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燃料电池

阅读：169发布：2021-02-26

IPRDB可以提供燃料电池专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本公开涉及燃料电池。发电单电池(12)具备MEA(10a)、第一隔板(14)以及第二隔板(16)。MEA(10a)的外周部的框构件(24)具有框构件侧内周部(26)、被夹持在第一隔板(14)与第二隔板(16)之间的框构件侧外周部(25)。MEA(10a)的发电部的厚度方向中心位置(MO)与框构件侧外周部(25)的厚度方向中心位置(FO)位于相互偏移的位置。另外，对框构件侧外周部(25)进行密封的第一隔板(14)的第一密封线(42)与第二隔板(16)的第二密封线(44)相互为非对称形状。，下面是燃料电池专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种燃料电池(12、12A)，具备：

电解质膜-电极结构体(10a)，其在电解质膜(18)的两面具备第一电极(20)以及第二电极(22)；

第一隔板(14)，其层叠于所述电解质膜-电极结构体(10a)的所述第一电极(20)侧；以及第二隔板(16)，其层叠于所述电解质膜-电极结构体(10a)的所述第二电极(22)侧，其中，向在所述第一隔板(14)与所述第一电极(20)之间形成的第一流路(38)供给第一反应气体，向在所述第二隔板(16)与所述第二电极(22)之间形成的第二流路(36)供给第二反应气体，所述燃料电池(12、12A)的特征在于，在所述电解质膜-电极结构体(10a)的外周部设置围绕该外周部的框构件(24、24a)，所述框构件(24、24a)具有：框构件侧内周部(26)，其与所述电解质膜-电极结构体(10a)接合；以及框构件侧外周部(25)，其与所述框构件侧内周部(26)的外侧相连并且形成为比该框构件侧内周部(26)厚，被夹持在所述第一隔板(14)与所述第二隔板(16)之间，所述电解质膜-电极结构体(10a)的厚度方向中心位置(MO)与所述框构件侧外周部(25)的厚度方向中心位置(FO)位于相互偏移的位置，并且所述第一隔板(14)的对所述框构件侧外周部(25)进行密封的第一密封部(42)与所述第二隔板(16)的对所述框构件侧外周部(25)进行密封的第二密封部(44)相互为非对称形状。

2.根据权利要求1所述的燃料电池(12、12A)，其特征在于，所述第一密封部(42)以及所述第二密封部(44)具有：

在侧面剖面观察时，从平坦状的底部(43a、45a)朝向所述框构件侧外周部(25)倾斜并且靠近的一对倾斜部(43b、45b)；以及将所述一对倾斜部(43b、45b)桥连来对所述框构件侧外周部(25)进行密封的密封平坦部(43c、45c)。

3.根据权利要求2所述的燃料电池(12、12A)，其特征在于，关于所述第一密封部(42)以及所述第二密封部(44)，至所述框构件侧外周部(25)的高度相互不同，所述高度较低的密封部的所述一对倾斜部(45b)相对于所述密封平坦部(45c)的倾斜角比所述高度较高的密封部的所述一对倾斜部(43b)相对于所述密封平坦部(43c)的倾斜角大。

4.根据权利要求2所述的燃料电池(12、12A)，其特征在于，关于所述第一密封部(42)以及所述第二密封部(44)，至所述框构件侧外周部(25)的高度相互不同，所述高度较低的密封部的所述倾斜部(45b)与所述底部(45a)的连结部位的曲率半径比所述高度较高的密封部的所述倾斜部(43b)与所述底部(43a)的连结部位的曲率半径大。

5.根据权利要求2～4中的任一项所述的燃料电池(12、12A)，其特征在于，所述第一密封部(42)的所述密封平坦部(43c)的宽度与所述第二密封部(44)的所述密封平坦部(45c)的宽度相同。

6.根据权利要求5所述的燃料电池(12、12A)，其特征在于，所述第一密封部(42)的所述底部(43a)的宽度与所述第二密封部(44)的所述底部(45a)的宽度相同。

