专利名称：燃料电池和密封垫的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括固态聚合物电解质薄膜的燃料电池的结构。
技术背景聚合物电解质燃料电池具有电解质薄膜，该电解质薄膜由具有质 子传导性的固态聚合物制成的。关于聚合物电解质燃料电池，已经提 出了许多不同的技术。在聚合物电解质燃料电池中，在发电的各循环 期间，含氢的燃料气体和含氧的氧化气体作为电化学反应的反应气体 供给到燃料电极或阳极和氧电极或阴极，其中燃料电极或阳极和氧电 极或阴极形成为电解质薄膜两个相对面上的催化剂电极层。在阴极上 产生水，作为电化学反应的产物。因此，电解质薄膜在发电循环期间 通过产生的水保持在湿润状态。但是，在聚合物电解质燃料电池中， 在间歇性停止时间段期间，阴极上不会通过电化学反应产生水，使得电解质薄膜是干燥的。在日本专利公报No. 2003-68318中公开了一种 聚合物电解质燃料电池的结构。在传统的聚合物电解质燃料电池中，发电与间歇性停止时间段的 反复循环频繁地在湿润状态与干燥状态之间改变电解质薄膜的湿度状 态。湿度状态的频繁变化引起电解质薄膜的频繁膨胀和收缩。该频繁 膨胀和收缩在电解质薄膜上施加了显著的应力(应变)，并导致电解质 薄膜的过早退化。发明内容本发明的目的是消除现有技术的缺点，提供一种可应用于聚合物 电解质燃料电池的技术，以防止由于电解质薄膜的膨胀或收缩引起的 电解质薄膜的退化。为了实现上述及其它相关目的的至少一部分，本发明涉及一种第一聚合物电解质燃料电池，其包括电解质薄膜，其由固态聚合物制 成；催化剂电极层，其布置和形成在所述电解质薄膜的两个相对表面 上；气体分离器，其形成反应气体供给流动路径，以允许经历电化学 反应的反应气体输送到所述催化剂电极层；保持部件，其位于所述催 化剂电极层和所述电解质薄膜的外周上，以至少支撑所述电解质薄膜； 膨胀部件，其与所述保持部件相连接，以便可沿着电解质薄膜表面方 向膨胀；以及固定部件，其与所述膨胀部件连接，以固定至所述气体 分离器。通过发电与间歇性停止时间段的反复循环，所述电解质薄膜可沿 所述聚合物电解质燃料电池中的电解质薄膜表面方向膨胀或收缩。在 本发明的第一聚合物电解质燃料电池中，所述膨胀部件随着所述电解 质薄膜的膨胀或收缩而膨胀或收缩，从而减轻了施加至所述电解质薄 膜的应力。本发明的该结构有效地防止了由于所述电解质薄膜沿所述 电解质薄膜表面方向的膨胀或收缩而引起的所述电解质薄膜的退化。上述及其它相关目的的至少一部分还可通过本发明的第二聚合物 电解质燃料电池实现，所述第二聚合物电解质燃料电池包括电解质 薄膜，其由固态聚合物制成；催化剂电极层，其布置和形成在所述电 解质薄膜的两个相对表面上；保持部件，其位于所述电解质薄膜的外 周上，以至少支撑所述电解质薄膜；以及固定部件，其固定所述保持 部件。所述电解质薄膜在其外周上具有所述催化剂电极层不层叠的非层 叠区域。所述电解质薄膜具有膨胀部件，该膨胀部件设在非层叠区域 的至少一部分内且可沿电解质薄膜表面方向膨胀。通过发电与间歇性停止时间段的反复循环，所述电解质薄膜可沿 所述聚合物电解质燃料电池中的电解质薄膜表面方向膨胀或收缩。在 本发明的第二聚合物电解质燃料电池中，形成在所述电解质薄膜的所 述非层叠区域内的所述膨胀部件随着所述电解质薄膜的膨胀或收缩而 膨胀或收缩，从而减轻了施加至所述电解质薄膜的应力。