CN103069630A - 燃料电池 - Google Patents
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Abstract
从高分子电解质膜(11)的厚度方向来看，在比气体扩散层(14)的外缘部(14a)更靠外侧并且比垫圈(21)的内缘部更靠内侧的位置，设置隔离件(30、40)和框体(20)紧密相接的密接区域(E1)。由此，能够抑制生产成本的增加并且抑制由于从垫圈溶出的杂质向气体扩散层侧流动而产生的发电性能的下降。
Description
技术领域
本发明涉及例如作为汽车等移动体、分散发电系统、家庭用废热发电系统等的驱动源来使用的燃料电池。
背景技术
燃料电池(例如，高分子电解质型燃料电池)，是通过使含有氢的燃料气体与空气等含有氧的氧化剂气体发生电化学反应，来使电力和热同时产生的装置。根据该燃料电池，由于直接或间接地将燃料所具有的化学能量变换为电能，因此能够获得高发电效率。
燃料电池，一般来说通过层叠多个单元(单电池)，并用螺栓等紧固构件对它们进行加压紧固而构成。1个单元，用一对板状的导电性的隔离件夹住膜电极接合体(以下，称作MEA：Membrane-Electrode-Assembly)而构成。MEA，为了提高操作性，用形成为边框状的框体来保持其边缘部(也称作外周区域)。另外，在此，将具备所述框体的MEA称作电极-膜-框接合体。
MEA，由外周区域(边缘部)被所述框体支撑的高分子电解质膜、和形成于该电解质膜的两面并且配置于所述框体的内侧的一对电极层构成。一对电极层，由形成于高分子电解质膜的两面的催化剂层、和在该催化剂层上形成的气体扩散层构成。通过对一对电极层供给反应气体(燃料气体或氧化剂气体)，从而发生电化学反应，产生电力和热。
此外，在框体的表面，为了阻断或抑制反应气体向外部的漏出，按照对隔离件与框体之间进行密封的方式设置有垫圈(弹性构件)。该垫圈通常由树脂材料构成。
在所述垫圈中，通常含有为了保持防漏气功能所需的添加剂、软化剂等。此外，在所述垫圈中，通常含有为了通过注塑成型等来形成密封的形状所需的增塑剂、添加剂、抗氧化剂、成型后残留的它们的反应物或分解物等。在这些垫圈所含有的物质中，有时含有成为阻碍燃料电池的发电反应的催化剂中毒物质的杂质。因此，在具有上述构成的现有的燃料电池中，垫圈所含的杂质，溶出到反应气体中的水分或伴随电化学反应而生成的生成水中，存在使电极层催化剂中毒的问题。若电极层催化剂中毒，则电化学反应受到阻碍，将会导致燃料电池的发电性能的下降。
因此，在现有技术中，作为垫圈的材料，使用不溶出或不易溶出杂质的树脂材料(例如氟系树脂)，或者应用从垫圈溶出的杂质不使MEA催化剂中毒或不易使MEA催化剂中毒的构成等。
例如，在专利文献1(JP特开2009-170273号公报)中，公开了一种燃料电池，该燃料电池通过按照覆盖气体扩散层的外周区域的方式形成框体，并将设置于该框体的突起部扎入气体扩散层来抑制框体的移动，由此不需要设置垫圈。
此外，在专利文献2(JP特开2003-217613号公报)中，公开了一种燃料电池，该燃料电池通过使从树脂材料溶出的杂质，吸附于隔离件或在气体扩散层中分散配置的吸附介质，来进行净化。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2009-170273号公报
专利文献2：JP特开2003-217613号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，在采用不易溶出杂质的材料作为垫圈的材料的情况下，密封性不足，结果，存在燃料电池的发电性能下降的可能性。此外，不易溶出杂质的材料，通常价格高，因此生产成本提高。
此外，在专利文献1的构成中，由于不设置垫圈，因此隔离件与框体的密接性不足，存在产生反应气体的泄露不良，燃料电池的发电性能下降的可能性。
此外，在专利文献2的构成中，在隔离件或气体扩散层形成了气体流路的情况下，由于在隔离件或气体扩散层中分散配置的吸附介质，存在反应气体的压力损失上升而燃料电池的发电性能下降的可能性。此外，由于设置吸附介质，生产成本提高。
