CN101375445B - 燃料电池及叠层 - Google Patents

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Abstract

在集成有密封垫的MEA(45)中，具有密封部分(459)的框架(450)一体地形成在膜电极组件(MEA部分451)周围，绕着具有较低刚性的框架(450)设有具有比框架(450)高的刚性的高刚性部件(458)。

Description

燃料电池及叠层
技术领域
本发明涉及燃料电池和叠层，尤其涉及在电解质膜的两侧上具有阳极和阴极的叠层和具有堆叠结构的燃料电池，在所述堆叠结构中，多个叠层借助将叠层夹在中间的分离器堆叠在彼此上。
背景技术
通过氢与氧之间的电化学反应发电的燃料电池吸引了能源方面的关注。燃料电池具有堆叠结构，其中，各膜电极组件在电解质膜两侧都具有阳极(氢电极)和阴极(氧电极)，以及交替堆叠的分离器(具有这种堆叠结构的燃料电池在下文中也称为“燃料电池堆”)。
关于这种燃料电池堆，已经提出了防止反应气体(燃料气体和氧化剂气体)泄漏的各种技术。例如，JP-A-2000-133290描述了一种各膜电极组件与弹性封装元件结合在一起的燃料电池堆的结构。JP-A-2004-6104描述了一种在膜电极组件与分离器之间插入密封件的燃料电池堆的结构。在这种燃料电池堆中，通常沿燃料电池堆的堆叠方向施加紧固载荷，以确保弹性封装元件或密封件的密封性能。
但是，当向燃料电池堆的反应气体通道供给气体时，有时会向其施加例如约200至300(kPa)的高压力。因此，即使向燃料电池堆施加紧固载荷，该高压力也会使密封件变形，沿着平行于堆叠平面的方向移动密封件，减小了密封件的密封性能。当使用具有较低刚性的材料(例如，橡胶)作为密封件时，常常会发现这种缺陷。
发明内容
本发明的目的是防止在燃料电池堆中供给反应气体时由于密封件的变形引起密封性能的恶化。
本发明的第一方面涉及具有堆叠结构的燃料电池，其中多个叠层与夹着所述叠层的分离器彼此堆叠在各自的上面，每个叠层都包括布置在电解质膜两侧的阳极和阴极。各所述叠层都具有在其外围上一体形成的密封件，用于防止供给到所述叠层表面上的反应气体的泄漏，并且具有比所述密封件更高刚性的高刚性部件环绕所述密封件的至少一部分。
在所述燃料电池中，由于所述高刚性部件可防止所述密封件的变形，所以可防止在燃料电池堆中供给反应气体时密封材料变形引起的密封性能退化。
所述密封件可由弹性材料制成。
由于由弹性材料制成的密封件具有较低的刚性，并且可容易地改变形状，所以其特别有用。
所述高刚性部件可与所述密封件一体地形成。
当制造具有在其外围一体形成有密封件的叠层时，有时由于所述叠层与所述密封件之间的线性膨胀系数的不同，所述密封件的外围部分会极大地变形。但是，由于一体形成有环绕所述密封件至少一部分的高刚性部件，所以当制造具有一体形成在其外围的密封件的所述叠层时，可防止因所述叠层与所述密封件之间的线性膨胀系数不同引起的所述密封件的变形。
所述高刚性部件可具有用于防止所述密封件沿所述堆叠结构堆叠方向变形的抑制部分。
这样，可防止所述密封件沿所述堆叠结构堆叠方向的过度变形引起的密封性能的退化。
所述高刚性部件可具有可与所述分离器的外围的至少一部分配合的配合部分。
这样，在堆叠所述叠层和所述分离器中可方便并且高准确度地进行沿表面方向的定位。
并且，当所述密封件由可高度收缩的材料制成时，所述密封件的收缩力会施加在所述叠层上，破坏所述阳极或阴极。当所述分离器的外围与所述高刚性部件的所述配合部分配合在一起时，由于在所述密封件上施加了向外的张力，所以可减小所述密封件作用在所述叠层上的收缩力。因此，可防止所述叠层的阳极和阴极的破坏。
所述分离器和所述高刚性部件可具有用于沿堆叠的表面方向定位的定位通孔。
这样，多个分离器和多个叠层交替地堆叠，可方便并且高准确度地进行沿表面方向的定位。
