CN104170145B - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

公开的是一种燃料电池，其包括由金属多孔基材制成并配置在膜电极组件(30)与第一肋(50)和第二肋(55)的至少之一之间的支承体(60，65)。第一肋(50)与支承体(60，65)的接触面(52)和第二肋(55)与支承体(60，65)的接触面(57)在截面图中沿与气体流路方向垂直的方向彼此偏移。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及一种燃料电池。
背景技术
燃料电池具有通过堆叠大量单电池而形成的堆叠体。堆叠体被固定并向其施加表面压力。包含在各单电池中的膜电极组件(MEA)强度相对较弱，位于膜电极组件两侧的对齐的肋防止由于肋的位移引起的损害。然而，没有被肋支承的区域(非接触面)具有低的表面压力(出现不均匀的表面压力)，且低的表面压力导致电阻增大的问题。
出于这个原因，通过其中通过将两侧的肋在位置上彼此偏移和通过扩大肋的接触面的宽度而使得至少一侧的肋的接触面存在于MEA的任意部分的结构，使得表面压力均匀(参见专利文献1)。在某些情况下，通过配置补强材料以改善刚性使表面压力均匀(参见专利文献2)。
引文列表
专利文献
专利文献1：日本专利申请特开(JP-A)2000-315507
专利文献2：JP-A 2006-310104
发明内容
发明要解决的问题
然而，扩大的接触面宽度导致非接触面的尺寸减小，从而降低通过非接触面的气体扩散性的问题。
此外，补强材料的配置引起问题：单电池的厚度增加；因此燃料电池的尺寸变得更大。另一方面，当通过降低补强材料的厚度来抑制单电池厚度的增加时，表面压力的均匀性受到限制。
为了解决与现有技术有关的上述问题而进行了本发明。本发明的目的在于提供一种易于小型化、具有良好的气体扩散性、并且能使表面压力均匀的燃料电池。
用于解决问题的方案
用于实现上述目的的本发明是一种燃料电池，其包括：具有高分子电解质膜和配置在其中的催化剂层的膜电极组件；配置在膜电极组件的阳极侧的阳极隔板；配置在膜电极组件的阴极侧的阴极隔板；在膜电极组件和阳极隔板之间的气体流路空间中彼此平行配置的多个第一肋；在膜电极组件和阴极隔板之间的气体流路空间中彼此平行配置的多个第二肋；和由金属多孔基材制成并且配置在膜电极组件与第一肋和第二肋的至少之一之间的支承体。与膜电极组件或支承体接触的第一肋的接触面和第二肋的接触面在截面图中沿与气体流路方向垂直的方向彼此偏移。
附图说明
图1是用于描述根据第一实施方式的燃料电池的分解透视图。
图2是用于描述根据第一实施方式的电池结构的截面图。
图3是用于描述图2中示出的支承体的平面图。
图4是用于描述根据第二实施方式的燃料电池的截面图。
图5是用于描述图4中示出的肋的平面图。
图6是用于描述根据第三实施方式的燃料电池的截面图。
图7是用于描述根据第四实施方式的燃料电池的截面图。
图8是用于描述根据第五实施方式的燃料电池示意性结构的截面图。
图9是示出根据第五实施方式的燃料电池的截面说明图。
图10是示出一般的材料力学中两端支承梁的说明图。
图11是示出沿凸部宽度方向的位置与表面压力之间关系的图。
图12是示出凸部间距和支承体所需的弯曲强度之间关系的曲线图。
图13是示出用于结构分析的实验设备的说明图。
图14是示出第五实施方式的另一个例子的截面说明图。
图15是示出第五实施方式的另一个例子的截面说明图。
图16A和16B各自是图15中示出的燃料电池的凸部排列的平面图。
图17是示出第五实施方式的另一个例子的截面说明图。
图18A和18B各自是图17中示出的燃料电池的凸部排列的平面图。
图19是示出第五实施方式的又一个例子的截面说明图。
图20是示出第五个实施方式的再一个例子的平面图。
具体实施方式
以下，参照附图描述本发明的实施方式。
<第一实施方式>
图1是用于描述根据第一实施方式的燃料电池的分解透视图。
根据第一实施方式的燃料电池10易于小型化，具有良好的气体扩散性，并且能够使其表面压力均匀分布。例如，它由使用氢气作为燃料的高分子电解质燃料电池形成，并且被用作电源。对于高分子电解质燃料电池(PEFC)，小型化、高密度化、和提高的功率是可能的。它被优选用作用于驱动具有限制的安装空间的可移动物体如车辆的电源，特别优选应用于系统频繁起动和停止或输出频繁变化的汽车。在这种情况下，例如，PEFC可以安装在汽车(燃料电池汽车)的车体中央部的座位下、后部行李箱(rear trunk room)的下部和车辆前方的发动机室中。从保证车内大的内部空间和行李箱的角度看，更优选将它安装在座位下。
如图1所示，燃料电池10具有堆叠部20、紧固板70、补强板75、集电体80、间隔件85、端板90和螺栓95。
堆叠部20包括单电池22的堆叠体。单电池22具有如下所述的膜电极组件、隔板、肋和支承体。
紧固板70配置在堆叠部20的底面和上面，并且补强板75配置在堆叠部20的两侧。即，紧固板70和补强板75共同构成围绕堆叠部20的外壳。
集电体80由如致密碳和铜板等具有气体不透过性的导电性构件形成。它们设置有用于输出堆叠部20中产生的电动势的输出端子，并配置在单电池22堆的堆叠方向的两端(在堆叠部20的正面和背面)。
间隔件85配置于在堆叠部20背面配置的集电体80的外侧。
端板90由具有刚性的材料例如金属材料如钢形成，并配置于在堆叠部20的正面配置的集电体80的外侧，并配置在间隔件85的外侧。端板90具有燃料气体入口、燃料气体出口、氧化剂气体入口、氧化剂气体出口、冷却水入口和冷却水出口，以供给或排出燃料气体(氢)，氧化剂气体(氧)和冷却剂(冷却水)以循环通过堆叠部20。
通过以下使螺栓95用于将位于内部的堆叠部20保持在紧压的状态：将端板90，紧固板70和补强板75紧固在一起，并且产生沿单电池22的堆叠方向施加的紧固力。螺栓95的数量和螺栓孔的位置可以适当变化。此外，紧固机构不局限于螺纹紧固件，其它的手段也是适用的。
图2是用于描述根据第一实施方式的电池结构的截面图，图3是用于描述图2中示出支承体的平面图。
各单电池22具有膜电极组件30、隔板40和45，多个肋50和55，以及支承体60和65。
如图2所示，膜电极组件30具有高分子电解质膜32、以及催化剂层34和36。
