情况下的截面图。在图4和图5中，对于与图1和图2相同或相当的部分标记相同符号并省略其说明。
如图4和图5所示，在本实施方式中，相当于构成第一实施方式的隆起部容纳部11的沟槽的沟槽(低部)11a和埋入该沟槽11a而形成的弹性填充体12构成了隆起部容纳部11。在弹性填充体12的表面形成凹部12a，其具有可正好容纳MEA4的气体扩散层5的隆起部51的形状，也就是与隆起部51的外表面形状相对应的内面形状。除此之外的方面和第一实施方式同样。
作详细的说明的话，比如在自密封隔板1的隔离部41的内面形成沟槽11a后，在该沟槽11a中填充弹性材料从而形成弹性填充体12，并且在此时使用模具等将该弹性填充体12的表面形状形成为与MEA4的气体扩散层5的隆起部51的外表面形状大致对应的形状，由此形成了本实施方式的隆起部容纳部11。这时，凹部12a优选形成为其深度成为比距离气体扩散层5的隆起部51以外的其他部分的突出高度稍小。这样，在单电池102中隆起部51与弹性填充体12接触，弹性填充体12被该隆起部51挤压而弹性收缩，由此，在其表面形成了正好对应于隆起部51的形状的凹部12a。
弹性填充体12由氟橡胶、硅橡胶和乙丙橡胶(EPDM)等的橡胶材料、树脂材料和粘合剂这样的液状材料等构成，但只要是被气体扩散层5的隆起部51挤压而凹陷的材料就没有特别的限定。
以下就如上所述构成的燃料电池的作用效果加以说明。
在本实施方式的燃料电池中，在单电池102被组装的状态下，即，在自密封隔板1的内面和MEA4的气体扩散层5相接触的状态下，气体扩散层5的隆起部51与隆起部容纳部11的弹性填充体12的表面相接触，在该弹性填充体12的表面形成了正好对应于隆起部51形状的凹部12a。由此，弹性填充体12和气体扩散层5的隆起部51无间隙地接触，所以能够防止反应气体从有透气性的气体扩散层5的隆起部51向沟槽11a漏出。
[变形例]
弹性填充体12也可以通过使自密封隔板1和MEA4的气体扩散层5相接触后，将液状的弹性材料流入到沟槽11a并使其固化而形成。形成这样的构成也可以得到与上述构成同样的效果。
另外，也可以用充分柔软的材料构成弹性填充体12，不预先形成凹部12a。也就是说，也可以完全填埋沟槽11a并且使其表面变得平坦而形成弹性填充体12。这时，在单电池102中隆起部51与弹性填充体12的平坦表面相接触，由此，其平坦表面塌陷，形成与弹性填充体12正好对应的形状的凹部，隆起部51被容纳于该凹部。如此，本发明的燃料电池的隆起部容纳部11只要在组装成单电池102的状态下容纳气体扩散层5的隆起部51即可。形成这样的构成也能够得到与上述构成同样的效果。
(第三实施方式)
图6是表示用于本发明的第三实施方式的燃料电池的单电池的部分截面图。在图6中，对与图5相同或相当的部分上标记同一个符号，省略其说明。
如图6所示，在本实施方式中，自密封隔板1的隆起部容纳部11由第二实施方式的沟槽(低部)11a和在该沟槽11a的开口部架设而形成的弹性膜13构成的。弹性膜13由氟橡胶、硅橡胶和乙丙橡胶(EPDM)等的橡胶材料构成，但只要是被气体扩散层5的隆起部51挤压而弯曲的材料就没有特别的限定。除此以外的方面与第二实施方式同样。
以下就如上所述构成的燃料电池的作用效果加以说明。
在本实施方式中，自密封隔板1的隆起部容纳部11是通过形成架设于沟槽11a的开口部分的弹性膜13而构成。该弹性膜13在自由状态为平板状，但在单电池102被组装了的状态下，即，自密封隔板1的内面和MEA4的气体扩散层5相接触的状态下，接触气体扩散层5的隆起部51，该弹性膜13沿着该隆起部51的外表面变形。由此，在弹性膜13的外表面侧形成了正好对应于隆起部51的形状的凹部13a，该隆起部51被容纳于该凹部13a内。由此，因为弹性膜13和气体扩散层5的隆起部51无间隙地接触，所以能够防止反应气体从有透气性的气体扩散层5的隆起部51向沟槽11a漏出。
