CN1300882C - 燃料电池元件、燃料电池、燃料电池发电系统及它们的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池元件、燃料电池、燃料电池发电系统及它们的制造方法，该燃料电池元件具备：高分子电解质膜(21)；隔着高分子电解质膜而置的由催化剂层(22a)、(22b)及气体扩散层(23a)、(23b)构成的一对电极(24a)、(24b)；具有向电极的一方提供氧化剂气体的气体流路(26)的阴极侧导电性隔板(16a)；以及具有向电极的另一方提供燃料气体的气体流路(35)的阳极侧导电性隔板(16b)，在至少一方导电性隔板的与气体扩散层的至少一部分的周边端部(50)面对的部分上，具有吸收或分散加在所述周边端部上的压力的形状或构造。利用本发明燃料电池元件，能够获得使电解质膜难以恶化的效果。

Description

燃料电池元件、燃料电池、燃料电池发电系统及它们的制造方法
技术领域
本发明特别涉及高分子电解质型燃料电池、其燃料电池元件(cell)、它们的制造方法及燃料电池发电系统。更具体来说，涉及对夹隔由电解质膜及夹隔它的电极构成的膜-电极接合体的隔板的改良。
背景技术
燃料电池利用气体扩散电极使氢等燃料气体和空气等氧化剂气体发生电化学反应，同时产生电和热。图12表示了该种燃料电池，特别是高分子电解质燃料电池的一般性构成。在图12中，在选择性地输送氢离子的高分子电解质膜11的两面，通过密接配置有以担载了铂族金属催化剂的碳粉末作为主成分的催化剂层12。在催化剂层12的外表面，通过与之密接配置有同时具备通气性和导电性的一对气体扩散层13。由该气体扩散层13和催化剂层12构成电极14。作为气体扩散层13，一般使用在由碳构成的多孔质基材上形成了由碳粉末和氟树脂构成的层的材料。作为碳基材，一般使用碳纸、织物、毡等。将使该催化剂层12和气体扩散层13一体化后的构成称为膜一电极接合体(MEA)。导电性隔板16将以电极14和高分子电解质膜11形成的MEA机械地固定，同时，将相邻的MEA之间电串联。导电性隔板16在与电极14相面对的面上，还设有用于向电极14供给反应气体并运送由反应产生的气体或剩余的气体的气体流路17。
气体流路17虽然也可以与隔板16分开设置，但是，一般采用在隔板16的电极14侧的表面上设置槽来作为气体流路17的方式。在隔板16的另一侧的表面上，设有使用于将电池温度保持一定的冷却水循环流动的冷却水的流路18。通过像这样使冷却水循环流动，就可以将由反应产生的热能以温水等形式利用。此种叠层型的电池一般为所谓的内部多支管(manifold)型，即，在叠层型电池内部确保设有气体的供给孔及排出孔以及冷却水的供给孔和排出孔。
在电极14的周边端部50上，为了气体向分别对置的电极14的泄漏或气体向外部的泄漏，设有具有密封功能的衬垫15。在衬垫15中，使用O形环、橡胶状薄片、弹性树脂和刚性树脂的复合薄片等。从MEA的可操作性的观点出发，经常将具有一定程度的刚性的复合材料系的衬垫15与MEA一体化。所述那样的高分子电解质型燃料电池组为了降低双极板等构成部件的电接触电阻，需要将电池整体稳定地紧固起来。为此，有效的做法是，将多个单电池元件沿一定方向重叠，在其两端分别配置端板，用连结用构件将这2个端部之间固定。作为紧固方式，最好采用尽可能将单电池元件在同一平面内均一地紧固的方法。从机械强度的观点考虑，通常使用不锈钢等金属材料作为端板等的连结用构件。
另外，电极14和高分子电解质膜11的机械固定如图13所示，在将高分子电解质膜11、催化剂层12a及13a以及气体扩散层12b及13b层叠后，利用压力机140对它们进行热压。