因此，本发明的目的在于，解决上述课题，提供一种能够抑制生产成本的增加，并且抑制发电性能的下降的燃料电池。
解决课题的手段
为了达成上述目的，本发明如以下方式构成。
根据本发明，提供一种燃料电池，其具备：
高分子电解质膜；
催化剂层，其设置在所述高分子电解质膜上；
气体扩散层，其设置在所述催化剂层上；
框体，其设置在从所述高分子电解质膜的厚度方向来看比所述气体扩散层的外缘部更靠外侧的所述高分子电解质膜的外周区域上；
隔离件，其设置在所述气体扩散层上，并且按照具有与所述框体紧密相接的密接区域的方式设置；和
垫圈，其在从所述厚度方向来看比所述密接区域更靠外侧的位置，按照将所述隔离件和所述框体之间密封的方式设置。
发明效果
根据本发明所涉及的燃料电池，通过设置所述密接区域这一简单的构成，能够防止从垫圈溶出的杂质流动到气体扩散层侧。由此，能够抑制生产成本的增加，并且抑制发电性能的下降。
附图说明
本发明的这些及其他目的和特征，由针对附图的与优选实施方式关联的如下记述而明确。在该附图中，
图1是示意性地表示本发明的第1实施方式所涉及的燃料电池的基本构造的剖面图，
图2是图1的燃料电池的局部放大剖面图，
图3是表示连结了多个图1的燃料电池而得到的燃料电池堆的基本构造的分解立体图，
图4是示意性地表示本发明的第2实施方式所涉及的燃料电池的构成的局部放大剖面图，
图5是示意性地表示本发明的第3实施方式所涉及的燃料电池的构成的局部放大剖面图，
图6是示意性地表示本发明的第4实施方式所涉及的燃料电池的构成的局部放大剖面图，
图7是示意性地表示本发明的第5实施方式所涉及的燃料电池的构成的局部放大剖面图，
图8是表示图7的燃料电池的变形例的局部放大剖面图，
图9是示意性地表示本发明的第6实施方式所涉及的燃料电池的构成的局部放大剖面图，
图10是示意性地表示本发明的第7实施方式所涉及的燃料电池的构成的局部放大剖面图，
图11是示意性地表示本发明的第8实施方式所涉及的燃料电池的构成的局部放大剖面图。
具体实施方式
根据本发明的第1方式，提供一种燃料电池，其具备：
高分子电解质膜；
催化剂层，其设置在所述高分子电解质膜上；
气体扩散层，其设置在所述催化剂层上；
框体，其设置在从所述高分子电解质膜的厚度方向来看比所述气体扩散层的外缘部更靠外侧的所述高分子电解质膜的外周区域上，
隔离件，其设置在所述气体扩散层上，并且设置为具有与所述框体紧密相接的密接区域；和
垫圈，其在从所述厚度方向来看比所述密接区域更靠外侧的位置，按照将所述隔离件与所述框体之间密封的方式设置。
根据本发明的第2方式，提供一种第1方式所述的燃料电池，其中，所述气体扩散层的外缘部与所述框体的内缘部紧密相接。
根据本发明的第3方式，提供一种第2方式所述的燃料电池，其中，构成所述框体的树脂材料的一部分混合存在于所述气体扩散层的外周区域。
根据本发明的第4方式，提供一种第1～3方式中任一项所述的燃料电池，其中，所述催化剂层的外缘部，从所述厚度方向来看，设置为比所述气体扩散层的外缘部更靠外侧并且比所述垫圈的中心部更靠内侧。
根据本发明的第5方式，提供一种第1～4方式中任一项所述的燃料电池，其中，从所述厚度方向来看所述密接区域的内缘部与外缘部的最短距离，比所述垫圈的宽度长。
根据本发明的第6方式，提供一种第1～4方式中任一项所述的燃料电池，其中，从所述厚度方向来看所述密接区域的内缘部与外缘部的最短距离，是所述垫圈的宽度的2倍以上。
根据本发明的第7方式，提供一种第1～6方式中任一项所述的燃料电池，其中，在所述密接区域设置有将所述隔离件和所述框体粘接的粘接构件。
根据本发明的第8方式，提供一种第1方式所述的燃料电池，其中，所述框体，在所述密接区域具备与所述隔离件紧密相接的环状的凸部。
根据本发明的第9方式，提供一种第8方式所述的燃料电池，其中，所述隔离件，在所述密接区域具备收容所述框体的凸部的环状的凹部。
根据本发明的第10方式，提供一种第1方式所述的燃料电池，其中，所述隔离件，在所述密接区域具备与所述框体紧密相接的环状的凸部。