本发明的该结构有效地防止了由于所述电解质薄膜沿所述电解质薄膜表面方向的 膨胀或收缩而引起的所述电解质薄膜的退化。在本发明的第一聚合物电解质燃料电池中，优选为所述膨胀部件 沿所述电解质薄膜表面方向的弹性模量高于所述保持部件的弹性模量 或所述固定部件的弹性模量。该布置有效地使所述膨胀部件能够随着所述电解质薄膜的膨胀或 收缩而膨胀或收缩，从而减轻了施加至所述电解质薄膜的应力。在本发明的第 一聚合物电解质燃料电池或第二聚合物电解质燃料 电池的一个优选结构中，所述保持部件和所述固定部件中的任意一个 形成密封垫的至少一部分，该密封垫用于确保所述电解质薄膜的两个 相对表面之间的气体密封性。该结构有效地减少了构成所述聚合物电解质燃料电池的部件的总数。在本发明的一个优选实施例中，第一聚合物电解质燃料电池或第 二聚合物电解质燃料电池还包括气体扩散层，所述气体扩散层设置在 各催化剂电极层外侧且由导电多孔材料制成。该布置能够使用于电化学反应的反应气体高效地供给到相应的催 化剂电极层。在第一聚合物电解质燃料电池或第二聚合物电解质燃料电池中， 所述膨胀部件可具有蜿蜒结构。所述膨胀部件的蜿蜒结构随着所述电解质薄膜的膨胀或收缩而膨 胀或收缩，从而减轻了施加至所述电解质薄膜的应力。为了实现上述及其它相关目的的至少一部分，本发明还涉及一种 应用于聚合物电解质燃料电池的密封垫。所述聚合物电解质燃料电池包括电解质薄膜，其由固态聚合物制成；催化剂电极层，其布置和 形成在所述电解质薄膜的两个相对表面上；以及气体分离器。所述密 封垫用于确保所述电解质薄膜两个相对表面之间的气体密封性。所述密封垫包括保持部件，其位于所述电解质薄膜和所述催化 剂电极层的外周上，以至少支撑所述电解质薄膜；膨胀部件，其与所述保持部件相连接，以便可沿着电解质薄膜表面方向膨胀；以及固定 部件，其与所述膨胀部件连接，以固定至所述气体分离器。
通过发电与间歇性停止时间段的反复循环，所述电解质薄膜可沿 所述聚合物电解质燃料电池中的所述电解质薄膜表面方向膨胀或收 缩。本发明的密封垫使所述膨胀部件能够随着所述电解质薄膜的膨胀 或收缩而膨胀或收缩，从而减轻了施加至所述电解质薄膜的应力。本
面方向的膨胀或收缩而引起的所述电解质薄膜的退化。
本发明的技术不限于上述聚合物电解质燃料电池或密封垫，而是 可通过多种应用实现，例如，包括本发明的第一聚合物电解质燃料电 池或第二聚合物电解质燃料电池的燃料电池系统。
图l是一截面图，示意性地示出本发明第一实施例中包括MEA (薄膜电极组件)的燃料电池堆的结构；
图2是示出燃料电池堆的阴极侧板的结构的平面图； 图3是示出燃料电池堆的阳极侧板的结构的平面图； 图4是示出燃料电池堆的中间板的结构的平面图； 图5是一平面图，示意性地示出与燃料电池堆的MEA形成一体
的密封垫的结构；
图6是一放大图，示出密封垫与MEA的连接结构，即，图l中
虛线围绕的区域R;
图7是示出本发明第二实施例的燃料电池模块中包括膨胀部件T
的连接结构的视图；以及
图8是一截面图，示意性地示出改进实例2中燃料电池模块Mj
的结构。
具体实施例方式