此种燃料电池中使用的高分子电解质膜11非常之薄，容易受到机械损伤。例如，在衬垫15的截面等也会受到损伤。所以，通过对衬垫的切割部形状的精心研究，来防止对膜的损伤(例如，参照专利文献1及专利文献2)。
[专利文献1]
特开2001-351651号公报
[专利文献2]
特开2002-329504号公报
但是，仅靠所述的对于衬垫的切割部形状的精心研究并不能解决问题，如图13所示，当对电极14a、14b和高分子电解质膜11进行热压时，由于所加压力集中在电极14a、14b的周边端部50上，因此也会对高分子电解质膜11造成损伤。
另外，在将如所述那样利用热压制作的MEA夹着隔板16层叠时，由于层叠时的连结压力，所加压力集中在气体扩散层13a、13b的周边端部50上，因此也会对高分子电解质膜11造成损伤。
另外，被一体化在催化剂层12a、12b上的气体扩散层13a、13b在切割时，碳纤维很容易成为毛刺飞出，所以特别是在气体扩散层13a、13b的周边端部50，很容易损伤高分子电解质膜11。气体扩散层13a、13b的基材为碳纸(carbon paper)，当其厚度较薄时，在周边端部部分50产生细小的裂纹，这也是损伤高分子电解质膜11的原因。
当高分子电解质膜11破损时，在该部分即发生直接短路，或引起气体的泄漏等，从而加速燃料电池整体的恶化。
发明内容
鉴于所述问题，本发明的目的在于，提供电解质膜难以恶化的燃料电池元件、使用了该燃料电池元件的燃料电池、使用了该燃料电池的燃料电池发电系统及它们的制造方法。
为了解决所述问题，本发明之一是具有如下特征的燃料电池元件，具备电解质膜、由催化剂层及气体扩散层构成的将所述电解质膜夹在它们之间的一对电极、具有向所述电极的一方提供氧化剂气体的气体流路的阴极侧导电性隔板、以及具有向所述电极的另一方提供燃料气体的气体流路的阳极侧导电性隔板，在至少一方导电性隔板的与气体扩散层的至少一部分的周边端部面对的部分上，具有吸收或分散加在所述周边端部上的压力的形状或构造。
本发明之二是具有如下特征的本发明之一的燃料电池元件，在与所述周边端部面对的部分上，填充有比所述导电性隔板的材料弹性更高的材料。
本发明之三是具有如下特征的本发明之一的燃料电池元件，在与所述周边端部面对的部分上，形成有凹部。
本发明之四是具有如下特征的本发明之三的燃料电池元件，所述凹部的深度在朝向所述导电性隔板的中心方向变浅。
本发明之五是具有如下特征的本发明之三的燃料电池元件，所述凹部的深度为由燃料电池的连结压力气体扩散层被压缩的尺寸的80～120％。
本发明之六是具有如下特征的本发明之三的燃料电池元件，所述凹部的深度与由所述燃料电池的连结压力气体扩散层被压缩的尺寸实质上相同。
本发明之七是具有如下特征的本发明之三的燃料电池元件，在比所述隔板的凹部更靠外侧的位置上配置有衬垫。
本发明之八是具有如下特征的本发明之七的燃料电池元件，所述凹部与所述气体流路不连通。
本发明之九是具有如下特征的本发明之八的燃料电池元件，在所述隔板上，在所述气体流路的入口附近或出口附近未形成所述凹部。
本发明之十是具有如下特征的本发明之三的燃料电池元件，在比所述隔板的凹部更靠内侧的位置上配置有衬垫。
本发明之十一是具有如下特征的本发明之十的燃料电池元件，在所述电极的气体扩散层的至少一部分中，浸渍有致密性物质，并按照与所述衬垫接触的方式配置在该部分上。
本发明之十二是由本发明之一的燃料电池元件层叠构成的燃料电池。
本发明之十三是一种燃料电池发电系统，具有通过对燃料气体改性而获得氢的改性器、通过供给所述氢和氧化剂气体来进行发电的本发明之十二的燃料电池。