7.根据权利要求1所述的燃料电池(12、12A)，其特征在于，所述第一隔板(14)相对于所述电解质膜-电极结构体(10a)形成的所述第一流路(38)的高度与所述第二隔板(16)相对于所述电解质膜-电极结构体(10a)形成的所述第二流路(36)的高度相同。

8.根据权利要求1所述的燃料电池(12、12A)，其特征在于，所述第一密封部(42)以及所述第二密封部(44)由具有弹性的橡胶材料构成。

9.根据权利要求8所述的燃料电池(12、12A)，其特征在于，所述第一密封部(42)以及所述第二密封部(44)彼此的所述橡胶材料的材质或者截面形状不同。

10.根据权利要求1所述的燃料电池(12、12A)，其特征在于，所述第一密封部(42)的弹性模量与所述第二密封部(44)的弹性模量彼此相同。

说明书全文

燃料电池

技术领域

[0001] 本公开涉及在电解质膜-电极结构体的外周部设置框构件而成的燃料电池。

背景技术

[0002] 燃料电池(单位发电单电池：以下也称为发电单电池)具备：将阳极电极、固体高分子电解质膜、以及阴极电极层叠而成的电解质膜-电极结构体(MEA)；以及夹持电解质膜-电极结构体的一对隔板。在层叠状态下，在阳极电极与隔板之间设置供给燃料气体的燃料气体流路，在阴极电极与隔板之间设置供给氧化剂气体的氧化剂气体流路。将该发电单电池例如层叠规定的数量由此作为车载用燃料电池堆来使用。

[0003] 另外，近年来，电解质膜-电极结构体也有如美国专利第8399150号说明书所公开的那样构成为在外周组装框构件(副垫片(subgasket))而成的带框的MEA。此外，美国专利第8399150号说明书公开的燃料电池中，框构件与一对隔板非接触地层叠，但通常框构件的内周部接合于MEA，框构件的外周部被夹持于在一对隔板设置的突起状的密封部之间。由此，框构件削减高价的固体高分子电解质膜的使用量，并且保护为薄膜状、强度低的固体高分子电解质膜。

发明内容

[0004] 发明所要解决的问题

[0005] 然而，上述的带框的MEA谋求如下结构：一对隔板从框构件的外周部的两侧施加均匀的压力来进行密封，并且MEA与一对隔板以适度的接触压力来接触的结构。

[0006] 本发明是鉴于上述情形做出的，目的在于提供燃料电池，该燃料电池能够以简单的结构使隔板从框构件的两侧施加均匀的压力由此来提高密封性能，并能减少电解质膜-电极结构体与隔板之间的接触阻抗来提高耐久性能以及发电性能。

[0007] 用于解决问题的方案

[0008] 为了实现所述目的，本发明的燃料电池具备：电解质膜-电极结构体，其在电解质膜的两面具备第一电极以及第二电极；第一隔板，其层叠于所述电解质膜-电极结构体的所述第一电极侧；以及第二隔板，其层叠于所述电解质膜-电极结构体的所述第二电极侧，向在所述第一隔板与所述第一电极之间形成的第一流路供给第一反应气体，向在所述第二隔板与所述第二电极之间形成的第二流路供给第二反应气体，所述燃料电池的特征在于，在所述电解质膜-电极结构体的外周部设置围绕该外周部的框构件，所述框构件具有：框构件侧内周部，其与所述电解质膜-电极结构体接合；以及框构件侧外周部，其与框构件侧内周部的外侧相连并且形成为比该框构件侧内周部厚，被夹持在所述第一隔板与所述第二隔板之间，所述电解质膜-电极结构体的厚度方向中心位置与所述框构件侧外周部的厚度方向中心位置位于相互偏移的位置，并且所述第一隔板的对所述框构件侧外周部进行密封的第一密封部与所述第二隔板的对所述框构件侧外周部进行密封的第二密封部相互为非对称形状。