催化剂层34含有催化组分、用于负载催化组分的导电性催化剂载体、和高分子电解质。催化剂层34是其中进行氢的氧化反应的阳极催化剂层，并配置在高分子电解质膜32的一侧。催化剂层36含有催化组分、用于负载催化组分的导电性催化剂载体、和高分子电解质。催化剂层36是进行氧的还原反应的阴极催化剂层，并配置在高分子电解质膜32的另一侧。
高分子电解质膜32具有使催化剂层(阳极催化剂层)34中产生的质子选择性地透过入催化剂层(阴极催化剂层)36的功能，和作为阻止供给至阳极侧的燃料气体与供给至阴极侧的氧化剂气体混合的分隔壁的功能。
隔板40和45具有使单电池串联地电连接的功能，和作为将燃料气体、氧化剂气体和冷却剂彼此分隔的分隔壁的功能。隔板40和45实质上具有与膜电极组件30相同的形状，并且通过加压不锈钢板而形成。不锈钢板在容易进行复杂的机械加工和良好的导电性的方面是优选的，而且如有需要，还可以对其进行耐腐蚀涂布。
隔板40是配置于膜电极组件30的阳极侧的阳极隔板，并且与催化剂层34相对。隔板45是配置于膜电极组件30的阴极侧的阴极隔板，并且与催化剂层36相对。隔板40和45具有用于使燃料气体、氧化剂气体和冷却剂循环的多个歧管。歧管分别与设置在端板90中的燃料气体入口、燃料气体出口、氧化剂气体入口、氧化剂气体出口、冷却水入口和冷却水出口连通。
为隔板40和45的一部分的肋50和55由具有矩形截面的突出部形成。具体来说，肋50和55与隔板40和45通过加压不锈钢板而同时形成(一体形成)。肋50是互相平行配置的、并沿在延伸方向在膜电极组件30与隔板40之间限定的气体流路空间42的延伸方向(气体流路方向)延伸的第一肋。气体流路空间42用于向催化剂层34供给燃料气体。肋55是互相平行配置的、并沿在延伸方向(气体流路方向)在膜电极组件30与隔板45之间限定的气体流路空间47的延伸方向(气体流路方向)延伸的第二肋。气体流路空间47用于向催化剂层36供给氧化剂气体。
支承体60和65是具有弯曲刚性且弯曲强度比膜电极组件30的大的导电性板状构件，且支承体60和65由多孔基材制成以用于向催化剂层供给气体。
如图3所示，支承体60和65由金属网(金属网状物)制成。支承体60配置于催化剂层34和肋50之间。支承体65配置于催化剂层36和肋55之间。
肋50的接触面52和肋55的接触面57在截面图中沿垂直于气体流路方向的方向彼此偏移。肋50的接触面52和肋55的接触面57沿与气体流路方向和单电池22的堆叠方向的垂直的方向(以免沿堆叠方向在投影中重叠)以预定间隔设置，在接触面52和57之间夹持有支承体60、膜电极组件30和支承体65。接触面52和57沿与气体流路方向和堆叠方向垂直的方向交替排列。该排列向支承体60、膜电极组件30和支承体65提供弯曲力矩，使得：压缩力作用在接触面(负荷点)52和57的附近；与接触面52和接触面57相互重叠(此时，接触面52分别与接触面57相对排列)的情况相比，表面压力在整个发电区域的表面上均匀分布。由于通过支承体60和65的存在而增加刚性和强度，因此抑制由于弯曲力矩的产生而导致的膜电极组件30的损害。此外，由于不需要扩大接触面52和57的宽度W11和W21，因此可以避免通过没有肋50和55支承的区域(非接触面)气体扩散性降低的问题。进一步，由于仅通过支承体60或支承体65(仅其刚性)而表面压力不均匀分布，因此可以使支承体60和65的厚度T1和T2更薄。简而言之，可以提供容易小型化、具有良好的气体扩散性以及能使表面压力均匀分布的燃料电池。在这种情况下，肋50和55具有矩形的截面，因此肋50和55的接触面52和57的宽度W11和W21(接触面宽度)分别与肋50和55的宽度(顶面的宽度)一致。进一步，非接触面的宽度Wl2和W22由接触面52和57之间的距离定义。
支承体60和65具有比膜电极组件30的大的弯曲刚性，并且改善整体的弯曲刚性，使得：由接触面52和57施加的压缩力也传递到与接触面52和57接触的区域周围的区域；并且发电区域的表面压力更均匀地分布。支承体60和65(金属多孔基材)存在于膜电极组件30的两侧，由此改进单电池内部沿面内方向的电传导性。无论在膜电极组件的哪侧施加气体差压，都可以防止隆起(tenting)(流路堵塞)。
支承体60和65由金属制成，使得：容易改进支承体60和65的强度；并且在维持耐堆叠负荷的强度的同时，能够增加肋50和55的肋间距(两个相邻的肋各自的中心之间的距离)P1和P2。
支承体60的厚度T1优选为与支承体65的厚度T2相同。在这种情况下，膜电极组件30可以位于弯曲中立面的附近，由此对膜电极组件30的弯曲应力得到缓和。
肋间距P1和P2优选相同。在这种情况下，表示肋50的接触面52与肋55的接触面57之间的距离的相对偏移量S容易设置为最大。例如，通过将肋50的接触面52与肋55的接触面57彼此偏移相当于仅肋间距的一半的距离，使弯曲力矩最大，并且表面压力不均匀可以通过均匀配置弯曲力矩产生部位而降低。
肋间距P1和P2优选为等于或者小于通过下式计算的值：(2×(支承体60和65的沿气体流路宽度方向的长度)×(支承体60和65的厚度)2×(支承体60和65的弯曲强度)/(各肋50和55的堆叠负荷)。在这种情况下，流路占有率(气体流路空间的面积占有率)增加，因此可改进气体扩散性。
优选使得表示肋50的接触面52与肋55的接触面57之间的距离的相对偏移量S为最大来配置肋50和55。在这种情况下，使弯曲力矩最大并且均匀配置弯曲力矩产生部位，从而降低表面压力不均匀。
支承体60和65与催化剂层34和36直接接触，并且使肋50和55与隔板40和45一体化，使得充分保证催化剂层34和36与隔板40和45之间的导电以保持单电池的电阻低。因此，确保充分的气体扩散性和充分的导电性，由此如复写纸等的气体扩散层(GDL)的省略实现更薄的燃料电池。应当指出的是，如有需要，支承体60和65也可以包含气体扩散层。
接下来，将会详细描述各构成构件的材料、尺寸和其它。
对于高分子电解质膜32，可以使用由全氟化碳磺酸系聚合物制成的氟系高分子电解质膜、具有磺酸基的烃系树脂膜、和用电解质成分如磷酸和离子性液体浸渍的多孔膜。全氟化碳磺酸系高分子的例子包括Nafion(注册商标，E.I.du Pont de Nemours andCompany生产)、Aciplex(注册商标，Asahi Kasei Corporation生产)、和Flemion(注册商标，ASAHI GLASS CO.,LTD.生产)。多孔膜由聚四氟乙烯(PTFE)和聚偏二氟乙烯(PVDF)形成。