本发明之十四是燃料电池元件的制造方法，其特征是，包括将由催化剂层及气体扩散层构成的一对电极和电解质膜一体化的第一工序、将一体化的膜-电极接合体夹在一对导电性隔板之间来形成燃料电池元件的第二工序，在所述第一工序中，在所述气体扩散层的周边部分的所加压力比其他的中央部分更低的状态下，将所述电极和所述电解质膜一体化。
本发明之十五是具有如下特征的本发明之十四的燃料电池元件的制造方法，所述第一工序包括以具有比所述气体扩散层更小的面积的加压体对所述电极和所述电解质膜加压来进行一体化的工序。
本发明之十六是将利用本发明之十四的燃料电池元件的制造方法所制得的燃料电池元件层叠的燃料电池的制造方法。
根据本发明，可以提供使电解质膜难以恶化的燃料电池元件、使用了该燃料电池元件的燃料电池、使用了该燃料电池的燃料电池发电系统及它们的制造方法。
附图说明
图1是本发明的实施方式的燃料电池元件的MEA的长度方向剖面略图。
图2是本发明的实施方式的燃料电池元件的阴极侧隔板的主视图。
图3是本发明的实施方式的燃料电池元件的阳极侧隔板的主视图。
图4是本发明的实施方式的燃料电池元件的局部剖面图。
图5是本发明的实施方式的燃料电池元件的局部剖面图。
图6是本发明的实施方式的燃料电池元件的局部剖面图。
图7是本发明的实施方式的燃料电池元件的局部剖面图。
图8是本发明的实施方式的燃料电池元件的剖面的局部放大图。
图9是本发明的实施方式的燃料电池元件的剖面的局部放大图。
图10是表示将本发明的实施方式的燃料电池元件的MEA一体化的状态的长度方向剖面图。
图11是使用了本发明的实施方式的燃料电池元件的燃料电池放电系统。
图12是表示以往的高分子电解质型燃料电池的代表性构成的长度方向剖面图。
图13表示以往的燃料电池元件的MEA一体化的状态的长度方向剖面图。
其中，10MEA；11、21  高分子电解质膜；22a、22b  催化剂层；23a、23b  气体扩散层；25  衬垫；16a  阴极侧隔板；16b  阳极侧隔板；24a  阴电极；24b  阳电极；26、35  气体流路；29、37  凹部；40  压力机
具体实施方式
(实施方式1)
下面将参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图1是MEA10的长度方向剖面图。该MEA10由高分子电解质膜21、夹隔所述高分子电解质膜21的阴电极24a及阳电极24b、以及配置在各电极的周边端部50附近的一对衬垫25构成。图2是阴极侧导电性隔板16a(以下称为隔板16a。)的主视图，图3是阳极侧导电性隔板16b(以下称为隔板16b。)的主视图。图3是以图2所示的V-V线将MEA10、夹隔它的隔板16a及隔板16b切开的剖面图。
阴极侧隔板16a具有一对氧化剂气体用岐管(manifold)孔30、一对燃料气体用岐管孔33、一对冷却水用岐管孔34及将氧化剂用岐管孔30相互连通的气体流路26。阴极侧隔板16a还在与阴极的气体扩散层23a的周边端部50相面对的部分上，设有凹部29。由图2所示的阴影包围的部分上，气体扩散层23a的周边端部50相面对。在气体流路26与岐管孔30连接的部分上未设置凹部29。
同样，阳极侧隔板16b具有一对氧化剂气体用岐管孔30、一对燃料气体用岐管孔33、一对冷却水用岐管孔34、及将燃料气体用岐管孔33相互连通的气体流路35。阳极侧隔板16b还在与阳极的气体扩散层23b的周边端部50相面对的部分上，设有凹部37。由图3所示的阴影线包围的部分上，气体扩散层23b相面对。在气体流路35与岐管孔33连接的部分上未设置凹部37。
