CN117174944A - 燃料电池和制造燃料电池的方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种燃料电池和制造燃料电池的方法。所述燃料电池包括膜电极组件、第一气体扩散层、第二气体扩散层、支撑体和覆盖片。在所述支撑体的端面和所述膜电极组件的端面之间存在具有距离为LA的空间。满足表达式E>0.048×LA 4/t3，其中，E是所述覆盖片的弹性模量，并且t是所述覆盖片的厚度。相对于所述第一气体扩散层的所述覆盖片没有位于其下的部分中的空隙，所述第一气体扩散层的所述覆盖片位于其下的部分的至少一部分中的空隙的减少率为5％以上且25％以下。
Description
技术领域
本公开涉及一种燃料电池和制造燃料电池的方法。
背景技术
日本未审查专利申请公开第2021-144854号(JP 2021-144854 A)公开了粘合剂和覆盖片被定位为连接支撑框架和膜电极组件，并且气体扩散层位于覆盖片上的结构。日本未审查专利申请公开第2006-216294号(JP 2006-216294A)公开了确定各个板构件的厚度，使得气体扩散层与隔板的接触部分的压缩率是预定值。日本未审查专利申请公开第2016-170960号(JP 2016-170960A)公开了形成突出部分的材料的杨氏模量低于形成支撑框架体的材料的杨氏模量。日本未审查专利申请公开第2019-16586号(JP 2019-16586A)公开了框架具有1GPa以上的杨氏模量。
发明内容
在上述技术中，当放置覆盖片时，膜电极组件、气体扩散层和覆盖片可能出现损坏或密封不良。这种损坏或密封不良可能导致反应气体的泄漏。
本公开提供了一种燃料电池，即使在支撑体和膜电极组件之间的接合处放置覆盖片时，该燃料电池也能够降低膜电极组件和气体扩散层损坏的可能性。
根据本公开的方案的燃料电池包括：膜电极组件，其包括第一催化层、第二催化层和位于所述第一催化层和所述第二催化层之间的电解质膜；第一气体扩散层，其位于所述第一催化层上，所述第一气体扩散层的外周端部的至少一部分突出超过所述膜电极组件的外周边缘；第二气体扩散层，其位于所述第二催化层上；支撑体，其位于所述膜电极组件周围；以及覆盖片，其被定位为连接所述电解质膜和所述第一催化层中的任一个或两个和所述支撑体。在所述支撑体的端面和所述膜电极组件的端面之间存在具有距离为LA(mm)的空间。满足以下表达式，
E>0.048×LA 4/t3
其中，E(MPa)是所述覆盖片的弹性模量，并且t(mm)是所述覆盖片的厚度。相对于所述第一气体扩散层的所述覆盖片没有位于其下的部分中的空隙，所述第一气体扩散层的所述覆盖片位于其下的部分的至少一部分中的空隙的减少率为5％以上且25％以下。
上述燃料电池可以进一步包括一组隔板，其将所述第一气体扩散层、所述膜电极组件和所述第二气体扩散层夹在中间。所述支撑体可以在所述一组隔板之间进行密封。
根据本公开的方案的制造燃料电池的方法包括：将覆盖片放置在膜电极组件和支撑体上；以及将第一气体扩散层放置在所述覆盖片和所述膜电极组件上。所述膜电极组件包括第一催化层、第二催化层和位于所述第一催化层和所述第二催化层之间的电解质膜。所述支撑体位于所述膜电极组件周围，并且在所述支撑体和所述膜电极组件的端面之间设置具有距离为LA(mm)的空间。满足以下表达式
E>0.048×LA 4/t3
其中，E(MPa)是所述覆盖片的弹性模量，并且t(mm)是所述覆盖片的厚度。当将所述覆盖片放置在所述膜电极组件和所述支撑体上时，所述覆盖片被放置为连接所述电解质膜和所述第一催化层中的任一个或两个与所述支撑体。当将所述第一气体扩散层放置在所述覆盖片和所述膜电极组件上时，以这样的方式压制所述第一气体扩散层，使得相对于所述第一气体扩散层的所述覆盖片没有位于其下的部分中的空隙，所述第一气体扩散层的所述覆盖片位于其下的部分的至少一部分中的空隙的减少率为5％以上且25％以下。