尽管高分子电解质膜32的厚度没有特别的限制，但是从强度、耐久性和输出特性的观点，该厚度优选为5-300μm，更优选为10-200μm。
催化剂层(阴极催化剂层)36中使用的催化组分没有特别的限制，只要对氧的还原反应具有催化作用即可。催化剂层(阳极催化剂层)34中使用的催化组分没有特别的限制，只要对氢的氧化反应具有催化作用即可。
催化组分具体地选自如铂、钌、铱、铑、钯、锇、钨、铅、铁、铬、钴、镍、锰、钒、钼、镓和铝等金属，它们的合金等。催化组分优选至少包含铂，以改善催化活性、对一氧化碳的耐毒性和耐热性等。应用于阴极催化剂层的催化组分和应用于阳极催化剂层的催化组分不必需相同，且可以适当地选择。
催化剂层34和36中使用的催化剂用导电性载体没有特别的限制，只要具有以期望的分散状态负载催化组分的比表面积，并且作为集电体具有充分的导电性即可。然而，导电性载体优选主要由碳颗粒组成。碳颗粒包括，例如，炭黑、活性炭、软木、天然石墨和人造石墨。
催化剂层34和36中使用的高分子电解质没有特别的限制，只要是至少具有高质子传导性的构件即可。例如，全部或部分的聚合物骨架中具有氟原子的氟系电解质，和聚合物骨架中没有氟原子的烃系电解质是可使用的。催化剂层34和36中使用的高分子电解质与高分子电解质膜32中使用的高分子电解质可以相同或者不同。从改进催化剂层34和36与高分子电解质膜32的粘合性的观点，它们优选是相同的。
隔板40和45并不局限于由不锈钢板制成的形式。除不锈钢板之外的金属材料(例如，铝板和包覆材料)和碳如致密碳石墨和碳板也是可使用的。当使用碳时，肋50和55可以由例如切削加工或丝网印刷形成。
接触面宽度W11和W21大于300μm使得由气体流路空间42和47供给的气体难以扩散至肋的正下方，由此，增加气体输送阻力而降低发电性能。考虑到燃料电池更高的功率密度，接触面宽度W11和W21优选为50-300μm，特别优选为100-200μm。
当支承体60和65的弯曲(拉伸)强度为100MPa以上时，即使肋间距P1和P2设定为600μm以上，它们也能承受堆叠负荷。在这种情况下，流路占有率增加，使得气体扩散性提高。
非接触面宽度W12和W22小于100μm会扰乱以充分量供给气体(燃料气体或氧化剂气体)，并降低气体流路与发电面积的比率，从而增加气体输送阻力并降低发电性能。此外，由于相邻肋之间的间隔狭窄，对于肋50和55的形成需要精确的定位、和精细的加工等，并且部件的成本增加。因此，非接触面宽度W12和W22优选为100-2000μm，特别优选为200-1000μm。
制成支承体60和65的导电性材料没有特别限制，例如，可以适当使用与应用于隔板40和45相同的构成材料。具有涂布有金属的表面的材料也是可用的，在这种情况下，与上述相同的材料可以用作表面上的金属，且芯材优选具有导电性。例如，导电性高分子材料和导电性碳材料可以用于芯材。
支承体60和65的表面也可以进行防腐蚀处理、防水处理和亲水处理。亲水处理为例如用金或碳的涂布，并且可以控制支承体60和65的腐蚀。
防水处理为例如用防水剂的涂布。它降低支承体60和65开孔部中的水的滞留，抑制由于水导致的气体供给的阻碍和由水引起的溢流，保证将气体稳定地供给至催化剂层34和36，抑制电池电压的急剧下降，并因此使电池电压稳定。防水剂的例子包括：氟系高分子材料如PTFE、PVdF、聚六氟丙烯和四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)；聚丙烯；和聚乙烯。
亲水处理为例如用亲水剂的涂布。由于亲水处理将液体水从催化剂层34和36引向流路侧，所以亲水处理降低滞留在催化剂层34和36中的水，从而抑制电池电压的急剧下降，并因此使电池电压稳定。亲水剂例如为硅烷偶联剂或聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)。也可以在支承体60和65的隔板侧的表面上进行亲水处理，并且在对支承体60和65的催化剂层侧的表面上进行防水处理。
从气体供给性和电池电压的观点，形成各支承体60和65的网的目数优选为100以上，更优选为100-500。考虑到网与催化剂层34和36以及肋50和55的接触面积(电池内的电阻)，网线的直径优选为25-110μm。网的编织(编结)没有特别的限制，例如，平织、斜织、平纹荷兰编织和斜纹荷兰编织也是可用的。也可以通过将线材相互固定(例如焊接)而不编织来形成网。
支承体60和65不局限于采用金属网的形式，例如，冲孔金属、网眼金属和蚀刻金属也是可用的。
如上所述，在第一实施方式中，肋50的接触面52与肋55的接触面57在截面图中沿垂直于气体流路方向的方向是相互偏移的。这种排列对支承体60、膜电极组件30和支承体65提供弯曲力矩，使得：压缩力作用于接触面(负荷点)52和57的附近；并且表面压力在发电区域的整个表面上均匀地分布；由于因支承体60和65的存在，刚性和强度增加，抑制由于弯曲力矩的产生而导致的膜电极组件30的损害。此外，由于不需要扩大接触面52和57的宽度W11和W21，因此可以避免通过没有肋50和55支承的区域(非接触面)的气体扩散性降低的问题。进一步，由于仅通过支承体60或支承体65(仅其刚性)表面压力不均匀分布，因此可以使支承体60和65的厚度T1和T2更薄。简而言之，可以提供容易小型化、具有良好的气体扩散性、并能使表面压力均匀分布的燃料电池。
支承体60和65具有比膜电极组件30更大的弯曲刚性，并且改善整体的弯曲刚性，使得：由接触面52和57施加的压缩力也传递到与接触面52和57接触的区域周围的区域；发电区域的表面压力更均匀地分布。支承体60和65(金属多孔基材)存在于膜电极组件30的两侧，因此，改进单电池内部沿面内方向的电传导性。无论在膜电极组件的哪一侧施加气体差压都可防止隆起(流路堵塞)。
支承体60和65由金属制成，使得：容易改进支承体60和65的强度；并且可以在维持承受堆叠负荷强度的同时，增加肋50和55的肋间距(两个相邻的肋各自的中心之间的距离)P1和P2。
支承体60的厚度T1优选为与支承体65的厚度T2相同。在这种情况下，膜电极组件30位于弯曲中立面附近，由此对膜电极组件30的弯曲应力得到缓和。