尽管可任意设定所述分离器和所述高刚性部件的所述定位孔的数量，但是所述分离器和所述高刚性部件每个都优选具有两个定位孔。
这样，所述两个定位通孔中的一个可用作基准，另一个可用作例如吸收定位中的尺寸公差的通孔。
所述高刚性部件优选由绝缘材料制成。
除了上述燃料电池结构之外，本发明还可实施为包括所述燃料电池的燃料电池系统的发明。
本发明的第二方面涉及一种叠层，其具有电解质膜、设在所述电解质膜一个表面上的阳极、和设在所述电解质膜另一个表面上的阴极。所述叠层具有一体形成在所述叠层的外围上用于防止供给到所述叠层表面上的反应气体泄漏的密封件、以及环绕所述密封件的至少一部分并具有比所述密封件更高刚性的高刚性部件。
附图说明
结合附图，从下面具体实施例的描述可清楚本发明上述及其它目的、特征和优点，其中相同的附图标记用于表示相同的元件，其中：
图1为示出本发明第一实施例的燃料电池堆100的总体结构的透视图；
图2A至2D为分离器41的部件及分离器41本身的平面图；
图3A和3B为集成有密封垫的MEA 45的示意图；
图4A至4C为第二实施例的集成有密封垫的MEA 45的示意图；
图5A至5C为第三实施例的集成有密封垫的MEA 45B的示意图；
图6为示出第四实施例的燃料电池堆100C的总体结构的透视图；
图7A至7D为分离器41C的组件及分离器41C本身的平面图；
图8A至8C为第四实施例的集成有密封垫的MEA 45C的示意图；
图9A至9C为第五实施例的集成有密封垫的MEA 45D的示意图。
具体实施方式
下面，基于实施例按下列顺序描述本发明。
A.第一实施例
A1.燃料电池堆的结构
A2.燃料电池模块
A2.1.分离器
A2.2.集成有密封垫的MEA
B.第二实施例
C.第三实施例
D.第四实施例
E.第五实施例
F.修改
A.第一实施例
A1.燃料电池堆的结构
图1为示出作为本发明第一实施例的燃料电池堆100的总体结构的透视图。燃料电池堆100具有堆叠结构，在该堆叠结构中，用于通过氢与氧之间的电化学反应来发电多个电池与夹在其间的分离器彼此堆叠在各自的上面。每个电池都具有阳极、阴极、以及插在其间的具有质子传导性的电解质膜，如下所述。在该实施例中，使用聚合物薄膜作为电解质膜。还可使用其它电解质(例如，固态氧化物)作为电解质。电池的数量可基于燃料电池堆100所需的输出功率来任意设定。
在燃料电池堆100中，端板10、绝缘板20、集电板30、多个燃料电池模块40、集电板50、绝缘板60和端板70以该顺序从一端堆叠到另一端。它们具有允许作为燃料气体的氢、作为氧化剂气体的空气和冷却剂作过燃料电池堆100的供给口、排出口和通道(都未示出)。氢从氢罐(未示出)供应。空气和冷却剂由泵(未示出)增压并由其供应。各燃料电池模块40由分离器41和集成有密封垫的MEA 45组成，在集成有密封垫的MEA 45中膜电极组件和密封垫形成一体，将在下面描述。燃料电池模块40和集成有密封垫的MEA 45(见图3A)将在下面描述。
燃料电池堆100还具有如图中所示的张紧板80。在燃料电池堆100中，沿堆叠结构的堆叠方向施加压力，以防止堆叠结构等中任意部分的接触电阻的增加引起电池性能的恶化，并确保集成有密封垫的MEA45的密封性能，并且张紧板80通过螺栓82固定到燃料电池堆100相对端的端板10和70上，以通过沿着其堆叠方向的预定紧固力固定燃料电池模块40。
端板10和70及张紧板80由诸如钢的金属制成，以确保刚性。绝缘板20和60由绝缘材料制成，如橡胶或树脂。集电板30和50由透气导电板制成，例如强化碳或铜板。各集电板30和50都具有输出端子(未示出)，以便可输出燃料电池堆100内产生的电能。
A2.燃料电池模块：
如上所述，各燃料电池模块40具有分离器41和集成有密封垫的MEA 45。下面描述分离器41和集成有密封垫的MEA 45。
A2.1.分离器：