参照附图，以如下顺序说明作为优选实施例的实现本发明的一些模式A. 第一实施例Al.燃料电池堆的结构 A2.密封垫的结构B. 第二实施例C. 改进A.第一实施例Al.燃料电池堆的结构图l是一截面图，示意性地示出了本发明第一实施例中燃料电池堆ioo的结构。在下面的描述中，如图i中所示地定义方向'x，、 y和'z，。第一实施例的燃料电池堆100构造为聚合物电解质燃料电池 的堆。如图l中所示，燃料电池堆100具有多个单元电池10，所述单 元电池10经由分离器30沿方向'x， 一个叠一个地布置。在该实施例 的聚合物电解质燃料电池100中使用的分离器30是包括三个不同的板 的三层分离器。下文将一个单元电池10和与单元电池10交叉布置的 一对分离器30的组件称为一个模块。单元电池10具有薄膜电极组件(MEA)和设置在MEA各外表 面上的一对第二气体扩散层14和15。 MEA包括电解质薄膜20、与电 解质薄膜20交叉布置且形成为电解质薄膜20的相对表面上的催化剂 电极的阴极22和阳极24、以及位于各催化剂电极22和24的外侧的 一对第一气体扩散层26和28。电解质薄膜20是由固态聚合物材料(例如，全氟化碳磺酸基氟树 脂)制成的质子传导性离子交换薄膜，并且在湿润状态下具有良好的 导电性。阴极22和阳极24具有用于加速电化学反应的催化剂金属， 例如铂或铂基合金。制备阴极22和阳极24的一种典型方法是提供其 上载有诸如铂的催化剂金属的碳粉，通过将载有催化剂的碳粉与电解 质材料(其与电解质薄膜20的电解质材料相同)混合制备催化剂糊， 并且将催化剂糊涂覆到电解质薄膜20的相对表面上。第一气体扩散层26和28由多孔碳材料(例如，碳布或碳纸)制成。其相对表面上形 成有催化剂电极22和24的电解质薄膜20与第 一气体扩散层26和28 通过如挤压形成一体，以形成MEA。电解质薄膜20在上述湿润状态 下具有良好的导电性。因此，该实施例的燃料电池堆IOO在电解质薄 膜20的湿润状态下具有较高的发电效率。
第二气体扩散层14和15由多孔金属材料制成，例如泡沫金属或 有孔金属。在本实施例的结构中，将多孔钛材料用于第二气体扩散层 14和15。第二气体扩散层14和15设置成占据形成在MEA与分离器 30之间的整个空间。各第二气体扩散层14和15中通过大量小孔形成 的内部空间用作单元电池气体流动路径，以允许用于电化学反应的反 应气体通过。虽然第一气体扩散层26和28的内部空间也允许气体通 过，但是第二气体扩散层14和15形成用于供给到各单元电池10的反 应气体通过的主要空间。通过设置在阴极22与分离器30之间的第二 气体扩散层14中的大量小孔形成的内部空间用作单元电池氧化气体 流动路径，以允许含氧的氧化气体(阴极气体)通过。通过设置在阳 极24与分离器30之间的第二气体扩散层15中的大量小孔形成的内部 空间用作单元电池燃料气体流动路径，以允许富氬燃料气体(阳极气
体)通过c
MEA具有接收反应气体(燃料气体和氧化气体)的供给并发电的 发电区域，如图1中所示。
分离器30包括与第二气体扩散层14相邻的阴极侧板31、与第二 气体扩散层15相邻的阳极侧板32、和插在阴极侧板31与阳极侧板32 之间的中间板33，如图1中所示。这三个板是导电材料(例如，不锈 钢、钛或钛合金)的薄板。阴极侧板31、中间板33和阳极侧板32以 该顺序一个叠一个地布置，并且通过例如扩散连接(diffusion joint) 而连接。这三个板具有不带起伏的平坦表面和所需的孔，所述所需的 孔具有预定形状并且形成在预定位置处。