肋间距P1和P2优选相同。在这种情况下，表示肋50的接触面52与肋55的接触面57之间的距离的相对间隙的量S容易设置为最大。例如，将肋50的接触面52与肋55的接触面57彼此偏移相当于仅肋间距的一半的距离，使弯曲力矩最大，并且表面压力的不均匀可以通过均匀配置弯曲力矩产生部位而降低。
肋间距P1和P2优选等于或者小于(2×(支承体60和65的沿气体流路宽度方向的长度)×(支承体60和65的厚度)2×(支承体60和65的弯曲强度))/(各肋50和55的堆叠负荷)。在这种情况下，流路占有率增加，因此改进气体扩散性。
肋50和55优选以表示肋50的接触面52与肋55的接触面57之间的距离的相对间隙S为最大来配置。在这种情况下，弯曲力矩最大，弯曲力矩产生部位均匀配置，从而降低表面压力不均匀。
<第二实施方式>
图4是用于描述根据第二实施方式的燃料电池的截面图，图5是用于描述图4中示出肋的平面图。
根据第二实施方式的燃料电池与根据第一实施方式的燃料电池的大致区别在于，根据第二实施方式的燃料电池具有作为没有与隔板40和45一体地形成的独立体的肋50A和55A。以下，与第一实施方式中具有相同功能的构件通过相同的附图标记表示，并且为了避免重复省略此类构件的描述。
肋50A和55A由具有圆形截面的线材制成，并固定至支承体60和65。因此，即使肋50A和55A的形状不是直线状，由于肋50A和55A与支承体60和65之间的接触点被固定，因此均可以改进支承体60和65的沿面内长度和宽度方向的弯曲刚性。在这种情况下，由于肋50A和55A具有圆形截面，因此肋50A和55A的接触面52和57的宽度W11和W21(接触面宽度)比肋50A和55A的宽度(直径)小。
将肋50A和55A固定至支承体60和65的方法没有特别的限制，机械固定和热接合都是可用的。机械固定包括，例如，通过嵌合固定和用线固定。
通过嵌合固定可以通过将在肋50A和55A上形成的凸部(或凹部)嵌合至在支承体60和65形成的凹部(或凸部)来进行。用线固定可以通过将设置在肋50A和55A的线插入支承体60和65中形成的开孔，或者通过用穿过支承体60和65中形成的开孔的线来紧固肋50A和55A来进行。
热接合包括，例如，焊接、烧结和沉积。热接合是有利的，因为：即使在支承体60和65与肋50A和55A中存在没有向其施加表面压力的部位或者非接触部位，也保证电传导性；而且操作容易。
构成肋50A和55A的导电性材料没有特别的限制，例如，可以适当地使用与用于支承体60和65的构成材料相同的材料。也可以采用具有涂布有金属的表面的材料或者在材料的表面上进行防腐蚀处理、防水处理和亲水处理。
如上所述，在第二实施方式中，由于肋50A和55A固定至支承体60和65，因此可以改进支承体60和65的弯曲刚性。
肋50A和55A的截面形状不限制于圆形，例如，椭圆形(橄榄球形，圆盘形)、矩形、三角形和多边形是可用的。
如有必要，肋50A和55A可以原样配置，而不固定至支承体60和65上，或者与支承体60和65一体地形成。此外，肋50A和55A也可以固定至隔板40和45。进一步，肋50A和55A也可以通过借助丝网印刷等使由导电性碳材料制成的肋50A和55A直接转印至隔板40和45而形成。
<第三实施方式>
图6是用于描述根据第三实施方式的燃料电池的截面图。
根据第三实施方式的燃料电池与根据第一实施方式的燃料电池的大致区别在于，根据第三实施方式的燃料电池具有单一的支承体65A。
支承体65A具有比膜电极组件30小的弯曲刚性，并被配置在膜电极组件30的阴极侧，和位于催化剂层36与隔板45之间。
使支承体65A的弯曲刚性比膜电极组件30的小的原因是，支承体65A不存在于膜电极组件30的阳极侧，较小的弯曲刚性导致均匀的表面压力。支承体65A配置于阴极侧的原因是在阴极侧气体扩散性的影响更大。膜电极组件30和支承体65A优选为具有相同的抗挠曲的强度。
如上所述，在第三实施方式中，将支承体65A仅配置在膜电极组件30的阴极侧，使得燃料电池容易小型化。肋50和55也可以如第二实施方式的情况为独立体。
<第四实施方式>
图7是用于描述根据第四实施方式的燃料电池的截面图。
根据第四实施方式的燃料电池与根据第一实施方式的燃料电池的大致区别在于，根据第四实施方式的燃料电池具有配置在支承体60和65与膜电极组件30之间的导电性中间层35和37。
中间层35和37由具有充分的机械强度的微孔层(MPL)制成，可以缓和从支承体60和65添加至膜电极组件30的应力。进一步，因为中间层35和37避免支承体60和65与膜电极组件30之间的直接接触，所以，例如，甚至当支承体60和65是由金属网制成时，也可以抑制由于从支承体60和65添加的应力导致的膜电极组件30的损害。
微孔层由碳颗粒的聚集体制成的碳颗粒层而形成。碳颗粒没有特别的限制，炭黑、石墨和膨胀石墨是可用的。考虑到优异的电子传导性和大的比表面积，炭黑是优选的。碳颗粒优选具有10-100nm的平均粒径，这提供由于毛细管力引起的高的排水性能，并导致与催化剂层34和36更好的接触。
考虑到改进防水性以防止溢流现象等，碳颗粒层也可以含有防水剂。在这种情况下，滞留在支承体60和65的开孔中的液体水可以容易地排出，因此可改进支承体60和65的耐腐蚀性。
防水剂的例子包括：氟系高分子材料如PTFE、PVdF、聚六氟丙烯和FEP；聚丙烯；和聚乙烯。考虑到优异的防水性和电极反应期间优异的耐腐蚀性，氟系高分子材料是优选的。考虑到防水性和电子传导性的平衡，碳颗粒与防水剂的混合比例以质量比计优选为90:10-40:60(碳颗粒：防水剂)。
如上所述，在第四实施方式中，存在用于减小从支承体60和65添加在膜电极组件30上的应力的中间层35和37，以避免支承体60和65与膜电极组件30之间的直接接触。因此，例如，甚至当支承体60和65由金属网制成时，也可以抑制由于由支承体60和65添加的应力导致的膜电极组件30的损害。
中间层35和37不局限于由微孔层制成的形式，气体扩散层以及气体扩散层和微孔层的组合也是可用的。在第二和第三实施方式中，也可以包含中间层35和37。
<第五实施方式>
图8是用于描述根据第五实施方式的燃料电池的示意性结构的截面图，图9是示出根据第五实施方式的燃料电池的截面说明图。
图8示出的燃料电池110包括：膜电极组件130，其具有高分子电解质膜132夹持在一对催化剂层134和136之间的结构；隔板140和140，其用于限定膜电极组件130与隔板140和140之间的气体流路空间142和147；以及支承体160和160，其由导电性多孔基材制成并分别配置在催化剂层134和136的表面上。
