燃料電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的燃料電池(10)具備電解質(zhì)膜(30)、陽極電極(40)和陰極電極(50)，陰極電極(50)的周緣面(58)，沿著面方向(Dp)，配置在與電解質(zhì)膜(30)的周緣面(38)和陽極電極(40)的周緣面(48)相比靠內(nèi)側(cè)，還具備應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)，其抑制應(yīng)力向電解質(zhì)膜(30)的變形部(35)的集中。
【專利說明】燃料電池
[0001]技術(shù)分野
[0002]本發(fā)明涉及燃料電池。
【背景技術(shù)】
[0003]燃料電池中存在具備在兩個(gè)電極之間接合電解質(zhì)膜而成的膜電極接合體(Membrane Electrode Assembly、以下也稱為「MEA」)的電池。在這樣的燃料電池中，曾提出了夾持電解質(zhì)膜的兩個(gè)電極大小不同的電池，即、小的電極的周緣相比于大的電極和電解質(zhì)膜的各周緣，配置于沿著各層的面方向靠內(nèi)側(cè)的電池(例如，參照專利文獻(xiàn)I)。
[0004]在先技術(shù)文獻(xiàn)
[0005]專利文獻(xiàn)1:日本特開2010-225484號(hào)公報(bào)
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]從防止電解質(zhì)膜的損傷的觀點(diǎn)出發(fā)，希望避免在電解質(zhì)膜上發(fā)生應(yīng)力集中，但在夾持電解質(zhì)膜的兩個(gè)電極大小不同的情況下，有在沿著電解質(zhì)膜的小的電極周緣的部位容易發(fā)生應(yīng)力集中的問題。
[0007]本發(fā)明基于上述的課題，其目的是提供一種能夠使燃料電池的耐久性提高的的技術(shù)。
[0008]本發(fā)明是為了解決上述課題的至少一部分而完成的，能夠作為以下形態(tài)或應(yīng)用例實(shí)現(xiàn)。
[0009]應(yīng)用例I)應(yīng)用例I的燃料電池，其特征在于，具備:電解質(zhì)膜；與所述電解質(zhì)膜的一方的面接合的第I電極；和與所述電解質(zhì)膜的所述一方的面不同的另一方的面接合的第2電極，作為所述第I電極的周緣的至少一部分的第I周緣部，沿著所述第I電極的面方向，配置在與所述電解質(zhì)膜和所述第2電極的各周緣相比靠內(nèi)側(cè)，還具備應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)抑制應(yīng)力向所述電解質(zhì)膜中的沿著所述第I周緣部的部位集中。根據(jù)該應(yīng)用例，能夠抑制電解質(zhì)膜的應(yīng)力集中。其結(jié)果，能夠使燃料電池的耐久性提高。
[0010]應(yīng)用例2)所述應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)的至少一部分也可以是下述結(jié)構(gòu):即在所述電解質(zhì)膜的所述第I電極側(cè)、且在沿著所述面方向與所述第I周緣部相比靠外側(cè)，壓接了與所述電解質(zhì)膜相比橫彈性系數(shù)小的彈性部件的結(jié)構(gòu)。根據(jù)該應(yīng)用例，通過彈性構(gòu)件沿面方向發(fā)生彈性變形，允許沿著面方向的電解質(zhì)膜的移動(dòng)，能夠抑制電解質(zhì)膜的應(yīng)力集中。
[0011]應(yīng)用例3)所述應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)的至少一部分也可以是下述結(jié)構(gòu):即使所述電解質(zhì)膜與所述第2電極之間的接合強(qiáng)度，在沿著所述面方向與所述第I周緣部相比靠外側(cè)小于在沿著所述面方向與所述第I周緣部相比靠內(nèi)側(cè)的結(jié)構(gòu)。根據(jù)該應(yīng)用例，在電解質(zhì)膜與第2電極之間的接合強(qiáng)度比較小的第I周緣部的外側(cè)，電解質(zhì)膜與第2電極相對(duì)錯(cuò)開，由此能夠抑制電解質(zhì)膜的應(yīng)力集中。
[0012]應(yīng)用例4)在上述的應(yīng)用例中，也可以所述電解質(zhì)膜與所述第2電極之間在沿著所述面方向與所述第I周緣部相比靠內(nèi)側(cè)相互接合，并且在沿著所述面方向與所述第I周緣部相比靠外側(cè)相互不接合。根據(jù)該應(yīng)用例，能夠容易地實(shí)現(xiàn)使電解質(zhì)膜與第2電極之間的接合強(qiáng)度在第I周緣部的外側(cè)小于第I周緣部的內(nèi)側(cè)的結(jié)構(gòu)。
[0013]應(yīng)用例5)所述應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)的至少一部分也可以是下述結(jié)構(gòu):即所述第I電極的所述第I周緣部具有磁性，并且磁性體配置在相對(duì)于所述第2電極的與所述電解質(zhì)膜接合的一側(cè)的相反側(cè)的結(jié)構(gòu)，所述磁性體在與所述第I周緣部之間產(chǎn)生斥力。根據(jù)該應(yīng)用例，通過斥力使電解質(zhì)膜從第I周緣部受到的按壓力被緩和，由此能夠抑制電解質(zhì)膜的應(yīng)力集中。
[0014]應(yīng)用例6)所述應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)的至少一部分也可以是下述結(jié)構(gòu):即所述第I電極的所述第I周緣部具有磁性，并且磁性體配置在相對(duì)于所述第I電極的與所述電解質(zhì)膜接合的一側(cè)的相反側(cè)的結(jié)構(gòu)，所述磁性體在與所述第I周緣部之間產(chǎn)生引力。根據(jù)該應(yīng)用例，通過引力使電解質(zhì)膜從第I周緣部受到的按壓力被緩和，由此能夠抑制電解質(zhì)膜的應(yīng)力集中。
