專利名稱：燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，更具體地涉及具有多個(gè)單電池堆疊于彼此之 上的堆疊結(jié)構(gòu)的燃料電池。
相關(guān)技術(shù)的描述
燃料電池堆具有單電池的堆，每個(gè)單電池具有電解質(zhì)膜、設(shè)置于電 解質(zhì)膜兩側(cè)的一對電極、和設(shè)置于電極外側(cè)的一對隔離器(隔板)。在 這種燃料電池堆中，通過燃料氣體供給歧管將燃料氣體供給到每個(gè)單電 池的陽極。類似地，通過氧化劑氣體供給歧管將氧化劑氣體供給到每個(gè) 單電池的陰極。歧管在堆疊方向上延伸穿過燃料電池堆。每個(gè)隔離器具 有外圍部，穿過該外圍部形成有通孔，并且當(dāng)單電池堆疊于彼此之上時(shí) 該通孔限定歧管。在這種單電池中，在成對隔離器之間往往插入密封構(gòu) 件，以防止燃料氣體和氧化劑氣體泄露。例如，日本專利申請公開
2003-223卯3 (JP-A-2003-223903)公開了具有設(shè)置在隔離器的通孔周圍 和其發(fā)電部周圍的密封構(gòu)件的單電池。
在這種燃料電池堆中，可以在燃料電池堆的堆疊方向上施加緊固載 荷以改善密封構(gòu)件的可密封性，并且防止因燃料電池堆中電接觸不良而 引起的電池功能劣化。例如，可以通過在燃料電池堆的兩端提供端板并 且緊固螺接在延伸穿過端板四角的拉桿上的螺母而將緊固載荷施加在 燃料電池堆的堆疊方向上。
圖7A顯示了用于根據(jù)相關(guān)技術(shù)的燃料電池堆的隔離器的一個(gè)實(shí)例 的平面圖，圖7B顯示了沿圖7A的線VII-VII截取的燃料電池堆的橫截 面圖。
如圖7A所示，隔離器41具有外圍部，該外圍部具有用于允許燃料 氣體、氧化劑氣體、和冷卻介質(zhì)流過其中的通孔416i等，和設(shè)置在該 通孔周圍和發(fā)電部周圍的密封構(gòu)件S。在圖7A中，用斜線陰影表示密 封構(gòu)件S。例如，假定因?yàn)槊總€(gè)具有夾在隔離器41之間的MEA48的單
3電池堆疊期間的對準(zhǔn)不良，所以從兩側(cè)擠壓隔離器的密封構(gòu)件s的密封
線在燃料電池堆中相互發(fā)生對準(zhǔn)不良。在該情況下，當(dāng)觀察沿圖7A的線VII-VII截取的燃料電池堆的橫截面視圖時(shí)，密封構(gòu)件S位于MEA 48上方，如圖7B所示。如上所述，由于從兩側(cè)擠壓隔離器的密封構(gòu)件S的密封線相互發(fā)生對準(zhǔn)不良，所以施加如圖7B中的箭頭所示的壓力，并且隔離器上施加有彎曲應(yīng)力。因此，在金屬隔離器的情況下，隔離器可能彎曲，直至隔離器的邊緣相互接觸，如圖7B中的虛線所示，從而導(dǎo)致電短路。在碳隔離器的情況下，當(dāng)密封構(gòu)件S的密封線相互發(fā)生對準(zhǔn)不良時(shí)，隔離器可能在密封構(gòu)件施加有壓力的地方產(chǎn)生開裂。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供具有不因堆疊方向上的緊固載荷而變形或開裂的邊緣的燃料電池隔離器。
本發(fā)明的第一方面涉及燃料電池。該燃料電池具有單電池的堆，所述單電池的每一個(gè)均具有電解質(zhì)膜、設(shè)置于所述電解質(zhì)膜兩側(cè)上的一對電極、和設(shè)置于所述成對的電極外側(cè)的一對隔離器(隔板)。在該燃料電池中，沿堆疊方向施加緊固載荷以維持所述燃料電池堆的堆疊狀態(tài)。該燃料電池具有形成為穿過所述隔離器外圍部分的允許至少反應(yīng)物氣體流過所述隔離器的通孔；和設(shè)置于所述成對的隔離器之間用于在所述隔離器的所述外圍部分上沒有通孔的區(qū)域內(nèi)支承緊固載荷的支承構(gòu)件。
上述燃料電池還可以包括沿所述通孔的邊緣的至少一部分形成的密封構(gòu)件。該支承構(gòu)件可以與所述密封構(gòu)件形成為一體。
在所述燃料電池中，支承構(gòu)件位于所述隔離器外圍部分上沒有通孔的區(qū)域內(nèi)。所述燃料電池具有設(shè)置在反應(yīng)氣體流過其中的通孔的周圍的密封構(gòu)件，并且密封構(gòu)件還在隔離器之間支承隔離器。當(dāng)密封構(gòu)件的位置在從兩側(cè)擠壓隔離器時(shí)發(fā)生偏移時(shí)，彎曲應(yīng)力施加到隔離器上。在根