图2A至2D为分离器41的部件和分离器41本身的平面图。在该实施例中，分离器41包括每个都具有多个通孔的三个金属平板，即阴极面板42、中间板43和阳极面板44。通过按照阴极面板42、中间板43和阳极面板44的顺序堆叠并通过热压连接这些板以产生分离器41。在该实施例中，阴极面板42、中间板43和阳极面板44具有相同方形形状的不锈钢平板。可使用以其它材料(例如，钛或铝)替代不锈钢的平板作为阴极面板42、中间板43和阳极板44。可使用树脂板作为中间板43。
图2A为与集成有密封垫的MEA 45的阴极侧表面接触的阴极面板42的平面图。如图中所示，阴极面板42具有空气供给通孔422a、多个空气供给口422i、多个空气排出口422o、空气排出通孔422b、氢供给通孔424a、氢排出通孔424b、冷却剂供给通孔426a和冷却剂排出通孔426b。在该实施例中，空气供给通孔422a、空气排出通孔422b、氢供给通孔424a、氢排出通孔424b、冷却剂供给通孔426a和冷却剂排出通孔426b通常具有矩形的形状，空气供给口422i和空气排出口422o为圆形形状，并具有相同的直径。
图2B为与集成有密封垫的MEA 45的阳极侧表面接触的阳极面板44的平面图。如图中所示，阳极面板44具有空气供给通孔442a、空气排出通孔442b、氢供给通孔444a、多个氢供给口444i、多个氢排出口444o、氢排出通孔444b、冷却剂供给通孔446a和冷却剂排出通孔446b。在该实施例中，空气供给通孔442a、空气排出通孔442b、氢供给通孔444a、氢排出通孔444b、冷却剂供给通孔446a和冷却剂排出通孔446b通常具有矩形的形状，氢供给口444i和氢排出口444o为圆形形状，并具有相同的直径。
图2C为中间板43的平面图。如图中所示，中间板43具有空气供给通孔432a、空气排出通孔432b、氢供给通孔434a、氢排出通孔434b、多个冷却剂通道形成通孔436。空气供给通孔432a具有用于允许空气从空气供给通孔432a流向阴极面板42的空气供给口422i的多个空气供给通道形成部分432c。空气排出通孔432b具有用于允许空气从阴极面板42的空气排出口422o流向空气排出通孔432b的多个空气排出通道形成部分432d。氢供给通孔434a具有用于允许氢从氢供给通孔434a流向阳极面板44的氢供给口444i的氢供给通道形成部分432e。氢排出通孔434b具有用于允许氢从阳极面板44的氢排出口444o流向氢排出通孔434b的多个氢排出通道形成部分432f。
图2D为分离器41的平面图。这里，以从阳极面板44一侧的视角示出该平面图。
从图2D可看出，空气供给通孔442a、432a和422a在相同的位置形成通过阳极面板44、中间板43和阴极面板42。空气排出通孔442b、432b和422b形成在相同的位置。氢供给通孔444a、434a和424a形成在相同的位置。氢排出通孔民444b、434b和424b形成在相同的位置。
冷却剂供给通孔446a和426a在相同的位置形成通过阳极面板44和阴极面板42。冷却剂排出通孔446b和426b形成在相同的位置。
中间板43的各冷却剂通道形成通孔436形成为具有与阳极面板44的冷却剂供给通孔446a和阴极面板42的冷却剂供给通孔426a重叠的第一端、以及与阳极面板44的冷却剂排出通孔446b和阴极面板42的冷却剂排出通孔426b重叠的第二端。
在中间板43中，空气供给通道形成部分432c、空气排出通道形成部分432d、氢供给通道形成部分432e和氢排出通道形成部分432f的宽度分别大于阴极面板42的空气供给口422i和空气排出口422o及阳极面板44的氢供给口444i和氢排出口444o的直径。因此，当阴极面板42、中间板43和阳极面板堆叠连接在一起时，即使这些部分稍稍从所述口错开，也能允许空气和氢流过所需的线路。