[0015]應(yīng)用例7)所述應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)的至少一部分也可以是下述結(jié)構(gòu):即將所述電解質(zhì)膜和所述第2電極與所述第I周緣部的形狀配合地向所述第I電極側(cè)預(yù)先彎折的結(jié)構(gòu)。根據(jù)該應(yīng)用例，對(duì)電解質(zhì)膜按壓第I電極和第2電極前后的電解質(zhì)膜的變形被緩和，由此能夠抑制電解質(zhì)膜的應(yīng)力集中。
[0016]應(yīng)用例8)所述第2電極也可以具有:一方的電極面，其作為對(duì)于所述電解質(zhì)膜接合的一側(cè)的面；和另一方的電極面，其作為對(duì)于所述一方的電極面的相反側(cè)的面，所述應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)的至少一部分是所述另一方的電極面比所述一方的電極面軟的結(jié)構(gòu)。根據(jù)該應(yīng)用例，在第2電極另一方的電極面與一方的電極面相比較大地變形，電解質(zhì)膜的變形被緩和，由此能夠抑制電解質(zhì)膜的應(yīng)力集中。
[0017]應(yīng)用例9)所述第2電極也可以具有:一方的電極面，其作為對(duì)于所述電解質(zhì)膜接合的一側(cè)的面；和另一方的電極面，其作為對(duì)于所述一方的電極面的相反側(cè)的面，所述應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)的至少一部分是下述結(jié)構(gòu):即在所述第2電極上預(yù)先成形了下挖部的結(jié)構(gòu)，所述下挖部是利用與將所述第2電極向所述電解質(zhì)膜按壓的按壓部件配合的形狀，將所述另一方的電極面的一部分下挖而成的。根據(jù)該應(yīng)用例，由按壓構(gòu)件帶來的介由第2電極的電解質(zhì)膜變形被緩和，由此能夠抑制電解質(zhì)膜的應(yīng)力集中。
[0018]應(yīng)用例10)所述應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)的至少一部分也可以是使所述第I電極的剛性比所述第2電極的剛性小的結(jié)構(gòu)。根據(jù)該應(yīng)用例，第I電極與第2電極相比較大地變形，電解質(zhì)膜的變形被緩和，由此能夠抑制電解質(zhì)膜的應(yīng)力集中。
[0019]應(yīng)用例11)所述應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)的至少一部分也可以是使所述第2電極的剛性比所述第I電極的剛性小的結(jié)構(gòu)。根據(jù)該應(yīng)用例，第2電極與第I電極相比較大地變形，電解質(zhì)膜的變形被緩和，由此能夠抑制電解質(zhì)膜的應(yīng)力集中。
[0020]本發(fā)明的形態(tài)并不限于燃料電池，也可以應(yīng)用于例如利用燃料電池電能行駛的車輛、供給燃料電池電能的發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池的制造方法等各種形態(tài)。另外，本發(fā)明絲毫不被上述形態(tài)所限定，當(dāng)然可以在不脫離本發(fā)明主旨的范圍內(nèi)以各種形態(tài)實(shí)施。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1是表示第I實(shí)施方式中的燃料電池的截面結(jié)構(gòu)的說明圖。[0022]圖2是表示第I實(shí)施方式中的MEA的整體結(jié)構(gòu)的說明圖。
[0023]圖3是表示第I實(shí)施方式中的電解質(zhì)膜的橫彈性系數(shù)與彈性構(gòu)件的橫彈性系數(shù)的關(guān)系的說明圖。
[0024]圖4是表示第2實(shí)施方式中的燃料電池的截面結(jié)構(gòu)的說明圖。
[0025]圖5是表示第2實(shí)施方式中的電解質(zhì)膜的抗拉強(qiáng)度與接合強(qiáng)度的關(guān)系的說明圖。
[0026]圖6是表示第3實(shí)施方式中的燃料電池的截面結(jié)構(gòu)的說明圖。
[0027]圖7是表示第4實(shí)施方式中的燃料電池的截面結(jié)構(gòu)的說明圖。
[0028]圖8是表示第5實(shí)施方式中的MEA的截面結(jié)構(gòu)的說明圖。
[0029]圖9是表示第6實(shí)施方式中的MEA的截面結(jié)構(gòu)的說明圖。
[0030]圖10是表示第7實(shí)施方式中的MEA的截面結(jié)構(gòu)的說明圖。
[0031]圖11是表示第8實(shí)施方式中的燃料電池的截面結(jié)構(gòu)的說明圖。
[0032]圖12是表示第9實(shí)施方式中的燃料電池的截面結(jié)構(gòu)的說明圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]為了使以上說明的本發(fā)明的構(gòu)成和作用更加明確，以下對(duì)于適用了本發(fā)明的燃料電池進(jìn)行說明。
[0034]A.第I實(shí)施方式:
[0035]圖1是表示第I實(shí)施方式中的燃料電池10的截面結(jié)構(gòu)的說明圖。燃料電池10是使用反應(yīng)氣體進(jìn)行電化學(xué)發(fā)電的裝置。在本實(shí)施例中，燃料電池10是固體高分子型的燃料電池。在本實(shí)施方式中，燃料電池10作為反應(yīng)氣體，使用含有氫的燃料氣體、和含有氧的氧化氣體。
[0036]燃料電池10具備多個(gè)單元電池15。單元電池15是進(jìn)行從反應(yīng)氣體直接地取出電的電化學(xué)反應(yīng)的單電池。在燃料電池10中，多個(gè)單元電池15相互層疊。
[0037]在本實(shí)施方式的說明中，將燃料電池10中多個(gè)單元電池15層疊了的方向稱為「層疊方向Ds」、將與層疊方向Ds正交的沿著單元電池15的面的方向稱為「面方向Dp」。在本實(shí)施方式的說明中，面方向Dp之中、朝向單元電池15的中心的方向稱為「沿著面方向Dp的內(nèi)側(cè)」、將其反方向稱為「沿著面方向Dp的外側(cè)」。