图2是示出阴极侧板31的结构的平面图。图3是示出阳极侧板 32的结构的平面图。图4是示出中间板33的结构的平面图。将参照图2至4详细描述这三个板的结构。这些图示出了对应于MEA上的 发电区域以经由第二气体扩散层14或第二气体扩散层15收集电的电 力收集区域。阴极侧板31 (见图2)和阳极侧板32 (见图3)分别具有形成在 相应位置的六个孔。各薄板31、 33和32的叠层中的相应孔对准以形 成用于使各流体的流动平行于燃料电池堆100的层叠方向的歧管。如 图2和3中所示，沿着各阴极侧板31和阳极侧板32中大致矩形的外 周的一侧形成有长孔40。沿着面向长孔40 —侧的大致矩形外周的相 对侧形成有长孔41。沿着各阴极侧板31和阳极侧板32的大致矩形外 周的其余两侧中的一侧形成有孔42和44。沿着面向孔42和44的大 致矩形外周的另 一侧形成有孔43和45。除了各相应位置处的孔44和 45之外，中间板33 (图4)还具有四个孔。中间板33具有形成为与 孔44和45的位置重叠的多个冷却介质孔58。形成在各板31、 33和32中的长孔40 (见图2至4)限定一氧化 气体供给歧管，以将供给到燃料电池堆100的氧化气体流分配到各单 元电池10中。在图中，氧化气体供给歧管表示为'02入，。形成在各 板31、 33和32中的长孔41限定一氧化气体排气歧管，以将从各单元 电池10排出的废氧化气体的总流(jointflow)引导到外部。在图中， 氧化气体排气歧管表示为'02出，。形成在各板31、 33和32中的孔 42限定一燃料气体供给歧管，以将供给到燃料电池堆100的燃料气体 流分配到各单元电池10中。在图中，燃料气体供给歧管表示为'H2 入，。形成在各板31、 33和32中的孔43限定一燃料气体排气歧管， 以将从各单元电池10排出的废燃料气体的总流引导到外部。在图中， 燃料气体排气歧管表示为'H2出'。形成在阴极侧板31和阳极侧板 32中的孔44限定一冷却介质供给歧管，以将供给到燃料电池堆100 的冷却介质(例如，冷却水)流分配到各分离器30中。在图中，冷却 介质供给歧管表示为'水入，。形成在阴极侧板31和阳极侧板32中的 孔45限定一冷却介质排出歧管，以将从各分离器30排出的废冷却水 的总流引导到外部。在图中，冷却介质排出歧管表示为'水出，。如图2中所示，阴极侧板31具有多个连接孔50，所述连接孔50 在尺寸上小于长孔40，且位于长孔40附近，以与长孔40平行地对准。 阴极侧板31还具有多个连接孔51,所述连接孔51在尺寸上小于长孔 41，且位于长孔41附近，以与长孔41平行地对准。如图3中所示， 阳极侧板32具有多个连接孔52，所述连接孔52在尺寸上小于长孔42， 且位于长孔42附近，以与长孔42平行地对准。阳极侧板32还具有多 个连接孔53，所述连接孔53在尺寸上小于长孔43，且位于长孔43 附近，以与长孔43平行地对准。如图4中所示，中间板33具有孔40， 该孔40的形状与形成在其它板31和32中的孔40的形状不同。在中 间板33中，孔40的内侧沿着电力收集区域的方向凸起，以形成多个 凸孔或连接孔54。连接孔54布置成分别与中间板33和阴极侧板31 的叠层中的连接孔50重叠，并将氧化气体供给歧管连接到连接孔50。 中间板33类似地具有从孔41、 42和43凸起的多个连接孔55、 56和 57，以分别与连接孔51、 52和53重叠。