在该分离器41中，氢、空气和冷却剂如下所述地流动。流过阴极面板42的氢供给通孔424a、中间板43的氢供给通孔434a、和阳极面板44的氢供给通孔444a的一部分氢在中间板43的氢供给通孔434a分开，流过氢供给通道形成部分432e，沿着垂直于下述集成有密封垫的MEA 45的MEA部分451的阳极的方向从阳极面板44的氢供给口444i供给。从阳极排出的阳极废气通过阳极面板44的氢排出口444o和中间板43的氢排出通道形成部分432f排出。
流过阳极面板44的空气供给通孔442a、中间板43的空气供给通孔432a、和阴极面板42的空气供给通孔422a的空气的一部分在中间板43的空气供给通孔432a分开，流过空气供给通道形成部分，沿着垂直于下述集成有MEA的密封45的MEA部分451的阴极的方向从阴极面板42的空气供给口422i供给。从阴极排出的阴极废气通过阴极面板的空气排出口422o和中间板43的空气排出通道形成部分432d排出。
流过阳极面板44的冷却剂供给通孔446a、中间板43的冷却剂通道形成通孔436的第一端、阴极面板42的冷却剂供给通道426a的冷却剂的一部分在中间板43的冷却剂通道形成通孔436分开，流过中间板43，并从冷却剂通道形成通孔436的第二端供给。
A2.2.集成有密封垫的MEA
图3A和3B为集成有密封垫的MEA 45的示意图。图3A为从集成有密封垫的MEA 45的阴极侧的平面图。图3B为沿图3A的线3B-3B的截面图。集成有密封垫的MEA 45具有与分离器41相同的外形。
如图中所示，集成有密封垫的MEA 45具有MEA部分451和环绕并支撑MEA部分451的框架450。具有比框架450更高的刚性的高刚性部件458环绕框架450。该高刚性部件458为用于防止框架450变形的元件。如图3B所示，框架450的表面水平与高刚性部件458大致相同。
虽然在该实施例中使用硅橡胶作为框架450，但是本发明不限于此。可使用具有透气性、弹性和耐热性的其它材料。在该实施例中，使用绝缘硬树脂作为高刚性部件458。
MEA部分451为膜电极组件，其中，阴极催化剂层47c和阴极扩散层48c沿该顺序层压在电极薄膜46的一个表面上(阴极侧表面)，阳极催化剂层47a和阳极扩散层48a沿该顺序层压在薄膜46的另一表面上(阳极侧表面)，如图3B所示。在该实施例中，使用多孔碳体作为阳极扩散层48a和阴极扩散层48c。同样在该实施例中，MEA部分451的两侧堆叠多孔金属层，其用作当集成有密封垫的MEA 45堆叠在分离器45上时能够允许空气和氢流过的气体通道层。由于使用阴极扩散层48c、阳极扩散层48a和多孔金属层49，所以气体可有效地分配和供给到阳极和阴极的整个表面上。对于气体通道层，可使用具有导电性和气体扩散性的其它材料来替代多孔金属体，例如碳。
框架450具有空气供给通孔452a、氢供给通孔454a、空气排出通孔452b、氢排出通孔454b、冷却剂供给通孔456a和冷却剂排出通孔456b，如同图3A中所示分离器41的情形。密封部分459整体地设在通孔和MEA部分451周围，以形成图3A中细线所示的密封线SL。即，框架450用作防止氢、氧和冷却剂泄漏的密封垫。
根据上述第一实施例的燃料电池堆100，集成有密封垫的MEA 45具有绕着框架450的高刚性部件458，所以可防止供给反应气体时框架450的变形，并可防止密封性能的退化。
例如，集成有密封垫的MEA 45可通过注射成型法整体地形成。如果未绕着框架450设置高刚性部件458，那么由于由硅橡胶制成的框架450的线性膨胀系数大于MEA部分451的膨胀系数，所以在制造时框架450会极大地变形。在该实施例的集成有密封垫的MEA 45中，由于绕着框架450整体地形成有高刚性部件458，所以可防止制造时框架450的变形。这也可应用于下述其它实施例。
B.第二实施例