[0038]燃料電池10的單元電池15具備膜電極接合體(MEA) 20、陽極隔板610和陰極隔板620。在單元電池15中，MEA20被夾持在陽極隔板610與陰極隔板620之間。
[0039]單元電池15的陽極隔板610和陰極隔板620由具有足以對(duì)在MEA20產(chǎn)生的電進(jìn)行集電的導(dǎo)電性，并且具有對(duì)于MEA20供給反應(yīng)氣體充分的耐久性、耐熱性和不透氣性的材料形成。在本實(shí)施方式中，陽極隔板610和陰極隔板620的材料為碳樹脂，但在別的實(shí)施方式中，也可以是例如不銹鋼、鈦、鈦合金、導(dǎo)電性陶瓷。
[0040]在本實(shí)施方式中，陽極隔板610和陰極隔板620分別各自地構(gòu)成。在別的實(shí)施方式中，在相鄰的兩個(gè)單元電池15中，也可以將一方的單元電池15的陽極隔板610與另一方的單元電池15的陰極隔板620 —體地構(gòu)成。
[0041]在本實(shí)施方式中，陽極隔板610與MEA20抵接，但在別的實(shí)施方式中，也可以在陽極擴(kuò)散層430與陽極隔板610之間形成流通燃料氣體的流路。
[0042]在本實(shí)施方式中，陰極隔板620與MEA20抵接，但在別的實(shí)施方式中，也可以在陰極擴(kuò)散層530與陰極隔板620之間形成流通氧化氣體的流路。
[0043]圖2是表示第I實(shí)施方式中的MEA20的整體結(jié)構(gòu)的說明圖。圖2所示的MEA20是在陽極隔板610與陰極隔板620之間夾持之前的狀態(tài)。圖2(A)圖示了從側(cè)面觀察的MEA20。圖2(B)圖示了從陰極側(cè)觀察的MEA20。MEA20具備電解質(zhì)膜30、陽極電極40和陰極電極50。
[0044]MEA20的電解質(zhì)膜30是具有質(zhì)子傳導(dǎo)性的膜狀的質(zhì)子傳導(dǎo)體。在本實(shí)施方式中，電解質(zhì)膜30是使用了離聚物樹脂的全氟磺酸離子交換膜。
[0045]電解質(zhì)膜30，具有作為電解質(zhì)膜30的一方的面的陽極面31、作為電解質(zhì)膜30的另一方的面的陰極面32、和作為電解質(zhì)膜30的周緣的周緣面38。在電解質(zhì)膜30的陽極面31接合有陽極電極40。在電解質(zhì)膜30的陰極面32接合有陰極電極50。在本實(shí)施方式中，電解質(zhì)膜30是矩形的膜，陽極面31和陰極面32為矩形，周緣面38構(gòu)成陽極面31和陰極面32的各面的四個(gè)邊。
[0046]MEA20的陽極電極40如圖1所示，包含陽極催化劑層410和陽極擴(kuò)散層430。在電解質(zhì)膜30的陽極面31，陽極催化劑層410、陽極擴(kuò)散層430依次層疊形成有陽極電極40。
[0047]MEA20的陰極電極50如圖1所示，包含陰極催化劑層510和陰極擴(kuò)散層530。在電解質(zhì)膜30的陰極面32，陰極催化劑層510、陰極擴(kuò)散層530依次層疊形成有陰極電極50。
[0048]陽極催化劑層410和陰極催化劑層510利用具有透氣性和導(dǎo)電性的材料形成，在其材料上擔(dān)載有使氫與氧的電化學(xué)反應(yīng)促進(jìn)的催化劑(例如鉬、鉬合金)。在本實(shí)施方式中，陽極催化劑層410和陰極催化劑層510利用擔(dān)載了鉬系催化劑的碳載體形成。
[0049]陽極擴(kuò)散層430和陰極擴(kuò)散層530利用具有透氣性和導(dǎo)電性的材料形成。陽極擴(kuò)散層430和陰極擴(kuò)散層530的材料可以使用例如作為碳制的多孔體的碳布、碳紙。
[0050]陽極電極40具有作為陽極電極40的一方的面的電極面41、作為陽極電極40的另一方的面的電極面42、和作為陽極電極40的周緣的周緣面48。陽極電極40的電極面41與電解質(zhì)膜30的陽極面31接合。在本實(shí)施方式中，如圖2所示，陽極電極40是與電解質(zhì)膜30相同大小的矩形的電極，電極面41、42為矩形，周緣面48構(gòu)成電極面41、42的各面的四個(gè)邊。在別的實(shí)施方式中，陽極電極40的大小可以比電解質(zhì)膜30大，也可以比其小。[0051 ] 陰極電極50具有作為陰極電極50的一方的面的電極面51、作為陰極電極50的另一方的面的電極面52、和作為陰極電極50的周緣的周緣面48。陰極電極50的電極面51與電解質(zhì)膜30的陰極面32接合。在本實(shí)施方式中，如圖2所示，陰極電極50是比電解質(zhì)膜30和陽極電極40小的矩形的電極，電極面51、52為矩形，周緣面58構(gòu)成電極面51、52的各面的四個(gè)邊。
[0052]在本實(shí)施方式中，陰極電極50是與電解質(zhì)膜30的一方的面接合的第I電極，陰極電極50的周緣面58是作為第I電極的周緣的至少一部分的第I周緣部。在本實(shí)施方式中，在燃料電池10的面方向Dp也是沿著陰極電極50的電極面51、52的方向。在本實(shí)施方式中，陽極電極40與電解質(zhì)膜30的另一方的面接合，是比第I電極大的第2電極。
[0053]在本實(shí)施方式中，陰極電極50的沿著面方向Dp的大小比電解質(zhì)膜30和陽極電極40小，因此如圖1和圖2所示，沿著面方向Dp，陰極電極50的周緣面58與電解質(zhì)膜30的周緣面38和陽極電極40的周緣面48相比配置于靠內(nèi)側(cè)。
[0054]如圖1所示，在本實(shí)施方式中，燃料電池10的單元電池15除了 MEA20、陽極隔板610和陰極隔板620之外，具備板狀構(gòu)件630和彈性構(gòu)件640。
[0055]單元電池15的板狀構(gòu)件630是也被稱為密封板或密封片的金屬(例如鋁、不銹鋼等)制的板。板狀構(gòu)件630在與陰極電極50的周緣面58相比沿著面方向Dp靠外側(cè)，從陽極電極40的電極面42與陽極隔板610之間，到彈性構(gòu)件640與陽極隔板610之間進(jìn)行層疊。板狀構(gòu)件630將陽極電極40與陽極隔板610之間密閉，并且防止彈性構(gòu)件640向陽極電極40的電極面42側(cè)的侵入。在別的實(shí)施方式中，通過使陽極隔板610向陽極電極40側(cè)突出，也可以不設(shè)置板狀構(gòu)件630作為其他構(gòu)件，而將陽極電極40與陽極隔板610之間密閉。
