燃料电池的制作方法
【专利摘要】本发明的燃料电池(10)具备电解质膜(30)、阳极电极(40)和阴极电极(50)，阴极电极(50)的周缘面(58)，沿着面方向(Dp)，配置在与电解质膜(30)的周缘面(38)和阳极电极(40)的周缘面(48)相比靠内侧，还具备应力抑制结构，其抑制应力向电解质膜(30)的变形部(35)的集中。
【专利说明】燃料电池
[0001]技术分野
[0002]本发明涉及燃料电池。
【背景技术】
[0003]燃料电池中存在具备在两个电极之间接合电解质膜而成的膜电极接合体(Membrane Electrode Assembly、以下也称为「MEA」)的电池。在这样的燃料电池中，曾提出了夹持电解质膜的两个电极大小不同的电池，即、小的电极的周缘相比于大的电极和电解质膜的各周缘，配置于沿着各层的面方向靠内侧的电池(例如，参照专利文献I)。
[0004]在先技术文献
[0005]专利文献1:日本特开2010-225484号公报
【发明内容】
[0006]从防止电解质膜的损伤的观点出发，希望避免在电解质膜上发生应力集中，但在夹持电解质膜的两个电极大小不同的情况下，有在沿着电解质膜的小的电极周缘的部位容易发生应力集中的问题。
[0007]本发明基于上述的课题，其目的是提供一种能够使燃料电池的耐久性提高的的技术。
[0008]本发明是为了解决上述课题的至少一部分而完成的，能够作为以下形态或应用例实现。
[0009]应用例I)应用例I的燃料电池，其特征在于，具备:电解质膜；与所述电解质膜的一方的面接合的第I电极；和与所述电解质膜的所述一方的面不同的另一方的面接合的第2电极，作为所述第I电极的周缘的至少一部分的第I周缘部，沿着所述第I电极的面方向，配置在与所述电解质膜和所述第2电极的各周缘相比靠内侧，还具备应力抑制结构，该结构抑制应力向所述电解质膜中的沿着所述第I周缘部的部位集中。根据该应用例，能够抑制电解质膜的应力集中。其结果，能够使燃料电池的耐久性提高。
[0010]应用例2)所述应力抑制结构的至少一部分也可以是下述结构:即在所述电解质膜的所述第I电极侧、且在沿着所述面方向与所述第I周缘部相比靠外侧，压接了与所述电解质膜相比横弹性系数小的弹性部件的结构。根据该应用例，通过弹性构件沿面方向发生弹性变形，允许沿着面方向的电解质膜的移动，能够抑制电解质膜的应力集中。
[0011]应用例3)所述应力抑制结构的至少一部分也可以是下述结构:即使所述电解质膜与所述第2电极之间的接合强度，在沿着所述面方向与所述第I周缘部相比靠外侧小于在沿着所述面方向与所述第I周缘部相比靠内侧的结构。根据该应用例，在电解质膜与第2电极之间的接合强度比较小的第I周缘部的外侧，电解质膜与第2电极相对错开，由此能够抑制电解质膜的应力集中。
[0012]应用例4)在上述的应用例中，也可以所述电解质膜与所述第2电极之间在沿着所述面方向与所述第I周缘部相比靠内侧相互接合，并且在沿着所述面方向与所述第I周缘部相比靠外侧相互不接合。根据该应用例，能够容易地实现使电解质膜与第2电极之间的接合强度在第I周缘部的外侧小于第I周缘部的内侧的结构。
[0013]应用例5)所述应力抑制结构的至少一部分也可以是下述结构:即所述第I电极的所述第I周缘部具有磁性，并且磁性体配置在相对于所述第2电极的与所述电解质膜接合的一侧的相反侧的结构，所述磁性体在与所述第I周缘部之间产生斥力。根据该应用例，通过斥力使电解质膜从第I周缘部受到的按压力被缓和，由此能够抑制电解质膜的应力集中。
[0014]应用例6)所述应力抑制结构的至少一部分也可以是下述结构:即所述第I电极的所述第I周缘部具有磁性，并且磁性体配置在相对于所述第I电极的与所述电解质膜接合的一侧的相反侧的结构，所述磁性体在与所述第I周缘部之间产生引力。根据该应用例，通过引力使电解质膜从第I周缘部受到的按压力被缓和，由此能够抑制电解质膜的应力集中。
[0015]应用例7)所述应力抑制结构的至少一部分也可以是下述结构:即将所述电解质膜和所述第2电极与所述第I周缘部的形状配合地向所述第I电极侧预先弯折的结构。根据该应用例，对电解质膜按压第I电极和第2电极前后的电解质膜的变形被缓和，由此能够抑制电解质膜的应力集中。