根据本公开，即使在支撑体和膜电极组件之间的接合处放置覆盖片时，也能够降低膜电极组件和气体扩散层损坏的可能性。
附图说明
下面将参照附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，其中，相同的标号表示相同的元件，并且其中：
图1是发电单元电池10的平面图；
图2是发电部11的剖视图，示出了发电部11的层构造；
图3是外周部21的剖视图，示出了外周部21的层构造；
图4是图3的部分的放大视图；
图5示出测试方法；
图6示出测试结果；
图7示出另一种形式；
图8示出另一个实施例；
图9示出燃料电池40；以及
图10示出制造燃料电池的处理的部分。
具体实施方式
1.发电单元电池
图1到图3示出根据实施例的发电单元电池10。发电单元电池10是用于燃料电池在被供应氢气和氧气(空气)时进行发电的单元元件。多个这种发电单元电池10被堆叠以形成燃料电池。图1是发电单元电池10的平面图。图2示出发电单元电池10的发电部11中的层的构造。图3示出发电单元电池10的外周部21中的层的构造。
1.1.发电部
如图1中虚线所示，发电部11是例如有助于发电的部分。发电部11由多个层的堆叠组成，如图2中的发电部11中的层构造所示(沿着图1中的线II-II的截面的部分)。图2中位于电解质膜12上方的发电单元电池10的发电部11的一侧是阴极(氧气供应侧)，而图2中位于电解质膜12下方的发电单元电池10的发电部11的另一侧是阳极(氢气供应侧)。阴极包括从电解质膜12侧依次堆叠的阴极催化层13(第一催化层)、阴极气体扩散层14(第一气体扩散层)和阴极隔板15(第一隔板)。阳极从电解质膜12侧依次包括阳极催化层16(第二催化层)、阳极气体扩散层17(第二气体扩散层)和阳极隔板18(第二隔板)。电解质膜12、阴极催化层13和阳极催化层16的堆叠有时被称为膜电极组件。膜电极组件的典型厚度是大约0.4mm。发电部11中的发电单元电池10的典型厚度是大约1.3mm。例如，每层如下。
1.1.1.电解质膜
电解质膜12是固体聚合物薄膜，其在潮湿条件下展示了令人满意的质子传导性。电解质膜12例如是氟离子交换膜。例如，碳氟聚合物可以用作电解质膜12。碳氟聚合物的具体示例是全氟烷基磺酸聚合物(Nafion(注册商标))。电解质膜12的厚度可以是但不特别限于200μm以下，优选为100μm以下，更优选为50μm以下。
1.1.2.阴极催化层
阴极催化层13是包含支撑在载体上的催化剂金属的层。催化剂金属的示例包括铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)以及包含这些的合金。载体的示例包括碳载体，更具体地，玻璃碳的碳颗粒、炭黑、活性炭、焦炭、天然石墨和人造石墨。
1.1.3.阳极催化层
与阴极催化层13类似，阳极催化层16也是包含支撑在载体上的催化剂金属的层。催化剂金属的示例包括Pt、Pd、Rh以及包含这些金属的合金。载体的示例包括碳载体，更具体地，玻璃碳的碳颗粒、炭黑、活性炭、焦炭、天然石墨和人造石墨。
1.1.4.阴极气体扩散层
在本实施例中，阴极气体扩散层14是例如导电多孔材料的层。阴极气体扩散层14的更具体的示例包括碳多孔材料(诸如碳纸、碳布和玻璃碳)和金属多孔材料(金属网和金属泡沫)。根据需要，阴极气体扩散层14可以设置有微孔层(MPL)。MPL是涂覆到阴极气体扩散层14的阴极催化层13侧的涂层的形式的薄膜。根据需要，MPL是防水的或亲水的，并且具有调节湿度的功能。MPL还用作防止碳多孔材料上的绒毛等粘到电解质膜12中。典型地，MPL主要包含诸如聚四氟乙烯(PTFE)的防水树脂和诸如炭黑的导电材料。
