燃料电池用单电池和燃料电池的制作方法

专利名称：燃料电池用单电池和燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池用单电池(cell for fuel cell)和燃料电池，特别是如下燃 料电池用单电池和燃料电池气密密封歧管开口部且抑制向发电领域的液状树脂浸渍，并 且，可以防止由阳极和阴极的第1和第2气体扩散层所引起的交叉泄露(cross leak)、短路 且可使叠层厚度薄层化。
背景技术：
例如，固体高分子型燃料电池，如图19所示，以将用燃料极96和空气极94两 块电极夹着由固体高分子膜形成的电解质膜92的接合体(MEA:膜电极组件，Membrane Electrode Assembly)再用两块隔板90夹持而成的单电池为最小单位，通常，重叠多个该 单电池制成燃料电池组(FCstack)，使得可得到高压电压。 固体高分子型燃料电池的发电的结构一般为向燃料极(阳极侧电极)96供给燃 料气体例如含有氢气的气体，另一方面向空气极(阴极侧电极)94供给氧化剂气体例如主 要含有氧气(02)的气体或空气。含有氢气的气体通过燃料气体流路被供给到燃料极96，借 助电极的催化剂的作用被分解为电子和氢离子(H+)。电子通过外部电路从燃料极96移动 到空气极94，产生电流。另一方面，氢离子(H+)通过电解质膜92到达空气极94，与氧气和 通过外部电路过来的电子结合，生成反应水(H20)。与氢气(H》、氧气(02)和电子的结合反 应同时产生的热由冷却水回收。 近年来，提出了使单元电池(unit cell)可由数量少的部件构成的、由接合体和气 体扩散层一体成形的燃料电池用构成部件(例如专利文献l)。如图20所示，该燃料电池 用构成部件具有由电解质膜1和在电解质膜1的两面隔着构成电极的催化剂担载层2a、3a 一体成形的气体扩散层2、3构成的MEA，还设置有从气体扩散层2、3的周缘部分向内侧以一 定宽度由液状橡胶或合成树脂构成的浸渍带部2b、3b，而且，在浸渍带部2b、3b的外表面以 包围整个浸渍带部2b、3b的方式一体成形有弹性材料制密封件4。 另外，专利文献2中的膜电极接合体如图21所示在电解质膜1的两面设置有增 强层5，在各增强层5的一部分分别层叠形成催化剂层2a、3a，进而层叠形成有气体扩散层 2、3。另一方面，在膜电极接合体的歧管开口部ll，在电解质膜l的两面设置有增强层5，另 外，在各增强层5层叠形成有粘结层8、隔板层6和浸渍部7，相对于歧管开口部11在面内 内侧方向和面内外侧方向的浸渍部7表面上形成有密封部9。因此，提出了如下膜电极接合 体如图21所示，在接合体的外周部形成粘结层8和隔板层6，而且，将阳极和阴极的各自 的气体扩散层2、3的外周部分别延长到歧管区域并且使该外周部浸渍密封材料形成浸渍 部7，由此，可抑制因成型时的压縮应力使气体扩散层咬入接合体，并且抑制电解质膜产生 破损。 专利文献1 :日本特开2006-236957号公报
专利文献2 :日本特开2007-42348号公报 但是，即使做成仅将气体扩散层延长到歧管区域且在延长的气体扩散层的周缘部浸渍了树脂、密封材料，若没有可靠地浸渍上述树脂、密封材料，则还是有可能降低气体密 封性，另一方面，在将上述树脂、密封材料浸渍到了气体扩散层的发电区域的情况下，供给 到发电区域的接合体的气体供给面积减少，因此，有可能减少燃料电池的发电效率。另外， 在专利文献2中提出的单元电池的结构中，具有粘结层或隔板层，因此，每单元电池的部件 数量增多，并且，为多层层叠，因此，单元电池的厚度增大，堆积(层叠)单电池形成的燃料 电池也有可能大型化。

发明内容
本发明是鉴于上述问题而做成的，提供一种可以减少单元电池的部件数量、并且 提高气密性、可小型化的燃料电池用单电池和燃料电池。 为了达成上述目的，本发明的燃料电池用单电池和燃料电池具有如下特征。