[0016]应用例8)所述第2电极也可以具有:一方的电极面，其作为对于所述电解质膜接合的一侧的面；和另一方的电极面，其作为对于所述一方的电极面的相反侧的面，所述应力抑制结构的至少一部分是所述另一方的电极面比所述一方的电极面软的结构。根据该应用例，在第2电极另一方的电极面与一方的电极面相比较大地变形，电解质膜的变形被缓和，由此能够抑制电解质膜的应力集中。
[0017]应用例9)所述第2电极也可以具有:一方的电极面，其作为对于所述电解质膜接合的一侧的面；和另一方的电极面，其作为对于所述一方的电极面的相反侧的面，所述应力抑制结构的至少一部分是下述结构:即在所述第2电极上预先成形了下挖部的结构，所述下挖部是利用与将所述第2电极向所述电解质膜按压的按压部件配合的形状，将所述另一方的电极面的一部分下挖而成的。根据该应用例，由按压构件带来的介由第2电极的电解质膜变形被缓和，由此能够抑制电解质膜的应力集中。
[0018]应用例10)所述应力抑制结构的至少一部分也可以是使所述第I电极的刚性比所述第2电极的刚性小的结构。根据该应用例，第I电极与第2电极相比较大地变形，电解质膜的变形被缓和，由此能够抑制电解质膜的应力集中。
[0019]应用例11)所述应力抑制结构的至少一部分也可以是使所述第2电极的刚性比所述第I电极的刚性小的结构。根据该应用例，第2电极与第I电极相比较大地变形，电解质膜的变形被缓和，由此能够抑制电解质膜的应力集中。
[0020]本发明的形态并不限于燃料电池，也可以应用于例如利用燃料电池电能行驶的车辆、供给燃料电池电能的发电系统、燃料电池的制造方法等各种形态。另外，本发明丝毫不被上述形态所限定，当然可以在不脱离本发明主旨的范围内以各种形态实施。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是表示第I实施方式中的燃料电池的截面结构的说明图。[0022]图2是表示第I实施方式中的MEA的整体结构的说明图。
[0023]图3是表示第I实施方式中的电解质膜的横弹性系数与弹性构件的横弹性系数的关系的说明图。
[0024]图4是表示第2实施方式中的燃料电池的截面结构的说明图。
[0025]图5是表示第2实施方式中的电解质膜的抗拉强度与接合强度的关系的说明图。
[0026]图6是表示第3实施方式中的燃料电池的截面结构的说明图。
[0027]图7是表示第4实施方式中的燃料电池的截面结构的说明图。
[0028]图8是表示第5实施方式中的MEA的截面结构的说明图。
[0029]图9是表示第6实施方式中的MEA的截面结构的说明图。
[0030]图10是表示第7实施方式中的MEA的截面结构的说明图。
[0031]图11是表示第8实施方式中的燃料电池的截面结构的说明图。
[0032]图12是表示第9实施方式中的燃料电池的截面结构的说明图。
【具体实施方式】
[0033]为了使以上说明的本发明的构成和作用更加明确，以下对于适用了本发明的燃料电池进行说明。
[0034]A.第I实施方式:
[0035]图1是表示第I实施方式中的燃料电池10的截面结构的说明图。燃料电池10是使用反应气体进行电化学发电的装置。在本实施例中，燃料电池10是固体高分子型的燃料电池。在本实施方式中，燃料电池10作为反应气体，使用含有氢的燃料气体、和含有氧的氧化气体。
[0036]燃料电池10具备多个单元电池15。单元电池15是进行从反应气体直接地取出电的电化学反应的单电池。在燃料电池10中，多个单元电池15相互层叠。
[0037]在本实施方式的说明中，将燃料电池10中多个单元电池15层叠了的方向称为「层叠方向Ds」、将与层叠方向Ds正交的沿着单元电池15的面的方向称为「面方向Dp」。在本实施方式的说明中，面方向Dp之中、朝向单元电池15的中心的方向称为「沿着面方向Dp的内侧」、将其反方向称为「沿着面方向Dp的外侧」。
[0038]燃料电池10的单元电池15具备膜电极接合体(MEA) 20、阳极隔板610和阴极隔板620。在单元电池15中，MEA20被夹持在阳极隔板610与阴极隔板620之间。
[0039]单元电池15的阳极隔板610和阴极隔板620由具有足以对在MEA20产生的电进行集电的导电性，并且具有对于MEA20供给反应气体充分的耐久性、耐热性和不透气性的材料形成。在本实施方式中，阳极隔板610和阴极隔板620的材料为碳树脂，但在别的实施方式中，也可以是例如不锈钢、钛、钛合金、导电性陶瓷。