[0056]板狀構(gòu)件630也是將陽極電極40的電極面42向電解質(zhì)膜30按壓的按壓構(gòu)件。通過陽極電極40被板狀構(gòu)件630按壓，在電解質(zhì)膜30，沿著陰極電極50的周緣面58形成向陰極電極50側(cè)變形了的變形部35。
[0057]單元電池15的彈性構(gòu)件640是由樹脂材料構(gòu)成的構(gòu)件。彈性構(gòu)件640形成在電解質(zhì)膜30的陰極電極50側(cè)、并且形成在沿著面方向Dp與陰極電極50的周緣面58相比靠外側(cè)，與電解質(zhì)膜30的陰極面32壓接。在本實(shí)施方式中，彈性構(gòu)件640還形成直到電解質(zhì)膜30的周緣面38、陽極電極40的周緣面48和板狀構(gòu)件630。
[0058]在本實(shí)施方式中，彈性構(gòu)件640通過對(duì)于MEA20將樹脂材料射出成形來形成。在別的實(shí)施方式中，彈性構(gòu)件640也可以與MEA20分開地形成，也可以在夾著MEA20的陽極隔板610與陰極隔板620之間，將具有粘合性的樹脂材料注入并使其固化來形成。
[0059]圖3是表示第I實(shí)施方式中的電解質(zhì)膜30的橫彈性系數(shù)Gm與彈性構(gòu)件640的橫彈性系數(shù)Ge的關(guān)系的說明圖。圖3中，將電解質(zhì)膜30的橫彈性系數(shù)Gm取為橫軸，將彈性構(gòu)件640的橫彈性系數(shù)Ge取為縱軸，圖示出兩者的關(guān)系。在第I實(shí)施方式中，彈性構(gòu)件640的橫彈性系數(shù)Ge比電解質(zhì)膜30的橫彈性系數(shù)Gm小。即，彈性構(gòu)件640的橫彈性系數(shù)Ge和電解質(zhì)膜30的橫彈性系數(shù)Gm的關(guān)系處于圖3中施加了陰影的滿足「Ge〈Gm」的范圍內(nèi)。
[0060]如圖1所示，從電解質(zhì)膜30的陰極面32到陰極隔板620的彈性構(gòu)件640的端面648，追隨與沿著層疊方向Ds的壓縮力增加相伴的電解質(zhì)膜30的變形，從壓縮前的端面648的初期位置Lr沿著面方向Dp向內(nèi)側(cè)位移。
[0061]以上說明了的第I實(shí)施方式的燃料電池10，作為抑制應(yīng)力向電解質(zhì)膜30的變形部35集中的應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)的至少一部分,具備下述結(jié)構(gòu):即在沿著面方向Dp與陰極電極50的周緣面58相比靠外側(cè)的電解質(zhì)膜30的陰極面32，壓接了與電解質(zhì)膜30相比橫彈性系數(shù)小的彈性構(gòu)件640的結(jié)構(gòu)。根據(jù)該第I實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)，彈性構(gòu)件640沿面方向Dp彈性變形，允許沿著面方向Dp的電解質(zhì)膜30的移動(dòng)，由此能夠抑制電解質(zhì)膜30的應(yīng)力集中。其結(jié)果，能夠使燃料電池10的耐久性提高。
[0062]B.第2實(shí)施方式:
[0063]圖4是表示第2實(shí)施方式中的燃料電池10的截面結(jié)構(gòu)的說明圖。第2實(shí)施方式的燃料電池10，除了 MEA20的特性不同這點(diǎn)以外，與第I實(shí)施方式是同樣的。再者，在第2實(shí)施方式中，優(yōu)選彈性構(gòu)件640的橫彈性系數(shù)Ge比電解質(zhì)膜30的橫彈性系數(shù)Gm小，但可以相同，也可以較大。
[0064]第2實(shí)施方式中的MEA20的特性，除了使電解質(zhì)膜30與陽極電極40之間的接合強(qiáng)度，在沿著面方向Dp與陰極電極50的周緣面58相比靠外側(cè)小于靠內(nèi)側(cè)這點(diǎn)以外，與第I實(shí)施方式是同樣的。即，沿著面方向Dp與陰極電極50的周緣面58相比靠外側(cè)的電解質(zhì)膜30與陽極電極40之間的接合強(qiáng)度SJo，小于沿著面方向Dp與陰極電極50的周緣面58相比靠內(nèi)側(cè)的電解質(zhì)膜30與陽極電極40之間的接合強(qiáng)度SJi。電解質(zhì)膜30與陽極電極40之間的接合強(qiáng)度，可以通過變更接合材料的量、種類、接合條件(壓力、溫度、濕度、處理時(shí)間)等來變化。
[0065]在別的實(shí)施方式中，電解質(zhì)膜30與陽極電極40之間也可以在沿著面方向Dp與陰極電極50的周緣面58相比靠內(nèi)側(cè)相互接合，并且在沿著面方向Dp與陰極電極50的周緣面58相比靠外側(cè)相互不接合。由此，能夠容易地實(shí)現(xiàn)使電解質(zhì)膜30與陽極電極40之間的接合強(qiáng)度，沿著面方向Dp與陰極電極50的周緣面58相比靠外側(cè)小于靠內(nèi)側(cè)的結(jié)構(gòu)。
[0066]圖5是表示第2實(shí)施方式中的電解質(zhì)膜30的抗拉強(qiáng)度ST與接合強(qiáng)度SJo的關(guān)系的說明圖。圖5中，將電解質(zhì)膜30的抗拉強(qiáng)度ST取為橫軸，將電解質(zhì)膜30與陽極電極40之間的接合強(qiáng)度SJo取為縱軸，圖示出兩者的關(guān)系。在第2實(shí)施方式中，優(yōu)選電解質(zhì)膜30與陽極電極40之間的接合強(qiáng)度SJo比電解質(zhì)膜30的抗拉強(qiáng)度ST小。S卩，接合強(qiáng)度SJo與抗拉強(qiáng)度ST的關(guān)系優(yōu)選處于在圖5中施加了陰影的滿足「SJo〈ST」的范圍內(nèi)。