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。另外，在以下所有的图中，对相同或相当的部分附加相同的符号，省略重复的说明。
《第1实施方式》
对本发明的第1实施方式所涉及的燃料电池进行说明。图1是示意性地表示本发明的第1实施方式所涉及的燃料电池的基本构造的剖面图，图2是其局部放大剖面图。
本第1实施方式所涉及的燃料电池，通过使含有氢的燃料气体、和空气等含有氧的氧化剂气体发生电化学反应，来使电力和热同时产生的高分子电解质型燃料电池。另外，本发明不限定于高分子电解质型燃料电池，能够应用于各种燃料电池。
如图1所示，本第1实施方式所涉及的燃料电池1，具备：电极-膜-框接合体2；和夹着电极-膜-框接合体2而配置的一对隔离件30、40。电极-膜-框接合体2具备：MEA(膜电极接合体)10；和在MEA10的外周区域(边缘部)上设置的边框状的框体20。
MEA10具备：高分子电解质膜11；和在该高分子电解质膜11的两面形成的一对电极层12、12。一对电极层12的一方是阳极，另一方是阴极。电极层12具备催化剂层13和气体扩散层14。催化剂层13形成在高分子电解质膜11的表面，在该催化剂层13上形成气体扩散层14。
高分子电解质膜11设置为比催化剂层13以及气体扩散层14尺寸大，外周区域从催化剂层13以及气体扩散层14露出。在该高分子电解质膜11的外周区域(边缘部)上设置有框体20。
隔离件30，设置在一方的气体扩散层14上，并且设置为在从高分子电解质膜11的厚度方向(图1的上下方向)来看比一方的气体扩散层14的外缘部14a更靠外侧的位置具有与框体20紧密相接的密接区域E1。在从高分子电解质膜11的厚度方向来看比密接区域E1更靠外侧的位置，按照对隔离件30与框体20之间进行密封的方式设置有环状的垫圈21。同样，隔离件40，设置在另一方的气体扩散层14上，并且设置为在从高分子电解质膜11的厚度方向来看比另一方的气体扩散层14的外缘部14a更靠外侧的位置，具有与框体20紧密相接的密接区域E1。在从高分子电解质膜11的厚度方向来看比密接区域E1更靠外侧的位置，按照对隔离件40与框体20之间进行密封的方式设置有环状的垫圈21。
垫圈21由含有对MEA10会产生不良影响的成分(以下，简称杂质)的树脂材料构成。因此，存在树脂材料所含的杂质溶出的可能性。对此，在本第1实施方式中，在垫圈21与电极层12之间设置有密接区域E1，因此能够抑制从垫圈21溶出的杂质向气体扩散层14侧流动。因此，能够抑制燃料电池的发电性能的下降。此外，因为是设置密接区域E1这种简单的构成，因此能够抑制生产成本的增加。
接着，对构成燃料电池1的各构件更详细地进行说明。
高分子电解质膜11，优选为具有氢离子传导性的高分子膜。作为高分子电解质膜11，虽没有特别限定，但可以使用例如由全氟化碳磺酸构成的氟系高分子电解质膜(例如，美国DuPont社制的Nafion(注册商标)、旭化成(株)制的Aciplex(注册商标)、旭硝子(株)制的Flemion(注册商标)等)或各种碳化氢系电解质膜。高分子电解质膜11的材料，只要是使氢离子选择性地移动的材料即可。高分子电解质膜11的形状，虽然没有特别限定，但在本第1实施方式中设为大致矩形。
催化剂层13，优选为含有针对氢或氧的氧化还原反应的催化剂的层。催化剂层13，优选设置为，外缘部13a从高分子电解质膜11的厚度方向看，位于比气体扩散层14的外缘部14a更靠外侧并且比垫圈21的中心部更靠内侧的位置。若催化剂层13的外缘部13a位于比垫圈21的中心部更靠外侧的位置，则通过了多孔质的催化剂层13的内部的反应气体容易漏到外侧，产生(外部泄露)气体损失。此外，若催化剂层13的外缘部13a比气体扩散层14的外缘部14a更靠内侧，则气体扩散层14和高分子电解质膜11直接接触，存在膜劣化加速的担忧。此外，催化剂层13，虽然没有特别限定，但可以由如下多孔质构件构成，该多孔质构件例如以担载了白金系金属催化剂的碳粉末和具有质子导电性的高分子材料为主要成分。催化剂层13只要具有导电性并且具有对氢以及氧的氧化还原反应的催化能力即可。催化剂层13的形状虽然没有特别限定，但在本第1实施方式中设为大致矩形。催化剂层13可以通过在高分子电解质膜11的表面涂布或喷射催化剂层形成用墨液等而形成。此外，也可以通过一般的转印法来制作。