如图1中所示，穿过由燃料电池堆100中各板31、 33和32的孔 40限定的氧化气体供给歧管的氧化气体经由中间板33的连接孔54和 阴极侧板31的连接孔50流入到形成在第二气体扩散层14中的单元电 池氧化气体流动路径中。单元电池氧化气体流动路径中的氧化气体沿 着平行于气体扩散层14的方向(沿表面方向)流动，并沿着垂直于表 面方向的方向(层叠方向)进一步扩散。沿层叠方向扩散的氧化气体 从第二气体扩散层14通过第 一气体扩散层26到达阴极22,以用于电 化学反应。在电化学反应之后，穿过单元电池氧化气体流动路径的氧 化气体从第二气体扩散层14通过阳极侧板31的连接孔51和中间板 33的连接孔55，以排出到由各板31、 33和32的孔41限定的氧化气 体排气歧管中。穿过由燃料电池堆100中各板31、 33和32的孔42 限定的燃料气体供给歧管的燃料气体经由中间板33的连接孔56和阳 极侧板32的连接孔52流入到形成在第二气体扩散层15中的单元电池 燃料气体流动路径中。单元电池燃料气体流动路径中的燃料气体沿着 表面方向流动，并沿着层叠方向进一步扩散。沿层叠方向扩散的燃料气体从第二气体扩散层15通过第一气体扩散层28到达阳极24,以用 于电化学反应。在电化学反应之后，穿过单元电池燃料气体流动路径 的燃料气体从第二气体扩散层15通过阳极侧板32的连接孔53和中间 板33的连接孔57，以排出到由各板31、 33和32的孔43限定的燃料 气体排气歧管中。
中间板33具有彼此平行布置的多个长冷却介质孔58。冷却介质 孔58的各端与中间板33和其它薄片板31和32的叠层中的孔44和 45重叠，以形成用于在分离器30中冷却介质的流动的电池内部冷却 介质流动路径。流过由燃料电池堆100中的孔44限定的冷却介质供给 歧管的冷却介质分配到由冷却介质孔58限定的电池内部冷却介质流 动路径中。来自内部冷却介质的废冷却介质的总流排出至由燃料电池 堆100中的孔45限定的冷却介质排出歧管。
A2.密封垫的结构
图1的燃料电池堆100还具有密封垫16，该密封垫16位于每对 相邻的分离器30之间且设在MEA的外周上。密封垫16是本发明的 特征部分。
图5是一平面图，示意性地示出与图1中所示燃料电池堆100的 MEA形成一体的密封垫16的结构。密封塾16沿着图5中的方向'x' 示出。图5中的虛线表示嵌在密封垫16内的MEA的外周。图6是一 放大图，示出密封垫16与MEA的连接结构，即，图l中虛线围绕的 区域R。
密封垫16由具有弹性的绝缘树脂材料制成，例如硅橡胶、丁基橡 胶或氟橡胶，并与MEA形成一体(见图6)。典型的制造过程是将 MEA置于模具的腔内，然后注射模制绝缘树脂材料以形成密封垫16。 这样，多孔第一气体扩散层26和28灌注有绝缘树脂材料。该灌注将 密封垫16与MEA紧密地形成一体，并确保了 MEA的相对表面之间 充分的气体密封性能。密封垫16在沿电解质薄膜20表面的方向(薄 膜表面方向方向'y，)上具有弹性模量Gk。
第二气体扩散层14和15具有与图5中填有阴影线的发电区域的形状相同的形状。这样，第二气体扩散层14和15嵌在密封垫16的发 电区域内。即，嵌在发电区域内的第二气体扩散层14和15的尺寸小 于MEA。第二气体扩散层14和15的尺寸小于第一气体扩散层26和 28，并且布置成将其外周设在催化剂电极22和24以及第一气体扩散 层26和28的表面上。如图5中所示，密封垫16是大致矩形的薄板部件，并且具有在外 周上的六个孔和大致矩形的中心开口 。所述六个孔对应于形成在阴极 侧板31中的孔(见图2)或形成在阳极侧板32中的孔(见图3)。 MEA 嵌在密封垫16的大致矩形中心开口内。