[0040]在本实施方式中，阳极隔板610和阴极隔板620分别各自地构成。在别的实施方式中，在相邻的两个单元电池15中，也可以将一方的单元电池15的阳极隔板610与另一方的单元电池15的阴极隔板620 —体地构成。
[0041]在本实施方式中，阳极隔板610与MEA20抵接，但在别的实施方式中，也可以在阳极扩散层430与阳极隔板610之间形成流通燃料气体的流路。
[0042]在本实施方式中，阴极隔板620与MEA20抵接，但在别的实施方式中，也可以在阴极扩散层530与阴极隔板620之间形成流通氧化气体的流路。
[0043]图2是表示第I实施方式中的MEA20的整体结构的说明图。图2所示的MEA20是在阳极隔板610与阴极隔板620之间夹持之前的状态。图2(A)图示了从侧面观察的MEA20。图2(B)图示了从阴极侧观察的MEA20。MEA20具备电解质膜30、阳极电极40和阴极电极50。
[0044]MEA20的电解质膜30是具有质子传导性的膜状的质子传导体。在本实施方式中，电解质膜30是使用了离聚物树脂的全氟磺酸离子交换膜。
[0045]电解质膜30，具有作为电解质膜30的一方的面的阳极面31、作为电解质膜30的另一方的面的阴极面32、和作为电解质膜30的周缘的周缘面38。在电解质膜30的阳极面31接合有阳极电极40。在电解质膜30的阴极面32接合有阴极电极50。在本实施方式中，电解质膜30是矩形的膜，阳极面31和阴极面32为矩形，周缘面38构成阳极面31和阴极面32的各面的四个边。
[0046]MEA20的阳极电极40如图1所示，包含阳极催化剂层410和阳极扩散层430。在电解质膜30的阳极面31，阳极催化剂层410、阳极扩散层430依次层叠形成有阳极电极40。
[0047]MEA20的阴极电极50如图1所示，包含阴极催化剂层510和阴极扩散层530。在电解质膜30的阴极面32，阴极催化剂层510、阴极扩散层530依次层叠形成有阴极电极50。
[0048]阳极催化剂层410和阴极催化剂层510利用具有透气性和导电性的材料形成，在其材料上担载有使氢与氧的电化学反应促进的催化剂(例如钼、钼合金)。在本实施方式中，阳极催化剂层410和阴极催化剂层510利用担载了钼系催化剂的碳载体形成。
[0049]阳极扩散层430和阴极扩散层530利用具有透气性和导电性的材料形成。阳极扩散层430和阴极扩散层530的材料可以使用例如作为碳制的多孔体的碳布、碳纸。
[0050]阳极电极40具有作为阳极电极40的一方的面的电极面41、作为阳极电极40的另一方的面的电极面42、和作为阳极电极40的周缘的周缘面48。阳极电极40的电极面41与电解质膜30的阳极面31接合。在本实施方式中，如图2所示，阳极电极40是与电解质膜30相同大小的矩形的电极，电极面41、42为矩形，周缘面48构成电极面41、42的各面的四个边。在别的实施方式中，阳极电极40的大小可以比电解质膜30大，也可以比其小。[0051 ] 阴极电极50具有作为阴极电极50的一方的面的电极面51、作为阴极电极50的另一方的面的电极面52、和作为阴极电极50的周缘的周缘面48。阴极电极50的电极面51与电解质膜30的阴极面32接合。在本实施方式中，如图2所示，阴极电极50是比电解质膜30和阳极电极40小的矩形的电极，电极面51、52为矩形，周缘面58构成电极面51、52的各面的四个边。
[0052]在本实施方式中，阴极电极50是与电解质膜30的一方的面接合的第I电极，阴极电极50的周缘面58是作为第I电极的周缘的至少一部分的第I周缘部。在本实施方式中，在燃料电池10的面方向Dp也是沿着阴极电极50的电极面51、52的方向。在本实施方式中，阳极电极40与电解质膜30的另一方的面接合，是比第I电极大的第2电极。
[0053]在本实施方式中，阴极电极50的沿着面方向Dp的大小比电解质膜30和阳极电极40小，因此如图1和图2所示，沿着面方向Dp，阴极电极50的周缘面58与电解质膜30的周缘面38和阳极电极40的周缘面48相比配置于靠内侧。
[0054]如图1所示，在本实施方式中，燃料电池10的单元电池15除了 MEA20、阳极隔板610和阴极隔板620之外，具备板状构件630和弹性构件640。