(第四实施方式)
图7是表示用于本发明的第四实施方式的燃料电池的单电池的部分截面图。在图7当中，对与图5相同或相当的部分标记同一符号，省略其说明。
如图7所示，在本实施方式中，替代第二实施方式的沟槽11a，而形成具有与该沟槽11a相同的平面形状且沿厚度方向贯通自密封隔板1的隔离部41的贯通孔14，填埋该贯通孔14而形成弹性填充体12，该贯通孔14和该弹性填充体12构成了隆起部容纳部11。在弹性填充体12的表面形成了和第二实施方式同样的凹部12a。除此之外的方面和第二实施方式同样。
以下就如上所述构成的燃料电池的作用效果加以说明。
在本实施方式的燃料电池中，在单电池102被组装的状态下，气体扩散层5的隆起部51与隆起部容纳部11的弹性填充体12的表面相接触，在该弹性填充体12的表面形成了正好对应于隆起部51的形状的凹部12a。由此，因为弹性填充体12和气体扩散层5的隆起部51无间隙地接触，所以能够防止反应气体从有透气性的气体扩散层5的隆起部51向沟槽11a漏出。
(第五实施方式)
图8是表示用于本发明的第五实施方式的燃料电池的隔板的构成的平面图。图9是表示用于本发明的第五实施方式的燃料电池的单电池的构成的部分截面图，是沿着图8所示的IX-IX线切断隔板而切断该单电池的状况下的截面图。在图8和图9中，对与图1和图2相同或相当的部分标记同一符号，省略其说明。
如图8和图9所示，在本实施方式中，自密封隔板1的隆起部容纳部11由在隔离部41的内面所形成的沟槽构成，该沟槽包含在第一实施方式里的密封部41的形成区域而形成得较宽。并且，在该沟槽(低部)内形成了密封部40。除了形成有该沟槽的密封部40的区域之外的区域，在隔离部41的流道形成区域103与气体扩散层5的除了隆起部5 1以外的区域相接触的状态下，形成为具有可容纳隆起部51的宽度和深度。除此之外的方面与第一实施方式同样。
以下就如上所述构成的燃料电池的作用效果加以说明。
在本实施方式的燃料电池中，隆起部容纳部11形成为具有可容纳隆起部51和密封部40的宽度和深度，所以能够沿隆起部容纳部11的外周侧的内侧面配设密封部40。其结果为密封部40和隔离部41的定位变得简单，因而燃料电池的组装变得容易。
(第六实施方式)
图10是表示用于本发明的第六实施方式的燃料电池中的隔板的构成的平面图。图11是表示用于本发明的第六实施方式的燃料电池中的单电池的构成的部分截面图，是沿图10所示的XI-XI线切断隔板而切断该单电池的情况下的截面图。在图10和图11中，对与图1和图2相同或相当的部分标记同一符号，省略其说明。
如图10和图11所示，在本实施方式中，自密封隔板1的隆起部容纳部11由低位台阶部(低部)构成，该低位台阶部(低部)在隔离部41的内面形成为包围流道形成区域103并且比该流道形成区域103(准确的说是未形成反应气体流道3的部分)低一台阶。并且，在该低位台阶部形成了密封部40。该低位台阶部与流道形成区域103的高低差与第一实施方式的隆起部容纳部11的沟槽的深度同样进行确定。另外，该低位台阶部的在密封部40的内侧的区域形成为，在隔离部41的流道形成区域103与气体扩散层5的除了隆起部51以外的区域相接触的状态下，具有可容纳隆起部51的宽度。除此之外的方面与第一实施方式同样。
形成如上所述的构成也起到与第一实施方式的燃料电池同样的效果。