发电部11中的阴极气体扩散层14的厚度优选是50μm以上且250μm以下。当发电部11中的阴极气体扩散层14的厚度大于250μm时，电阻增加。当发电部11中的阴极气体扩散层14的厚度小于50μm时，阴极气体扩散层14的柔软性可能不足以在发电部11中获得均匀的表面压力。更具体地，0.2MPa以上且2MPa以下的表面压力被施加到发电部11，并且阴极气体扩散层14的弹簧特性(弹性)被用于保持发电部11中的表面压力恒定。如稍后将描述的，在平面图中观察到的阴极气体扩散层14与覆盖片22的重叠部分的厚度减少5μm以上且50μm以下范围内的量，以减少空隙(空隙减少率为5％以上且25％以下)并因此减小空间B。因此，阴极气体扩散层14需要具有一定的厚度。
1.1.5.阳极气体扩散层
阳极气体扩散层17是例如导电多孔材料的层。阳极气体扩散层17的更具体的示例包括碳多孔材料(诸如碳纸、碳布和玻璃碳)和金属多孔材料(金属网和金属泡沫)。
发电部11中的阳极气体扩散层17的厚度优选为50μm以上且250μm以下。当发电部11中的阳极气体扩散层17的厚度大于250μm时，电阻增加。当发电部11中的阳极气体扩散层17的厚度小于50μm时，阳极气体扩散层17的柔软性可能不足以在发电部11中获得均匀的表面压力。更具体地，0.2MPa以上且2MPa以下的表面压力被施加到发电部11，并且阳极气体扩散层17的弹簧特性(弹性)被用于保持发电部11中的表面压力恒定。如稍后将描述的，在一些情况下，在平面图中观察到的阳极气体扩散层17与覆盖片22的重叠部分的厚度减小5μm以上且50μm以下范围内的量，以减少空隙(空隙减少率为5％以上且25％以下)并因此减小空间B。因此，阳极气体扩散层17需要具有一定的厚度。
1.1.6.阴极隔板
阴极隔板15是向阴极气体扩散层14供应反应气体(本实施例中的空气)的构件，并且在其面向阴极气体扩散层14的表面上具有多个凹槽15a。这些凹槽15a用作反应气体通道。凹槽15a的形状没有特别限制，只要反应气体可以适当地被供应到阴极气体扩散层14即可。例如，如在本实施例中，凹槽15a是波纹板构件的波纹的形式。板构件的典型厚度是0.1mm以上且0.2mm以下，板构件的波纹的典型高度是大约0.5mm。阴极隔板15在凹槽15a的相反侧上具有凹槽15b。各个凹槽15b形成在相邻的凹槽15a之间。凹槽15b用作冷却剂通道。
从图1中可以看出，在从发电部11延伸的部分中的发电部11外侧的位置处(即在凹槽15a、15b延伸的方向上的一个端部中)，阴极隔板15具有空气入口Ain、冷却剂入口Win和氢气出口Hout。在从发电部11延伸的部分中的发电部11外侧的位置处(即在凹槽15a、15b延伸的方向上的另一端部中)，阴极隔板15进一步具有空气出口Aout、冷却剂出口Wout和氢气入口Hin。凹槽15a与空气入口Ain和空气出口Aout连通。凹槽15b与冷却剂入口Win和冷却剂出口Wout连通。
阴极隔板15可以由可以用作发电单元电池的隔板的任何材料制成，并且可以由不透气的导电材料制成。这种材料的示例包括通过压缩碳生成的不透气的致密碳和压制成型的金属板。
1.1.7.阳极隔板
阳极隔板18是向阳极气体扩散层17供应反应气体(氢气)的构件，并且在其面向阳极气体扩散层17的表面上具有多个凹槽18a。这些凹槽18a用作反应气体通道。凹槽18a的形状没有特别限制，只要反应气体可以适当地被供应到阳极气体扩散层17。例如，如在本实施例中，凹槽18a是波纹板构件的波纹的形式。板构件的典型厚度是0.1mm以上且0.2mm以下，并且板构件的波纹的典型高度是大约0.4mm。阳极隔板18在与凹槽18a的相反侧上具有凹槽18b。各个凹槽18b形成在相邻的凹槽18a之间。凹槽18b用作冷却剂通道。
从图1中可以看出，在从发电部11延伸的部分中的发电部11外侧的位置处(即在凹槽18a、18b延伸的方向上的一个端部中)，阳极隔板18具有空气入口Ain、冷却剂入口Win和氢气出口Hout。在从发电部11延伸的部分中的发电部11外侧的位置处(即在凹槽18a、18b延伸的方向上的另一端部中)，阳极隔板18在进一步具有空气出口Aout、冷却剂出口Wout和氢气入口Hin。凹槽18a与氢气入口Hin和氢气出口Hout连通。凹槽18b与冷却剂入口Win和冷却剂出口Wout连通。