據(jù)本發(fā)明第一方面的燃料電池中，由于所述隔離器的邊緣被所述支承構(gòu)件支承，所以所述隔離器較不易發(fā)生彎曲。因此，在金屬隔離器的情形中，隔離器不會彎曲到使隔離器的邊緣相互接觸而導(dǎo)致電短路的程度。在碳隔離器的情形中，可以防止隔離器在密封構(gòu)件發(fā)生相互對準(zhǔn)不良的位置處產(chǎn)生開裂。
4密封構(gòu)件可以實(shí)施為各種形式，例如密封墊、與密封墊形成為一體
的MEA、和粘合劑密封。密封構(gòu)件可以形成在通孔周圍，或者可以在通孔與反應(yīng)氣體通道連通的位置處省略密封構(gòu)件。通過提供如上所述的密封構(gòu)件，不干擾反應(yīng)物氣體的流動。
在根據(jù)本發(fā)明第一方面的燃料電池中，因?yàn)橹С袠?gòu)件與密封構(gòu)件形成為一體，所以可以減少部件數(shù)目，從而可以有助于燃料電池堆的組裝。
在根據(jù)本發(fā)明第一方面的燃料電池中，所述成對的隔離器、所述密封構(gòu)件和所述支承構(gòu)件不形成封閉的空間。
在此處，封閉的空間不具有用于與其它空間連通的開口。例如，可以被認(rèn)為是如下情形，當(dāng)由形成在通孔周圍的密封構(gòu)件和與密封構(gòu)件形成為一體的支承構(gòu)件形成封閉區(qū)域(例如，矩形區(qū)域)時(shí)，當(dāng)支承構(gòu)件設(shè)置于成對的隔離器之間時(shí)由隔離器、支承構(gòu)件和密封構(gòu)件形成封閉的空間。
在根據(jù)本發(fā)明第一方面的燃料電池中，所述成對的隔離器、所述密封構(gòu)件和所述支承構(gòu)件不形成封閉的空間。因此，可以實(shí)現(xiàn)以下效果。例如，當(dāng)由隔離器、支承構(gòu)件和密封構(gòu)件形成封閉的空間時(shí)，封閉的空間內(nèi)的空氣可能在燃料電池運(yùn)行時(shí)因自加熱而膨脹并流出密封構(gòu)件和支承構(gòu)件之外而到達(dá)通孔側(cè)。因此，在通孔周圍形成的密封構(gòu)件的密封性能劣化，從而反應(yīng)物氣體流過通孔并可能泄露到外部。然而，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池，因?yàn)槲葱纬煞忾]的空間，所以不會產(chǎn)生使氣體移動穿過形成于通孔周圍的密封構(gòu)件的力。因此，防止了密封性能的劣化。
所述支承構(gòu)件可以是粘合劑。
所述粘合劑可以是聚硅氧烷、環(huán)氧樹脂、環(huán)氧化物改性的聚硅氧烷、烯烴樹脂、或烯烴改性的聚硅氧烷。
所述支承構(gòu)件可以是密封墊。
所述支承構(gòu)件可以具有不透氣性、彈性、和耐熱性。
在根據(jù)本發(fā)明第一方面的燃料電池中，因?yàn)樗鲋С袠?gòu)件包括粘合劑，所以每個(gè)單電池都形成為一個(gè)整體。因此，當(dāng)堆疊多個(gè)單電池時(shí)，
5與單獨(dú)地堆疊隔離器、電極、電解質(zhì)膜等的情形相比，該燃料電池堆可以容易地以高精確度組裝。


參照附圖，從以下示例性實(shí)施方案的描述中，本發(fā)明的前述和其它特征及優(yōu)點(diǎn)會變得明顯，附圖中類似的附圖標(biāo)記用于代表類似的要素/
元件，其中
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的燃料電池堆100的一般構(gòu)造的立體圖2A和2B分別是第一實(shí)施方案的隔離器41a和47a的平面圖，圖2C是第一實(shí)施方案的單電池40a的橫截面視圖3是根據(jù)第一實(shí)施方案的燃料電池堆100的橫截面視圖4A和4B分別是根據(jù)第二實(shí)施方案的隔離器41b和47b的平面視圖，圖4C是第二實(shí)施方案的單電池40b的橫截面視圖5A和5B分別是根據(jù)第三實(shí)施方案的隔離器41c和47c的平面視圖，圖5C是第三實(shí)施方案的單電池40c的橫截面視圖6A是根據(jù)第四實(shí)施方案的與密封墊形成為一體的MEA 489的平面視圖，圖6B是第四實(shí)施方案的單電池40d的橫截面視圖；和
圖7A是根據(jù)相關(guān)技術(shù)的燃料電池的隔離器41的平面圖，圖7B是該燃料電池的橫截面視圖。
具體實(shí)施例方式
按以下順序描述用于實(shí)施本發(fā)明的最佳模式A.第一實(shí)施方案，B.第二實(shí)施方案，C.第三實(shí)施方案，D.第四實(shí)施方案，E.修改方案。