[0055]单元电池15的板状构件630是也被称为密封板或密封片的金属(例如铝、不锈钢等)制的板。板状构件630在与阴极电极50的周缘面58相比沿着面方向Dp靠外侧，从阳极电极40的电极面42与阳极隔板610之间，到弹性构件640与阳极隔板610之间进行层叠。板状构件630将阳极电极40与阳极隔板610之间密闭，并且防止弹性构件640向阳极电极40的电极面42侧的侵入。在别的实施方式中，通过使阳极隔板610向阳极电极40侧突出，也可以不设置板状构件630作为其他构件，而将阳极电极40与阳极隔板610之间密闭。
[0056]板状构件630也是将阳极电极40的电极面42向电解质膜30按压的按压构件。通过阳极电极40被板状构件630按压，在电解质膜30，沿着阴极电极50的周缘面58形成向阴极电极50侧变形了的变形部35。
[0057]单元电池15的弹性构件640是由树脂材料构成的构件。弹性构件640形成在电解质膜30的阴极电极50侧、并且形成在沿着面方向Dp与阴极电极50的周缘面58相比靠外侧，与电解质膜30的阴极面32压接。在本实施方式中，弹性构件640还形成直到电解质膜30的周缘面38、阳极电极40的周缘面48和板状构件630。
[0058]在本实施方式中，弹性构件640通过对于MEA20将树脂材料射出成形来形成。在别的实施方式中，弹性构件640也可以与MEA20分开地形成，也可以在夹着MEA20的阳极隔板610与阴极隔板620之间，将具有粘合性的树脂材料注入并使其固化来形成。
[0059]图3是表示第I实施方式中的电解质膜30的横弹性系数Gm与弹性构件640的横弹性系数Ge的关系的说明图。图3中，将电解质膜30的横弹性系数Gm取为横轴，将弹性构件640的横弹性系数Ge取为纵轴，图示出两者的关系。在第I实施方式中，弹性构件640的横弹性系数Ge比电解质膜30的横弹性系数Gm小。即，弹性构件640的横弹性系数Ge和电解质膜30的横弹性系数Gm的关系处于图3中施加了阴影的满足「Ge〈Gm」的范围内。
[0060]如图1所示，从电解质膜30的阴极面32到阴极隔板620的弹性构件640的端面648，追随与沿着层叠方向Ds的压缩力增加相伴的电解质膜30的变形，从压缩前的端面648的初期位置Lr沿着面方向Dp向内侧位移。
[0061]以上说明了的第I实施方式的燃料电池10，作为抑制应力向电解质膜30的变形部35集中的应力抑制结构的至少一部分,具备下述结构:即在沿着面方向Dp与阴极电极50的周缘面58相比靠外侧的电解质膜30的阴极面32，压接了与电解质膜30相比横弹性系数小的弹性构件640的结构。根据该第I实施方式的结构，弹性构件640沿面方向Dp弹性变形，允许沿着面方向Dp的电解质膜30的移动，由此能够抑制电解质膜30的应力集中。其结果，能够使燃料电池10的耐久性提高。
[0062]B.第2实施方式:
[0063]图4是表示第2实施方式中的燃料电池10的截面结构的说明图。第2实施方式的燃料电池10，除了 MEA20的特性不同这点以外，与第I实施方式是同样的。再者，在第2实施方式中，优选弹性构件640的横弹性系数Ge比电解质膜30的横弹性系数Gm小，但可以相同，也可以较大。
[0064]第2实施方式中的MEA20的特性，除了使电解质膜30与阳极电极40之间的接合强度，在沿着面方向Dp与阴极电极50的周缘面58相比靠外侧小于靠内侧这点以外，与第I实施方式是同样的。即，沿着面方向Dp与阴极电极50的周缘面58相比靠外侧的电解质膜30与阳极电极40之间的接合强度SJo，小于沿着面方向Dp与阴极电极50的周缘面58相比靠内侧的电解质膜30与阳极电极40之间的接合强度SJi。电解质膜30与阳极电极40之间的接合强度，可以通过变更接合材料的量、种类、接合条件(压力、温度、湿度、处理时间)等来变化。
[0065]在别的实施方式中，电解质膜30与阳极电极40之间也可以在沿着面方向Dp与阴极电极50的周缘面58相比靠内侧相互接合，并且在沿着面方向Dp与阴极电极50的周缘面58相比靠外侧相互不接合。由此，能够容易地实现使电解质膜30与阳极电极40之间的接合强度，沿着面方向Dp与阴极电极50的周缘面58相比靠外侧小于靠内侧的结构。