在燃料电池110中，两个隔板140和140都具有在与膜电极组件130接触的顶部的多个具有曲面的凸部150a，并且所述凸部150a以其中一个隔板140中的凸部150a与另一个隔板140中的凸部150a均匀地偏移的方式以预定间隔排列。
在图9示出的燃料电池110中，在图中由箭头表示的来自一个隔板140侧的平均表面压力P、另一个隔板140中相邻的凸部150a和150a之间的间距(中心之间的距离)L、支承体160的厚度h和支承体160的弯曲强度σ之间的关系满足：
L≤S(2h2σ/P)0.5。
膜电极组件130通常是指MEA(Membrane Electrode Assembly)，其中由固体高分子膜制成的高分子电解质膜132夹持在一对催化剂层之间，具体为阳极侧催化剂层134和阴极侧催化剂层136，尽管省略详细说明。催化剂层134和136具有除了催化剂层还堆叠适当数目的气体扩散层的结构。
隔板140例如由不锈钢制成并且具有至少在与膜电极组件130的相对的表面上形成的多个凸部150a。像彼此平行延伸的肋成形(以其形状形成)顶部具有曲面的凸部150a。因此，凸部150a与膜电极组件130线接触。隔板140中，相邻的凸部150a和150a之间的凹槽部分用作用于阳极气体(含氢气体)的气体流路空间142或者用于阴极气体(含氧气体，空气)的气体流路空间147。
支承体160是导电性的多孔基材，且由金属制成，更希望它们被压延处理或热处理。支承体160由金属网、蚀刻的不锈钢板、冲孔金属、网眼金属和金属无纺布中的任意一种形成，并由图示例子中的金属网形成。进一步，相同的构件用于支承体160上的催化剂层134和136二者。
在燃料电池110中，隔板140和140在相邻的凸部150a之间具有相同的间距L，而且一个隔板140中的任意一个凸部150a与另一隔板140中相应的凸部150a之间的偏移量是各隔板140上各相邻的两个凸部150a之间的间距L的一半。换句话说，如图8和9所示，上侧的一个上隔板140中的凸部150a位于下侧的另一个下隔板140中的两个相邻凸部150a和150a的中心(中间位置)。此外，隔板140中的凸部150a更希望具有3mm以上的宽度。
在燃料电池110中，尽管省略图示，但将气密封适当施加至位于膜电极组件130与各隔板140和140之间的外周部，使得阳极气体和阴极气体通过供给通路和排出通路分别在气体流路空间142和147中循环。
堆叠具有上述结构的多个燃料电池110以构成燃料电池堆。在这种情况中的燃料电池堆中，通过在燃料电池堆的两端配置端板等，然后沿堆叠方向加压燃料电池堆，将预定的表面压力施加至燃料电池110，由此吸收由于膜电极组件130等的溶胀而导致的位移，并保持气体密封性。
考虑到上述燃料电池110包括在催化剂层134和136表面上的支承体160，且一个隔板140中的凸部150a与另一个隔板中的凸部150a偏移，设定平均表面压力P、凸部150a之间的间距L、支承体160的厚度h与支承体160的弯曲强度σ之间的关系。因此，在膜电极组件130插入隔板140和140之间的情况下、在两侧的隔板140和140的凸部150a相互偏移排列的结构中，在维持催化剂层134和136良好的气体扩散性的同时，可以实现作用于膜电极组件130的均匀分布的表面压力。
一般地，例如，当两个隔板的凸部沿燃料电池110的厚度方向互相对齐时，显然的是，在膜电极组件中仅在两侧的凸部之间的部位接受较高的表面压力。此外，尽管在两侧的凸部的偏移排列抑制表面压力的局部增加，但迫使膜电极组件变形为波形工件。因此，例如，必需使得凸部之间的间距更小，或像传统燃料电池中扩大至少一侧的凸部的宽度。因此，在催化剂层中与凸部的接触部分气体扩散性降低。
另一方面，使上述燃料电池110达到通过各支承体160使膜电极组件130补强的状态，使得即使在使凸部150a之间的间距L更大或使凸部150a的宽度更小的情况下使凸部150a偏移，作用于膜电极组件130上的表面压力也能均匀分布。此外，对于燃料电池110，如上所述设定平均表面压力P、凸部150a之间的间距L、支承体160的厚度h和支承体160的弯曲强度σ之间关系，由此获得基于凸部150a的偏移排列的结构，以完全发挥凸部150a偏移排列的效果。
在上述燃料电池110中，两侧的凸部150a之间的偏移量是凸部150a之间间距L的一半，且两个隔板140在相邻凸部150a之间具有相同的间距L。因此，可以使膜电极组件130中沿面内方向的弯曲负荷分布均匀。
此外，燃料电池110中上述支承体160由金属制成，使得：改进支承体本身的弯曲强度，而且能扩大凸部150a之间的间距L。进一步，在燃料电池110中，被压延处理或者热处理的支承体160的使用，改进支承体160本身的弯曲强度，并由此可扩大凸部150a之间的间距L。进一步，当在燃料电池110中支承体160由金属网、蚀刻的不锈钢板、冲孔金属、网眼金属和金属的无纺布的任一种形成时，实现低成本和改进的加工性。
此外，在上述燃料电池110中，在催化剂层134和136中相同的支承体160的使用，使得弯曲中立面位于膜电极组件130的中央并且能够降低作用于膜电极组件130上的弯曲应力。进一步，在上述燃料电池110中，具有3mm以上的宽度的凸部150a使得隔板140能够通过加压等容易地制造并贡献于降低成本等。具有小于3mm的宽度的凸部150a可能需要微细加工并且增加制造成本。
在上述燃料电池110中，通过一般的材料力学不能简单地导出其中从一个隔板140侧的平均表面压力P、在另一个隔板140中相邻凸部150a和150a之间的间距L、支承体160的厚度h和支承体160的弯曲强度σ之间的关系满足L≤(2h2σ/P)0.5的结构。
如图10所示，当考虑到凸部的偏移排列是两端支承梁时，最大弯曲力矩M和最大应力σ通过以下给出的公式1和2来获得。即，当支承体具有大于最大应力σ的弯曲强度时，可以形成结构。在公式1和2中，W代表负荷；h代表支承体的厚度；H代表梁的厚度；L代表凸部之间的间距；P代表平均表面压力；a代表膜电极组件中发电区域的宽度；b代表发电区域的长度；y代表距中立面的距离(h作为两个支承体之间的中央)；I代表截面二次力矩(I＝2bh3/3)。
M＝WL/8 (公式1)
σ＝My/I＝3WL/16bh2＝3PL2/162 (公式2)