[0067]以上說明了的第2實(shí)施方式的燃料電池10，作為抑制應(yīng)力向電解質(zhì)膜30的變形部35集中的應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)的至少一部分,具備下述結(jié)構(gòu):即使沿著面方向Dp與陰極電極50的周緣面58相比靠外側(cè)的電解質(zhì)膜30與陽極電極40之間的接合強(qiáng)度SJo，小于沿著面方向Dp與陰極電極50的周緣面58相比靠內(nèi)側(cè)的電解質(zhì)膜30與陽極電極40之間的接合強(qiáng)度SJi的結(jié)構(gòu)。根據(jù)該第2實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)，通過在沿著面方向Dp與陰極電極50的周緣面58相比靠外側(cè)，電解質(zhì)膜30與陽極電極40相對(duì)錯(cuò)開，能夠抑制電解質(zhì)膜30的應(yīng)力集中。其結(jié)果，能夠使燃料電池10的耐久性提高。
[0068]C.第3實(shí)施方式:
[0069]圖6是表示第3實(shí)施方式中的燃料電池10的截面結(jié)構(gòu)的說明圖。第3實(shí)施方式的燃料電池10，除了陰極電極50的周緣面58具有磁性這點(diǎn)、在其與陰極電極50的周緣面58之間產(chǎn)生斥力Frp的磁性體配置于陽極電極40的電極面42側(cè)這點(diǎn)、在陰極電極50的周緣面58與陰極隔板620之間設(shè)置有空間這點(diǎn)以外，與第I實(shí)施方式是同樣的。再者，在第3實(shí)施方式中，優(yōu)選彈性構(gòu)件640的橫彈性系數(shù)Ge比電解質(zhì)膜30的橫彈性系數(shù)Gm小，但可以相同，也可以較大。
[0070]第3實(shí)施方式中，陰極電極50的周緣面58具有磁性。在本實(shí)施方式中，通過對(duì)陰極電極50的陰極擴(kuò)散層530的整個(gè)區(qū)域賦予磁性，使陰極電極50的周緣面58具有磁性。在別的實(shí)施方式中，也可以通過對(duì)周緣面58周邊的陰極擴(kuò)散層530的一部分賦予磁性，使陰極電極50的周緣面58具有磁性。
[0071]在本實(shí)施方式中，在與陰極電極50的周緣面58之間產(chǎn)生斥力Frp的磁性體，是層疊于陽極電極40的電極面42側(cè)的板狀構(gòu)件630。在本實(shí)施方式中，通過對(duì)板狀構(gòu)件630的沿著面方向Dp靠內(nèi)側(cè),賦予與陰極電極50不同極性的磁性,使板狀構(gòu)件630具有磁性。
[0072]在別的實(shí)施方式中，也可以通過對(duì)板狀構(gòu)件630的整個(gè)區(qū)域賦予與陰極電極50不同極性的磁性，使板狀構(gòu)件630具有磁性。在別的實(shí)施方式中，也可以不使板狀構(gòu)件630具有磁性，而使陽極隔板610具有磁性，也可以與板狀構(gòu)件630、陽極隔板610不同地使產(chǎn)生斥力Frp的磁性體配置于陽極電極40的電極面42側(cè)。[0073]在本實(shí)施方式中，在陰極電極50與陰極隔板620之間，設(shè)置有形成流通氧化氣體的流路的氣體流路構(gòu)件650。氣體流路構(gòu)件650的大小比陰極電極50小，因此在陰極電極50的周緣面58與陰極隔板620之間形成有空間。在本實(shí)施方式中，氣體流路構(gòu)件650是由具有導(dǎo)電性的發(fā)泡金屬形成的多孔體，但在別的實(shí)施方式中，可以是由碳燒結(jié)體形成的多孔體，也可以是拉制金屬(expanded metal)或沖壓金屬。
[0074]以上說明了的第3實(shí)施方式的燃料電池10，作為抑制向電解質(zhì)膜30的變形部35的應(yīng)力集中的應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)的至少一部分，具備下述結(jié)構(gòu):即陰極電極50的周緣面58具有磁性，并且板狀構(gòu)件630配置在陽極電極40的電極面42側(cè)的結(jié)構(gòu)在，板狀構(gòu)件630是在與陰極電極50的周緣面58之間產(chǎn)生斥力Frp的磁性體。根據(jù)該第3實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)，通過斥力Frp使電解質(zhì)膜30從陰極電極50的周緣面58受到的按壓力被緩和，由此能夠抑制電解質(zhì)膜30的應(yīng)力集中。其結(jié)果，能夠使燃料電池10的耐久性提高。
[0075]D.第4實(shí)施方式:
[0076]圖7是表示第4實(shí)施方式中的燃料電池10的截面結(jié)構(gòu)的說明圖。第4實(shí)施方式的燃料電池10，除了將在與陰極電極50的周緣面58之間產(chǎn)生引力Fat的磁性體配置在陰極電極50的電極面52側(cè)這點(diǎn)以外，與第3實(shí)施方式是同樣的。再者，在第4實(shí)施方式中，優(yōu)選將在與陰極電極50的周緣面58之間產(chǎn)生斥力Frp的磁性體配置在陽極電極40的電極面42側(cè)，但也可以不設(shè)置這樣的產(chǎn)生斥力Frp的磁性體。
[0077]在本實(shí)施方式中，在與陰極電極50的周緣面58之間產(chǎn)生引力Fat的磁性體，是被配置于陰極電極50的電極面52側(cè)的陰極隔板620。在本實(shí)施方式中，通過對(duì)與陰極電極50的電極面52相對(duì)的陰極隔板620的一部分,賦予與陰極電極50相同極性的磁性,使陰極隔板620具有磁性。
[0078]在別的實(shí)施方式中，也可以通過對(duì)陰極隔板620的整個(gè)區(qū)域賦予與陰極電極50相同極性的磁性，使陰極隔板620具有磁性。在別的實(shí)施方式中，也可以不使陰極隔板620具有磁性，而與陰極隔板620不同地將產(chǎn)生斥力Frp的磁性體配置于陰極電極50的電極面52側(cè)。