气体扩散层14，优选由不将碳纤维用作基底材料而构成的所谓无基底材料气体扩散层构成。具体来说，气体扩散层14由以导电性粒子和高分子树脂为主要成分的多孔质构件构成。在此，“以导电性粒子和高分子树脂为主要成分的多孔质构件”是指，不将碳纤维作为基底材料，且具有仅通过导电性粒子和高分子树脂来支撑的构造(所谓自我支撑体构造)的多孔质构件。在用导电性粒子和高分子树脂来制造多孔质构件的情况下，例如，使用界面活性剂和分散溶剂。在此情况下，在制造工序中，虽然通过烧结来去除界面活性剂和分散溶剂，但有可能无法充分去除而将这些残留在多孔质构件中。因此，“以导电性粒子和高分子树脂为主要成分的多孔质构件”意味着，只要是不将碳纤维作为基底材料来使用的自我支撑体构造，则由此残留的界面活性剂和分散溶剂也可以包含在多孔质构件中。此外，还意味着只要是不将碳纤维作为基底材料来使用的自我支撑体构造，则其他材料(例如，短纤维的碳纤维等)也可以包含在多孔质构件中。
气体扩散层14可以通过对含有高分子树脂和导电性粒子的混合物进行混炼、挤出、轧制，然后进行烧结来制造。具体来说，在将作为导电性粒子的碳和分散溶剂、界面活性剂投入到搅拌/混炼机之后，进行混炼并粉碎/造粒，使碳分散在分散溶剂中。接着，进一步将作为高分子树脂的氟树脂投入到搅拌/混炼机，进行搅拌以及混炼，使碳和氟树脂分散。对得到的混炼物进行轧制来形成片，并进行烧结来去除分散溶剂、界面活性剂。由此，能够制造片状的气体扩散层14。
作为构成气体扩散层14的导电性粒子的材料，例如，可以列举石墨、碳黑、活性炭等碳材料。作为所述碳黑，可以列举乙炔黑(AB)、炉黑、科琴黑、VULCAN等，既可以单独使用这些材料，或者也可以将多个材料组合来使用。此外，作为碳材料的原料形态，可以为粉末状、纤维状、粒状等任意的形状。
作为构成气体扩散层14的高分子树脂的材料，可以列举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，从耐热性、防水性、耐化学药品性的观点出发，优选使用PTFE作为高分子树脂的材料。作为PTFE的原料形态，可以列举分散体(dispersion)、粉末状等。其中，从操作性的观点出发优选采用分散体作为PTFE的原料形态。另外，构成气体扩散层14的高分子树脂，具有作为将导电性粒子彼此粘合的粘合剂的功能。此外，所述高分子树脂，由于具有防水性，因此还具有在燃料电池的内部将水封锁在系统内的功能(保水性)。
此外，在气体扩散层14中，如上所述，除了导电性粒子以及高分子树脂以外，也可以含有微量的在制造时使用的界面活性剂以及分散溶剂等。作为分散剂，例如可以列举：水、甲醇以及乙醇等醇类、乙二醇等二醇类。作为界面活性剂，例如，可以列举聚氧乙烯烷基醚等非离子系、烷基氧化胺等两性离子系。在制造时使用的分散溶剂的量以及界面活性剂的量，根据导电性粒子的种类、高分子树脂的种类、它们的混合比率等来适当设定即可。另外，一般来说，分散溶剂的量、界面活性剂的量越多，则越存在高分子树脂和导电性粒子容易均匀分散的倾向，另一方面，存在流动性提高，气体扩散层的片化变难的倾向。另外，界面活性剂，可以根据导电性粒子的材料、分散溶剂的种类来适当选择。此外，也可以不使用界面活性剂。
另外，气体扩散层14，在阴极侧以及阳极侧既可以使用相同构造的气体扩散层，也可以使用不同构造的气体扩散层。例如，可以在阴极侧以及阳极侧的任意一方使用将碳纤维作为基底材料的气体扩散层，在任意另一方使用前述的无基底材料气体扩散层。
框体20是为了提高MEA10的操作性而设置的构件。作为框体20的材料，可以采用一般的热可塑性树脂、热硬化性树脂等。例如，作为框体20的材料，可以采用硅树脂、环氧树脂、密胺树脂、聚氨酯系树脂、聚酰亚胺系树脂、丙烯树脂、ABS树脂、聚丙烯、液晶性聚合物、聚苯硫醚树脂、聚砜、玻璃纤维强化树脂等。框体20的形状，虽然没有特别限定，但在本第1实施方式中设为大致矩形环状。