阳极隔板18可以由可以用作发电单元电池的隔板的任何材料制成，并且可以由不透气的导电材料制成。这种材料的示例包括通过压缩碳生成的不透气的致密碳和压制成型的金属板。
1.1.8.发电部的发电
上述发电单元电池10发电如下。从氢气入口Hin供应到阳极隔板18的凹槽18a的氢气穿过阳极气体扩散层17，并且在阳极催化层16中分解成质子(H+)和电子(e－)。质子通过电解质膜12到达阴极催化层13，并且电子通过通向外部的导线到达阴极催化层13。剩余的氢气从氢气出口Hout排出。氧气(空气)通过阴极隔板15的凹槽15a和阴极气体扩散层14从空气入口Ain供应到阴极催化层13。在阴极催化层13中，由质子、电子和氧气生成水(H2O)。生成的水和剩余的空气穿过阴极气体扩散层14，到达阴极隔板15的凹槽15a，并且从空气出口Aout排出。在发电单元电池10中，通过从阳极催化层16延伸到外部的导线的电子流用作电流。
发电单元电池10被堆叠，使得相邻的发电单元电池10中的一个的阴极隔板15位于另一发电单元电池10的阳极隔板18下方。阴极隔板15的凹槽15b和阳极隔板18的凹槽18b因此形成冷却剂通道。冷却剂从冷却剂入口供应到冷却剂通道。供应的冷却剂冷却发电单元电池10，并且从冷却剂出口Wout排出。
1.2.外周部
外周部21是图1中虚线所示的发电部11外部的部分，并且是发电单元电池10的外周部。外周部21由多个层的堆叠组成，如图3中的外周部21中的层构造所示(沿着图1中的线III-III的截面的一部分)。图4是图3的一部分的放大视图。
1.2.1.外周部的基本结构
从图3和图4中可以看出，在本实施例中，外周部21的至少一部分具有以下构造。电解质膜12、阳极催化层16和阳极气体扩散层17被堆叠使得它们的端面大致对齐。阴极催化层13被堆叠使得其端面位于电解质膜12的端面内侧(从电解质膜12的端面退回)的位置。阴极气体扩散层14的端面位于电解质膜12的端面外侧(从电解质膜12的端面向前)的位置。阴极气体扩散层14延伸到这样的位置，使得在发电单元电池10的平面图中观察时(从图1的方向的观察点，由图3中箭头Z所示方向的视线)，阴极气体扩散层14与支撑体23重叠。稍后将描述支撑体23。
在外周部21中，与在发电部11中一样的，阴极隔板15和阳极隔板18也被布置为将上述层夹在中间。阴极隔板15和阳极隔板18延伸以便突出超过膜电极组件、阴极气体扩散层14和阳极气体扩散层17的端面。支撑体23布置在阴极隔板15和阳极隔板18的延伸部分之间。阴极隔板15和阳极隔板18在外周部21中不需要流道。因此，阴极隔板15和阳极隔板18在外周部21中没有凹槽15a、18a(然而，如从图3中可以看出的，本公开不排除阴极隔板15和阳极隔板18在外周部21的一部分中具有凹槽15a、18a的构造)。
覆盖片22被布置为连接支撑体23的阴极侧表面的端部和膜电极组件的阴极侧表面的端部。稍后将描述覆盖片22。
1.2.2.支撑体
支撑体23用作密封构件，其在发电单元电池10的外周部21中的阴极隔板15和阳极隔板18之间进行密封。支撑体23包括基材23a和位于基材23a的两个表面(阴极侧表面和阳极侧表面)上的粘合层23b。粘合层23b结合到阴极隔板15和阳极隔板18以密封发电部11。因此，阴极隔板15和阳极隔板18之间的间隔根据夹在它们之间的层而变化。从图3和图4可以看出，在仅支撑体23位于阴极隔板15和阳极隔板18之间的部分的一部分中，该间隔减小。在这一部分中，支撑体23被夹在并固定在阴极隔板15和阳极隔板18之间。