(1) —种燃料电池用单电池，由在电解质膜上具有燃料极和空气极的接合体、向上 述燃料极供给燃料气体的第1气体扩散部件、向上述空气极供给氧化剂气体的第2气体扩 散部件、和夹持上述第1气体扩散部件和接合体以及第2扩散部件的一对隔板构成，其中， 具有上述接合体所在的发电区域；和设置在上述发电区域的周围且形成有供燃料气体、 氧化剂气体和冷却介质流通的歧管开口部的歧管区域，上述第1气体扩散部件和上述第2 气体扩散部件中的至少一方延伸到上述歧管区域并且被浸渍液状树脂而被气密地密封；上 述第1气体扩散部件和上述第2气体扩散部件中的上述发电区域与上述歧管区域的边界部 的气孔率，至少比上述第1气体扩散部件和上述第2气体扩散部件中的发电区域和歧管区 域的气孔率小。 在第1气体扩散部件和第2气体扩散部件的边界部具有适于防止浸渍液状树脂向 发电区域的进入且气体难以通过的气孔率，因此，在歧管区域可确保气体密封性，并且，在 发电区域可维持气体扩散面积且提高发电区域的气体扩散性。 (2)在上述(1)中所记载的燃料电池用单电池中，上述第l气体扩散部件和上述第 2气体扩散部件中的任何一方延伸到上述歧管区域并且被浸渍液状树脂而被气密地密封。
第1气体扩散部件或第2气体扩散部件的任意一方延伸到歧管区域，由此，可以防 止在歧管区域的阴极和阳极之间的气体泄漏和短路。将液状树脂浸渍于延伸出的气体扩散 部件，因此，即使没有如专利文献2的粘结层，也可机械结合提高密封性。
(3)在上述(1)或(2)中记载的燃料电池用单电池中，上述第l气体扩散部件和上 述第2气体扩散部件中的上述发电区域与上述歧管区域的边界部的气孔率比上述第1气体 扩散部件和上述第2气体扩散部件中的歧管区域的气孔率小。 根据上述结构，可以抑制液状树脂浸渍到第1、第2气体扩散部件的发电区域。
(4)在上述(1) (3)中任意一项所记载的燃料电池用单电池中，进而，上述接合 体延伸到上述歧管区域并且与气密地进行密封的液状树脂粘结。 接合体一般与气密地密封歧管区域的液状树脂亲合性(affinity,亲合力)高，因 此，通过延伸到歧管区域的接合体与气密地密封歧管区域的液状树脂粘结，可进一步确保 燃料电池用单电池的粘结可靠性。因此，即使没有如专利文献2的粘结层，也可进一步机械 结合燃料电池而提高气体密封性。 (5)在上述(1) (4)中任意一项所记载的燃料电池用单电池中，上述第1扩散部件和第2扩散部件为分别设置于上述燃料极和空气极的气体扩散层。 可以减少单元电池的部件数量，并且可以提高歧管区域的气体密封性。
(6)在上述(1) (4)中任意一项所记载的燃料电池用单电池中，述隔板为上述接
合体侧表面为平滑面的扁平隔板(flat s印arator)，上述第1扩散部件和第2扩散部件为
分别配置在被分别设置于上述燃料极和空气极的各气体扩散层和上述扁平隔板之间的多
孔体流路层。 多孔体流路层为金属制，因此，与气体扩散层相比更易于在歧管区域浸渍液状树 脂，由此，特别是加热时的歧管区域的强度提高。由此，可抑制因成型时的挤压和气压所引 起的歧管区域的变形，进一步提高气体密封性。 (7)在上述(1) (6)中任意一项所记载的燃料电池用单电池中，上述第1气体扩 散部件和第2气体扩散部件的边界部的气孔直径为20 i！ m以下。 —般来说在燃料电池用单电池中，液状树脂不能流通的气孔直径为20iim以下； 通过将第1气体扩散部件和第2气体扩散部件的边界部的气孔直径设为20 ii m以下，可以 抑制在边界部的液状树脂的浸渍，因此，使良好的成形加工成为可能。 (8)在上述(6)中所记载的燃料电池用单电池中，多孔体流路层为在上述发电区 域、上述歧管区域、上述发电区域与上述歧管区域的边界部的气孔率不同的板条状金属网 或多孔金属网。 上述板条状金属网、多孔金属网可以可变地加工成期望的气孔率、并且可形成为 期望的厚度，而且，为金属制，因此，可以作为集电体起作用。 (9)在上述(1) (8)中任意一项所记载的燃料电池用单电池中，在上述歧管区域 设置有使上述第1气体扩散部件、接合体和第2扩散部件一体化、并且气密地密封上述歧管 开口部的周围的密封垫，上述第1气体扩散部件和第2气体扩散部件中的任何一方的扩大 到上述歧管区域的周缘部位于上述密封垫的厚度方向的中央。 通过使第1、第2气体扩散部件的任何一方的周缘部位于密封垫的厚度方向的中 央，相对于在堆积多个单元电池时从上下作用在密封垫上的挤压，由形成密封垫的树脂所 产生的反作用力均匀地进行作用，因此可以抑制由挤压所产生的密封垫的歪曲。由此，进一 步提高层叠单元电池的情况下的燃料电池的气体密封性。 (10)层叠上述(1) (9)中任意一项所记载的燃料电池用单电池而成的燃料电 池。 层叠削减了部件数量的单电池，因此，可以使燃料电池小型化，并且，气体密封性 提高，另外还可提高每个燃料电池的发电效率。 根据本发明，可以削减单元电池的部件数量，并且提高气体密封性，另外可提高每 个燃料电池用单电池的发电效率。


图1是说明本发明的燃料电池用单电池的膜电极接合体的结构的一例子的剖视 图。 图2是说明发明的燃料电池用单电池的另一膜电极接合体的结构的一例子的剖 视图。