[0079]以上說明了的第4實(shí)施方式的燃料電池10，作為抑制向電解質(zhì)膜30的變形部35的應(yīng)力集中的應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)的至少一部分，具備下述結(jié)構(gòu):即陰極電極50的周緣面58具有磁性，并且陰極隔板620配置在陰極電極50的電極面52側(cè)的結(jié)構(gòu)，陰極隔板620是在與陰極電極50的周緣面58之間產(chǎn)生引力Fat的磁性體。根據(jù)該第4實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)，通過引力Fat使電解質(zhì)膜30從陰極電極50的周緣面58受到的按壓力被緩和，由此能夠抑制電解質(zhì)膜30的應(yīng)力集中。其結(jié)果，能夠使燃料電池10的耐久性提高。
[0080]E.第5實(shí)施方式:
[0081]圖8是表示第5實(shí)施方式中的MEA20的截面結(jié)構(gòu)的說明圖。第5實(shí)施方式的燃料電池10除了 MEA20的構(gòu)成不同這點(diǎn)以外，與第I實(shí)施方式是同樣的。再者，在第5實(shí)施方式中，優(yōu)選彈性構(gòu)件640的橫彈性系數(shù)Ge比電解質(zhì)膜30的橫彈性系數(shù)Gm小，但可以相同，也可以較大。
[0082]第5實(shí)施方式的MEA20中，電解質(zhì)膜30和陽極電極40與陰極電極50的周緣面58的形狀配合地向陰極電極50側(cè)預(yù)先彎折。即，在第5實(shí)施方式中，在將MEA20夾持在陽極隔板610與陰極隔板620之間之前，在MEA20形成有變形部35。[0083]以上說明了的第5實(shí)施方式的燃料電池10，作為抑制向電解質(zhì)膜30的變形部35的應(yīng)力集中的應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)的至少一部分，具備下述結(jié)構(gòu):即將電解質(zhì)膜30和陽極電極40與陰極電極50的周緣面58的形狀配合地向陰極電極50側(cè)預(yù)先彎折的結(jié)構(gòu)。根據(jù)該第5實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)，通過對(duì)電解質(zhì)膜30按壓陽極電極40和陰極電極50的前后的電解質(zhì)膜30的變形被緩和，能夠抑制電解質(zhì)膜30的應(yīng)力集中。其結(jié)果，能夠使燃料電池10的耐久性提聞。
[0084]F.第6實(shí)施方式:
[0085]圖9是表示第6實(shí)施方式中的MEA20的截面結(jié)構(gòu)的說明圖。第6實(shí)施方式的燃料電池10除了 MEA20的構(gòu)成不同這點(diǎn)以外，與第I實(shí)施方式是同樣的。再者，在第6實(shí)施方式中，優(yōu)選彈性構(gòu)件640的橫彈性系數(shù)Ge比電解質(zhì)膜30的橫彈性系數(shù)Gm小，但可以相同，也可以較大。
[0086]第6實(shí)施方式的MEA20中，陽極電極40的電極面42比陽極電極40的電極面41軟。在本實(shí)施方式中，通過使陽極擴(kuò)散層430的電極面42側(cè)的縱彈性系數(shù)Esft小于陽極擴(kuò)散層430的電極面41側(cè)的縱彈性系數(shù)Ehrd，形成了電極面42比電極面41軟的陽極電極40。陽極擴(kuò)散層430的硬度可以通過變更構(gòu)成材料的種類、密度等來變化。
[0087]在本實(shí)施方式中，陽極擴(kuò)散層430具有縱彈性系數(shù)Esft的層和縱彈性系數(shù)Ehrd的層這兩層結(jié)構(gòu)。在別的實(shí)施方式中，陽極擴(kuò)散層43可以具有包含3種以上不同的縱彈性系數(shù)的層的結(jié)構(gòu)，也可以具有從電極面41側(cè)朝向電極面42逐漸變軟的結(jié)構(gòu)。
[0088]以上說明了的第6實(shí)施方式的燃料電池10，作為抑制應(yīng)力向電解質(zhì)膜30的變形部35集中的應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)的至少一部分，具備使陽極電極40的電極面42比電極面41軟的結(jié)構(gòu)。根據(jù)該第6實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)，在陽極電極40中電極面42與電極面41相比較大地變形，電解質(zhì)膜30的變形被緩和，由此能夠抑制電解質(zhì)膜30的應(yīng)力集中。其結(jié)果，能夠使燃料電池10的耐久性提高。
[0089]G.第7實(shí)施方式:
[0090]圖10是表示第7實(shí)施方式中的MEA20的截面結(jié)構(gòu)的說明圖。第7實(shí)施方式的燃料電池10除了 MEA20的構(gòu)成不同這點(diǎn)以外，與第I實(shí)施方式是同樣的。再者，在第7實(shí)施方式中，優(yōu)選彈性構(gòu)件640的橫彈性系數(shù)Ge比電解質(zhì)膜30的橫彈性系數(shù)Gm小，但可以相同，也可以較大。
[0091 ] 第7實(shí)施方式的MEA20中，在陽極電極40上預(yù)先形成了下挖部49，下挖部49是利用與將陽極電極40向電解質(zhì)膜30按壓的按壓構(gòu)件即板狀構(gòu)件630配合的形狀，將陽極電極40的電極面42下挖而成的。即，第7實(shí)施方式中，在將MEA20夾持在陽極隔板610與陰極隔板620之間之前，在MEA20形成有下挖部49。在本實(shí)施方式中，通過切削陽極電極40的電極面42來形成下挖部49。
[0092]以上說明了的第7實(shí)施方式的燃料電池10，作為抑制應(yīng)力向電解質(zhì)膜30的變形部35集中的應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)的至少一部分，具備下述結(jié)構(gòu):即在陽極電極40上預(yù)先成形了下挖部49的結(jié)構(gòu)，下挖部49是利用與作為按壓構(gòu)件的板狀構(gòu)件630配合的形狀，將電極面42下挖而成的。根據(jù)該第7實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)，由板狀構(gòu)件630帶來的介由陽極電極40的電解質(zhì)膜30的變形被緩和，由此能夠抑制電解質(zhì)膜30的應(yīng)力集中。其結(jié)果，能夠使燃料電池10的耐久性提高。[0093]H.第8實(shí)施方式:
[0094]圖11是表示第8實(shí)施方式中的燃料電池10的截面結(jié)構(gòu)的說明圖。第8實(shí)施方式的燃料電池10，除了使陰極電極50的剛性比陽極電極40的剛性小這點(diǎn)以外，與第I實(shí)施方式是同樣的。再者，在第8實(shí)施方式中，優(yōu)選彈性構(gòu)件640的橫彈性系數(shù)Ge比電解質(zhì)膜30的橫彈性系數(shù)Gm小，但可以相同，也可以較大。
[0095]第8實(shí)施方式中，通過使陰極擴(kuò)散層530的剛性率Ge比陽極擴(kuò)散層430的剛性率Ga小，來使陰極電極50的剛性比陽極電極40的剛性小。陽極擴(kuò)散層430和陰極擴(kuò)散層530的剛性率可以通過變更構(gòu)成材料的種類、密度等來變化。第8實(shí)施方式中，陰極電極50的剛性比陽極電極40的剛性小，因此如圖11所示，陰極電極50與陽極電極40相比沿層疊方向Ds被較大地壓縮。
[0096]以上說明了的第8實(shí)施方式的燃料電池10，作為抑制應(yīng)力向電解質(zhì)膜30的變形部35集中的應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)的至少一部分，具備使陰極擴(kuò)散層530的剛性率Ge比陽極擴(kuò)散層430的剛性率Ga小的結(jié)構(gòu)。根據(jù)該第8實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)，通過與陽極電極40相比陰極電極50較大地變形從而電解質(zhì)膜30的變形被緩和，由此能夠抑制電解質(zhì)膜30的應(yīng)力集中。其結(jié)果，能夠使燃料電池10的耐久性提高。
[0097]1.第9實(shí)施方式:
[0098]圖12是表示第9實(shí)施方式中的燃料電池10的截面結(jié)構(gòu)的說明圖。第9實(shí)施方式的燃料電池10除了使陽極電極40的剛性比陰極電極50的剛性小這點(diǎn)以外，與第I實(shí)施方式是同樣的。再者，在第9實(shí)施方式中，優(yōu)選彈性構(gòu)件640的橫彈性系數(shù)Ge比電解質(zhì)膜30的橫彈性系數(shù)Gm小，但可以相同，也可以較大。
[0099]第9實(shí)施方式中，能夠使陽極擴(kuò)散層430的剛性率Ga比陰極擴(kuò)散層530的剛性率Ge小，來使陽極電極40的剛性比陰極電極50的剛性小。陽極擴(kuò)散層430和陰極擴(kuò)散層530的剛性率可以通過變更構(gòu)成材料的種類、密度等來變化。第9實(shí)施方式中，陽極電極40的剛性比陰極電極50的剛性小，因此如圖12所示，陽極電極40與陰極電極50相比沿層疊方向Ds被較大地壓縮。
[0100]以上說明了的第9實(shí)施方式的燃料電池10，作為抑制應(yīng)力向電解質(zhì)膜30的變形部35集中的應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)的至少一部分，具備使陽極擴(kuò)散層430的剛性率Ga比陰極擴(kuò)散層530的剛性率Ge小的結(jié)構(gòu)。根據(jù)該第9實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)，通過陽極電極40與陰極電極50相比較大地變形從而電解質(zhì)膜30的變形被緩和，由此能夠抑制電解質(zhì)膜30的應(yīng)力集中。其結(jié)果，能夠使燃料電池10的耐久性提高。
[0101]J.別的實(shí)施方式:
[0102]以上，對(duì)于本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行了說明，但本發(fā)明絲毫不被這樣的實(shí)施方式限定，當(dāng)然能夠在不脫離本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)以各種形態(tài)實(shí)施。
[0103]例如，在上述的實(shí)施方式中，對(duì)于陰極電極50比陽極電極40小的燃料電池進(jìn)行了說明，但在別的實(shí)施方式中，也可以在陽極電極40比陰極電極50小的燃料電池中應(yīng)用本發(fā)明。
[0104]另外，不需要在陰極電極50的周緣面58沿著面方向Dp與電解質(zhì)膜30的周緣面38和陽極電極40的周緣面48相比配置在靠內(nèi)側(cè)的部位的整個(gè)區(qū)域設(shè)置上述實(shí)施方式的應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)，也可以在至少一部分的區(qū)域設(shè)置各實(shí)施方式的應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)。[0105]另外，也可以適當(dāng)組合上述實(shí)施方式中的兩種以上的應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)。
[0106]附圖標(biāo)記說明
[0107]10…燃料電池
[0108]15…單元電池
[0109]20 …MEA
[0110]30…電解質(zhì)膜
[0111]31…陽極面
[0112]32…陰極面
[0113]35…變形部
[0114]38…周緣面
[0115]40…陽極電極
[0116]41…電極面
[0117]42…電極面
[0118]48…周緣面
[0119]49…下挖部
[0120]50…陰極電極
[0121]51…電極面
[0122]52…電極面
[0123]58…周緣面
[0124]410…陽極催化劑層
[0125]430…陽極擴(kuò)散層
[0126]510…陰極催化劑層
[0127]530…陰極擴(kuò)散層
[0128]610…陽極隔板
[0129]620…陰極隔板
[0130]630…板狀構(gòu)件
[0131]640…彈 性構(gòu)件
[0132]648…端面
[0133]650…氣體流路構(gòu)件