然而，发现公式2不适用于实际的燃料电池110。例如，公式2表明当表面压力是1MPa且支承体具有50μm的厚度时，在支承体具有75MPa的弯度强度的情况下结构能够形成。然而，在实践中当燃料电池110和燃料电池堆在此类条件下组装时，迫使支承体进入塑性区域并且变形。
因此，考虑到实际燃料电池110中各元件的形状等进行有限要素法分析，基于与实验的相关导出形成在两侧的凸部150a的偏移排列结构的方案。
使用图9中所示的模型的分析表明，尽管在膜电极组件130上的负荷是来自上侧的凸部150a的单点负荷，当如图11所示使膜电极组件130的表面压力分布可视化时，表面压力通过各元件沿面内方向分布。由于负荷的分布影响弯曲力矩，因此该影响用校正项X表示(公式3)。
进一步，当分析结果的应力可视化时，发现两侧的支承体160独立地接受负荷。在这种情况下，由于作为形状因子而施加影响，因此该影响可以用截面的二次力矩的校正项Y表示，此外系数部分总体用Z表示(公式4)。
因此，考虑形状的最大应力可以基于上述分析结果来计算。然后，如果支承体160的结构具有足以承受最大应力的弯曲强度，则可以形成该结构。考虑到此，设定Z以表示分析结果的应力(公式4)，本实施方式的关系式(公式6)通过修改公式5来得到。具体来说，确认，当设定平均表面压力P、凸部150a之间的间距L、支承体160的厚度h和支承体160的弯曲强度σ以满足公式5时，满足形成凸部150a的偏移排列的要求而在实验中没有膜电极组件130的变形和压痕等。
图12是示出凸部150a之间的间距(肋间距)和支承体160所需的弯曲强度之间关系的图。已确认超过公式6的范围导致由于凸部150a引起的膜电极组件130的塑性变形，而在公式6的范围内没有导致膜电极组件130的塑性变形。
σ＝3XPL2/16Yh2 (公式3)
σ＝3XPL2/16Yh2＝ZPL2/h2 (公式4)
σ＝PL2/2h2 (公式5)
L≤(2h2σ/P)0.5 (公式6)
接下来，在本实施方式中，为了得到间距L、支承体160的弯曲强度σ和用于形成凸部150a的偏移排列的平均表面压力P之间的关系，进行上述分析和实验。在实验中，如表1和2所示，实施例1-8分别使用隔板140、支承体160和电极(MPL)2的不同组成。
表1
表2
支承体160的弯曲强度可以通过公知的弯曲强度测试来测定，并且可以使用以例如由Instron生产的Micro Tester5848型为代表的商购可得的负荷试验机。在本实施方式中，使用图13所示的实验设备进行各种平均表面压力的实验。
在图示的实验设备中，通过气缸252升降的活塞253设置在工作台251上侧；端板90和90配置在燃料电池110的上侧和下侧；然后将端板90和燃料电池110放置在工作台251上。随后，降低活塞253，将沿厚度方向的负荷，即，表面压力施加至燃料电池110。平均表面压力通过FujifilmCorporation生产的压力测量膜Prescale来检测。
结果，当凸部150a的间距L、支承体160的弯曲强度σ和平均表面压力P之间的关系满足上面给出的公式6时，在支承体160中没有观察到变形或劣化。同时，当各构成之间的关系不满足公式6时，在支承体160中观察到塑性变形。支承体160的变形的影响也到达膜电极组件130，具体来讲，作为催化剂层134和136之间的短路和作为交叉泄漏量(crossleakage)的增加而检测到该影响。这可以通过使用电化学诊断装置的线性扫描伏安法来确认。在这种情况下，测量通过向阳极侧供给氢和向阴极侧供给氮来进行。
在本实施方式中，通过不仅进行实验而且进行用有限要素法的结构分析，在检测与实验结果的一致性的同时进行验证。
将如图9所示的一侧的凸部150a与另一侧的凸部150a彼此偏移的结构模拟成两端支承梁，用多面体网进行网格生成。一侧的凸部150a之间的距离被认为是梁的长度，平均表面压力被认为是输入负荷。IDEAS中的有限要素法解算器用作解算器。然而，可以使用其他的解算器，如ANSY和ABAQUS。
由上述分析结果计算当限定支承体160的弯曲强度和平均表面压力时，能够保持结构而支承体160不进入塑性变形区域的凸部150a之间的距离。因为这些都在支承体160的弯曲强度σ、支承体160的厚度h、平均表面压力P和凸部150a之间的间距L的关系中，因此可以理解其为当在一定的凸部150a之间的距离下施加一定的平均表面压力时需要的支承体160的弯曲强度。具体来说，它可以用本实施方式的关系式(见上面给出的公式6)来表达，且表面压力灵敏度如上述图12中所示。
因此，本实施方式的燃料电池110的关系式不是简单地从材料力学部分容易地得出。相反，关系式是燃料电池特有的，其通过考虑燃料电池的各要素进行分析和实验；并且基于分析和实验的结果导出关系式来得到。
图14-20是用于解释本实施方式中燃料电池的其它例子的视图。与上述实施方式中相同的构件部分通过相同的附图标记来表示，且省略它们的详细描述。在下面的每个实施方式中，分析和实验也如上述实施方式的情况来进行，并且各关系式基于结果而得到。
图14中所示出的燃料电池110包括：膜电极组件130，两侧的隔板(其主体未示出)以及支承体160和160。两个隔板都具有在与膜电极组件130接触的顶部具有平坦表面的多个凸部150b，并且所述凸部150b以使一侧的凸部150b与另一侧的凸部150b均匀偏移的方式以预定间隔来配置。凸部150b以如上述实施方式的情况以肋形状形成。因此，凸部150b与膜电极组件130面接触。
在燃料电池110中，来自一个隔板侧的平均表面压力P、另一个隔板中相邻凸部150b之间的间距L、凸部150b的宽度Wr、支承体160的厚度h和支承体160的弯曲强度σ之间的关系满足：
L-Wr≤(2h2σ/P)0.5。
甚至在上述的燃料电池110中，也可以实现基于凸部150b的偏移排列的结构，以充分发挥凸部150b的偏移排列的效果，而且在维持催化剂层134和136良好的气体扩散性的同时可以实现均匀的表面压力。
图15所示的燃料电池110包括：膜电极组件130、两侧的隔板(其主体未示出)以及支承体160和160。两个隔板都具有在与膜电极组件130接触的顶部的多个具有曲面的凸部150c，并且所述凸部150c以一侧的凸部150c与另一侧的凸部150c均匀偏移的方式以预定间隔来配置。将凸部150c成形为(以其形状形成)圆点状。因此，凸部150c与膜电极组件130点接触。凸部150c如图16(A)和16(B)中所示规则地配置。图16中，点线表示一个隔板中的凸部150c，实线表示另一个隔板中的凸部150c。