视图。
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视图。

图3是说明发明的
图4是说明发明的
图5是说明发明的
图6是说明发明的
图7是说明发明的
燃料电池用单电池的另一膜电极接合体的结构的一例子的剖
燃料电池用单电池的另一膜电极接合体的结构的一例子的剖
燃料电池用单电池的另一膜电极接合体的结构的一例子的剖
燃料电池用单电池的另一膜电极接合体的结构的一例子的剖
燃料电池用单电池的另一膜电极接合体的结构的一例子的剖
图8是说明发明的燃料电池用单电池的另一膜电极接合体的结构的一例子的剖
图9是说明发明的燃料电池用单电池的另一
图io是说明发明的燃料电池用单电池的另
膜电极接合体的制造例子的剖视图。 膜电极接合体的结构的 一例子的 图11是表示用于多孔体流路层的气体扩散部件的一例子的立体图。 图12是表示用于制造多孔体流路层的气体扩散部件的切板(lath cut)装置的结
构的概略图。 图13是说明密封垫(gasket) —体型膜电极接合体的制造方法的工序的一例子的 图14是表示本发明的燃料电池用单电池的结构的一例子的剖视图。 图15是说明本发明的另一燃料电池用单电池的结构的一例子的剖视图。 图16是说明本发明的另一燃料电池用单电池的结构的一例子的剖视图。 图17是说明本发明的另一燃料电池用单电池的结构的一例子的剖视图。 图18A是说明密封部形成的一例子的图。 图18B是说明密封部形成的另一例子的图。 图19是说明燃料电池的单电池的构成和发电时的机理的图。 图20是表示以往的燃料电池用构成部件的结构的一例子的局部剖视图。 图21是表示以往的膜电极接合体的结构的一例子的局部剖视图。 附图标记说明 10A、10B、10C、10D、20A、20B、20C、20D、30、40 :膜电极接合体;12 :接合体;14 :气体
扩散层；14a、24a :发电区域部；14b、24b :边界部(分界部)；14c、24c :周缘部；16 :密封垫；
18 :歧管开口部；24、24A、24B :多孔体流路层。
具体实施例方式以下基于附图对本发明的实施方式进行说明。
第1实施方式 本实施方式的燃料电池用单电池(以下也称为"单元电池")如图1所示由后述的 一对隔板(未图示)夹持膜电极接合体10A而成，该膜电极接合体10A由在电解质膜上具有燃料极和空气极的接合体12、和向接合体12的燃料极和空气极分别供给燃料气体、氧化 剂气体的第1、第2气体扩散层14构成。在本实施方式中，本发明的第1、第2气体扩散层 部件为气体扩散层。 而且，本实施方式的燃料电池用单电池具有层叠接合体12和第1、第2气体扩散 层14而可发电的发电区域，和设置在上述发电区域周围且形成有供燃料气体、氧化剂气体 和冷却介质流通的歧管开口部18的歧管区域，第1、第2气体扩散层14的任何一方扩大到 歧管区域，气体扩散层14的一方的周缘部14c被浸渍液状树脂而气密性地密封。另外，在 歧管开口部18的周围形成使液状树脂固化形成具有弹性的密封垫16，周缘部14c还作为密 封垫16的芯材起作用。 在本实施方式的燃料电池用单电池中，上述的第1、第2气体扩散层14的上述发电 区域和上述歧管区域的边界部14b的气孔率，至少与第1、第2气体扩散层14的发电区域部 14a的气孔率和歧管区域的周缘部14c的气孔率相比，相对较小。而且，优选是第1、第2气 体扩散层14的边界部14b的气孔率比第1、第2气体扩散层14的歧管区域的周缘部14c的 气孔率小。更为优选是第1、第2气体扩散层14的上述发电区域和歧管区域之间的边界 部14b的气孔直径(内径，pore size)为液状树脂不能通过的气孔直径，例如为20 y m以 下。由此，在边界部14b可以抑制为形成歧管区域而浸渍的液状树脂进入到发电区域。
另外，上述的第1、第2气体扩散层14的发电区域部14a的气孔直径选择超过 20iim且可确保气体流通性的气孔直径。另一方面，第1、第2气体扩散层14的周缘部14c 的气孔直径也选择超过20 ii m且可浸渍用于形成歧管的液状树脂的气孔直径。