[0066]图5是表示第2实施方式中的电解质膜30的抗拉强度ST与接合强度SJo的关系的说明图。图5中，将电解质膜30的抗拉强度ST取为横轴，将电解质膜30与阳极电极40之间的接合强度SJo取为纵轴，图示出两者的关系。在第2实施方式中，优选电解质膜30与阳极电极40之间的接合强度SJo比电解质膜30的抗拉强度ST小。S卩，接合强度SJo与抗拉强度ST的关系优选处于在图5中施加了阴影的满足「SJo〈ST」的范围内。
[0067]以上说明了的第2实施方式的燃料电池10，作为抑制应力向电解质膜30的变形部35集中的应力抑制结构的至少一部分,具备下述结构:即使沿着面方向Dp与阴极电极50的周缘面58相比靠外侧的电解质膜30与阳极电极40之间的接合强度SJo，小于沿着面方向Dp与阴极电极50的周缘面58相比靠内侧的电解质膜30与阳极电极40之间的接合强度SJi的结构。根据该第2实施方式的结构，通过在沿着面方向Dp与阴极电极50的周缘面58相比靠外侧，电解质膜30与阳极电极40相对错开，能够抑制电解质膜30的应力集中。其结果，能够使燃料电池10的耐久性提高。
[0068]C.第3实施方式:
[0069]图6是表示第3实施方式中的燃料电池10的截面结构的说明图。第3实施方式的燃料电池10，除了阴极电极50的周缘面58具有磁性这点、在其与阴极电极50的周缘面58之间产生斥力Frp的磁性体配置于阳极电极40的电极面42侧这点、在阴极电极50的周缘面58与阴极隔板620之间设置有空间这点以外，与第I实施方式是同样的。再者，在第3实施方式中，优选弹性构件640的横弹性系数Ge比电解质膜30的横弹性系数Gm小，但可以相同，也可以较大。
[0070]第3实施方式中，阴极电极50的周缘面58具有磁性。在本实施方式中，通过对阴极电极50的阴极扩散层530的整个区域赋予磁性，使阴极电极50的周缘面58具有磁性。在别的实施方式中，也可以通过对周缘面58周边的阴极扩散层530的一部分赋予磁性，使阴极电极50的周缘面58具有磁性。
[0071]在本实施方式中，在与阴极电极50的周缘面58之间产生斥力Frp的磁性体，是层叠于阳极电极40的电极面42侧的板状构件630。在本实施方式中，通过对板状构件630的沿着面方向Dp靠内侧,赋予与阴极电极50不同极性的磁性,使板状构件630具有磁性。
[0072]在别的实施方式中，也可以通过对板状构件630的整个区域赋予与阴极电极50不同极性的磁性，使板状构件630具有磁性。在别的实施方式中，也可以不使板状构件630具有磁性，而使阳极隔板610具有磁性，也可以与板状构件630、阳极隔板610不同地使产生斥力Frp的磁性体配置于阳极电极40的电极面42侧。[0073]在本实施方式中，在阴极电极50与阴极隔板620之间，设置有形成流通氧化气体的流路的气体流路构件650。气体流路构件650的大小比阴极电极50小，因此在阴极电极50的周缘面58与阴极隔板620之间形成有空间。在本实施方式中，气体流路构件650是由具有导电性的发泡金属形成的多孔体，但在别的实施方式中，可以是由碳烧结体形成的多孔体，也可以是拉制金属(expanded metal)或冲压金属。
[0074]以上说明了的第3实施方式的燃料电池10，作为抑制向电解质膜30的变形部35的应力集中的应力抑制结构的至少一部分，具备下述结构:即阴极电极50的周缘面58具有磁性，并且板状构件630配置在阳极电极40的电极面42侧的结构在，板状构件630是在与阴极电极50的周缘面58之间产生斥力Frp的磁性体。根据该第3实施方式的结构，通过斥力Frp使电解质膜30从阴极电极50的周缘面58受到的按压力被缓和，由此能够抑制电解质膜30的应力集中。其结果，能够使燃料电池10的耐久性提高。
[0075]D.第4实施方式:
[0076]图7是表示第4实施方式中的燃料电池10的截面结构的说明图。第4实施方式的燃料电池10，除了将在与阴极电极50的周缘面58之间产生引力Fat的磁性体配置在阴极电极50的电极面52侧这点以外，与第3实施方式是同样的。再者，在第4实施方式中，优选将在与阴极电极50的周缘面58之间产生斥力Frp的磁性体配置在阳极电极40的电极面42侧，但也可以不设置这样的产生斥力Frp的磁性体。