密封垫16不是平的，而是具 有如图6中所示的预定凹凸形状。在燃料电池堆100中，密封垫16 具有凸起段，该凸起段环绕所述六个孔和中心开口，并且与相邻的分 离器30相接触。密封垫16与分离器30的接触位置称为密封位置SL (见图l、 5和6)。密封垫16由上述弹性树脂材料制成。因此，沿层 叠方向施加压力将密封垫16固定在燃料电池堆100中的密封位置SL 处。该布置有效地防止供给到第二气体扩散层14和15的反应气体(氧 化气体和燃料气体)逆流到各自的供给歧管中。本实施例的密封垫16具有蜿蜒或波状结构，该蜿蜒或波状结构沿 薄膜表面方向延伸以布置在用于固定MEA的密封位置SL与用于保持 MEA的MEA保持位置HL之间，如图6中所示。蜿蜒结构可沿薄膜 表面方向膨胀，并形成膨胀部件S。膨胀部件S沿薄膜表面方向的弹 性模量Gs高于密封垫16除了膨胀部件S以外的弹性模量Gk。图5 中交叉阴影区域表示膨胀部件S。如上所述，在第一实施例的燃料电池堆100中，密封垫16在用于 固定MEA的密封位置SL与用于保持MEA的MEA保持位置HL之 间具有膨胀部件S。膨胀部件S的弹性模量Gs高于密封垫16其余部 分的弹性模量Gk。通过发电与间歇性停止时间段的反复循环，电解 质薄膜20可沿燃料电池堆100中薄膜表面方向膨胀或收缩。密封垫 16的膨胀部件S随着电解质薄膜20的膨胀或收缩而膨胀或收缩，从 而减轻了施加至电解质薄膜20的应力。第一实施例的该结构有效地防止了由于电解质薄膜20沿薄膜表面方向的膨胀或收缩而引起的电解 质薄膜20的退化。密封垫16具有与膨胀部件S形成一体的结构，以实现各种功能。 这些功能包括MEA的相对表面之间的气体密封性、防止供给到第二 气体扩散层14和15的反应气体逆流到各自供给歧管中的功能、固定 MEA的功能以及保持MEA的功能。与通过分离部件实现这些功能的 传统结构相比，该形成一体的结构理想地减少了部件的总数。笫一实施例的密封垫16对应于本发明的保持部件和固定部件，并 且第一实施例的膨胀部件S对应于本发明的膨胀部件。B.第二实施例图7为示出本发明第二实施例的燃料电池模块中包括膨胀部件T 的连接结构的视图。除了密封垫与电解质薄膜的连接结构之外，第二 实施例的燃料电池堆具有与第一实施例的燃料电池堆100相同的结 构。相同的部件由相同的附图标记和符号来表示，这里不再具体描述。 图7的放大图仅示出了第二实施例的燃料电池模块中密封垫16，与电 解质薄膜20，的连接结构，如同图6的放大图。第二实施例的密封垫16，基本具有与第一实施例的密封垫16相似 的结构，但省略了膨胀部件S，如图7中所示。第二实施例的电解质 薄膜20，在其外周上具有非层叠区域。在所述外周非层叠区域中没有 催化剂电极(阴极22和阳极24)的叠层。电解质薄膜20，的非层叠区 域具有沿薄膜表面方向延伸的蜿蜒或波状结构。该蜿蜒结构可沿薄膜 表面方向膨胀，并形成膨胀部件T。第二实施例的密封垫16，保持电解 质薄膜20，的非层叠区域的一端。该布置确保了 MEA的相对表面之间 充分的气体密封性。如同第一实施例的密封垫16，第二实施例的密封 垫16，固定在密封位置SL处。膨胀部件T沿薄膜表面方向的弹性模量 Ms高于密封垫16的弹性模量Gk。在非层叠区域中没有催化剂电极 的叠层。因此，非层叠区域是不发电的非发电区域。如上所述，在第二实施例的燃料电池堆中，电解质薄膜20，在不具有催化剂电极的叠层的非层叠区域中具有膨胀部件T。