除了集成有密封垫的MEA之外，第二实施例的燃料电池堆的结构与第一实施例的燃料电池堆100相同。下面描述第二实施例中集成有密封垫的MEA。
图4A至4C为第二实施例的集成有密封垫的MEA 45A的示意图。图4A为集成有密封垫的MEA 45A的平面图。图4B为沿图4A的线4B-4B的截面图。图4C为当分离器41与集成有密封垫的MEA 45A交替堆叠时沿着图4A的线4C-4C的截面图。
如图4A中所示，该实施例的集成有密封垫的MEA 45A具有框架450A，该框架450A具有可通过切除第一实施例的集成有密封垫的MEA 45的框架450的四个角所获得的形状。集成有密封垫的MEA450A具有MEA部分451、空气供给通孔452a、空气排出通孔452b、氢供给通孔454a、氢排出通孔454b、冷却剂供给通孔456a和冷却剂排出通孔456b，这些与第一实施例的集成有密封垫的MEA 45相同。
在集成有密封垫的MEA 45A中，框架450A的四周边缘上布置有高刚性部件458A。各高刚性部件458A在其内缘具有如图4B中所示的凹槽458AC，当集成有密封垫的MEA 45A与分离器41如图4C中所示彼此堆叠在各自的上面时，凹槽458AC可接收分离器41的外缘。因此，当分离器41和集成有密封垫的MEA 45A彼此堆叠在各自的上面时，可方便和高准确度地进行分离器41沿表面方向的定位。并且，可防止分离器41与集成有密封垫的MEA 45A彼此的横向位移。
根据上述第二实施例的燃料电池堆，由于集成有密封垫的MEA45A具有绕着框架450A的高刚性部件458A，所以可如第一实施例的燃料电池堆100的情形，可防止供给反应气体时框架450的变形，并可防止密封性能的退化。
C.第三实施例
除了集成有密封垫的MEA之外，第三实施例的燃料电池堆的结构与第一实施例的燃料电池堆100相同。并且，如下所述，除了高刚性部件之外，集成有密封垫的MEA与第二实施例的集成有密封垫的MEA 45A相同。下面描述第三实施例中集成有密封垫的MEA。
图5A至5C为第三实施例的集成有密封垫的MEA 45B的示意图。图5A为集成有密封垫的MEA 45B的平面图。图5B为沿图5A的线5B-5B的截面图。图5C为当分离器41与集成有密封垫的MEA 45B交替堆叠时沿着图5A的线5C-5C的截面图。
如图5A中所示，该实施例的集成有密封垫的MEA 45B具有框架450A，该框架450A具有可通过切除第一实施例的集成有密封垫的MEA 45的框架450的四个角所获得的形状，如同第二实施例的集成有密封垫的MEA 45A的情形。集成有密封垫的MEA 450B具有MEA部分451、空气供给通孔452a、空气排出通孔452b、氢供给通孔454a、氢排出通孔454b、冷却剂供给通孔456a和冷却剂排出通孔456b，这些与第一和第二实施例的集成有密封垫的MEA 45和45A相同。
在集成有密封垫的MEA 45B中，框架450A的四周边缘上布置有高刚性部件458B。各高刚性部件458B在其内缘具有凹槽458BC，当集成有密封垫的MEA 45B与分离器41如图5B和5C中所示彼此堆叠在各自的上面时，凹槽458BC可接收分离器41的外缘。因此，当分离器41和集成有密封垫的MEA 45B彼此堆叠在各自的上面时，可方便和高准确度地进行分离器41沿表面方向的定位。并且，可防止分离器41与集成有密封垫的MEA 45A的彼此横向位移。
各高刚性部件458B具有延伸部分，当多个集成有密封垫的MEA458B和多个分离器41交替地堆叠并沿堆叠方向施加紧固载荷时，所述延伸部分以下列方式防止密封部分459沿堆叠方向的过度变形：彼此相邻的集成有密封垫的MEA 45B的高刚性部件458B的上表面458Bt和下表面458Bd与插在其间的分离器41彼此紧靠。所述延伸部分可防止密封部分459沿堆叠方向的过度变形引起的密封性能退化。所述延伸部分可认作本发明的抑制部分。