[0077]在本实施方式中，在与阴极电极50的周缘面58之间产生引力Fat的磁性体，是被配置于阴极电极50的电极面52侧的阴极隔板620。在本实施方式中，通过对与阴极电极50的电极面52相对的阴极隔板620的一部分,赋予与阴极电极50相同极性的磁性,使阴极隔板620具有磁性。
[0078]在别的实施方式中，也可以通过对阴极隔板620的整个区域赋予与阴极电极50相同极性的磁性，使阴极隔板620具有磁性。在别的实施方式中，也可以不使阴极隔板620具有磁性，而与阴极隔板620不同地将产生斥力Frp的磁性体配置于阴极电极50的电极面52侧。
[0079]以上说明了的第4实施方式的燃料电池10，作为抑制向电解质膜30的变形部35的应力集中的应力抑制结构的至少一部分，具备下述结构:即阴极电极50的周缘面58具有磁性，并且阴极隔板620配置在阴极电极50的电极面52侧的结构，阴极隔板620是在与阴极电极50的周缘面58之间产生引力Fat的磁性体。根据该第4实施方式的结构，通过引力Fat使电解质膜30从阴极电极50的周缘面58受到的按压力被缓和，由此能够抑制电解质膜30的应力集中。其结果，能够使燃料电池10的耐久性提高。
[0080]E.第5实施方式:
[0081]图8是表示第5实施方式中的MEA20的截面结构的说明图。第5实施方式的燃料电池10除了 MEA20的构成不同这点以外，与第I实施方式是同样的。再者，在第5实施方式中，优选弹性构件640的横弹性系数Ge比电解质膜30的横弹性系数Gm小，但可以相同，也可以较大。
[0082]第5实施方式的MEA20中，电解质膜30和阳极电极40与阴极电极50的周缘面58的形状配合地向阴极电极50侧预先弯折。即，在第5实施方式中，在将MEA20夹持在阳极隔板610与阴极隔板620之间之前，在MEA20形成有变形部35。[0083]以上说明了的第5实施方式的燃料电池10，作为抑制向电解质膜30的变形部35的应力集中的应力抑制结构的至少一部分，具备下述结构:即将电解质膜30和阳极电极40与阴极电极50的周缘面58的形状配合地向阴极电极50侧预先弯折的结构。根据该第5实施方式的结构，通过对电解质膜30按压阳极电极40和阴极电极50的前后的电解质膜30的变形被缓和，能够抑制电解质膜30的应力集中。其结果，能够使燃料电池10的耐久性提闻。
[0084]F.第6实施方式:
[0085]图9是表示第6实施方式中的MEA20的截面结构的说明图。第6实施方式的燃料电池10除了 MEA20的构成不同这点以外，与第I实施方式是同样的。再者，在第6实施方式中，优选弹性构件640的横弹性系数Ge比电解质膜30的横弹性系数Gm小，但可以相同，也可以较大。
[0086]第6实施方式的MEA20中，阳极电极40的电极面42比阳极电极40的电极面41软。在本实施方式中，通过使阳极扩散层430的电极面42侧的纵弹性系数Esft小于阳极扩散层430的电极面41侧的纵弹性系数Ehrd，形成了电极面42比电极面41软的阳极电极40。阳极扩散层430的硬度可以通过变更构成材料的种类、密度等来变化。
[0087]在本实施方式中，阳极扩散层430具有纵弹性系数Esft的层和纵弹性系数Ehrd的层这两层结构。在别的实施方式中，阳极扩散层43可以具有包含3种以上不同的纵弹性系数的层的结构，也可以具有从电极面41侧朝向电极面42逐渐变软的结构。
[0088]以上说明了的第6实施方式的燃料电池10，作为抑制应力向电解质膜30的变形部35集中的应力抑制结构的至少一部分，具备使阳极电极40的电极面42比电极面41软的结构。根据该第6实施方式的结构，在阳极电极40中电极面42与电极面41相比较大地变形，电解质膜30的变形被缓和，由此能够抑制电解质膜30的应力集中。其结果，能够使燃料电池10的耐久性提高。
[0089]G.第7实施方式:
[0090]图10是表示第7实施方式中的MEA20的截面结构的说明图。第7实施方式的燃料电池10除了 MEA20的构成不同这点以外，与第I实施方式是同样的。再者，在第7实施方式中，优选弹性构件640的横弹性系数Ge比电解质膜30的横弹性系数Gm小，但可以相同，也可以较大。