(第七实施方式)
图12是表示用于本发明的第七实施方式的燃料电池中的隔板的构成的平面图。图13是表示用于本发明的第七实施方式的燃料电池中的单电池的构成的部分截面图，是沿图12所示的XIII-XIII线切断隔板而切断该单电池的情况下的截面图。在图12和图13中，对与图8和图9相同或相当的部分标记同一符号，省略其说明。
如图12和图13所示，本实施方式为将第五实施方式变形的方式，在本实施方式中跨过在第五实施方式的沟槽(低部)11a的全区域形成了密封部40。在本实施方式的密封部40由相当于第五实施方式的密封部40的凸部(在单电池102被组装了的状态下与MEA4的高分子电解质膜7相接触的部分)40a和在沟槽11a的未形成凸部40a的区域的底面形成为膜状的弹性膜部40b所构成。弹性膜部40b由与凸部40a相同的弹性材料所构成，并且与该凸部40a形成一体。该弹性膜部40b形成为具有规定的厚度。将该规定的厚度确定为比如在单电池102组装的时候MEA4的气体扩散层5的隆起部51与其表面相接触时，该弹性膜部40b能够充分凹陷从而能够容纳该隆起部51的厚度。该规定的厚度由实验等来确定。另外，本实施方式的沟槽11a，与在第五实施方式中的沟槽11a相比较，形成为加深了弹性膜部40b的厚度的量。于是，本实施方式的隆起部容纳部11由沟槽11a和弹性膜部40b构成。
以下就如上所述构成的燃料电池的作用效果加以说明。
在本实施方式的燃料电池中，在自密封隔板1的隆起部容纳部11中，在沟槽11a内形成了由凸部40a和弹性膜部40b构成的密封部40，弹性膜部40b延续地存在于沟槽11a内没有形成凸部40a的区域的底面，气体扩散层5的隆起部51与该弹性膜部40b相接触，所以能够减少反应气体从隆起部51漏出。
(第八实施方式)
图14是表示用于本发明的第八实施方式的燃料电池中的隔板的构成的平面图。图15是表示用于本发明的第八实施方式的燃料电池中的单电池的构成的部分截面图，是切断该单电池以使得沿图14中表示的XV-XV线切断隔板的情况下的截面图。在图14和图15中，对与图4和图5相同或相当的部分标记同一符号，省略其说明。
本实施方式是将第二实施方式进行变形后的实施方式。在第二实施方式中，自密封隔板1由在电池堆101中起到隔离相邻接的MEA4彼此的作用的板状部分(相当于通常的隔板部分，以下称为板部)与从该板部分内面突出而与MEA4的周缘部相接触由此起到防止反应气体泄漏的作用的凸状部分(以下称凸部)所构成。并且，全部的板部由隔离部41所构成，只有凸部由密封部40构成。与此相对，在本实施方式中，如图14和图15所示，自身密封隔离板1为，在该板部中只有具有流道形成区域103的部分(第一部分)实质性地由隔离部41所构成，剩下的部分(第二部分)即包围着具有流道形成区域103的部分的板部的周缘部分(以下称板周缘部)由密封部40构成。因此，在本实施方式中，密封部40由该板周缘部40c和从该板周缘部40c内面突出而形成的凸部40a所构成，并且它们一体形成。另外，在板周缘部40c上形成有集流管孔2和气体流道3的将集流管孔2和形成在气体流道3的流道形成区域103的部分相连接的部分3a。并且，在板周缘部40c的内面形成了凹部40d并使其具有与第二实施方式的弹性填充体12的凹部12a同样的位置和形状，气体扩散层5的隆起部51容纳于该凹部40d。因此，在本实施方式中，密封部40(更详细的说是板周缘部40c)构成了隆起部容纳部11。密封部40和隔离部41，比如由二重成形(double molding)加工而形成一体。除此之外的方面和第二实施方式同样。
以下就如上所述所构成的燃料电池的作用效果加以说明。