【權(quán)利要求】
1.一種燃料電池，具備: 電解質(zhì)膜； 與所述電解質(zhì)膜的一方的面接合的第I電極；和 與所述電解質(zhì)膜的所述一方的面不同的另一方的面接合的第2電極， 作為所述第I電極的周緣的至少一部分的第I周緣部，沿著所述第I電極的面方向，配置在與所述電解質(zhì)膜和所述第2電極的各周緣相比靠內(nèi)側(cè)， 還具備應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)抑制應(yīng)力向所述電解質(zhì)膜中的沿著所述第I周緣部的部位集中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，所述應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)的至少一部分是下述結(jié)構(gòu):即在所述電解質(zhì)膜的所述第I電極側(cè)、且在沿著所述面方向與所述第I周緣部相比靠外側(cè)，壓接了與所述電解質(zhì)膜相比橫彈性系數(shù)小的彈性部件的結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃料電池，所述應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)的至少一部分是下述結(jié)構(gòu):即使所述電解質(zhì)膜與所述第2電極之間的接合強(qiáng)度，在沿著所述面方向與所述第I周緣部相比靠外側(cè)小于在沿著所述面方向與所述第I周緣部相比靠內(nèi)側(cè)的結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池，所述電解質(zhì)膜與所述第2電極之間在沿著所述面方向與所述第I周緣部相比靠內(nèi)側(cè)相互接合，并且在沿著所述面方向與所述第I周緣部相比靠外側(cè)相互不接合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1~4的任一項(xiàng)所述的燃料電池，所述應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)的至少一部分是下述結(jié)構(gòu):即所述第I電極的所述第I周緣部具有磁性，并且磁性體配置在相對(duì)于所述第2電極的與所述電解質(zhì)膜接合的一側(cè)的相反側(cè)的結(jié)構(gòu)，所述磁性體在與所述第I周緣部之間產(chǎn)生斥力。
6.根據(jù)權(quán)利要求1~5的任一項(xiàng)所述的燃料電池，所述應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)的至少一部分是下述結(jié)構(gòu):即所述第I電極的所述第I周緣部具有磁性，并且磁性體配置在相對(duì)于所述第I電極的與所述電解質(zhì)膜接合的一側(cè)的相反側(cè)的結(jié)構(gòu)，所述磁性體在與所述第I周緣部之間產(chǎn)生引力。
7.根據(jù)權(quán)利要求1~6的任一項(xiàng)所述的燃料電池，所述應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)的至少一部分是下述結(jié)構(gòu):即將所述電解質(zhì)膜和所述第2電極與所述第I周緣部的形狀配合地向所述第I電極側(cè)預(yù)先彎折的結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1~7的任一項(xiàng)所述的燃料電池，所述第2電極具有: 一方的電極面，其作為對(duì)于所述電解質(zhì)膜接合的一側(cè)的面；和 另一方的電極面，其作為對(duì)于所述一方的電極面的相反側(cè)的面， 所述應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)的至少一部分是所述另一方的電極面比所述一方的電極面軟的結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1~8的任一項(xiàng)所述的燃料電池，所述第2電極具有: 一方的電極面，其作為對(duì)于所述電解質(zhì)膜接合的一側(cè)的面；和 另一方的電極面，其作為對(duì)于所述一方的電極面的相反側(cè)的面， 所述應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)的至少一部分是下述結(jié)構(gòu):即在所述第2電極上預(yù)先成形了下挖部的結(jié)構(gòu)，所述下挖部是利用與將所述第2電極向所述電解質(zhì)膜按壓的按壓部件配合的形狀，將所述另一方的電極面的一部分下挖而成的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1~9的任一項(xiàng)所述的燃料電池，所述應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)的至少一部分是使所述第I電極的剛性比所述第2電極的剛性小的結(jié)構(gòu)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1~9的任一項(xiàng)所述的燃料電池，所述應(yīng)力抑制結(jié)構(gòu)的至少一部分是使所述第2電極的剛性 比所述第I電極的剛性小的結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】H01M8/10GK103988351SQ201180075087
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2011年12月6日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月6日
【發(fā)明者】平澤梨良, 渡邊義一, 中西淳二, 大須賀重樹, 吉川大雄 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社