A.第一實(shí)施方案Al.燃料電池堆的構(gòu)造:圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的燃料電池堆100的一般構(gòu)造的立體圖。燃料電池堆100通過在各個(gè)電極處的作為燃料氣體的氫和作為氧化劑氣體的空氣中的氧之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電動勢。如所示的，燃料電池堆100是通過將規(guī)定數(shù)目的單電池40a堆疊于彼此之上而形成的。單電池40a的數(shù)目可以基于所需的從燃料電池堆100輸出的功率而任意確定。在該實(shí)施方案中，每個(gè)單電池40a都是聚合物電解質(zhì)燃料電池。
在燃料電池堆100中，端板IO、絕緣板20、集流板30、多個(gè)單電池40a、集流板50、絕緣板60、和端板70以所述順序從一端到另 一端堆疊。這些構(gòu)件具有供給口、排放口、和允許作為燃料氣體的氫、作為氧化劑氣體的空氣、和冷卻劑流過燃料電池堆100的通道(未顯示)。氫由氫罐(未顯示)供給?？諝夂屠鋮s劑由泵(未顯示)加壓并供給。每一個(gè)都具有冷卻劑流過其中的冷卻劑通道的冷卻劑隔離器(未顯示)插在每五個(gè)單電池40a之間。
燃料電池堆100具有拉緊板80。在燃料電池堆100中，沿堆疊結(jié)構(gòu)的堆疊方向施加壓力。因此，可以防止因燃料電池堆100中電接觸不良引起的電池性能劣化，并且確保密封構(gòu)件的密封性能。拉緊板80通過燃料電池堆100中的螺栓82固定到燃料電池堆100兩端的端板10和70。因此，通過堆疊方向上的預(yù)定緊固力緊固單電池40a。
端板10和70、和拉緊板80均由諸如鋼的金屬制成，以確保剛性。絕緣板20和60由諸如橡膠或樹脂的絕緣材料制成。集流板30和50由不可透氣的導(dǎo)電材料諸如致密碳或銅板制成。每個(gè)集流板30和50都具有輸出端子(未顯示)，使得可以輸出燃料電池堆IOO中產(chǎn)生的電功率。
下面將參照圖2A 圖2C描述單電池40a。圖2A是示出接觸陽極側(cè)擴(kuò)散層42的陽極側(cè)隔離器41a的面的平面圖。如所示的，陽極側(cè)隔離器41a是具有一般矩形平面形狀的平板。陽極側(cè)隔離器41a具有外圍部分，穿過該外圍部分形成有氫供給通孔412i、氫排放通孔412o、空氣供給通孔414i、空氣排放通孔414o、冷卻劑供給通孔416i、和冷卻劑排放通孔4160，每個(gè)通孔都是具有一般矩形平面形狀的通孔。陽極側(cè)隔離器41a還具有作為具有一般正方形平面形狀的凹陷的接收部418，圖2C所示的膜電極組合件(在下文中還簡稱為"MEA") 48裝配到該接收部418中。陽極側(cè)隔離器41a還具有與氫供給通孔412i和氫排放通孔412o連通的槽狀氳通道412p。
圖2B是示出接觸陰極側(cè)擴(kuò)"^ 46的陰極側(cè)隔離器47a的面的平面視圖。如所示的，陰極側(cè)隔離器47a也是具有與上述陽極側(cè)隔離器類似的一
7般正方形平面形狀的平板。陰極側(cè)隔離器47a具有外圍部分，穿過該外圍部分形成有氫供給通孔472i、氫排放通孔472o、空氣供給通孔474i、空氣排放通孔4740、冷卻劑供給通孔476i、和冷卻劑排放通孔476o,每個(gè)通孔都是具有一般矩形平面形狀的通孔。與上述陽極側(cè)隔離器41a中的情形一樣，陰極側(cè)隔離器47a具有一般正方形平面形狀的接收部478，和與空氣供給通孔474i和空氣排放通孔474o連通的槽狀空氣通道474p。盡管在該實(shí)施方案中將不銹鋼平板用于隔離器41a和47a，但是可以使用諸如鈦或鋁的其它金屬的平板或碳的平板代替。
圖2C是沿圖2A的線II-II截取的單電池40a的橫截面視圖。陽極側(cè)擴(kuò)散層42、陽極43、電解質(zhì)膜44、陰極45、和陰極側(cè)擴(kuò)散層46以該順序堆疊，以形成MEA48。通過將MEA 48插入設(shè)置于陽極側(cè)擴(kuò)散層42側(cè)面上的陽極側(cè)隔離器41a和設(shè)置于陰極側(cè)擴(kuò)散層46側(cè)面上的陰極側(cè)隔離器47a之間，形成單電池40a。在該實(shí)施方案中，使用由氟樹脂制成的聚電解質(zhì)(polyelectrolyte)膜作為電解質(zhì)膜44。 4吏用在碳布上