在燃料电池110中，如图9所示的结构的情况中，来自一个隔板侧的平均表面压力P、另一个隔板中相邻凸部150c之间的间距L、支承体160的厚度h和支承体160的弯曲强度σ之间的关系满足：
L≤(2h2σ/P)0.5。
甚至在上面提到的燃料电池110中，也可以实现基于凸部150c的偏移排列的结构，以充分发挥凸部150c的偏移排列的效果，而且在维持催化剂层134和136良好的气体扩散性的同时可以实现均匀的表面压力。
图17中示出的燃料电池110包括：膜电极组件130、两侧的隔板(其主体未示出)以及支承体160和160。两个隔板都具有在与膜电极组件130接触的顶部具有平坦表面的多个凸部150d，并且所述凸部150d以一侧的凸部150d与另一侧的凸部150d均匀偏移的方式以预定间隔配置。凸部150d成形(以其形状形成)为圆点状。因此，凸部150d与膜电极组件面接触。这些凸部150d如图18(A)和18(B)中所示规则地配置。在图18中，如图16一样，点线表示一个隔板中的凸部150d，实线表示另一个隔板中的凸部150d。
在燃料电池110中，如图14所示的结构的情况，来自一个隔板侧的平均表面压力P、另一个隔板中相邻凸部150d之间的间距L、凸部150d的宽度Wr、支承体160的厚度h和支承体160的弯曲强度σ之间的关系满足：
L-Wr≤(2h2σ/P)0.5。
甚至在上面提到的燃料电池110中，也可以实现基于凸部150d的偏移排列的结构，以充分发挥凸部150d偏移排列的效果，而且在维持催化剂层134和136良好的气体扩散性的同时可以实现均匀的表面压力。
图19中所示的燃料电池110中，一侧的凸部与另一侧的凸部不均匀地偏移，而在上述实施方式中，一侧的凸部与另一侧的凸部均匀地偏移。简单地说，图示的燃料电池110包括：膜电极组件130、隔板(其主体未示出)以及支承体160和160。
两个隔板都具有在与膜电极组件130接触的顶部具有曲面的多个肋状凸部150a，并且所述凸部150a以一个隔板中的凸部150a与另一个隔板中的凸部150a偏移的方式以预定间隔彼此平行地配置。具体地，在图中，上侧隔板中的凸部150a从下侧隔板中两个相邻凸部150a的中心(中点)向右侧偏移。因此，上侧凸部150a与一个下侧凸部之间沿面内方向的间隔L1比上侧凸部150a与另一个下侧凸部之间沿面内方向的间隔L2大。
在燃料电池110中，来自一个隔板侧的平均表面压力P、另一个隔板中相邻凸部150d的间距L、支承体160的厚度h和支承体160的弯曲强度σ之间的关系满足：
L≤(2h2σ/XP)0.5，
其中，X定义为X＝2L1/(L1+L2)，其中：L1是一个隔板中的凸部150a与另一个隔板中相邻凸部150a中的一个之间的距离；和L2是一个隔板中的凸部150a与另一个隔板中相邻凸部中的另一个之间的距离(L＝L1+L2)。
甚至在上面提到的燃料电池110中，也可以实现基于凸部150a的偏移排列的结构，以充分发挥凸部150a的偏移排列的效果，而且在维持催化剂层134和136良好的气体扩散性的同时可以实现均匀的表面压力。
图20中示出的燃料电池110与图19中示出的燃料电池110的区别在于，图20中示出的燃料电池具有点状凸部150c，而图19中示出的燃料电池具有肋状凸部。在该燃料电池110中，多个点状凸部150c不规则地配置，而且一侧的凸部150c与另一侧的凸部150c偏移。
在该燃料电池110中，在另一个隔板中相邻凸部150c之间的间距L是在一个隔板中任意凸部150cA的重心和在另一个隔板中与该任意凸部150cA最近的四个凸部150c之中最远的凸部150cB的重心之间沿面内方向的距离的2倍。
在燃料电池110中，来自一个隔板侧的平均表面压力P、另一个隔板中相邻凸部150c之间的间距L、支承体160的厚度h和支承体160的弯曲强度σ之间的关系满足：
L≤(2h2σ/P)0.5。
甚至在上面提到的燃料电池110中，也可以实现基于凸部150c的偏移排列的结构，以充分发挥凸部150c的偏移排列的效果，而且维持电极良好的气体扩散性的同时可以实现均匀的表面压力。
本发明的实施方式如上所述。然而，这些实施方式只是为了使得本发明容易理解而描述的说明，且本发明不局限于这些实施方式。本发明的技术范围不仅包括上述实施方式中披露的具体技术内容，还包括从中可以容易得出的各种改进、变化和替换技术。例如，燃料电池可以由使用甲醇作为燃料的固体高分子电解质燃料电池(例如，直接甲醇型燃料电池(DMFC)和微燃料电池(被动型DMFC))形成，或者可以用作固定用电源。作为除了氢或甲醇以外的燃料，乙醇、1-丙醇、2-丙醇、伯丁醇、仲丁醇、叔丁醇、二甲醚、二乙醚、乙二醇、二甘醇等也是可用的。例如，在第五实施方式中，可以适当选择每个元件的材料，和凸部截面形状与平面形状。
本申请要求2012年3月15日提交的日本专利申请2012-058616和2012年5月8日提交的日本专利申请2012-106443的优先权，通过参考将其全部内容引入本文。
产业上的可利用性
根据本发明，由于弯曲力矩的产生引起的损害被抑制，这时由于：第一肋的接触面和第二肋的接触面在截面图中沿垂直于气体流路方向的方向相互偏移；产生弯曲力矩使得压缩力作用于接触面(负荷点)附近；表面压力均匀分布在发电区域的整个表面；且通过支承体的存在刚性增加。此外，由于接触面宽度不需要扩大，因此可以避免在没有第一肋和第二肋支承的区域(非接触面)气体扩散性降低的问题。进一步，由于仅通过支承体(只有刚性)表面压力不均匀分布，因此可以使支承体的厚度更薄。简而言之，可提供易于小型化、并具有良好的气体扩散性，且能使表面压力均匀分布的燃料电池。
附图标记翻译
10，110 燃料电池
20 堆叠部
22 单电池
30，130 膜电极组件
32，132 高分子电解质膜
34，134 催化剂层(阳极催化剂层)
35 中间层
36，136 催化剂层(阴极催化剂层)
37 中间层37
40 阳极隔板
45 阴极隔板
140 隔板
42，47，142，147 气体流路空间
50，50A 肋(第一肋)
52 接触面
55，55A 肋(第二肋)
57 接触面
60，65，65A，160 支承体
70 紧固板
75 补强板
80 集电体
85 间隔件
90 端板
95 螺栓
P1，P2 肋间距
S 相对间隙量
T1，T2 厚度
W11，W21 接触面宽度
W12，W22 非接触面宽度