在图4所示的例子中，凹部29及37朝向各隔板的中心部的方向，深度逐渐变浅。本发明在至少一方的隔板上的与任意一个电极的周边端部50相面对而连接的部分上，设有凹部29、37。该凹部29、37的深度t最好为在施加将如此制成的燃料电池元件层叠连结的压力时，气体扩散层23a、23b被压缩的尺寸(s)的80～120％。当深度比此范围更浅时，气体扩散层23a、23b在周边端部50被过分压缩，防止高分子电解质膜21的损伤的效果变小。而当凹部29、37的深度比此范围更深时，施加在周边端部50上的压力小于所需压力，流经气体流路26、37的气体就会泄漏到凹部29、37中。另外，为了确保形成凹部29、37的部分的强度，有必要增加隔板自身的厚度。如果t和s在实质上相同，则最有效果。
凹部29、37的形状可以如图4～7所示那样进行各种变形。图5是将凹部29及37设成剖面半圆形的例子，图6是将凹部29及37设成剖面矩形的例子。这些凹部29、37只要是可以抑制施加在气体扩散层23a、23b的周边端部50上的压力的形状，就不用限定于这些形状。但是，如果为图4所示的形状，则由于可以使凹部29、37的周边端部50上的压力缓慢变化，因此可以抑制对周边端部50的高分子电解质膜21或气体扩散层23a、23b的损伤。
图8是表示当使用图4所示的凹部29时，其深度t位于所述的范围内时的气体扩散层23a的周边端部50沿凹部29变形的状态的图。当深度t位于所述的适当范围内时，周边端部50就不会损伤高分子电解质膜21，并且，由于以适当压力对气体扩散层23a和凹部29的界面45加压，因此气体流路26的气体向凹部29漏出的情况较少。但是，当如图9所示，其深度t比所述的范围更深时，虽然周边端部50不会损伤高分子电解质膜21，但是由于未以适当的压力对界面45加压，或者在气体扩散层23a和隔板16a之间产生空隙，因此气体流路26的气体向凹部29漏出的比例增大，燃料电池的运转效率降低。对于气体扩散层23b的周边端部50和凹部37的关系也相同。
为了进一步防止气体的泄漏，燃料电池的阴极侧隔板16a和阳极侧隔板16b借助衬垫25与高分子电解质膜21一体化。此时，各隔板的凹部29、37和衬垫25的关系有2种。即，衬垫25位于比凹部29、37更靠外侧的位置上的情况和更靠内侧的位置上的情况。当衬垫25配置在凹部29、37的外侧时，气体的对外部的气密性没有问题。但是，即使像所述那样将t/s设定为适当的值，原来应当流经气体流路26、35的气体也会流入凹部29、37而不会提供给反应。特别是当凹部29、37的深度较深，气体扩散层23a、23b和凹部29、37之间产生空隙时，其影响就会变大。即，从气体流路26、35漏到凹部29、37中的气体在出口侧的歧管孔30、33附近，返回到气体流路26、35中，不会提供给反应，而被排出到外部。
另外，当在从入口侧歧管孔30、33向反应部导引气体的气体流路26、35的部分上形成凹部29、37时，气体即从那里流向凹部29、37。同样，当在从反应部向出口侧歧管孔30、33导引气体的部分上形成凹部29、37时，未提供给反应的气体即从凹部29、37流到外部。
当像这样将衬垫25配置在凹部29、37的外侧时，如图2及图3所示，通过不在气体流路26、35的入口附近及出口附近设置凹部29、37，就可以防止气体的分流。此时，入口附近及出口附近的气体流路26、35的部分对气体扩散层23a、23b的周边端部50施加较强的压力。但是，加压部分相对于周边端部50的全部周长的比例非常小，因此对于高分子电解质膜21整体，可以充分地抑制其损伤。
另外，也可以不仅在入口附近及出口附近的气体流路26、35处，而且在除此以外的部分处也不设置凹部29、37。通过设置多个不凹入的部分，不仅可以进一步抑制从气体流路26、35的入口到出口的气体的短路(shortcut)，而且还可以抑制从例如设成锯齿形的气体流路26、35的弯曲部到弯曲部的气体的短路。