基材23a由任何电绝缘、气密材料制成。这种材料的示例包括结晶聚合物，更具体地说，工程塑料。工程塑料的示例包括聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)树脂和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)树脂、聚苯醚(PPE)、聚苯砜(PPSU)、聚砜(PSU)、聚醚砜(PES)、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亚胺(PI)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚苯硫醚(PPS)、间同立构聚苯乙烯(SPS)和尼龙树脂。基材23a的厚度优选但不特别限于0.05mm以上且0.25mm以下。
各种材料可以用于粘合层23b，只要其在结合状态下具有粘合性即可。用于粘合层23b的粘合材料的示例包括包含有马来酸或马来酸酐的聚烯烃聚合物。粘合材料的更具体的示例是ADMER(注册商标，三井化学公司)。
从图3和图4中可以看出，支撑体23设置成使得支撑体23的端面面向膜电极组件和阳极气体扩散层17的端面，其间具有距离LA的空间A。支撑体23朝向与发电部11相反的一侧延伸。该空间A可以吸收支撑体23、膜电极组件等由于它们的线性膨胀所导致的尺寸变化，并且，可以减少由于膨胀和收缩而损坏的可能性。更具体地，空间A在膜电极组件和阳极气体扩散层17面对支撑体23的方向上的距离LA优选为0.01mm以上且2mm以下。当距离LA小于0.01mm时，空间A难以吸收支撑体23的尺寸变化。当距离LA大于2mm时，空间A和阴极气体扩散层14之间的压差会导致支撑体23变形或损坏，导致密封性能降低。
1.2.3.覆盖片
如上所述，覆盖片22布置为连接支撑体23的阴极侧表面的端部和膜电极组件的阴极侧表面的端部。
覆盖片22的一个端部被布置为覆盖支撑体23的阴极侧表面的端部。覆盖片22的另一端部被布置为覆盖膜电极组件的电解质膜12和阴极催化层13中的一个或两个的表面的端部。在本实施例中，覆盖片22被布置为覆盖电解质膜12和阴极催化层13两者的表面的端部。因此，可以在外周部21中适当地分开阴极和阳极。因此，覆盖片22在膜电极组件的端部中位于膜电极组件和阴极气体扩散层14之间。
燃料电池的反应气体不可渗透的材料用于覆盖片22。反应气体不可渗透的构件的示例包括由诸如聚丙烯、聚苯硫醚、聚萘二甲酸乙二醇酯、尼龙或乙烯-乙烯醇共聚物的树脂制成的膜构件。特别地，从耐水解性和对电解质膜12的粘合性的观点来看，可以使用尼龙11、尼龙12、尼龙9T或乙烯乙烯醇。例如，可以添加具有酰胺基、环氧基、羟基等的添加剂，以提高对电解质膜12的粘合性。
覆盖片22与支撑体23的重叠部分通过支撑体23的粘合层23b结合到支撑体23。覆盖片22与膜电极组件的重叠部分通过根据需要设置在覆盖片22上的粘合层结合到膜电极组件。然而，当尼龙用作覆盖片22时，可以省略粘合层，因为覆盖片22和膜电极组件可以通过热压焊(thermocompression bonding)而结合在一起。
当覆盖片22的一个端部布置在阴极气体扩散层14和膜电极组件之间时，由于覆盖片22的厚度，在图3和图4中由“B”所示的部分形成空间(空间B)。覆盖片22越厚，空间B趋向于越大。
1.2.4.降低损坏
作为深入研究的结果，发明人发现，当放置覆盖片22时，覆盖片22和阳极气体扩散层17由于空间A、B而损坏(撕裂)，导致密封不良。发明人对这些发现进行了如下考虑。