根据上述第三实施例的燃料电池堆，由于集成有密封垫的MEA45B具有绕着框架450A的高刚性部件458B，所以可如前述第一和第二实施例的燃料电池堆的情形，可防止供给反应气体时框架450A的变形，并可防止密封性能的退化。
D.第四实施例
图6为示出第四实施例的燃料电池堆100C的总体结构的透视图。如同图1中所示燃料电池堆100的情形，燃料电池堆100C具有端板10C、绝缘板20C、集电板30C、多个燃料电池模块40C、集电板50C、绝缘板60C和端板70C以这个顺序从一端堆叠到另一端。每个元件都具有两个通孔，两个定位轴90a和90b插入所述通孔以便在堆叠时沿着表面方向定位。同样，如同图1中所示燃料电池堆100的情形，张紧板80通过螺栓82固定到端板10C和端板70C上。每个燃料电池模块40C都包括下述分离器41C和集成有密封垫的MEA 45C。
图7A至7D为分离器41的组件和分离器41本身的平面图。如同图2A至2D中所示分离器41的情形，该实施例的分离器41C每个都具有多个通孔的三个金属平板，即阴极面板42C、中间板43C和阳极面板44C。
如图7A中所示，阴极面板42C具有用于接收定位轴90a的定位通孔428a和用于接收定位轴90b的定位通孔428b。定位通孔428a具有圆形的形状，定位通孔428b具有椭圆形形状。除了定位通孔428a和428b之外，阴极面板42C与图2A中所示的阴极面板42相同。
如图7B中所示，阳极面板44C具有用于接收定位轴90a的定位通孔448a和用于接收定位轴90b的定位通孔448b。定位通孔448a具有圆形的形状，定位通孔448b具有椭圆形形状。除了定位通孔448a和448b之外，阳极面板44C与图2B中所示的阳极面板44相同。
如图7C中所示，中间板43C具有用于接收定位轴90a的定位通孔438a和用于接收定位轴90b的定位通孔438b。定位通孔438a具有圆形的形状，定位通孔438b具有椭圆形形状。除了定位通孔438a和438b之外，中间板44C与图2C中所示的中间板44相同。
图8A至8C为第四实施例的集成有密封垫的MEA 45C的示意图。图8A为集成有密封垫的MEA 45C的平面图。图8B为沿图8A的线8B-8B的截面图。图8C为当分离器41C与集成有密封垫的MEA 45C交替堆叠时沿着图8A的线8C-8C的截面图。
如图8A中所示，该实施例的集成有密封垫的MEA 45C具有框架450A，该框架450A具有可通过切除第一实施例的集成有密封垫的MEA 45的框架450的四个角所获得的形状，如同第二实施例的集成有密封垫的MEA 45A的情形。集成有密封垫的MEA 450C具有MEA部分451、空气供给通孔452a、空气排出通孔452b、氢供给通孔454a、氢排出通孔454b、冷却剂供给通孔456a和冷却剂排出通孔456b，这些与第一至第三实施例的集成有密封垫的MEA 45、45A和45B相同。
在集成有密封垫的MEA 45C中，具有比框架450A更高刚性的高刚性部件458C环绕着框架450A。高刚性部件458C具有用于接收定位轴90a的定位通孔458a和用于接收定位轴90b的定位通孔458b。定位通孔458a具有圆形的形状，定位通孔458b具有椭圆形形状。如图8B中所示，框架450A与高刚性部件458C的表面水平大致相同。
根据上述第四实施例的燃料电池堆100C，由于集成有密封垫的MEA 45C具有绕着框架450A的高刚性部件458C，所以可如前述第一至第三实施例的燃料电池堆的情形，可防止供给反应气体时框架450A的变形，并可防止密封性能的退化。
并且，在该实施例中，阴极面板42C具有定位通孔428a和428b，中间板43C具有定位通孔438a和438b，阳极面板44C具有定位通孔448a和448b，集成有密封垫的MEA 45C具有定位通孔458a和458b。因此，当分离器41C与集成有密封垫的MEA 45C彼此堆叠在各自的上面时，可方便和高准确度地进行沿表面方向的定位。