另一方面，当衬垫25被配置在凹部29、37的内侧时，由于衬垫25从气体扩散层23a、23b的上部及下部与之接触，因此气体扩散层23a、23b的与衬垫25接触的部分有可能不能充分挤压而阻断通过内部的气体，并由此而不能保持气密性。此种情况下，最好在气体扩散层23a、23b的与衬垫25接触的部分中浸渍致密性物质。在图7中，在阴电极24a及阳电极24b的分别以46、47表示的部分中浸渍有致密性物质。作为致密性物质，可以使用聚四氟乙烯、氟乙烯丙烯化合物等氟树脂或偏氟乙烯类、氟橡胶、硅橡胶等。通过像这样在46、47部分中浸渍致密性物质，就可以利用与衬垫25的协动作用，充分地抑制气体从气体流路26、35的泄漏。
如上所述，本发明的燃料电池中，在隔板16a、16b的与气体扩散层23a、23b的周边端部50相面对的部分上形成有凹部29、37。因此，隔板16a、16b对气体扩散层23a、23b的周边端部50施加的压力被减弱，或者不加压，因此，可以大幅度地降低高分子电解质膜21的损伤的程度。
(实施方式2)
下面将参照图10记述本发明的实施方式2。制造燃料电池时，预先通过热压接等将高分子电解质膜21、催化剂层22a、22b及气体扩散层23a、23b一体化。此后一般将该一体化后的结构与隔板16a、16b及衬垫25组合而层叠。在该一体化的工序中，如果对气体扩散层23a、23b的周边端部50施加压力，则同样地容易引起高分子电解质膜21的损伤。所以，即使在该一体化的工序中，也优选可以不对气体扩散层23a、23b的周边端部50施加较强的压力。
具体来说，如图10所示，在将高分子电解质膜21、催化剂层22a及22b以及气体扩散层23a及23b层叠来进行热压时，将其要压缩的部分配置在比气体扩散层23a、23b的周边端部50更靠近内侧的位置上即可。即，使得气体扩散层23a、23b的尺寸比压力机40的加压面略大。例如，使得气体扩散层23a、23b的周围从加压面的周围向外侧伸出3～5mm左右即可。
即，根据本实施方式的燃料电池的制造方法，由于可以在对气体扩散层23a、23b的周边端部50所施加的压力较弱或者不加压力的状态下，进行一体化，因此可以进一步抑制高分子电解质膜21的损伤。
此时，在气体扩散层23a、23b的周边端部50上，在其切割时会形成毛刺，当将该部分压接在高分子电解质膜21上时，就会导致高分子电解质膜21的破损。利用本实施方式，也可以减少这方面的影响。
[实施例1]
下面将参照附图对适于本发明的实施例进一步详细说明。
首先说明膜电极接合体(MEA)10的制作方法。
向乙炔黑(电气化学工业(株)制的デンカブラツク(注册商标))中，添加干燥重量为15％的作为粘接材料的聚四氟乙烯(PTFE)的水性悬浮液，调制成疏水层料液。此时的混合是通过以胶体磨分散30分钟来进行的。将该疏水层料液涂布在厚300μm的碳纸的一面上，用热风干燥机在150℃下进行热处理，然后在350℃下烧成2小时，制作成气体扩散层23a、23b。涂刷量为每1cm2用5mg。用冲裁模具将其冲裁成特定的大小。
另一方面，在高分子电解质膜(美国デユポン公司的Nafion(注册商标)112膜)21的两面，形成催化剂层22a、22b。该催化剂层22a、22b是将在导电性碳微粉(ライオン(株)的ケツチエンブラツク(注册商标)EC)中以重量比1∶1担载了铂催化剂的材料70重量份和与所述高分子电解质膜21相同的高分子电解质30重量份的混合物成形后制得的。按照与该高分子电解质膜21的催化剂层22a、22b相接的方式叠放所述气体扩散层23a、23b，通过在100℃以1MPa的压力加压5分钟，使之接合而制作成MEA10。此时，所用的压力机40的加压面的大小如图9所示，与气体扩散层23a、23b的大小相比，纵横各小8mm，因而在加压时，加压面不会接触到气体扩散层23a、23b的周边端部50。