接着，作为上述接合体中的电解质膜可以使用例如Nafion(Nafion :注册商标、杜 邦公司制)等氟系膜、烃系膜(HC膜)。另外，燃料极、空气极为将电极催化剂担载在碳系载 体而成，作为电极催化剂可以举出由铂或含有铂的合金形成的催化剂，另外作为含有铂的 合金、进而可与铂一起含在催化剂中的金属，可举出铁、钴、镍、铬、铜、钒等，该电极催化剂 被担载在碳系载体上。 作为第1 、第2气体扩散层14可以使用例如纸、布、高瓦楞纸(highcushion paper)、多孔质的金属，另外，还可以是由具有疏水性(憎水性)的碳粒子的集合体构成的 碳粒子层。作为碳粒子可以举出例如炭黑、石墨、膨胀石墨等；但可以优选使用电子传导性 优异、比表面积大的油炉法炭黑(Oil-furnace Black)、槽法炭黑、灯黑、热裂法炭黑、乙炔 黑等炭黑。另外，为了防止燃料电池中的平化现象(flatting phenomenon)等，在第1、第 2气体扩散层14添加疏水剂，作为疏水剂例如可以举出聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙稀 (PVDF)、聚六氟丙烯、四氟乙烯一六氟丙烯共聚物(FEP)等氟系高分子材料、聚丙烯、聚乙 烯等。 作为用于形成上述密封垫16的液状树脂，例如可以使用热固化型硅酮系树脂、热 塑性树脂。 在本实施方式中，也可在上述第1、第2气体扩散层14的扩大(扩展)到歧管区 域的周缘部14c不添加上述疏水剂，维持气孔直径，提高浸渍的液状树脂的亲合性。
第2实施方式 图2中示出了第2实施方式的燃料电池用单电池的膜电极接合体10B的结构。在 上述的图1中所示的第1实施方式的膜电极接合体10A中，仅一方的气体扩散层14其端部
8延伸到歧管区域，而在第2实施方式的膜电极接合体10B中，第1、第2气体扩散层14的端 部分别延伸到歧管区域并且第1、第2气体扩散层14的周缘部14c以相互不重叠成层的方 式形成，除此之外，第2实施方式的膜电极接合体10B的结构与第1实施方式的膜电极接合 体IOA的结构相同。 另外，在上述第1、第2实施方式中，第1、第2气体扩散层14的延伸出的周缘部 14c以相互不重叠的方式形成，但在电解质膜同样延伸出或将未图示的膜(膜材质)配置在 两扩散层之间而能确保电气绝缘性的情况下，两气体扩散层14的周缘部14c也可相互重叠 地形成。 第3实施方式 图3中示出了第3实施方式的燃料电池用单电池的膜电极接合体10C的结构。在 上述的图1中所示的第1实施方式的膜电极接合体10A中，接合体12的端部越过发电区域 仅延伸到边界部，而在第3实施方式的膜电极接合体10C中，接合体12的两端部分别越过 边界部延伸到歧管区域，除此之外，第3实施方式的膜电极接合体10C的结构与第1实施方 式的膜电极接合体10A的结构相同。
第4实施方式 图4中示出了第4实施方式的燃料电池用单电池的膜电极接合体10D的结构。在 上述的图2中所示的第2实施方式的膜电极接合体10B中，接合体12的端部越过发电区域 仅延伸到边界部，而在第4实施方式的膜电极接合体10D中，接合体12的两端部分别越过 边界部延伸到歧管区域，除此之外，第4实施方式的膜电极接合体10D的结构与第2实施方 式的膜电极接合体10B的结构相同。 根据上述第3、第4实施方式，接合体12 —般与气密地密封歧管区域的液状树脂亲 合性高，因此，延伸到歧管区域的接合体与上述液状树脂粘结，由此，可进一步确保燃料电 池用单电池的粘结可靠性。
第5实施方式 接着，使用图5对第5实施方式的燃料电池用单电池进行说明。另外，对与上述第 1、第2、第3、第4实施方式相同的构成标注相同的附图标记，省略其说明。
本实施方式的燃料电池用单电池如图5所示由后述的一对隔板(未图示)夹持膜 电极接合体20A而成，该膜电极接合体20A由在电解质膜上具有燃料极和空气极的接合体 12，向接合体12的燃料极和空气极分别供给燃料气体、氧化剂气体的第1、第2气体扩散层 14，和层叠在第1、第2气体扩散层14的各个上的第1、第2多孔体流路层24构成。在本实 施方式中，本发明的第1、第2气体扩散部件为多孔体流路层。 而且，本实施方式的燃料电池用单电池具有层叠接合体12和第1、第2气体扩散 层14的可发电的发电区域，和设置在上述发电区域周围而且形成有供燃料气体、氧化剂气 体和冷却介质流通的歧管开口部18的歧管区域，第1、第2多孔体流路层24的任何一方延 伸到歧管区域，多孔体流路层24的一方的周缘部24c被浸渍液状树脂而被气密地密封。而 且，在歧管开口部18的周围形成使液状树脂固化形成而具有弹性的密封垫16，周缘部24c 还作为密封垫16的芯材起作用。 