隔离件30、40，优选为用于机械固定MEA10的构件。隔离件30、40，优选由含有碳的材质或含有金属的材质构成。在隔离件30、40由含有碳的材质构成的情况下，通过将混合了碳粉末和树脂粘合剂的原料粉提供到模具内，并对提供到该模具内的原料粉施加压力和热，由此能够形成隔离件30、40。在隔离件30、40由含有金属的材质构成的情况下，隔离件30、40也可以由金属板构成。此外，作为隔离件30、40，可以使用在钛或不锈钢制的板的表面实施了镀金而得到的构件。
在隔离件30的与气体扩散层14接触的主面(以下，也称作电极面)，设置有燃料气体用的气体流路31。此外，在隔离件40的与气体扩散层14接触的主面(以下，也称作电极面)，设置有氧化剂气体用的气体流路41。通过气体流路31向一方的电极层12供给燃料气体，通过气体流路41向另一方的电极层12供给氧化剂气体，由此发生电化学反应，产生电力和热。
垫圈21，优选由具有适度的机械强度和柔软性的合成树脂构成。作为构成垫圈21的材料，例如，可以使用橡胶材料、热可塑性弹性体、粘接剂等化合物。作为构成垫圈21的密封材料的具体例，可以列举氟橡胶、硅酮橡胶、天然橡胶、EPDM、丁基橡胶、氯化丁基橡胶、溴化丁基橡胶、聚丁橡胶、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、全氟碳、聚苯并咪唑、聚苯乙烯系、聚烯烃系、聚酯系以及聚酰胺系等热可塑性弹性体，或者使用了异戊二烯橡胶以及聚丁橡胶等的乳胶的粘接剂、使用了液状的聚丁二烯、聚异戊二烯、聚氯丁二烯、硅酮橡胶、氟橡胶以及丙烯腈-聚丁橡胶等的粘接剂等，但不限定于这些化合物。此外，既可以以单体来使用这些化合物，或者也可以将2种以上混合或复合来使用。此外，作为构成垫圈21的密封材料，具体来说，可以采用具有聚丙烯以及EPDM而成的聚烯烃系热可塑性弹性体即山都平(Santoprene)8101-55等。垫圈21的形状，虽然没有特别限定，但在本第1实施方式中设为大致矩形环状。
接着，对串联连结多个图1所示的燃料电池(单电池)1，作为所谓燃料电池堆来使用的情况的构造进行说明。图3是表示连结了多个燃料电池1的燃料电池堆3的基本构造的分解立体图。
在将多个燃料电池1作为燃料电池堆3来使用的情况下，为了对气体流路31、41供给反应气体(燃料气体或氧化剂气体)，需要歧管，所述歧管将供给反应气体的配管分支为与隔离件30、40的片数相对应的数量，并将它们的分支目标与气体流路31，41相连。
因此，在本第1实施方式中，如图3所示，在框体20以及一对隔离件30、40分别设置有供给燃料气体的一对贯通孔即燃料气体歧管孔22、32、42。此外，在框体20以及一对隔离件30、40分别设置有流通氧化剂气体的一对贯通孔即氧化剂气体歧管孔23、33、43。在框体20以及一对隔离件30、40作为燃料电池1而被连结的状态下，燃料气体歧管孔22、32、42被连结，形成燃料气体歧管。同样，在框体20以及一对隔离件30、40作为燃料电池1而被连结的状态下，氧化剂气体歧管孔23、33、43被连结，形成氧化剂气体歧管。
此外，在框体20以及一对隔离件30、40，设置有流通冷却介质(例如，纯水或乙二醇)的各两对的贯通孔即冷却介质歧管孔24、34、44。在框体20以及一对隔离件30、40作为燃料电池1而被连结的状态下，冷却介质歧管孔24，34，44被连结，形成两对冷却介质歧管。
此外，在框体20以及一对隔离件30、40，在各自的角部的附近设置有4个螺栓孔50。在各螺栓孔50中插通紧固螺栓，通过螺母与该紧固螺栓结合来紧固多个燃料电池1。
气体流路31，按照连结一对燃料气体歧管32、32间的方式设置。气体流路41按照连结一对氧化剂气体歧管43、43间的方式设置。另外，在图3中，将气体流路31、41表示为蛇型的流路，但也可以为其他形态(例如直线型)的流路。
此外，在隔离件30的电极面的相反侧的主面以及隔离件40的电极面的相反侧的主面，虽未图示，但优选分别形成冷却介质流路。冷却介质流路按照连结两对冷却介质歧管孔34、44间的方式形成。即，按照如下方式构成：冷却介质分别从供给侧的冷却介质歧管分支到冷却介质流路，并分别流通到排出侧的冷却介质歧管。由此，利用冷却介质的传热能力，将燃料电池1保持在适合电化学反应的规定的温度。