[0091 ] 第7实施方式的MEA20中，在阳极电极40上预先形成了下挖部49，下挖部49是利用与将阳极电极40向电解质膜30按压的按压构件即板状构件630配合的形状，将阳极电极40的电极面42下挖而成的。即，第7实施方式中，在将MEA20夹持在阳极隔板610与阴极隔板620之间之前，在MEA20形成有下挖部49。在本实施方式中，通过切削阳极电极40的电极面42来形成下挖部49。
[0092]以上说明了的第7实施方式的燃料电池10，作为抑制应力向电解质膜30的变形部35集中的应力抑制结构的至少一部分，具备下述结构:即在阳极电极40上预先成形了下挖部49的结构，下挖部49是利用与作为按压构件的板状构件630配合的形状，将电极面42下挖而成的。根据该第7实施方式的结构，由板状构件630带来的介由阳极电极40的电解质膜30的变形被缓和，由此能够抑制电解质膜30的应力集中。其结果，能够使燃料电池10的耐久性提高。[0093]H.第8实施方式:
[0094]图11是表示第8实施方式中的燃料电池10的截面结构的说明图。第8实施方式的燃料电池10，除了使阴极电极50的刚性比阳极电极40的刚性小这点以外，与第I实施方式是同样的。再者，在第8实施方式中，优选弹性构件640的横弹性系数Ge比电解质膜30的横弹性系数Gm小，但可以相同，也可以较大。
[0095]第8实施方式中，通过使阴极扩散层530的刚性率Ge比阳极扩散层430的刚性率Ga小，来使阴极电极50的刚性比阳极电极40的刚性小。阳极扩散层430和阴极扩散层530的刚性率可以通过变更构成材料的种类、密度等来变化。第8实施方式中，阴极电极50的刚性比阳极电极40的刚性小，因此如图11所示，阴极电极50与阳极电极40相比沿层叠方向Ds被较大地压缩。
[0096]以上说明了的第8实施方式的燃料电池10，作为抑制应力向电解质膜30的变形部35集中的应力抑制结构的至少一部分，具备使阴极扩散层530的刚性率Ge比阳极扩散层430的刚性率Ga小的结构。根据该第8实施方式的结构，通过与阳极电极40相比阴极电极50较大地变形从而电解质膜30的变形被缓和，由此能够抑制电解质膜30的应力集中。其结果，能够使燃料电池10的耐久性提高。
[0097]1.第9实施方式:
[0098]图12是表示第9实施方式中的燃料电池10的截面结构的说明图。第9实施方式的燃料电池10除了使阳极电极40的刚性比阴极电极50的刚性小这点以外，与第I实施方式是同样的。再者，在第9实施方式中，优选弹性构件640的横弹性系数Ge比电解质膜30的横弹性系数Gm小，但可以相同，也可以较大。
[0099]第9实施方式中，能够使阳极扩散层430的刚性率Ga比阴极扩散层530的刚性率Ge小，来使阳极电极40的刚性比阴极电极50的刚性小。阳极扩散层430和阴极扩散层530的刚性率可以通过变更构成材料的种类、密度等来变化。第9实施方式中，阳极电极40的刚性比阴极电极50的刚性小，因此如图12所示，阳极电极40与阴极电极50相比沿层叠方向Ds被较大地压缩。
[0100]以上说明了的第9实施方式的燃料电池10，作为抑制应力向电解质膜30的变形部35集中的应力抑制结构的至少一部分，具备使阳极扩散层430的刚性率Ga比阴极扩散层530的刚性率Ge小的结构。根据该第9实施方式的结构，通过阳极电极40与阴极电极50相比较大地变形从而电解质膜30的变形被缓和，由此能够抑制电解质膜30的应力集中。其结果，能够使燃料电池10的耐久性提高。
[0101]J.别的实施方式:
[0102]以上，对于本发明的实施方式进行了说明，但本发明丝毫不被这样的实施方式限定，当然能够在不脱离本发明的主旨的范围内以各种形态实施。
[0103]例如，在上述的实施方式中，对于阴极电极50比阳极电极40小的燃料电池进行了说明，但在别的实施方式中，也可以在阳极电极40比阴极电极50小的燃料电池中应用本发明。
[0104]另外，不需要在阴极电极50的周缘面58沿着面方向Dp与电解质膜30的周缘面38和阳极电极40的周缘面48相比配置在靠内侧的部位的整个区域设置上述实施方式的应力抑制结构，也可以在至少一部分的区域设置各实施方式的应力抑制结构。[0105]另外，也可以适当组合上述实施方式中的两种以上的应力抑制结构。
[0106]附图标记说明
[0107]10…燃料电池
[0108]15…单元电池
[0109]20 …MEA
[0110]30…电解质膜
[0111]31…阳极面
[0112]32…阴极面