空间A作为吸收支撑体23和其他部分由于其热膨胀而产生的尺寸变化的空间是必要的。另一方面，如上所述，空间B是当放置覆盖片22时必须形成的空间。如果空间B太大，覆盖片22、膜电极组件和气体扩散层14、17可能损坏。由于这种损坏可能导致反应气体的泄漏，所以优选使空间B尽可能小。减小空间B的一种方法是减小覆盖片22的厚度。然而，当覆盖片22的厚度减小时，覆盖片22的刚性也降低。因此，在覆盖片22被夹在空间A和阴极气体扩散层14之间的情况下，由于空间A和阴极气体扩散层14之间的压差，覆盖片22更可能变形，这可能导致覆盖片22的损坏。另一方面，如果通过例如调整覆盖片22的材料而过度增加覆盖片22的刚性，则覆盖片22不太可能变形，导致密封性能降低。为了保持密封性能，覆盖片22的材料需要具有一定的柔软性。发明人得出结论，该问题可以通过以下结构来解决：在降低由于压差而损坏覆盖片22的可能性的同时，减小空间B并确保足够的密封性能。这将在下面具体描述。
(1)覆盖片的弹性模量与厚度之间的关系
覆盖片22被构造为满足以下表达式(1)，其中t(mm)是覆盖片的厚度，并且E(MPa)是覆盖片的弹性模量。
E > 0.048 × LA 4/t3 (1)
如上所述，LA(mm)是空间A在支撑体23的端面面向膜电极组件和阳极气体扩散层17的端面的方向上的距离(参见图4)。当覆盖片22满足表达式(1)时，覆盖片22具有预定柔软性以及刚性。因此，可以降低由于空间A引起的压差而损坏覆盖片22的可能性，并且可以保持密封性能。
从图4中可以看出，空间A和覆盖片22之间的关系可以被视为在距离LA上两端支撑的覆盖片22上的均匀分布负荷(负荷是基于压差施加到覆盖片22的表面压力)。因此，可以应用表示偏转δ的以下表达式(2)。
δ ＝ (5·w· L)/(384·E·I) (2)
在表达式(2)中，w是负荷(表面压力)，L是LA，并且I是截面模量(I＝t3/12)，其中t是覆盖片22的厚度。表达式(1)是通过将下面所示的测试结果中的测试示例A2应用于表达式(2)而获得的。
下面将描述一部分测试。图5是示出测试的分解透视图。覆盖片32被夹在具有1mm×3mm狭缝的不锈钢底座30和具有1mm×3mm狭缝的泡沫橡胶31之间，使得压力将被施加到覆盖片32中1mm宽乘3mm长的区域。通过在120℃的温度下从泡沫橡胶31的狭缝重复施加和释放0.07MPa的表压，在覆盖片32上进行疲劳测试。表1示出使用的覆盖片和结果(在不引起任何泄漏的情况下进行的重复次数)。
表1
图6是示出表达式(1)的范围(阴影区域)和测试示例A1、A2和B1到B6的位置的图表。在图6中，横坐标表示弹性模量，并且纵坐标表示覆盖片32的厚度。从表1和图6中可以看出，在不满足表达式(1)的测试示例A1和A2中，在少量的重复之后发生泄漏，而在满足表达式(1)的测试示例B1到B6中，即使在超过300,000次的重复之后也没有发生泄漏。
(2)气体扩散层的挤压
相对于发电部11中的气体扩散层(没有设置覆盖片22的部分)中的空隙，如图3和图4中的C(部分C)所示的覆盖片22所在部分中的气体扩散层中的空隙的减少率为5％以上且25％以下。通过挤压第一气体扩散层14以便减小覆盖片22所在部分中第一气体扩散层14的厚度，可以减小空间B，并且可以保持覆盖片22的密封性能。如在发电单元电池10的平面图中所观察到的，部分C是指第一气体扩散层(阴极气体扩散层)14与覆盖片22的从覆盖片22的膜电极组件侧的边缘起60μm范围内的部分的重叠部分。
如上所述，为了向发电部11供应气体，阴极气体扩散层14和阳极气体扩散层17(当不需要特别区分它们时，有时简称为“气体扩散层”)具有供气体穿过的空隙。由于在放置覆盖片22的外周部21中不需要这种空隙，所以，可以挤压外周部21中的空隙。然而，如果空隙减少率小于5％，则减小空间B的效果趋于降低。如果空隙减少率高于25％，气体扩散层变薄并可能弯曲。
本实施例示出阴极气体扩散层14是唯一被挤压的气体扩散层的示例。然而，本公开不限于此，并且阴极气体扩散层14和阳极气体扩散层17都可以被挤压。当阴极气体扩散层14和阳极气体扩散层17都被挤压时，空间B周围的部分处于如图7所示的形式。即使当两个气体扩散层都被挤压时，各个气体扩散层的空隙减少率为5％以上且25％以下。