另外，在该实施例中，阴极面板42C的定位通孔428a、中间板43C的定位通孔438a、阳极面板44C的定位通孔448a和集成有密封垫的MEA的定位通孔458a具有圆形的形状。阴极面板42C的定位通孔428b、中间板43C的定位通孔438b、阳极面板44C的定位通孔448b和集成有密封垫的MEA的定位通孔458b具有椭圆形形状。因此，可吸收堆叠时沿表面方向定位的尺寸公差。这也可应用于下述第五实施例。
E.第五实施例
除了集成有密封垫的MEA之外，根据第五实施例的燃料电池堆的结构与第四实施例的燃料电池堆100C相同。并且，如下所述，除了高刚性部件之外，集成有密封垫的MEA与第四实施例的集成有密封垫的MEA 45C相同。下面描述第五实施例中集成有密封垫的MEA。
图9A至9C为第五实施例的集成有密封垫的MEA 45D的示意图。图9A为集成有密封垫的MEA 45D的平面图。图9B为沿图9A的线9B-9B的截面图。图9C为当分离器41C与集成有密封垫的MEA 45D交替堆叠时沿着图9A的线9C-9C的截面图。
如图9A中所示，该实施例的集成有密封垫的MEA 45D具有框架450A，该框架450A具有可通过切除第一实施例的集成有密封垫的MEA 45的框架450的四个角所获得的形状，如同第二实施例的集成有密封垫的MEA 45A的情形。集成有密封垫的MEA 450D具有MEA部分451、空气供给通孔452a、空气排出通孔452b、氢供给通孔454a、氢排出通孔454b、冷却剂供给通孔456a和冷却剂排出通孔456b，它们与第一至第四实施例的集成有密封垫的MEA 45、45A、45B和45C的相同。
在集成有密封垫的MEA 45D中，具有比框架450A更高刚性的高刚性部件458C环绕着框架450A。各高刚性部件458B具有如图9B和9C中所示的延伸部分，当多个集成有密封垫的MEA 458B和多个分离器41C交替地堆叠并沿堆叠方向施加紧固载荷时，所述延伸部分以下列方式防止密封部分459沿堆叠方向的过度变形：彼此相邻的集成有密封垫的MEA 45B的高刚性部件458B的上表面458Dt和下表面458Dd与插在其间的分离器41C彼此紧靠。所述延伸部分可防止密封部分459沿堆叠方向的过度变形引起的密封性能退化。
根据上述第五实施例的燃料电池堆，由于集成有密封垫的MEA45D具有绕着框架450A的高刚性部件458D，所以可如前述第一至第四实施例的燃料电池堆的情形，可防止供给反应气体时框架450A的变形，并可防止密封性能的退化。
F.修改
虽然上面已经描述了本发明的一些实施例，但是本发明不限于这些实施例，在不脱离其目的的情况下可对其进行各种修改。例如，可进入下面的修改。
F1.修改1
当制造上面实施例中的集成有密封垫的MEA时，其框架和高刚性部件可一体地形成，但本发明不限于此。其框架和高刚性部件可分开地形成再连接在一起。
F2.修改2
虽然在第四和第五实施例中具有两个定位轴、分离器和具有两个定位孔的集成有密封垫的MEA，但是本发明不限于此。定位轴和定位孔的数量可任意地选择。
F3.修改3
虽然在上面的实施例中使用绝缘材料作为设在集成有密封垫的MEA周围的高刚性部件，但是本发明不限于此。例如，当高刚性部件与分离器并不如第一实施的燃料电池堆100那样在燃料电池堆中彼此接触时，高刚性部件可由导电材料制成。
F4.修改4
虽然在上面的实施例中分离器包括三个板：阳极面板、中间板和阳极面板，但是本发明不限于此。例如，可使用通过单块状碳元件形成的分离器。
F5.修改5
虽然在上面的实施例中燃料电池堆100具有张紧板80，但是燃料电池堆100并不必具有张紧板80。在该情形下，可设有沿燃料电池堆100的堆叠方向的施加压力的机构。但是，当燃料电池堆100如上面实施例一样具有张紧板80时，由于张紧板80可从外面限制燃料电池模块40，所以可获得即使较慢地施加沿燃料电池堆堆叠方向的压力，也可防止分离器41与集成有密封垫的MEA 45的横向位移(沿表面方向的位移)的优点。