在本实施方式的燃料电池中，在单电池102被组装后的状态下，即在自密封隔板1的内面和MEA4的气体扩散层5相接触的状态下，板周缘部40c的凹部40d的内面被气体扩散层5的隆起部51挤压而稍有凹陷，由此，凹部40d成为具有正好对应于隆起部51的形状的部分。由此，板周缘部40c和气体扩散层5的隆起部51无间隙地接触，所以能够防止反应气体从具有透气性的气体扩散层5的隆起部51漏出到沟槽11a。另外，因为例如可以用二重成形而简单地将具有以相互不同的材料构成的隔离部41和密封部40的自密封隔板1制作成一体，故能够省去用于燃料电池的部件的加工工时，能够提高燃料电池的生产性。
[变形例]
在本实施方式中也能够构成与第二实施方式的变形例同样的变形例。具体是，也可以由充分柔软的材料构成密封部40，不预先形成凹部40d。也就是说，也可以将密封部40的板周缘部40c形成为除了形成有凸部40a的部分以外都具有平坦的表面。这时，在单电池102中，隆起部51与板周缘部40c的平坦表面相接触，由此，其平坦表面凹陷，在板周缘部40c形成正好对应于隆起部51的形状的凹部40d，隆起部51被容纳于该凹部40d。形成这样的构成后也能够得到与上述构成同样的效果。
还有，在上述实施方式中，不仅包括在气体扩散层5的外表面的周缘部所形成的隆起部51在气体扩散层5切断的时候所形成的情况，也包括在将具有在切断时候没有隆起部的气体扩散层5的MEA4组装成电池堆101时由其压力所形成的情况。
通过上述说明，对于本领域技术人员来说本发明的很多改良和其他的实施方式是很明显的。因此，上述说明应当仅仅作为例示进行解释，是为了给本领域技术人员教导实施本发明的最佳的方式而提供的。可以不脱离本发明的精神而对其构造以及/或者功能的详细情况进行实质性变更。
产业上的可利用性
本发明的燃料电池作为隔板和气体扩散层充分均匀地相接触的燃料电池是有用的。
Claims (4)
1.一种燃料电池，其特征在于：
具有单电池并且是由1个以上的所述单电池层叠而成，所述单电池具有MEA和一对自密封隔板，所述MEA具有高分子电解质膜和一对气体扩散层，所述一对气体扩散层设置成夹住除了该高分子电解质膜的周缘部以外的该高分子电解质膜；所述一对自密封隔板被配设成夹着该MEA，作为整体形成为板状，具有有导电性的隔离部以及比该隔离部更有弹性的密封部，至少所述隔离部与所述气体扩散层相接触，而且所述密封部包围所述气体扩散层而与所述高分子电解质膜的周缘部相接触；其中，
在所述自密封隔板上形成有低部，该低部容纳形成于所述气体扩散层的外表面的周缘部的隆起部，且在该低部配设了所述密封部。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：
所述低部为形成于所述自密封隔板的内面并容纳所述隆起部的沟槽，而且所述密封部被配设于该沟槽中。
3.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：
所述低部为台阶部，该台阶部在所述自密封隔板的内面形成为低于其它部分且可容纳所述隆起部，并且所述密封部被配设于该台阶部中。
4.如权利要求1所述的燃料电池，其特征在于：
所述低部为在所述自密封隔板的内面形成的沟槽，在该沟槽中配设有密封部，该密封部具有凸部和弹性膜部，所述凸部与所述MEA的高分子电解质膜的周缘部相接触，所述弹性膜部在该沟槽的未形成该凸部的区域的底面形成为膜状并且经过弹性变形而容纳所述隆起部。
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