下文将描述通过挤压部分C中的气体扩散层来减小空间B的一部分测试(测试D和E)。由作为电解质膜12的10μm厚的全氟电解质膜、作为阴极催化层13的10μm厚的铂载碳(platinum-supported carbon)和作为阳极催化层16的5μm厚的铂载碳组成的膜电极组件用于测试D、E中。尼龙12(含10质量％的ADMER(注册商标))用作覆盖片22(表2中示出厚度)。表2中示出阴极气体扩散层14和阳极气体扩散层17的厚度和空隙减少率。
测试D
各个气体扩散层为3cm长乘1cm宽，并且1.5cm长乘1cm宽的覆盖片被夹在两个气体扩散层之间。利用显微镜观察和测量空间B的尺寸(图4中的LB)和当施加0.6MPa的表面压力时气体扩散层被挤压的量。表2示出结果。空隙减少率RS通过以下表达式计算，其中tH是没有设置覆盖片的部分中的气体扩散层的厚度，并且tC是部分C中的气体扩散层的厚度。
RS(％)＝(tH–tC)/tH×100(％)
测试E
各个气体扩散层为3cm长乘1cm宽，并且1.5cm长乘1cm宽的覆盖片被夹在两个气体扩散层之间。利用显微镜观察和测量空间B的尺寸(图4中的LB)和当施加0.1MPa的表面压力时气体扩散层被挤压的量。通过与测试D中相同的方法计算RS。表2示出结果。
表2
从表2中可以看出，通过挤压气体扩散层减小了空间B的尺寸，使得部分C中的空隙减少率为5％以上。由于因此减小了施加到电解质膜的应力，所以提高了覆盖片的密封性能。
1.2.5.另一实施例
图8示出外周部21的形式的另一示例。图8示出从与图4相同的视角观察的视图。在图8的示例中，阴极催化层13的端面也与电解质膜12的端面对齐。在这种情况下，覆盖片22不是堆叠在电解质膜12上，而是堆叠在阴极催化层13上。即使在这种形式中，当覆盖片的弹性模量和厚度的关系以及在平面图中观察的覆盖片22与阴极催化层13重叠的部分(部分C)中阴极气体扩散层14和阳极气体扩散层17的空隙减少率中的每一个都落入上述预定范围内时，也可以获得与上述类似的效果。
2.效果
如上所述，作为防止当放置覆盖片时由空间A、B引起的覆盖片损坏(撕裂)或密封不良的措施，覆盖片的弹性模量和厚度具有上述预定关系。此外，覆盖片所在部分中的气体扩散层中的空隙被挤压，使得气体扩散层的空隙减少率落入上述预定范围内。这些措施可以减小空间A、B的影响，使得可以降低损坏膜电极组件和阴极气体扩散层的可能性，并且可以降低由于损坏而导致反应气体泄漏的可能性。
3.燃料电池
燃料电池40由多个(大约50到400个)上述发电单元电池10堆叠而成。燃料电池40从发电单元电池10收集电流。图9示出燃料电池40的构造的概要。燃料电池40包括堆叠壳体41、端板42、多个发电单元电池10、集电板44和偏压构件45。
堆叠壳体41是容纳发电单元电池10的堆叠、集电板44和偏压构件45的外壳。在本实施例中，堆叠壳体41是一端开口而另一端闭合的矩形棱柱的形状，其中板状件沿着开口的边缘延伸并朝向开口的相反侧突出以形成凸缘41a。
端板42闭合堆叠壳体41的开口的板状构件。端板42的与堆叠壳体41的凸缘41a的重叠部分通过螺栓和螺母等固定到凸缘41a，使得端板42闭合堆叠壳体41。
发电单元电池10如上所述。多个这样的发电单元电池10堆叠在彼此的顶部。发电单元电池10被堆叠，使得一个发电单元电池10的阴极隔板15位于与这一个发电单元电池10相邻的发电单元电池10的阳极隔板18下方。阴极隔板15的凹槽15b和阳极隔板18的凹槽18b因此彼此面对以形成冷却剂通道。
集电板44是从发电单元电池10的堆叠收集电流的构件。因此，集电板44放置在发电单元电池10的堆叠的堆叠方向上的一端和另一端。集电板44中的一个用作正极，并且另一个集电板44用作负极。未示出的端子连接到集电板44，使得集电板44可以电连接到外部。
偏压构件45安装在堆叠外壳41内部，并且在其堆叠方向上对发电单元电池10的堆叠施加压力。偏压构件的示例是盘簧。