在本实施方式的燃料电池用单电池中，上述的第1、第2多孔体流路层24的上述 发电区域和上述歧管区域的边界部24b的气孔率，至少与第1、第2多孔体流路层24的发电区域部24a的气孔率和歧管区域的周缘部24c的气孔率相比，相对较小。而且，优选是第 1、第2多孔体流路层24的边界部24b的气孔率比第1、第2多孔体流路层24的歧管区域 的周缘部24c的气孔率小。更为优选是第1、第2多孔体流路层24的上述发电区域和歧 管区域之间的边界部24b的气孔直径为液状树脂不能通过的气孔直径，例如为20 m以下。 由此，在边界部24b确保气体密封性，而且，可以抑制为形成歧管区域而浸渍的液状树脂进 入到发电区域。 另外，上述的第1、第2多孔体流路层24的发电区域部24a的气孔直径选择超过 20iim且可确保气体流通性和排水性的气孔直径。另一方面，第1、第2多孔体流路层24的 周缘部24c的气孔直径也选择超过20 m且可浸渍用于形成歧管的液状树脂的气孔直径。
多孔体流路层24例如可以使用如图11所示的板条状金属网(lath cutmetal)或 多孔金属网(expanded metal，板网)。 在此，在本实施方式中，"板条状金属网"是指对平板状的薄金属板通过加工出依 次交错排列的裂缝(cut)并且挤压这些加工出的裂缝并使其弯曲，形成了网格状的小直径 的贯通孔的材料。另外，"多孔金属网"是指对平板状的薄金属板通过加工出依次交错排 列的裂缝并且挤压这些加工出的裂缝并使其弯曲，形成了网格状的小直径的贯通孔，然后 对其进行轧制加工而制成大致平板状的材料。多孔金属网成形为大致平板状，因此，例如可 以不需要设置用于除去在最终成形后的制品中的不必要的弯曲或凹凸等的工序，从而能够 降低制造成本。 另外，在本实施方式的多孔体流路层24兼做集电体的情况下，只要是用于后述的 金属隔板的金属材料，可以使用任何材料；但优选是具有在制造燃料电池时对抗层叠挤压 上述单电池时的压力且使规定(预定)的气体流通成为可能的某种程度的刚性的材料，例 如优选是钛、不锈钢材、铝。另外，在使用不锈钢材、铝材的情况下，优选是根据需要在后述 的槽加工、在切板加工之后进行表面处理，给表面赋予耐腐蚀性、导电性。
第6实施方式 在图6中表示第6实施方式的燃料电池用单电池的膜电极接合体20B的结构。在 上述的图5中所示的第5实施方式的膜电极接合体20A中，仅一方的多孔体流路层24其端 部延伸到歧管区域，而在第6实施方式的膜电极接合体20B中，第1、第2多孔体流路层24 的端部分别延伸到歧管区域并且第1、第2多孔体流路层24的周缘部24c以相互不重叠成 层的方式形成，除此之外，第6实施方式的膜电极接合体20B的结构与第5实施方式的膜电 极接合体20A的结构相同。 另外，在上述第5、第6实施方式中，第1、第2多孔体流路层24的延伸出的周缘 部24c以相互不重叠的方式形成，但在周缘部24c的液状树脂浸渍性高且被充分气密地密 封了的情况下，两多孔体流路层24的周缘部24c也可相互重叠形成。在这些结构中，多孔 体流路之间可确保做成MEA接合体12的厚度大小的间隙，因此，若以双方不接触的方式 成形或在任何一方的歧管部分预先实施绝缘处理，则在多孔体流路层之间不一定需要膜 (membrane)、薄膜(f i lm)。
第7实施方式 图7中示出了第7实施方式的燃料电池用单电池的膜电极接合体20C的结构。在 上述的图5中所示的第5实施方式的膜电极接合体20A中，接合体12的端部越过发电区域
10仅延伸到边界部，而在第7实施方式的燃料电池用单电池的膜电极接合体20C中，接合体12 的两端部分别越过边界部延伸到歧管区域，除此之外，第7实施方式的燃料电池用单电池 的膜电极接合体20C的结构与第5实施方式的膜电极接合体20A的结构相同。
第8实施方式 图8中示出了第8实施方式的燃料电池用单电池的膜电极接合体20D的结构。在
上述的图6中所示的第6实施方式的膜电极接合体20B中，接合体12的端部越过发电区域
仅延伸到边界部，而在第8实施方式的燃料电池用单电池的膜电极接合体20D中，接合体12
的两端部分别越过边界部延伸到歧管区域，除此之外，第8实施方式的燃料电池用单电池
的膜电极接合体20D的结构与第6实施方式的膜电极接合体20B的结构相同。 根据上述第7、第8实施方式，接合体12 —般与气密地密封歧管区域的液状树脂亲
合性高，因此，延伸到歧管区域的接合体与上述液状树脂粘结，由此，可进一步确保燃料电