膨胀部件T 的弹性模量Ms高于密封垫16的弹性模量Gk。通过发电与间歇性停 止时间段的反复循环，电解质薄膜20，可沿燃料电池堆中薄膜表面方 向膨胀或收缩。形成在电解质薄膜20，的非层叠区域中的膨胀部件T 随着电解质薄膜20，的膨胀或收缩而膨胀或收缩，从而减轻了施加至 电解质薄膜20，的应力。第二实施例的该结构有效地防止了由于电解 质薄膜20，沿薄膜表面方向的膨胀或收缩而引起的电解质薄膜20，的退 化。第二实施例的密封垫16，对应于本发明的保持部件和固定部件， 并且第二实施例的膨胀部件T对应于本发明的膨胀部件。C.改进上述实施例在所有方面都是示意性的，而非限制性的。在不脱离 本发明主要特征的范围或精神的情况下，可有许多改进、变化和替代 方案。Cl.改进实例1在第一实施例的燃料电池堆IOO中，除了膨胀部件s之外，各密 封垫16还必须具有保持MEA的功能和固定至分离器30的功能。具 有这些必需功能的密封垫可应用于各种结构的燃料电池堆。例如，密 封垫16可顺利地应用于在密封垫16与分离器30之间插有预定包装部 件或密封部件的燃料电池堆中。在该应用中，密封垫16具有与上述相 似的效果。在该结构中，密封垫16经由包装部件固定至分离器30。C2.改进实例2在第二实施例的燃料电池堆中，MEA的电解质薄膜20，通过密封 垫16，保持和固定。但是，该结构对于本发明的技术不是必需的。第 二实施例的MEA可应用于图8中所示的燃料电池模块Mj。图8是一截面图，示意性地示出改进实例2中燃料电池模块Mj的结构。燃料电池模块Mj具有设在阴极侧板301和阳极侧板302的 两端的支撑固定部件V。电解质薄膜20，的非层叠区域的端部插在阴极 侧板301的支撑固定部件V与阳极侧板302的支撑固定部件V之间。 该结构有效地支撑和固定了电解质薄膜20，。为了更好地理解，图8 的视图中在MEA与阴极侧板301之间以及MEA与阳极侧板302之 间具有间隙。如图8中所示，阴极侧板301和阳极侧板302的各支撑 固定部件V都具有密封部件310。当电解质薄膜20，的非层叠区域的端 部插在阴极侧板301的支撑固定部件V与阳极侧板302的支撑固定部 件V之间时，密封部件310压靠在电解质薄膜20，上。该结构理想地 确保了 MEA的相对表面之间充分的密封性。如上所述，在改进实例2中，第二实施例的MEA应用于燃料电 池模块Mj。通过发电与间歇性停止时间段的反复循环，电解质薄膜 20，可沿燃料电池模块Mj中的薄膜表面方向膨胀或收缩。形成在电解 质薄膜20，的非层叠区域内的膨胀部件T随着电解质薄膜20，的膨胀或 收缩而膨胀或收缩，从而减轻了施加至电解质薄膜20，的应力。改进 实例2的该结构有效地防止了由于电解质薄膜20，沿薄膜表面方向的 膨胀或收缩而引起的电解质薄膜20，的退化。改进实例2的支撑固定 部件V对应于本发明的保持部件和固定部件。C3.改进实例3在第一实施例的燃料电池堆100中，沿着密封垫16的整个外周形 成密封垫16的膨胀部件S (见图5中的交叉阴影区域)。但是，本发 明的原理并不限于该结构。膨胀部件S可沿着密封垫16外周的至少一 部分形成。C4.改进实例4在第二实施例的燃料电池堆中，沿着电解质薄膜20，的整个外周 形成非层叠区域。但是，本发明的原理并不限于该结构。非层叠区域 可沿着电解质薄膜20，外周的至少一部分形成。在该改进结构中，膨胀部件T可形成在电解质薄膜20，的非层叠区域的至少一部分中。当 沿着电解质薄膜20，的整个外周形成非层叠区域时，膨胀部件T可仅 形成在电解质薄膜20，的非层叠区域的一部分中。