另外，在上述中，举例说明了按照在隔离件30、40设置燃料气体、氧化剂气体、以及冷却水的各歧管孔，并在进行层叠时形成燃料气体、氧化剂气体、以及冷却水的各供给歧管的方式构成的、所谓内部歧管方式的燃料电池，但本发明不限定于此。例如，也可以为在燃料电池堆3的侧面设置燃料气体、氧化剂气体、以及冷却水的各供给歧管的、所谓外部歧管方式的燃料电池。在此情况下，也能够获得同样的效果。此外，也可以为用多孔状的导电材料形成隔离件30、40，使流过冷却介质流路的冷却水的压力比流过气体流路31、41的反应气体的压力高，使冷却水的一部分在电极面侧够透过隔离件30、40，来使高分子电解质膜11湿润的、所谓内部加湿型的燃料电池。
此外，在上述中，在隔离件30、40设置气体流路31、41，但本发明不限定于此。例如，也可以在一方的气体扩散层14设置气体流路31，在另一方的气体扩散层14设置气体流路41。此外，也可以在隔离件30和一方的气体扩散层14这两者形成气体流路31。此外，也可以在隔离件40和另一方的气体扩散层14这两者形成气体流路41。
以上，根据本发明的第1实施方式，因为从高分子电解质膜11的厚度方向来看在垫圈21与气体扩散层14之间设置有密接区域E1，所以能够抑制从垫圈21溶出的杂质向气体扩散层14侧流动。因此，能够抑制燃料电池的发电性能的下降。此外，由于是设置密接区域E1这种简单的构成，因此能够抑制生产成本的增加。
《第2实施方式》
接着，对本发明的第2实施方式所涉及的燃料电池进行说明。图4是示意性地表示本发明的第2实施方式所涉及的燃料电池的构成的局部放大剖面图。本第2实施方式的燃料电池与所述第1实施方式的燃料电池的不同点在于，框体20的厚度比电极层12的厚度厚，在隔离件30、40设置有段差部30a、40a。
根据本第2实施方式，由于设置有密接区域E1，因此能够获得与所述第1实施方式同样的效果。此外，根据本发明的第2实施方式，因为在隔离件30、40设置有段差部30a、40a，所以与所述第1实施方式(参照图2)相比，从垫圈21溶出的杂质到达电极层12为止的路径变长。由此，能够抑制从垫圈21溶出的杂质到达电极层12的量，能够进一步抑制燃料电池的发电性能的下降。
《第3实施方式》
接着，对本发明的第3实施方式所涉及的燃料电池进行说明。图5是示意性地表示本发明的第3实施方式所涉及的燃料电池的构成的局部放大剖面图。本第3实施方式的燃料电池与所述第1实施方式的燃料电池的不同点在于，密接区域E1的宽度W1是垫圈21的宽度W2的2倍以上。在此，“密接区域E1的宽度”是指，从高分子电解质膜11的厚度方向来看密接区域E1中的内缘部与外缘部的最短距离。
根据本第3实施方式，由于将密接区域E1的宽度W1设为垫圈21的宽度W2的2倍以上，因此能够进一步提高隔离件30、40与框体20的紧密相接性。此外，与所述第1实施方式(参照图2)相比，从垫圈21溶出的杂质到达电极层12为止的路径变长，因此能够抑制从垫圈21溶出的杂质到达电极层12的量。因此，能够进一步抑制燃料电池的发电性能的下降。
另外，在本第3实施方式中，将密接区域E1的宽度W1设为垫圈21的宽度W2的2倍以上，但本发明不限定于此。例如，密接区域E1的宽度W1也可以比垫圈21的宽度W2短。但是，密接区域E1的宽度W1越长则越能够抑制燃料电池的发电性能的下降。因此，密接区域E1的宽度W1优选比垫圈21的宽度W2长，优选如本第3实施方式那样为垫圈21的宽度W2的2倍以上。此外，密接区域E1的宽度W1更加优选为垫圈21的宽度W2的3倍以上。
《第4实施方式》
接着，对本发明的第4实施方式所涉及的燃料电池进行说明。图6是示意性地表示本发明的第4实施方式所涉及的燃料电池的构成的局部放大剖面图。本第4实施方式的燃料电池与所述第1实施方式的燃料电池的不同点在于，气体扩散层14的外缘部14a与框体20的内缘部20紧密相接。