池用单电池的粘结可靠性。 第9实施方式 接着，使用图9对第9实施方式的燃料电池用单电池进行说明。另外，对与上述第 1 第8实施方式相同的结构标注相同的附图标记，省略其说明。 在本实施方式中如图9所示，第1、第2多孔体流路层24A、24B的各自的周缘部24c 在歧管区域不相互重叠而向不同方向延伸成形。而且，如图9所示，在第1、第2多孔体流路 层24A、24B的各自的发电区域部24a，定位形成有接合体12和形成在接合体12的两面的 气体扩散层14的预(preliminary)膜电极接合体，通过由第1、第2多孔体流路层24A、24B 夹着上述预膜电极接合体，形成膜电极接合体30。另外，本实施方式的膜电极接合体30的 截面结构与图5所示的膜电极接合体20A的结构相同。 根据本实施方式，如上述那样形成阳极侧和阴极侧的第1、第2多孔体流路层24A、 24B，因此，可以防止阳极和阴极之间的短路、气体泄漏，还提高生产率。另外，第1、第2多孔 体流路层24A、24B的各个也可为与上述相反的阴极和阳极。 而且，作为如上述的第1、第2多孔体流路层24A、24B、使用例如板条状金属网的情 况下，可以使用如图12所示的切板装置50形成。 在图12所示的切板装置50，在被输送来要施加切板的金属板26的端部侧，设置有 由上下动作的切入用切板刀52a和固定刀52b构成的切板刀52。另外，固定刀52b固定在 切板装置50的被输送来金属板26的端部侧，而且，在固定刀52b的外侧形成有形成了切口 (notch)的板条状金属网54。因此，通过调整切板装置50的金属板26的输送量和切入用 切板刀52a的下降量，可以改变板条状金属网的各区域的气孔率。S卩，若以如图9所示的多 孔体流路层24A为例进行说明，则首先，在形成周缘部24c时，以例如使气孔直径超过20 ii m 且成为液状树脂可浸渍的开口率的方式调整金属板26的输送量和切入用切板刀52a的下 降量，接着，在形成边界部24b时，以例如使气孔直径为20 ii m以下的方式调整金属板26的 输送量和切入用切板刀52a的下降量，进而在形成发电区域部24a时，以例如使气孔直径超 过20 ii m且成为可确保气体流通性和排水性的开口率的方式调整金属板26的输送量和切 入用切板刀52a的下降量而形成，进而与上述同样地可变调整开口率地形成边界部24b、周 缘部24c，由此，可形成含有具有不同的气孔率的区域的多孔体流路层24A。边界部24b的 区域可通过进行金属板26的输送而不进行切板加工，从而制成实质上不存在气孔的结构。
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另外，在本实施方式中，具有气孔率不同的区域的多孔体流路层24A、24B的切板 的方向为一个方向，但不限于此，也可用上述切板装置50分别制作形成了发电区域部24a 和在其两端的边界部24b的板条状金属网、和形成了一对周缘部24c的板条状金属网，以切 板方向不同的方式接合(作为例子可举出焊接)这2种板条状金属网而制成多孔体流路层 24A、24B。 第10实施方式 接着，使用图10对第IO实施方式的燃料电池用单电池进行说明。另外，对与上述 第1 第9实施方式相同的结构标注相同的附图标记，省略其说明。 在本实施方式中，如图10所示，在一方的多孔体流路层24的周缘部24c的端部浸 渍液状树脂而形成了密封垫16时，以周缘部24c的端部位于密封垫16的厚度方向的中央 的方式预先使周缘部24c变形。位于中央的多孔体流路层24的周缘部24c作为增强层起 作用，在堆积单元电池形成堆叠体时，可以使由形成密封垫16的树脂所产生的反作用力均 匀作用而对抗从上下施加在密封垫16的挤压，其结果，可以抑制由挤压所产生的密封垫16 的变形(distortion)。由此，进一步提高层叠了单元电池的情况下的燃料电池的气体密封 性。 在图10中，使多孔体流路层24的周缘部24c变形作为密封垫16的增强层，但不 限于此，例如，也可使如图1所示的气体扩散层14的周缘部14c变形而作为增强层。另外， 由板条状金属网等形成的多孔体流路层24的厚度例如为0. 2mm 0. 3mm，与图1所示的气 体扩散层14的厚度例如100iim 280iim相比厚，因此作为增强层是合适的。而且，在由 板条状金属网形成多孔体流路层24的情况下，在上述的切板装置50 (图12)的切板加工时 在起点和终点进而进行弯曲加工使其变形，由此，可以形成上述变形了的周缘部24c。