Claims (12)

1.一种具有堆叠结构的燃料电池，在所述堆叠结构中，多个叠层借助将所述叠层夹在中间的分离器(41，41C)堆叠在彼此的顶部上，所述叠层每个都包括布置在电解质膜(46)的两侧上的阳极和阴极，其中
所述叠层每个都具有一体地形成在其外周上的密封件(459)，所述密封件用于防止供给到所述叠层的表面上的反应气体的泄漏，
高刚性部件(458，458A，458B，458C，458D)围绕所述密封件的至少一部分，所述高刚性部件具有比所述密封件高的刚性，
所述高刚性部件具有抑制部分，所述抑制部分防止所述密封件(459)在所述堆叠结构的堆叠方向上的变形，并且
所述抑制部分是与相邻叠层的高刚性部件接触的延伸部分。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述密封件(459)由弹性材料制成。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其中所述高刚性部件与所述密封件形成一体。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其中所述高刚性部件与所述密封件分别地形成。
5.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其中所述高刚性部件具有配合部分(458Ac)，所述配合部分能与所述分离器的外周的至少一部分配合。
6.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其中所述分离器和所述高刚性部件具有定位通孔(428a，428b，438a，438b，448a，448b，458a，458b)，所述定位通孔用于在堆叠时在表面方向上的定位。
7.根据权利要求6所述的燃料电池，其中所述分离器和所述高刚性部件每个都具有多个定位通孔(428a，428b，438a，438b，448a，448b，458a，458b)。
8.根据权利要求7所述的燃料电池，其中所述分离器和所述高刚性部件每个都具有两个定位通孔(428a，428b，438a，438b，448a，448b，458a，458b)。
9.根据权利要求6所述的燃料电池，其中所述分离器和所述高刚性部件的定位通孔(428a，428b，438a，438b，448a，448b，458a，458b)具有不同的形状。
10.根据权利要求9所述的燃料电池，其中所述分离器和所述高刚性部件的定位通孔(428a，428b，438a，438b，448a，448b，458a，458b)的其中一个具有圆形形状，并且其中另一个具有椭圆形形状。
11.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其中所述高刚性部件(458，458A，458B，458C，458D)由绝缘材料制成。
12.一种具有电解质膜(46)的叠层，在所述电解质膜的一个表面上设有阳极，并且在所述电解质膜的另一个表面上设有阴极，所述叠层包括：
密封件(459)，所述密封件一体地形成在所述叠层的外周上，并且防止供给到所述叠层的表面上的反应气体的泄漏；和
高刚性部件(458，458A，458B，458C，458D)，所述高刚性部件围绕所述密封件的至少一部分，并且具有比所述密封件高的刚性，其中
所述高刚性部件具有抑制部分，所述抑制部分防止所述密封件(459)在所述堆叠结构的堆叠方向上的变形，并且
所述抑制部分是与相邻叠层的高刚性部件接触的延伸部分。
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