對于擴(kuò)散層42和46，使用碳多孔體。當(dāng)使用該擴(kuò)散層42和46時(shí)，可以將氣體有效地分散并供給到陽極43和陰極45的整個(gè)表面上。對于電解質(zhì)膜，可以使用諸如固體氧化物的其它電解質(zhì)。可由碳纖維制成的碳紙或碳?xì)中纬呻姌O。
單電池40a通逸拖用到陽極側(cè)隔離器41a和陰極側(cè)隔離器47a上的粘合劑Ba形成為一個(gè)整體。下面將參照圖2A到圖2C描述粘合劑Ba的線(由斜線陰影所示的區(qū)域)。對于粘合劑Ba，可以使用例如聚珪氧烷、環(huán)氧樹脂、環(huán)氧化物改性的聚硅氧烷、烯烴樹脂、或烯烴改性的聚硅氧烷。在陽極側(cè)隔離器41a上，如圖2A所示沿陽極側(cè)隔離器41a的全部四個(gè)邊緣連續(xù)施用粘合劑Ba。還將粘合劑Ba施用到MEA 48適合于裝配到其中的接收部418的周圍和通孔412i、 412o、 414i、 414o、 416i和416o的周圍。在氫供給通孔412i和氫排放通孔412o周圍區(qū)域中形成氫通道的區(qū)域中不施用粘合劑Ba，以不干擾氫的流入和流出。
同樣，在陰極側(cè)隔離器47a上，如圖2B所示沿陰極側(cè)隔離器47a的全部四個(gè)邊緣連續(xù)施用粘合劑Ba。還將粘合劑Ba施用到MEA 48適合于適配到其中的接收部478的周圍和通孔472i、 472o、 474i、 474o、 476i和476o的周圍。在空氣供給通孔474i和空氣排放通孔474o周圍區(qū)域中形成空氣通道的區(qū)域中不施用粘合劑Ba，以不干擾空氣的流入和流出。
陽極側(cè)隔離器41a的下邊緣和陰極側(cè)隔離器47a的上邊緣如圖2A和 2B所示相互掩^。陽極側(cè)隔離器41a的上邊緣和陰極側(cè)隔離器47a的下邊 緣如圖2A和2B所示相互接合。在擠壓載荷施加到中間插入有MEA 48 的陽極側(cè)隔離器41a和陰極側(cè)隔離器47a并且粘合劑Ba固化時(shí)，形成整 體式單電池40a。然后，施用到接收部418和478周圍和通孔周圍的粘合 劑Ba作為防止氫、空氣和冷卻劑泄漏的密封構(gòu)件。沿隔離器41a和47a 的全部四個(gè)邊緣連續(xù)施用的粘合劑Ba作為用于支承隔離器邊緣上的前述 緊固載荷的支承構(gòu)件。因?yàn)樵谡澈蟿〣a固化時(shí)施加了擠壓栽荷，所以粘 合劑Ba鋪展到隔離器41a和47a的邊緣，如圖2C所示。在該實(shí)施方案中， 粘合劑Ba可以視為密封構(gòu)件和支承構(gòu)件。其效果將在下文詳述。
當(dāng)如上所述構(gòu)建的多個(gè)單電池40a堆疊于彼此之上以形成燃料電池堆 100時(shí)，氫供給通孔412i和472i形成沿堆疊方向延伸穿過燃料電池堆100 的氫供給歧管(未顯示)。同樣，氬排放通孔412o和472o形成氫排放歧管 (未顯示)，空氣供給通孔414i和474i形成空氣供給歧管(未顯示)，空 氣排放通孔414o和474o形成空氣排放歧管(未顯示)，冷卻劑供給通孔 416i和476i形成冷卻劑供給歧管(未顯示)，冷卻劑排放通孔416o和476o 形成冷卻劑排放歧管(未顯示)。從氬罐(未顯示)供給到燃料電池堆100 的氫通過氬供給歧管分配到單電池40a的氫通道412p，進(jìn)而供給到陽極 43。在電極反應(yīng)中未消耗的氫通過氫排放歧管從燃料電池堆IOO中排出。 類似地，通過泵(未顯示)加壓并供給到燃料電池堆100的來自燃料電池 堆100外側(cè)的大氣的空氣通過空氣供給歧管分配穿過單電池40a的空氣通 道474p，進(jìn)而供給到陰極45。在電M應(yīng)中未消耗的空氣通過空氣排放 歧管從燃料電池堆100中排出。供給到燃料電池堆100的冷卻劑通過冷卻 劑供給歧管分配到多個(gè)冷卻劑隔離器，并且流過所述冷卻劑隔離器中的冷 卻劑通道以冷卻所述單電池。此后，冷卻劑通過冷卻劑排放歧管從燃料電 池堆100中排出。
A2.效果:下面參照圖3描述根據(jù)該實(shí)施方案的燃料電池堆100的效 果。圖3是沿圖2A的線II-II截取的單電池堆100的橫截面視圖。在圖3 中，施加到多個(gè)隔離器41a和47a中的一些隔離器的壓力用箭頭表示，其 它的省略。在相關(guān)技術(shù)的燃料電池堆中，當(dāng)在隔離器外圍部分上沒有通孔 的區(qū)域中從兩側(cè)施加壓力到隔離器的加載點(diǎn)相互發(fā)生位移時(shí)，彎曲應(yīng)力施加到隔離器上，因此隔離器可能彎曲(圖7B)。然而，在該實(shí)施方案的燃 料電池堆100中，沿陽極側(cè)隔離器41a和陰極側(cè)隔離器47a的全部四個(gè)邊 連續(xù)施用粘合劑Ba。也就是說，如圖3所示，隔離器41a和47a的沒有通 孔的邊緣部分(圖3中的上部)由粘合劑Ba支承。因此，即使從兩側(cè)擠 壓隔離器41a和47a的粘合劑Ba的位置因堆疊期間單電池40a發(fā)生對準(zhǔn) 不良而相互發(fā)生位移，隔離器也不會彎曲，這是因?yàn)楦綦x器41a和47a的 邊緣受到支承。因此，可以避免隔離器外圍部分的變形。