使用图13对在上述第1 第10实施方式中浸渍液状树脂而一体形成膜电极接合 体的方法的一例子进行说明。在图13中示出了 使用金属模具注射成型例如液体注射成型 (LM， liquid injection molding)的例子。另外，作为后述的LIM材料60可以使用热固 化型硅系树脂、热塑性树脂，另外，在此为了方便说明将第1 第io实施方式的膜电极接合 体10A 10D、20A 20D、30、40总称为"膜电极接合体70"。 首先，在注射单元54量出例如形成密封垫用的由上述材料构成的LIM材料60，并 且，用固定工具62固定膜电极接合体70的周缘部而将膜电极接合体70设置在金属模具 内，其后，通过减压用配管58使金属模具内减压，抽出金属模具内的空气(S110)。接着，在 金属模具内变为了期望的减压状态的时刻停止减压动作，使注射单元54的活塞55动作，通 过注射用配管56、56a、56b向密封垫形成用金属模具部分80a、80b分别注射填充LIM材料 60(S120)。接着，在向密封垫形成用金属模具部分80a、80b分别注射填充LIM60完了之后， 加热固化LIM材料60 (S130)。由此，形成密封垫一体型膜电极接合体。
接着，在图14中示出了单元电池结构的一例子。图14所示的单元电池为由一对 扁平隔板22夹持着图5中所示的膜电极接合体20A。在此，扁平隔板22的膜电极接合体 20A(图5) —侧的表面为平滑面。 近年来从耐久性的角度出发变为广泛使用金属隔板作为燃料电池的隔板，但是， 该金属隔板必须同时具有耐腐蚀性和导电性两种特性。作为同时具有上述耐腐蚀性和导电 性两种特性的金属隔板可以举出钛制的隔板作为选择对象。但是，钛的刚性高，不象不锈钢那样挤压加工容易，因此，产生了必须用挤压以外的方法形成流路的要求。因此，提出了 用钛制隔板作为扁平隔板、在该扁平隔板和气体扩散层之间由多孔体形成流路的结构；作为该多孔体流路，可以将上述的板条状金属网或多孔金属网作为模拟的多孔体流路层使用。
在上述的单元电池中，使用图5所示的膜电极接合体20A进行了说明，但不限于此，也可以使用图6、图9、图10中所示的膜电极接合体20B、30、40的任何一种。
另外，在图15中示出了单元电池结构的另一例子。图15中所示的单元电池为由一对扁平隔板22夹持着图7中所示的膜电极接合体20C。在此，扁平隔板22的膜电极接合体20C(图7) —侧的表面为平滑面。另外，在上述单元电池中，使用图7中所示的膜电极接合体20C进行了说明，但不限于此，也可使用图8所示的膜电极接合体20D。
另外，在图16中示出了另一单元电池的结构的一例子。图16中所示的单元电池为由一对隔板28夹持着图1中所示的膜电极接合体IOA。在一对隔板28上形成反应气体流路34，而且，在形成有反应气体流路34的面的相反面形成有冷却介质流路(未图示)。作为隔板28由例如不锈钢材、铝材等金属材料形成。 对于上述另一单元电池使用图1中所示的膜电极接合体IOA进行了说明，但不限于此，也可使用图2中所示的膜电极接合体IOB。 另外，在图17中示出了单元电池结构的另一例子。图17中所示的单元电池为由一对扁平隔板22夹持着图3中所示的膜电极接合体IOC。在此，扁平隔板22的膜电极接合体10C(图3) —侧的表面为平滑面。另外，在上述单元电池中，使用图3中所示的膜电极接合体10C进行说明，但不限于此，也可使用图4中所示的膜电极接合体10D。
另外，也可预先如图18A、图18B所示密封(封闭)上述的第5 第10的实施方式的膜电极接合体20A 20D、30、40的多孔体流路层24、24A、24B的边界部24e、24f 。由此，在成形密封垫时，可以防止在多孔体流路层24、24A、24B必要以上地浸渍液状树脂，从而可以确保有效电极面积。另外，在密封的情况下，也可通过挤压形成边界部24e，另外还可通过钎焊、焊接或丝网印刷等预先浸渍别的树脂以形成边界部24f。另外，在没有形成多孔体流路层的歧管开口部的边侧，优选是与上述同样通过由挤压、钎焊、焊接或丝网印刷等预先浸渍别的树脂而形成密封部。由此，可以防止必要以上地浸渍液状树脂，从而可以确保有效电极面积。 进而，层叠上述的单元电池，形成燃料电池。由此，因为层叠削减了部件数量的单电池，所以可以使燃料电池小型化，并且，提高气体密封性，还可以提高每个燃料电池的发电效率。 另外，虽然对本发明做了详细说明，但本发明的保护范围不限于上述记载的内容。