然后进行了对隔板16a、16b的凹部29、37的深度的研究。
燃料电池元件的构造与图4所示例子相同，从歧管孔30、33到反应部的气体流路26、35的部分也相同地采用了设置凹部29、37的构造。这里使用的气体扩散层23a、23b中，基材的碳纸为300μm，疏水层为80μm，总厚度为380μm。当以与燃料电池的连结压力相同的1MPa对其进行压缩时，厚度即缩小到330μm。即，被压缩了50μm。将该厚度设为s。所以，使隔板16a、16b的凹部29、37的深度变化为t＝30、40、50、60、80μm，研究了其电池特性。继而作为比较例，还制作了未设置凹部29、37(t＝0)的电池。
借助氟橡胶制的衬垫(デユポンダウエラストマジヤパン制VITON(注册商标)GBL)25，把MEA10夹在隔板16a、16b之间，使之一体化，构成了燃料电池。评价条件为，向阳极供给加湿到露点达到65℃的纯氢气，向阴极供给加湿到露点达到70℃的空气，使电池温度为70℃，燃料气体利用率为70％，空气利用率为40％或70％。
作为单电池，分别制作10个元件，电池特性以这10个元件的平均值进行比较。
表1中表示有t的值、t相对于气体扩散层23a、23b的压缩厚度s的比例、初期的开路电压、以电流密度0.2A/cm2放电时的相对于空气利用率40％情况下的电压的70％的情况的电压的比率(以下称为空气利用率特性)。
                     表1  s＝50μm
  深度t(μm)   t/s(％)   开路电压(mV)   电压比(％)
  0   0   883   98.2
  30   60   903   98.1
  40   80   956   98.2
  50   100   960   97.8
  60   120   963   96.2
  80   160   963   89.1
在凹部29、37的深度为40～60μm，即t/s在80～120％的区域内时，开路电压及空气利用率特性可以得到良好的结果。但是，在凹部29、37的深度较浅的情况下，由于周边端部50的压缩，高分子电解质膜21发生损伤，开路电压有下降的倾向。此时，当开路电压在950mv以下时，流经膜中的短路电流增大，从而促进了放电效率的降低或因局部发热导致的电解质膜的恶化。
另外，在凹部29、37较深的情况下，因气体流入凹部29、37，实质上气体的流量减少，因此可以观察到空气利用率特性的降低。这是因为，由于流经流路的气体的压力降低，使得排出由反应生成的水的能力降低的缘故，当电压比在95％以下时，由气体供给的不均导致的电压的振动更加明显，在最差的情况下，到达电压下限值，以至系统停止。所以，作为t/s，在80～120％之间时，可以获得最优良的特性。
而且，将s为30μm、80μm时的结果表示在表2、3中。
                    表2  s＝30μm
  深度t(μm)   t/s(％)   开路电压(mV)   电压比(％)
  0   0   892   99.1
  10   33   912   98.9
  25   83   960   98.8
  30   100   965   98.5
  35   117   965   98.0
  40   133   966   91.2
                    表3  s＝80μm
  深度t(μm)   t/s(％)   开路电压(mV)   电压比(％)
  0   0   863   98.0