B.第二實(shí)施方案Bl.燃料電池堆的構(gòu)造:除了單電池40b中粘合劑 Bb的線之外，第二實(shí)施方案的燃料電池堆的構(gòu)造與第一實(shí)施方案中的燃料 電池堆100的構(gòu)勤目似，因此不再贅i^t目似的特征。下面參照圖4A到圖 4C描述該實(shí)施方案的單電池40b中的粘合劑Bb的線(圖4A到圖4C中 斜線陰影所示的區(qū)域)。
圖4A是示出接觸陽極側(cè)擴(kuò)M42的陽極側(cè)隔離器41b的面的平面圖。 在陽極側(cè)隔離器41b上，沿陽極側(cè)隔離器41b的四個(gè)邊緣中形成有穿過其 中的冷卻劑供給通孔416i和冷卻劑排放通孔416o的兩個(gè)邊緣(上邊緣和 下邊緣)，在MEA 48適合于適配到其中的接收部418的周圍，和在通孔 412i、 412o、 414i、 414o、 416i和416o的周圍線性施用粘合劑Bb，如圖 4A所示。在氫供給通孔412i和氫排放通孔412o周圍區(qū)域中形成氳通道 412p的區(qū)域中不施用粘合劑Bb,以不干擾氫的流入和流出。
圖4B是示出接觸陰極側(cè)擴(kuò)散層46的陰極側(cè)隔離器47b的面的平面圖。 在陰極側(cè)隔離器47b上，沿陰極側(cè)隔離器47b的四個(gè)邊緣中形成有穿過其 中的冷卻劑排放通孔476o和冷卻劑供給通孔476i的兩個(gè)邊緣(上邊緣和 下邊緣)，在MEA48適配到其中的接收部418的周圍、和在通孔472i、472o、 474i、 474o、 476i、和476o的周圍線性地施用粘合劑Bb,如圖4B所示。 在空氣供給通孔474i和空氣排放通孔474o周圍區(qū)域中形成空氣通道474p 的區(qū)域中不施用粘合劑Bb，以不干擾空氣的流入和流出。
與第 一 實(shí)施方案中的情形 一樣，在將擠壓栽荷施加到中間插入有MEA 48的陽極側(cè)隔離器41b和陰極側(cè)隔離器47b以使得陽極側(cè)隔離器41b的下 邊緣和陰極側(cè)隔離器47b的上邊^(qū)目互#且陽極側(cè)隔離器41b的上邊緣 和陰極側(cè)隔離器47b的下邊射目互接合(如圖4A和4B所示)并且粘合劑 Bb固化時(shí)，形成整體式單電池40b (圖4C)。然后，施用到接收部418和 478周圍和通孔周圍的粘合劑Bb作為防止氫、空氣和冷卻劑泄漏的密封構(gòu)件。沿隔離器41b和47b的上邊緣和下邊緣線性地施用的粘合劑Bb作為 用于支承作用于隔離器邊緣上的前述緊固載荷的支承構(gòu)件。因?yàn)楫?dāng)粘合劑 Bb固化時(shí)施加了擠壓載荷，所以粘合劑Bb鋪展到隔離器41a和47a的每 個(gè)邊緣，如圖4C所示。在該實(shí)施方案中，粘合劑Bb可以視為密封構(gòu)件和 支承構(gòu)件。
B2.效果:在該實(shí)施方案的燃料電池堆中，沿隔離器41b和47b外圍 部分上沒有通孔的區(qū)域中的隔離器41b和47b的上邊緣和下邊緣施用粘合 劑Bb。因此，即使從兩側(cè)擠壓隔離器41b和47b的粘合劑Bb的線在沒有 通孔的區(qū)域內(nèi)相互發(fā)生位移，隔離器也不會彎曲，這是因?yàn)楦綦x器41b和 47b的邊緣被粘合劑Bb支承，與在第一實(shí)施方案中一樣。因此，可以避 免隔離器外圍部分變形。
當(dāng)與第一實(shí)施方案一樣施用粘合劑Bb時(shí)，例如，在隔離器41b和47b 的角處形成由粘合劑Bb的線包圍的封閉區(qū)域。然后，當(dāng)陽極側(cè)隔離器41b 和陰極側(cè)隔離器47b相互掩^以形成整體式單電池40b時(shí)，形成封閉的空 間(圖2C中顯示為O )。因?yàn)殛枠O側(cè)隔離器41b和陰極側(cè)隔離器47b通過 施加壓力而相互掩^以形成單電池40b，所以封閉的空間內(nèi)的空氣可能因 為壓力而破壞粘合劑Bb的線并朝通孔流動。此外，當(dāng)封閉的空間中的空