作为燃料电池发电期间的运行条件，期望燃料电池发电期间在较高温度下运行，因为燃料电池运行时会产生热量。具体地，优选燃料电池可以在高达140℃的温度下运行。然而，由于一些使用的全氟电解质膜在120℃左右软化，因此更优选在120℃以下的温度下运行燃料电池。
4.燃料电池的制造
例如，本公开的燃料电池可以通过包括以下步骤的工艺制造。
首先，如图10所示，将其弹性模量和厚度之间的关系满足上述表达式(1)的覆盖片22放置在阳极隔板18上的膜电极组件和支撑体23上，以便连接支撑体23与电解质膜12和阴极催化层13中的一个或两个。膜电极组件包括阴极催化层13、阳极催化层16和位于阴极催化层13和阳极催化层16之间的电解质膜12。支撑体23位于膜电极组件周围，在支撑体23和膜电极组件的端面之间具有空间A。
接下来，将阴极气体扩散层14放置在覆盖片22上并压制，使得部分C中的空隙相对于发电部11中的气体扩散层中的空隙的减少率为5％以上且25％以下。优选预先获得压力和空隙减少率之间的关系，使得不需要每次都测量空隙减少率。
然后，将阴极隔板15堆叠在阴极气体扩散层14上并压制。发电单元电池10因此被堆叠，并且各个构件被布置成如图9所示。因此可以制造燃料电池40。
5.其他
在以上描述中，术语“第一”用于指阴极侧上的各个构件，并且术语“第二”用于指阳极侧上的各个构件。然而，这可能是相反的。即使当术语“第二”用于阴极侧而术语“第一”用于阳极侧时，也可以获得相同的效果。
Claims (3)
1.一种燃料电池，其特征在于包括：
膜电极组件，其包括第一催化层、第二催化层和位于所述第一催化层和所述第二催化层之间的电解质膜；
第一气体扩散层，其位于所述第一催化层上，所述第一气体扩散层的外周端部的至少一部分突出超过所述膜电极组件的外周边缘；
第二气体扩散层，其位于所述第二催化层上；
支撑体，其位于所述膜电极组件周围；以及
覆盖片，其被定位为连接所述电解质膜和所述第一催化层中的任一个或两个与所述支撑体，其中
在所述支撑体的端面和所述膜电极组件的端面之间存在具有距离为LA的空间，
满足以下表达式，
E>0.048×LA 4/t3
其中，E是所述覆盖片的弹性模量，并且t是所述覆盖片的厚度，以及
相对于所述第一气体扩散层的所述覆盖片没有位于其下的部分中的空隙，所述第一气体扩散层的所述覆盖片位于其下的部分的至少一部分中的空隙的减少率为5％以上且25％以下。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，进一步包括
一组隔板，其将所述第一气体扩散层、所述膜电极组件和所述第二气体扩散层夹在中间，其中
所述支撑体在所述一组隔板之间进行密封。
3.一种制造燃料电池的方法，所述方法的特征在于包括：
将覆盖片放置在膜电极组件和支撑体上；以及
将第一气体扩散层放置在所述覆盖片和所述膜电极组件上，其中
所述膜电极组件包括第一催化层、第二催化层和位于所述第一催化层和所述第二催化层之间的电解质膜，
所述支撑体位于所述膜电极组件周围，并且在所述支撑体和所述膜电极组件的端面之间设置具有距离为LA的空间，
满足以下表达式
E>0.048×LA 4/t3
其中，E是所述覆盖片的弹性模量，并且t是所述覆盖片的厚度，
当将所述覆盖片放置在所述膜电极组件和所述支撑体上时，所述覆盖片被放置为连接所述电解质膜和所述第一催化层中的任一个或两个与所述支撑体，并且
当将所述第一气体扩散层放置在所述覆盖片和所述膜电极组件上时，以这样的方式压制所述第一气体扩散层：相对于所述第一气体扩散层的所述覆盖片没有位于其下的部分中的空隙，所述第一气体扩散层的所述覆盖片位于其下的部分的至少一部分中的空隙的减少率为5％以上且25％以下。
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