Claims (19)

1.一种燃料电池，所述燃料电池包括：
膜电极组件，其具有高分子电解质膜和配置在其中的催化剂层；
阳极隔板，其配置在所述膜电极组件的阳极侧；
阴极隔板，其配置在所述膜电极组件的阴极侧；
多个第一肋，其在所述膜电极组件和所述阳极隔板之间的气体流路空间中彼此平行地配置；
多个第二肋，其在所述膜电极组件和所述阴极隔板之间的气体流路空间中彼此平行地配置；和
支承体，其由金属多孔基材制成，并且配置在所述膜电极组件和所述第一肋与第二肋的至少之一之间；
其中，与所述膜电极组件或所述支承体接触的所述第一肋的接触面和与所述膜电极组件或所述支承体接触的所述第二肋的接触面在截面图中沿与气体流路方向垂直的方向彼此偏移，且沿堆叠方向在投影中彼此不重叠地设置。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中所述支承体的弯曲刚性比所述膜电极组件的弯曲刚性大，和
在所述膜电极组件和所述第一肋之间以及在所述膜电极组件与所述第二肋之间均配置所述支承体。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其中所述第一肋和所述第二肋具有相同的肋间距。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其中所述第一肋和所述第二肋的肋间距为2×(所述支承体的沿气体流路宽度方向的长度)×(所述支承体的厚度)2×(所述支承体的弯曲强度)/(各所述第一肋和所述第二肋的堆叠负荷)以下。
5.根据权利要求2所述的燃料电池，其中配置在所述膜电极组件的阳极侧和所述第一肋之间的所述支承体具有与配置在所述膜电极组件的阴极侧和所述第二肋之间的所述支承体相同的厚度。
6.根据权利要求3所述的燃料电池，其中所述第一肋和所述第二肋以使得表示所述第一肋的接触面与所述第二肋的接触面之间距离的相对间隙量为所述肋间距的一半来配置。
7.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其包括配置在所述支承体和所述膜电极组件之间的中间层，
其中，所述中间层缓和从所述支承体添加至所述膜电极组件的应力。
8.一种燃料电池，所述燃料电池包括：
膜电极组件，其具有其中高分子电解质膜夹持在一对催化剂层之间的结构；
一对隔板，其用于限定在所述膜电极组件和所述隔板之间的气体流路；和
支承体，其由导电性多孔基材制成并且分别配置在所述催化剂层的表面上，
其中，所述一对隔板具有在与所述膜电极组件接触的顶部各自具有曲面的多个凸部，并且所述凸部以隔板之一中的凸部与另一隔板中的凸部均匀偏移的方式以预定间隔来配置，并且
来自一个隔板侧的平均表面压力P、另一个隔板中的相邻凸部之间的间距L、所述支承体的厚度h和所述支承体的弯曲强度σ之间的关系满足L≤(2h2σ/P)0.5。
9.一种燃料电池，所述燃料电池包括：
膜电极组件，其具有其中高分子电解质膜夹持在一对催化剂层之间的结构；
一对隔板，其用于限定在所述膜电极组件和所述隔板之间的气体流路；和
支承体，其由导电性多孔基材制成并且分别配置在所述催化剂层的表面上，
其中，所述一对隔板具有在与所述膜电极组件接触的顶部具有平坦表面的多个凸部，所述凸部以所述一对隔板之一中的凸部与另一隔板中的凸部均匀偏移的方式以预定间隔配置，并且
来自一个隔板侧的平均表面压力P、另一隔板中的相邻凸部之间的间距L、凸部的宽度Wr，所述支承体的厚度h和所述支承体的弯曲强度σ之间的关系满足L-Wr≤(2h2σ/P)0.5。
10.根据权利要求8或9所述的燃料电池，其中，所述一对隔板中的凸部成形为彼此平行配置的肋状。
11.根据权利要求8或9所述的燃料电池，其中，所述一对隔板中的凸部成形为点状。
12.一种燃料电池，所述燃料电池包括：
膜电极组件，其具有其中高分子电解质膜夹持在一对催化剂层之间的结构；
一对隔板，其用于限定所述膜电极组件与所述隔板之间的气体流路；和
支承体，其由导电性多孔基材制成并分别配置在所述催化剂层的表面上，
其中，所述一对隔板具有在与所述膜电极组件接触的顶部具有曲面的多个肋状凸部，并且所述凸部以所述一对隔板之一中的凸部与另一隔板中的凸部偏移的方式以预定的间隔彼此平行地配置，
来自一个隔板侧的平均表面压力P、另一隔板中的相邻凸部之间的间距L、所述支承体的厚度h和所述支承体的弯曲强度σ之间的关系满足L≤(2h2σ/XP)0.5，
其中，X定义为X＝2L1/(L1+L2)，其中L1表示一个隔板中的任一个凸部和另一个隔板中的相邻凸部之一之间的距离，和L2表示一个隔板中的所述凸部和另一隔板中的相邻凸部的另一个之间的距离。
13.一种燃料电池，所述燃料电池包括：
膜电极组件，其具有其中高分子电解质膜夹持在一对催化剂层之间的结构；
一对隔板，其用于限定在所述膜电极组件和所述隔板之间的气体流路；和
支承体，其由导电性多孔基材制成并分别配置在所述催化剂层的表面上，
其中，所述一对隔板具有在与所述膜电极组件接触的顶部具有曲面的多个点状凸部，并且所述凸部以所述一对隔板之一中的凸部与另一隔板中的凸部偏移的方式以预定间隔配置，
来自一个隔板侧的平均表面压力P、另一个隔板中的相邻凸部之间的间距L、所述支承体的厚度h和所述支承体的弯曲强度σ之间的关系满足L≤(2h2σ/P)0.5，其中，
L表示另一个隔板中相邻凸部之间的间距，它是一个隔板中任意凸部的重心与另一个隔板中与所述任意凸部最近的四个凸部之中最远的凸部的重心之间沿面内方向的距离的2倍。
14.根据权利要求8或9所述的燃料电池，其中所述一对隔板之一中的凸部与另一隔板中的凸部之间的偏移量是隔板中相邻凸部之间的间距L的一半。
15.根据权利要求8、9、12和13任一项所述的燃料电池，其中所述一对隔板在所述相邻凸部之间具有相同的间距L。
16.根据权利要求15所述的燃料电池，其中所述支承体被压延处理或热处理。
17.根据权利要求15所述的燃料电池，其中所述支承体由金属网、蚀刻的不锈钢板、冲孔金属、网眼金属和金属无纺布中任意一种形成。
18.根据权利要求8、9、12和13任一项所述的燃料电池，其中所述支承体在两层所述催化剂层中为相同的构件。
19.根据权利要求8、9、12和13任一项所述的燃料电池，其中所述凸部具有3mm以上的宽度。
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