閉的空間內(nèi)的空氣可能朝通孔流動，或者氫或空氣可能從通孔流到該封閉 的空間內(nèi)。換言之，當(dāng)封閉的空間內(nèi)的空氣膨脹或收縮時(shí)，通過粘合劑Bb #^的部件可能分開，并且可損害粘合劑Bb作為密封構(gòu)件的功能。
然而，在該實(shí)施方案的燃料電池中，沿陽極側(cè)隔離器41b的上邊緣和 下邊緣施用的粘合劑Bb和在通孔412i、 412o、 414i和414o周圍施用的粘 合劑Bb不相互連接。類似地，沿陰極側(cè)隔離器47b的上邊緣和下邊^(qū)fe 用的粘合劑Bb和在通孔472i、 472o、 474i和474o周圍施用的粘合劑Bb 不相互連接。也就是說，作為支承構(gòu)件的粘合劑Bb和作為密封構(gòu)件的粘 合劑Bb不形成封閉的空間。因此，當(dāng)陽極側(cè)隔離器41b和陰極側(cè)隔離器 47b相互掩^以形成整體式單電池40b時(shí)，在單電池40b中不形成任何包 含空氣的封閉的空間。因此，可以防止在通孔周圍施用的粘合劑Bb被破 壞，并且不會損害粘合劑Bb作為密封構(gòu)件的功能。
C.第三實(shí)施方案CI.燃料電池堆的構(gòu)造:除了單電池40c中的粘合 劑Be的線之外，根據(jù)第三實(shí)施方案的燃料電池堆的構(gòu)造與第一實(shí)施方案
ii的燃料電池堆100的構(gòu)it^目似，因此不再贅述類似的特征。下面參照圖5 描述該實(shí)施方案的單電池40c中的粘合劑Bc的線(圖5中斜線陰影所示 的區(qū)域)。
圖5A是示出接觸陽極側(cè)擴(kuò)散層42的陽極側(cè)隔離器41c的面的平面圖。 在陽極側(cè)隔離器41c上，在接收部418周圍和在通孔412i、 412o、 414i、 414o、 416i和416o的周圍施用粘合劑Bc，如圖5A所示。此外，沿陽極 側(cè)隔離器41c的上邊緣和下邊緣以點(diǎn)的形式施用粘合劑Bc。
圖5B是示出接觸陰極側(cè)擴(kuò)^46的陰極側(cè)隔離器47c的面的平面圖。 在陰極側(cè)隔離器47c上，在接收部478的周圍和在通孔472i、 472o、 474i、 474o、 476i和476o的周圍施用粘合劑Bc，如圖5B所示。此外，沿陰極 側(cè)隔離器47c的上邊緣和下邊緣以點(diǎn)的形式施用粘合劑Bc。在氫供給通孔 412i和氳排放通孔412o周圍區(qū)域中形成氫通道412p的區(qū)域中、和在空氣 供給通孔474i和空氣排放通孔474o周圍區(qū)域中形成空氣通道474p的區(qū)域 中不施用粘合劑Bc，以不干擾氫和空氣的流入和流出，與在第一實(shí)施方案 中一樣。
與在第一實(shí)施方案中一樣，陽極側(cè)隔離器41c的下邊緣和陰極側(cè)隔離 器47c的上邊^(qū)+目互掩^，如圖5A和5B所示。陽極側(cè)隔離器41c的上邊 緣和陰極側(cè)隔離器47c的下邊^(qū)目互接合，如圖5A和5B所示。在將擠壓 載荷施加到中間插入有MEA 48的陽極側(cè)隔離器41c和陰極側(cè)隔離器47c 并且粘合劑Bc固化時(shí)，形成整體式單電池40c (圖5C)。然后，施用到接 收部418和478周圍和通孔周圍的粘合劑Bc作為防止氫、空氣和冷卻劑 泄漏的密封構(gòu)件。沿隔離器41c和47c的上邊緣和下邊緣以點(diǎn)的形式施用 的粘合劑Bc作為用于支承作用于隔離器邊緣上的前述緊固載荷的支^ 件。在該實(shí)施方案中，粘合劑Bc可以視為是上文所述的密封構(gòu)件和支承 構(gòu)件。
C2.效果:在該實(shí)施方案的燃料電池堆中，沿隔離器41c和47c的上 邊緣和下邊緣以點(diǎn)的形式將粘合劑Bc施用到隔離器41c和47c外圍部分上 沒有通孔的區(qū)域中。因此，即使從兩側(cè)擠壓隔離器41c和47c的粘合劑Bc 的線在沒有通孔的區(qū)域中相互發(fā)生位移，隔離器也不會彎曲，這是因?yàn)楦?離器41c和47c的邊緣由粘合劑Bc支承，與在第一實(shí)施方案中一樣。因此， 可以避免隔離器外圍部分變形。此外，在該實(shí)施方案的燃料電池堆中，作為密封構(gòu)件的粘合劑Bc和作 為用于支承施加到隔離器上的緊固載荷的支承構(gòu)件的粘合劑Be不形成任 何封閉的空間。因此，當(dāng)陽極側(cè)隔離器41c和陰極側(cè)隔離器47c相互接合 以形成整體式單電池40c時(shí)，在單電池40c中未形成任何包含空氣的封閉 的空間，與在第二實(shí)施方案中一樣。因此，可以防止在通孔周圍施用的粘 合劑Bc被破壞，并且不損害粘合劑Bc作為密封構(gòu)件的功能。