根据本第4实施方式，通过使气体扩散层14的外缘部14a与框体20的内缘部20a紧密相接，能够抑制从垫圈21溶出的杂质通过气体扩散层14和框体20之间而流向催化剂层13或高分子电解质膜11。由此，能够进一步抑制燃料电池的发电性能的下降。
另外，从使气体扩散层14的外缘部14a与框体20的内缘部20a更进一步紧密相接的观点出发，优选构成框体20的树脂材料的一部分混合存在(浸入)于气体扩散层14的外周区域。由此，能够更进一步抑制燃料电池的发电性能的下降。另外，“气体扩散层14的外周区域”是指，主要不是为了对发电做出贡献的区域。
《第5实施方式》
接着，对本发明的第5实施方式所涉及的燃料电池进行说明。图7是示意性地表示本发明的第5实施方式所涉及的燃料电池的构成的局部放大剖面图。本第5实施方式的燃料电池与所述第1实施方式的燃料电池的不同点在于，在紧密相接区域E1，框体20具备凸部20b，隔离件30、40具备收容凸部20b的凹部30b、40b。
根据本第5实施方式，通过使框体20的凸部20b与隔离件30、40的凹部30b紧密相接，能够更进一步抑制从垫圈21溶出的杂质向气体扩散层13或高分子电解质膜11流动。此外，与所述第1实施方式(参照图2)相比，从垫圈21溶出的杂质到达电极层12为止的路径变长，因此能够抑制从垫圈21溶出的杂质到达电极层12的量。此外，不需要像所述第3实施方式(参照图5)那样将框体20的宽度(图5的左右方向)加长，能够抑制燃料电池的大型化。
此外，框体20一般通过将MEA10配置在模具内，在该模具内流入熔融了的树脂材料之后，进行冷却而形成。在该冷却时，熔融了的树脂材料收缩，由于该收缩的偏差而可能发生框体20翘曲。特别是，在MEA10的气体扩散层14是前述的无基底材料气体扩散层的情况下，该气体扩散层14的刚性低，因此容易发生框体20的翘曲。与此相对，根据本第5实施方式，通过在框体20设置环状的凸部20b，该凸部20b起到加强筋(rib)的作用，能够抑制框体20的翘曲。
另外，在本第5实施方式中，从抑制从垫圈21溶出的杂质向气体扩散层13或高分子电解质膜11流动的观点出发，在隔离件30、40设置了凹部30b、40b，但该凹部30b、40b不一定需要设置。此外，在图7中，示出了凸部20b相对于框体20的内缘部成为平坦面，但本发明不限定于此。例如，如图8所示，也可以在比框体20内缘部更靠外侧的位置设置凸部20b。
《第6实施方式》
接着，对本发明的第6实施方式所涉及的燃料电池进行说明。图9是示意性地表示本发明的第6实施方式所涉及的燃料电池的构成的局部放大剖面图。本第6实施方式的燃料电池与所述第1实施方式的燃料电池的不同点在于，框体20的厚度比电极层12的厚度薄，并在隔离件30、40设置有凸部30c、40c。
根据本第6实施方式，在垫圈21与电极层12之间设置有密接区域E1，因此能够获得与所述第1实施方式同样的效果。此外，根据本发明的第6实施方式，在隔离件30、40设置有凸部30c、40c，因此与所述第1实施方式(参照图2)相比，从垫圈21溶出的杂质到达电极层12为止的路径变长。由此，能够抑制从垫圈21溶出的杂质到达电极层12的量，能够进一步抑制燃料电池的发电性能的下降。
《第7实施方式》
接着，对本发明的第7实施方式所涉及的燃料电池进行说明。图10是示意性地表示本发明的第7实施方式所涉及的燃料电池的构成的局部放大剖面图。本第7实施方式的燃料电池与所述第6实施方式的燃料电池的不同点在于，在框体20设置有收容隔离件30、40的凸部30c、40c的段差部20c。
根据本第7实施方式，根据本发明的第6实施方式，在隔离件30、40设置有凸部30c、40c，并且在框体20设置有段差部20c，因此与所述第6实施方式(参照图9)相比，从垫圈21溶出的杂质到达电极层12为止的路径变长。由此，能够抑制从垫圈21溶出的杂质到达电极层12的量，能够更进一步抑制燃料电池的发电性能的下降。
《第8实施方式》
接着，对本发明的第7实施方式所涉及的燃料电池进行说明。图11是示意性地表示本发明的第8实施方式所涉及的燃料电池的构成的局部放大剖面图。本第8实施方式的燃料电池与所述第1实施方式的燃料电池的不同点在于，在密接区域E1设置有将隔离件30、40和框体20粘接的粘接构件60。