另外，在2007年8月10日提出申请的日本特愿2007-209062、2007年12月6日提出申请的日本特愿2007-315737中公开的说明书中对发明的详细说明、权利要求书、附图和摘要所记载的全部分内容编入本申请。 本发明的燃料电池用单电池和燃料电池只要是使用燃料电池的用途的任何用途都是有效的，特别是可应用于车辆用燃料电池。
权利要求
一种燃料电池用单电池，由在电解质膜上具有燃料极和空气极的接合体、向上述燃料极供给燃料气体的第1气体扩散部件、向上述空气极供给氧化剂气体的第2气体扩散部件、和夹持上述第1气体扩散部件和接合体以及第2扩散部件的一对隔板构成，其中，具有上述接合体所在的发电区域；和设置在上述发电区域的周围且形成有供燃料气体、氧化剂气体和冷却介质流通的歧管开口部的歧管区域，上述第1气体扩散部件和上述第2气体扩散部件中的至少一方延伸到上述歧管区域并且被浸渍液状树脂而被气密地密封；上述第1气体扩散部件和上述第2气体扩散部件中的上述发电区域与上述歧管区域的边界部的气孔率，至少比上述第1气体扩散部件和上述第2气体扩散部件中的发电区域和歧管区域的气孔率小。
2. 根据权利要求1所述的燃料电池用单电池，其中，上述第1气体扩散部件和上述第2 气体扩散部件中的任何一方延伸到上述歧管区域并且被浸渍液状树脂而被气密地密封。
3. 根据权利要求1所述的燃料电池用单电池，其中，上述第1气体扩散部件和上述第 2气体扩散部件中的上述发电区域与上述歧管区域的边界部的气孔率比上述第1气体扩散 部件和上述第2气体扩散部件中的歧管区域的气孔率小。
4. 根据权利要求2所述的燃料电池用单电池，其中，上述第1气体扩散部件和上述第 2气体扩散部件中的上述发电区域与上述歧管区域的边界部的气孔率比上述第1气体扩散 部件和上述第2气体扩散部件中的歧管区域的气孔率小。
5. 根据权利要求1所述的燃料电池用单电池，其中，上述接合体延伸到上述歧管区域 并且与气密地进行密封的液状树脂粘结。
6. 根据权利要求2所述的燃料电池用单电池，其中，上述接合体延伸到上述歧管区域 并且与气密地进行密封的液状树脂粘结。
7. 根据权利要求3所述的燃料电池用单电池，其中，上述接合体延伸到上述歧管区域 并且与气密地进行密封的液状树脂粘结。
8. 根据权利要求4所述的燃料电池用单电池，其中，上述接合体延伸到上述歧管区域 并且与气密地进行密封的液状树脂粘结。
9. 根据权利要求1所述的燃料电池用单电池，其中，上述第1扩散部件和第2扩散部件 为分别设置于上述燃料极和空气极的气体扩散层。
10. 根据权利要求1所述的燃料电池用单电池，其中，上述隔板为上述接合体侧表面为 平滑面的扁平隔板，上述第1扩散部件和第2扩散部件为分别配置在被分别设置于上述燃料极和空气极的 各气体扩散层和上述扁平隔板之间的多孔体流路层。
11. 根据权利要求1所述的燃料电池用单电池，其中，上述第1气体扩散部件和第2气 体扩散部件的边界部的气孔直径为20 ii m以下。
12. 根据权利要求10所述的燃料电池用单电池，其中，多孔体流路层为在上述发电区 域、上述歧管区域、上述发电区域与上述歧管区域的边界部的气孔率不同的板条状金属网 或多孔金属网。
13. 根据权利要求1所述的燃料电池用单电池，其中，在上述歧管区域设置有使上述第 1气体扩散部件、接合体和第2扩散部件一体化、并且气密地密封上述歧管开口部的周围的密封垫，上述第1气体扩散部件和第2气体扩散部件中的任何一方的扩大到上述歧管区域的周 缘部位于上述密封垫的厚度方向的中央。
14. 一种层叠权利要求1所述的燃料电池用单电池而成的燃料电池。
15. —种层叠权利要求2所述的燃料电池用单电池而成的燃料电池。
16. —种层叠权利要求3所述的燃料电池用单电池而成的燃料电池。
17. —种层叠权利要求5所述的燃料电池用单电池而成的燃料电池。
全文摘要
本发明提供一种燃料电池用单电池，具有层叠接合体(12)和第1、第2气体扩散层(14)的可发电的发电区域、和设置在发电区域周围且形成有供气体等流通的歧管开口部(18)的歧管区域；第1、第2气体扩散层(14)的任何一方延伸到歧管区域；周缘部14c被形成在歧管开口部(18)的周围的密封垫(16)成形用液状树脂浸渍而被气密地密封。第1、第2气体扩散层(14)的边界部(14b)的气孔率与发电区域部(14a)、周缘部(14c)的气孔率相比小。
文档编号H01M8/10GK101779318SQ20088010269
公开日2010年7月14日 申请日期2008年8月6日 优先权日2007年8月10日
发明者加藤千智 申请人:丰田自动车株式会社