  50   63   892   98.0
  65   81   950   97.8
  80   100   963   97.2
  95   119   965   95.5
  110   138   965   90.3
当s为30μm时，取代实施例的碳纸，使用了200μm厚的碳纸。同样形成疏水层的结果是，厚度为280μm，利用1MPa的连结压力压缩至250μm。另外，当s为80μm时，使用380μm的气体扩散层，将连结力设为1.5MPa。此时，气体扩散层被压缩至300μm。对于哪一种情况都发现，大致上t/s在80～120％之间，就显示出优良的特性，即使气体扩散层的材料或压缩率发生变化，也会得到相同的特性。
[实施例2]
然后，在实施例1中t＝60μm的情况下，如图2及图3所示，使用在歧管30、33和气体流路26、35的连接部分上不设置凹部29、37的构造的隔板16a、16b，进行了电池评价。除了改变了隔板16a、16b以外，与实施例1相同地构成了元件。其结果是，开路电压由963mV变成962mV，基本未发现影响。另一方面，空气利用率特性从96.2％改善为97.9％，表现出抑制气体流入凹部29、37中的效果。
[实施例3]
如图7所示，对衬垫25位于凹部29、37的内侧的构造的情况进行研究。
凹部29、37的深度设为60μm。在隔板16a、16b上设置另外的凹部，并将衬垫25嵌入，对衬垫25的厚度进行了调整，使得衬垫25从隔板16a、16b的表面向外突出100μm。此外，除了改变了隔板16a、16b和衬垫25的形状以外，与实施例1相同地制作了元件。其结果是，开路电压得到了960mV的良好值，但是空气利用率特性恶化至95.3％。这是因为，气体经过气体扩散层23a、23b泄漏到外部。
然后，向气体扩散层23a、23b的与衬垫25相接的部分46、47中注射填充氟橡胶。当使用该气体扩散层23a、23b进行相同的实验时，空气利用率特性改善为98.0％。
[实施例4]
对将高分子电解质膜21、电极24a、24b及气体扩散层23a、23b一体化的工序进行了研究。在实施例1中，加压面的大小与气体扩散层23a、23b的大小相比，纵横分别小8mm，因此加压面就不会接触到气体扩散层23a、23b的周边端部50。在本实施例中，使用加压面比气体扩散层23a、23b更大的压力机，进行了高分子电解质膜21、电极24a、24b及气体扩散层23a、23b的一体化。一体化的条件与实施例1相同，为100℃下，施加1MPa的压力5分钟。
元件除了使用实施例1中隔板16a、16b的凹部29、37的深度为60μm的元件以外，以相同的条件构成。其结果是，开路电压从实施例1的963mV降低到931mV。所以，在一体化中也不使气体扩散层23a、23b的周边端部50对高分子电解质膜21加压，就能够抑制高分子电解质膜21的损伤，并改善开路电压。
而且，在所述实施例中，虽然将凹部29、37完全作为空间实施的，但是，也可以在凹部29、37中填充能够吸收加在气体扩散层23a、23b上的压力的材料。
例如，如果在凹部29、37中填充海绵或橡胶那样的材料，构成元件，则可以有效地消除凹部29、37的气体扩散层23a、23b和隔板16a、16b之间的空隙，从而可以抑制在凹部29、37中的气体的绕入。
另外，只要将比气体扩散层23a、23b弹性更高的材料填充在凹部29、37中即可，此时，从外观上看，未形成凹部29、37。或者，也可以从最开始就不形成凹部29、37，利用公知的任意一种方法，将该部分用所述的高弹性材料置换。即，只要形成将与气体扩散层23a、23b的至少一部分的周边端部50相面对的部分施加在周边端部50上的压力吸收或分散的形状或构造，就可以获得与所述相同的效果。