此外，在該實(shí)施方案的燃料電池堆中，因?yàn)閷⒄澈蟿〣c以點(diǎn)的形式施 用到除了接收部418周圍和通孔周圍的區(qū)域之外的陽極側(cè)隔離器41c和陰 極側(cè)隔離器47c上，所以可以減少粘合劑Bc的量。因此，可以降低燃料 電池堆的成本和重量。
D.第四實(shí)施方案Dl.燃料電池堆的構(gòu)造:除了單電池40d的構(gòu)造之 外，第四實(shí)施方案的燃料電池堆的構(gòu)造與第一實(shí)施方案的燃料電池堆100 的構(gòu)it^目似，因此，不再贅勤目似的特征。下面參照圖6描述該實(shí)施方案 中單電池40d的構(gòu)造。在圖6中，在密封墊49上形成的肋R用斜線陰影 表示。
圖6A是示出接觸陽極側(cè)隔離器41d的與密封墊形成為一體的MEA 489的面的平面圖，圖6B是沿圖6A的線Vl-VI截取的單電池40d的橫截 面視圖。密封墊49形成于具有通常正方形平面形狀的MEA 48的周圍， 以包圍MEA 48的電解質(zhì)膜44，如圖6A所示。密封墊49具有氫供給通 孔492i、氫排放通孔4920、空氣供給通孔494i、空氣排放通孔494o、冷 卻劑供給通孔494i和冷卻劑排放通孔496o ，所述通孔的每一個(gè)都是具有 通常矩形平面形狀的通孔。密封墊49具有在通孔和MEA 48周圍與其形 成為一體的突起的肋R。密封墊49還具有沿其上邊緣和下邊緣與其形成為 一體的線性肋R。在通孔周圍和MEA 48周圍形成的肋R用作用于防止氫、 空氣和冷卻劑泄漏的密封構(gòu)件，沿密封墊49的上邊緣和下邊緣形成的肋R 作為用于支承前述緊固載荷的支承構(gòu)件。其效果將在下文描述。盡管在該 實(shí)施方案中將硅橡膠用于密封墊49，但是本發(fā)明不限于此，可以使用具有 不透氣性、彈性和耐熱性的其它材料替代。在該實(shí)施方案中，肋R可以視 為是如上所述的密封構(gòu)件和支承構(gòu)件。
陽極側(cè)隔離器41d為具有通常正方形平面形狀的平板，并且具有穿過 其外圍部分的與密封墊49的通孔一樣的通孔,與在第一實(shí)施方案的陽極側(cè) 隔離器41a中的情形一樣。陽極側(cè)隔離器41d還具有與氫供給通孔和氬排
13放通孔連通的槽狀氫通道412p (圖6B )。同樣，陰極側(cè)隔離器47d為具有 通常正方形平面形狀的平板，并且具有穿過其外圍部分的與密封墊49的通 孔一樣的通孔，與在第一實(shí)施方案的陰極側(cè)隔離器47a中的情形一樣。陽 極側(cè)隔離器41d還具有與空氣供給通孔和空氣排放通孔連通的槽狀空氣通 道747p (圖6B)。盡管在該實(shí)施方案中碳平板用于陽極側(cè)隔離器41d和陰 極側(cè)隔離器47d,但是本發(fā)明不限于此，可以使用例如不銹鋼、鈦或鋁的 金屬平板替代。
單電池40d是通過將與密封墊形成為一體的MEA 489插入陽極側(cè)隔 離器41d和陰極側(cè)隔離器47d之間形成的，如圖6B所示。當(dāng)多個(gè)單電池 40d堆疊于彼此之上時(shí)，隔離器41d和47d和與密封墊形成為一體的MEA 489的通孔形成在堆疊方向上延伸穿過燃料電池堆100的歧管。然后，與 在第一實(shí)施方案中一樣，通過歧管將作為燃料氣體的氬、作為氧化劑氣體 的空氣和作為冷卻^h質(zhì)的冷卻劑供給到燃料電池堆。
D2.效果:根據(jù)相關(guān)技術(shù)的燃料電池堆的與密封墊形成為一體的MEA 具有形成在MEA周圍和通孔周圍的肋。當(dāng)形成燃料電池堆時(shí)，由該肋從 兩側(cè)擠壓隔離器。在堆疊單電池時(shí)位于隔離器兩側(cè)上的肋的位置可能相互 發(fā)生偏移，肋可能因?yàn)槿剂想姵囟堰\(yùn)行時(shí)的氣體壓力而變形。因此，從兩 側(cè)將壓力施加到隔離器的加載點(diǎn)可能相互發(fā)生位移。當(dāng)從兩側(cè)將壓力施加 到隔離器的加載點(diǎn)相互發(fā)生位移時(shí)，彎曲應(yīng)力施加到隔離器上。這可能導(dǎo) 致在碳隔離器中產(chǎn)生開裂。
然而，在該實(shí)施方案的燃料電池堆中，沿密封墊49的上邊緣和下邊緣 形成線性肋R。因此，即4吏從兩側(cè)擠壓隔離器41d和47d的肋R相互發(fā)生 對準(zhǔn)不良，隔離器也不會彎曲，這是因?yàn)楦綦x器的邊^(qū)L作為支承構(gòu)件的 肋R支承。因此，避免了在隔離器外圍部分中形成開裂。