权利要求
1.一种聚合物电解质燃料电池，包括电解质薄膜，其由固态聚合物制成；催化剂电极层，其布置和形成在所述电解质薄膜的两个相对表面上；气体分离器，其形成反应气体供给流动路径，以允许经历电化学反应的反应气体输送到所述催化剂电极层；保持部件，其位于所述催化剂电极层和所述电解质薄膜的外周上，以至少支撑所述电解质薄膜；膨胀部件，其与所述保持部件相连接，以便可沿着电解质薄膜表面方向膨胀；以及固定部件，其与所述膨胀部件连接，以固定至所述气体分离器。
2. —种聚合物电解质燃料电池，包括 电解质薄膜，其由固态聚合物制成；催化剂电极层，其布置和形成在所述电解质薄膜的两个相对表面上；保持部件，其位于所述电解质薄膜的外周上，以至少支撑所述电 解质薄膜；以及固定部件，其固定所述保持部件；其中所述电解质薄膜在其外周上具有所述催化剂电极层不层叠的 非层叠区域，所述电解质薄膜具有膨胀部件，所述膨胀部件设在所述非层叠区 域的至少一部分内且可沿电解质薄膜表面方向膨胀。
3. 如权利要求l所述的聚合物电解质燃料电池，其中所述气体分 离器具有无起伏的平坦表面。
4. 如权利要求1或3所述的聚合物电解质燃料电池，其中所述膨 胀部件沿所述电解质薄膜表面方向的弹性模量高于所述保持部件的弹 性模量或所述固定部件的弹性模量。
5. 如权利要求1至4中任意一项所述的聚合物电解质燃料电池， 其中所述保持部件和所述固定部件中的任意一个形成密封垫的至少一 部分，所述密封垫用于确保所述电解质薄膜的两个相对表面之间的气 体密封性。
6. 如权利要求1至5中任意一项所述的聚合物电解质燃料电池， 所述聚合物电解质燃料电池还包括位于各催化剂电极层外侧且由导电 多孔材料制成的气体扩散层。
7. 如权利要求1至6中任意一项所述的聚合物电解质燃料电池， 其中所述膨胀部件具有蜿蜒结构。
8. —种应用于聚合物电解质燃料电池的密封垫，所述聚合物电解 质燃料电池包括电解质薄膜，其由固态聚合物制成；催化剂电极层， 其布置和形成在所述电解质薄膜的两个相对表面上；以及气体分离器， 所述密封垫用于确保所述电解质薄膜的两个相对表面之间的气体密封 性，所述密封垫包括保持部件，其位于所述催化剂电极层和所述电解质薄膜的外周上， 以至少支撑所述电解质薄膜；膨胀部件，其与所述保持部件相连接，以便可沿着电解质薄膜表 面方向膨胀；以及固定部件，其与所述膨胀部件连接，以固定至所述气体分离器。
全文摘要
本发明的聚合物电解质燃料电池包括电解质薄膜，其由固态聚合物制成；催化剂电极层，其布置和形成在所述电解质薄膜的两个相对表面上；气体分离器，其形成反应气体供给流动路径，以允许经历电化学反应的反应气体输送到所述催化剂电极层；保持部件，其位于所述催化剂电极层和所述电解质薄膜的外周上，以至少支撑所述电解质薄膜；膨胀部件，其与所述保持部件相连接，以便可沿着电解质薄膜表面方向膨胀；以及固定部件，其与所述膨胀部件连接，以固定至所述气体分离器。该布置有效地防止了由于聚合物电解质燃料电池中电解质薄膜的膨胀或收缩而引起的电解质薄膜的退化。
文档编号H01M8/02GK101331632SQ200680046949
公开日2008年12月24日 申请日期2006年12月11日 优先权日2005年12月15日
发明者川畑达央 申请人:丰田自动车株式会社