[0113]35…变形部
[0114]38…周缘面
[0115]40…阳极电极
[0116]41…电极面
[0117]42…电极面
[0118]48…周缘面
[0119]49…下挖部
[0120]50…阴极电极
[0121]51…电极面
[0122]52…电极面
[0123]58…周缘面
[0124]410…阳极催化剂层
[0125]430…阳极扩散层
[0126]510…阴极催化剂层
[0127]530…阴极扩散层
[0128]610…阳极隔板
[0129]620…阴极隔板
[0130]630…板状构件
[0131]640…弹 性构件
[0132]648…端面
[0133]650…气体流路构件
【权利要求】
1.一种燃料电池，具备: 电解质膜； 与所述电解质膜的一方的面接合的第I电极；和 与所述电解质膜的所述一方的面不同的另一方的面接合的第2电极， 作为所述第I电极的周缘的至少一部分的第I周缘部，沿着所述第I电极的面方向，配置在与所述电解质膜和所述第2电极的各周缘相比靠内侧， 还具备应力抑制结构，该结构抑制应力向所述电解质膜中的沿着所述第I周缘部的部位集中。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，所述应力抑制结构的至少一部分是下述结构:即在所述电解质膜的所述第I电极侧、且在沿着所述面方向与所述第I周缘部相比靠外侧，压接了与所述电解质膜相比横弹性系数小的弹性部件的结构。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池，所述应力抑制结构的至少一部分是下述结构:即使所述电解质膜与所述第2电极之间的接合强度，在沿着所述面方向与所述第I周缘部相比靠外侧小于在沿着所述面方向与所述第I周缘部相比靠内侧的结构。
4.根据权利要求3所述的燃料电池，所述电解质膜与所述第2电极之间在沿着所述面方向与所述第I周缘部相比靠内侧相互接合，并且在沿着所述面方向与所述第I周缘部相比靠外侧相互不接合。
5.根据权利要求1~4的任一项所述的燃料电池，所述应力抑制结构的至少一部分是下述结构:即所述第I电极的所述第I周缘部具有磁性，并且磁性体配置在相对于所述第2电极的与所述电解质膜接合的一侧的相反侧的结构，所述磁性体在与所述第I周缘部之间产生斥力。
6.根据权利要求1~5的任一项所述的燃料电池，所述应力抑制结构的至少一部分是下述结构:即所述第I电极的所述第I周缘部具有磁性，并且磁性体配置在相对于所述第I电极的与所述电解质膜接合的一侧的相反侧的结构，所述磁性体在与所述第I周缘部之间产生引力。
7.根据权利要求1~6的任一项所述的燃料电池，所述应力抑制结构的至少一部分是下述结构:即将所述电解质膜和所述第2电极与所述第I周缘部的形状配合地向所述第I电极侧预先弯折的结构。
8.根据权利要求1~7的任一项所述的燃料电池，所述第2电极具有: 一方的电极面，其作为对于所述电解质膜接合的一侧的面；和 另一方的电极面，其作为对于所述一方的电极面的相反侧的面， 所述应力抑制结构的至少一部分是所述另一方的电极面比所述一方的电极面软的结构。
9.根据权利要求1~8的任一项所述的燃料电池，所述第2电极具有: 一方的电极面，其作为对于所述电解质膜接合的一侧的面；和 另一方的电极面，其作为对于所述一方的电极面的相反侧的面， 所述应力抑制结构的至少一部分是下述结构:即在所述第2电极上预先成形了下挖部的结构，所述下挖部是利用与将所述第2电极向所述电解质膜按压的按压部件配合的形状，将所述另一方的电极面的一部分下挖而成的。
10.根据权利要求1~9的任一项所述的燃料电池，所述应力抑制结构的至少一部分是使所述第I电极的刚性比所述第2电极的刚性小的结构。
11.根据权利要求1~9的任一项所述的燃料电池，所述应力抑制结构的至少一部分是使所述第2电极的刚性 比所述第I电极的刚性小的结构。
【文档编号】H01M8/10GK103988351SQ201180075087
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2011年12月6日 优先权日:2011年12月6日
【发明者】平泽梨良, 渡边义一, 中西淳二, 大须贺重树, 吉川大雄 申请人:丰田自动车株式会社