E. 4務(wù)改方案:盡管在上述第一實(shí)施方案和第二實(shí)施方案中公開了粘合 劑用作支承構(gòu)件的實(shí)例，但是可以使用密封墊替代。盡管在第三實(shí)施方案 中公開了以點(diǎn)的形式施用粘合劑作為支承構(gòu)件的實(shí)例，但是可以使用球形 或柱形構(gòu)件替4戈。
盡管在上述實(shí)施方案中公開了每個(gè)隔離器具有沿其全部四個(gè)邊緣連續(xù) 延伸的支承構(gòu)件的實(shí)例(第一實(shí)施方案)、每個(gè)隔離器具有沿其兩個(gè)相反 邊緣延伸的支承構(gòu)件的實(shí)例(第二實(shí)施方案)、和每個(gè)隔離器具有沿其兩
14個(gè)相反邊緣以點(diǎn)的形式提供的支承構(gòu)件的實(shí)例(第三實(shí)施方案)，但是支 承構(gòu)件不限于上述實(shí)例，而是可以為本發(fā)明中的其它形式。例如，可以在
隔離器的角處形成L形支承構(gòu)件，或者可以沿隔離器的邊緣以不連續(xù)線的 形狀形成支承構(gòu)件。
雖然已經(jīng)參照認(rèn)為是本發(fā)明示例性實(shí)施方案的實(shí)施方案描述了本發(fā) 明，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于所述的實(shí)施方案或結(jié)構(gòu)。相反，本發(fā)明 意圖涵蓋各種修改方案和等同布置。此外，雖然以各種示例性組合和構(gòu)造 公開了所述發(fā)明的各種要素/元件，但是包括更多、更少或僅單個(gè)要素/元 件的其它組合和構(gòu)造也在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具有單電池的堆的燃料電池，所述每個(gè)所述單電池具有電解質(zhì)膜、設(shè)置在所述電解質(zhì)膜兩側(cè)上的一對電極和設(shè)置在所述對電極外側(cè)的一對隔離器，并且其中沿堆疊方向施加緊固載荷以維持所述堆的堆疊狀態(tài)，所述燃料電池包括形成為穿過所述隔離器的外圍位置的通孔，所述通孔允許至少反應(yīng)物氣體流過所述隔離器；和設(shè)置在所述隔離器對之間的支承構(gòu)件，所述支承構(gòu)件用于在所述隔離器的所述外圍部分上沒有通孔的區(qū)域內(nèi)支承所述緊固載荷。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池，還包括沿所述通孔的所述邊緣的 至少一部分形成的密封構(gòu)件，其中所述支承構(gòu)件與所述密封構(gòu)件整體形 成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池，其中所述隔離器對、所述密封構(gòu) 件和所述支承構(gòu)件不形成封閉的空間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1~3中任一項(xiàng)所述的燃料電池，其中所述支承構(gòu)件是 粘合劑。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池，其中所述粘合劑是聚硅氧烷、環(huán) 氧樹脂、環(huán)氧化物改性的聚硅氧烷、烯烴或烯烴改性的聚硅氧烷。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1~3中任一項(xiàng)所述的燃料電池，其中所述支承構(gòu)件是 密封墊。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1~6中任一項(xiàng)所述的燃料電池，其中所述支承構(gòu)件具 有不透氣性、彈性和耐熱性。
全文摘要
在陽極側(cè)隔離器(41b)上，沿其四個(gè)邊緣中的上邊緣和下邊緣、在接收部(418)周圍和通孔(412i)周圍等線性施用粘合劑Bb。在陰極側(cè)隔離器(47b)上，與在陽極側(cè)隔離器(41b)上相同的位置處施用粘合劑Bb。粘合劑Bb作為支承隔離器邊緣上的緊固載荷的支承構(gòu)件。
文檔編號H01M8/02GK101496207SQ200780028752
公開日2009年7月29日 申請日期2007年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月31日
發(fā)明者田中拓海, 藤田嗣廣 申請人:豐田自動車株式會社