而且，以上的说明中，虽然将本发明的电解质膜作为高分子电解质膜进行说明，但是也可以是其他类型的电解质膜。只要电解质膜具有因加压而容易损伤之类的性质，无论是何种电解质膜，都可以获得与所述相同的效果。
另外，如图11所示，可以使用以上说明的燃料电池61来构成燃料电池发电系统60。在燃料电池61的阳极侧，提供利用改性器62将燃料气体改性而获得的氢，在阴极侧，提供空气等氧化剂气体。如果采用此种系统，则可以获得耐久性高的燃料电池发电系统。
工业上的利用可能性
利用本发明的燃料电池元件及其制作方法，能够获得使电解质膜难以恶化的效果，可以应用于燃料电池、燃料电池发电系统中。

Claims (16)

1.一种燃料电池元件，具备电解质膜、夹着所述电解质膜而置的由催化剂层及气体扩散层构成的一对电极、具有向所述电极的一方提供氧化剂气体的气体流路的阴极侧导电性隔板以及具有向所述电极的另一方提供燃料气体的气体流路的阳极侧导电性隔板，在至少一方导电性隔板上具有吸收或分散加在气体扩散层的周边端部上的压力的形状或构造，并且该形状或构造设置在与所述气体扩散层的至少一部分周边端部面对的部分上。
2.根据权利要求1所述的燃料电池元件，其特征是，在与所述周边端部面对的部分上，填充有比所述导电性隔板的材料弹性更高的材料。
3.根据权利要求1所述的燃料电池元件，其特征是，在与所述周边端部面对的部分上，形成有凹部。
4.根据权利要求3所述的燃料电池元件，其特征是，所述凹部的深度在朝向所述导电性隔板的中心方向变浅。
5.根据权利要求3所述的燃料电池元件，其特征是，所述凹部的深度为由所述燃料电池的连结压力而气体扩散层被压缩的尺寸的80～120％。
6.根据权利要求3所述的燃料电池元件，其特征是，所述凹部的深度与由所述燃料电池的连结压力而气体扩散层被压缩的尺寸相同。
7.根据权利要求3所述的燃料电池元件，其特征是，在比所述隔板的凹部更靠外侧的位置上配置有衬垫。
8.根据权利要求7所述的燃料电池元件，其特征是，所述凹部与所述气体流路不连通。
9.根据权利要求8所述的燃料电池元件，其特征是，在所述隔板上，在所述气体流路的入口附近或出口附近未形成所述凹部。
10.根据权利要求3所述的燃料电池元件，其特征是，在比所述隔板的凹部更靠内侧的位置上配置有衬垫。
11.根据权利要求10所述的燃料电池元件，其特征是，在所述电极的气体扩散层的至少一部分中，浸渍有致密性物质，并按照与所述衬垫接触的方式配置在该部分上。
12.由权利要求1所述的燃料电池元件层叠构成的燃料电池。
13.一种燃料电池发电系统，其特征是，具有通过对燃料气体改性而获得氢的改性器、通过供给所述氢和氧化剂气体来进行发电的权利要求12所述的燃料电池。
14.一种燃料电池元件的制造方法，其特征是，包括将由催化剂层及气体扩散层构成的一对电极和电解质膜一体化的第一工序、用一对导电性隔板夹隔一体化的膜-电极接合体来形成燃料电池元件的第二工序，在所述第一工序中，在所述气体扩散层的周边部分的所加压力比其他的中央部分更低的状态下，将所述电极和所述电解质膜一体化。
15.根据权利要求14所述的燃料电池元件的制造方法，其特征是，所述第一工序包括以具有比所述气体扩散层更小的面积的加压体对所述电极和所述电解质膜加压来进行一体化的工序。
16.一种将利用权利要求14所述的燃料电池元件的制造方法而制得的燃料电池元件层叠的燃料电池的制造方法。
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Granted publication date: 20070214

Termination date: 20180414