根据本第8实施方式，通过在密接区域E1设置粘接构件60，能够使隔离件30、40和框体20的密接性更进一步提高。由此，能够更进一步抑制燃料电池的发电性能的下降。
另外，作为粘接构件60的材料，例如，可以使用聚异丁烯系(三键(ThreeBond)制TB1152等)、硅酮系、环氧树脂系、加成聚合型烯烃系、丙烯树脂系、苯乙烯系、腈系、酚系、热溶系、乳胶系、氟系等密封剂。
另外，本发明不限定于上述各实施方式，可以以其他各种方式来实施。例如，在上述各实施方式中，按照夹着高分子电解质膜11的方式在阳极侧和阴极侧分别配置了框体20，但本发明不限定于此。例如，也可以构成为阳极侧的框体20和阴极侧的框体20在端部连接。此外，在上述中，示出了边框状的框体，但不限定于此方式，可以采用各种形态。
此外，通过将上述各种各样的实施方式中的任意的实施方式适当组合，能够发挥各自所具有的效果。
工业实用性
本发明所涉及的燃料电池，能够抑制生产成本的增加，并且抑制发电性能的下降，因此，例如，作为用作汽车等移动体、分散发电系统、家庭用的废热发电系统等的驱动源的燃料电池很有用。
本发明参照附图与优选实施方式关联地充分进行了记载，但对于对该技术熟练的人们来说各种变形或修正是显而易见的。这种变形或修正，只要没有脱离基于权利要求书的本发明的范围，则应理解为包含在其中。
2011年8月10日提出申请的日本国专利申请No.2011-174625号的说明书、附图、以及权利要求书的公开内容，作为整体被参照而被引入到本说明书中。
Claims (10)
1.一种燃料电池，具备：
高分子电解质膜；
催化剂层，其设置在所述高分子电解质膜上；
气体扩散层，其设置在所述催化剂层上；
框体，其设置在从所述高分子电解质膜的厚度方向来看比所述气体扩散层的外缘部更靠外侧的所述高分子电解质膜的外周区域上，
隔离件，其设置在所述气体扩散层上，并且设置为具有与所述框体紧密相接的密接区域；和
垫圈，其在从所述厚度方向来看比所述密接区域更靠外侧的位置，按照将所述隔离件与所述框体之间密封的方式设置。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，
所述气体扩散层的外缘部与所述框体的内缘部紧密相接。
3.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，
构成所述框体的树脂材料的一部分混合存在于所述气体扩散层的外周区域。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池，其中，
所述催化剂层的外缘部，从所述厚度方向来看，设置为比所述气体扩散层的外缘部更靠外侧并且比所述垫圈的中心部更靠内侧。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的燃料电池，其中，
从所述厚度方向来看所述密接区域的内缘部与外缘部的最短距离，比所述垫圈的宽度长。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的燃料电池，其中，
从所述厚度方向来看所述密接区域的内缘部与外缘部的最短距离，是所述垫圈的宽度的2倍以上。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的燃料电池，其中，
在所述密接区域设置有将所述隔离件和所述框体粘接的粘接构件。
8.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，
所述框体，在所述密接区域具备与所述隔离件紧密相接的环状的凸部。
9.根据权利要求8所述的燃料电池，其中，
所述隔离件，在所述密接区域具备收容所述框体的凸部的环状的凹部。
10.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，
所述隔离件，在所述密接区域具备与所述框体紧密相接的环状的凸部。
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