[0009] 另外优选为，所述第一密封部以及所述第二密封部具有：在侧面剖面观察时，从平坦状的底部朝向所述框构件侧外周部倾斜并且靠近的一对倾斜部；以及将所述一对倾斜部桥连来对所述框构件侧外周部进行密封的密封平坦部。

[0010] 此外可以是，关于所述第一密封部以及所述第二密封部，至所述框构件侧外周部的高度相互不同，所述高度较低的密封部的所述一对倾斜部相对于所述密封平坦部的倾斜角比所述高度较高的密封部的所述一对倾斜部相对于所述密封平坦部的倾斜角大。

[0011] 还优选为，关于所述第一密封部以及所述第二密封部，至所述框构件侧外周部的高度相互不同，所述高度较低的密封部的所述倾斜部与所述底部的连结部位的曲率半径比所述高度较高的密封部的所述倾斜部与所述底部的连结部位的曲率半径大。

[0012] 还可以是，所述第一密封部的所述密封平坦部的宽度与所述第二密封部的所述密封平坦部的宽度相同。

[0013] 除上述结构以外还可以是，所述第一密封部的所述底部的宽度与所述第二密封部的所述底部的宽度相同。

[0014] 而且优选为，所述第一隔板相对于所述电解质膜-电极结构体形成的所述第一流路的高度与所述第二隔板相对于所述电解质膜-电极结构体形成的所述第二流路的高度相同。

[0015] 另外也可以是，所述第一密封部以及所述第二密封部由具有弹性的橡胶材料构成。

[0016] 该情况下可以是，所述第一密封部以及所述第二密封部彼此的所述橡胶材料的材质或者截面形状不同。

[0017] 而且优选为，所述第一密封部的弹性模量与所述第二密封部的弹性模量彼此相同。

[0018] 发明的效果

[0019] 根据本发明，关于燃料电池，电解质膜-电极结构体的厚度方向中心位置与框构件侧外周部的厚度方向中心位置位于相互偏移的位置，并且第一密封部与第二密封部相互为非对称形状，由此能够良好地对各隔板与框构件进行密封。即，关于燃料电池，隔板从框构件的两侧施加均匀的压力，由此能够提高密封性能，能够抑制反应气体的泄漏。另外，燃料电池减小了电解质膜-电极结构体与各隔板之间的接触阻抗，能够大幅提高耐久性能以及发电性能。

[0020] 参照附图所作的对以下的实施方式进行的说明，容易理解所述目的、特征以及优点。

附图说明

[0021] 图1是本发明的第一实施方式所涉及的发电单电池的主要部分分解立体图。

[0022] 图2是图1中的II-II线剖视图。

[0023] 图3是燃料电池系统的整体概要图。

[0024] 图4是示出本发明的第二实施方式所涉及的发电单电池的主要部分的剖视图。

具体实施方式

[0025] 以下，关于本发明例举优选的实施方式，参照附图进行详细说明。

[0026] 〔第一实施方式〕

[0027] 如图1所示，第一实施方式所涉及的发电单电池(燃料电池)12具备：带框的电解质膜-电极结构体10(以下称为带框的MEA 10)、在带框的MEA 10的两面配置的第一隔板14以及第二隔板16。发电单电池12例如是横长(或者纵长)的长方形的固体高分子型燃料电池。多个发电单电池12在箭头符号A方向(水平方向)层叠，来构成燃料电池堆11a。此外也可以是，多个发电单电池12在重力方向层叠。燃料电池堆11a例如作为车载用燃料电池堆被搭载于燃料电池电动汽车(未图示)。

[0028] 带框的MEA 10具备电解质膜-电极结构体10a(以下称为“MEA 10a”)。MEA 10a具有：电解质膜18、在电解质膜18的两面分别配置的阳极电极(第一电极)20以及阴极电极(第二电极)22。

[0029] 另外关于发电单电池12，由第一隔板14以及第二隔板16夹持带框的ME A 10。第一隔板14以及第二隔板16例如是通过如下方式构成的：将钢板、不锈钢板、铝板、镀处理钢板、或者对其金属表面实施了用于防腐蚀的表面处理而成的金属板进行冲压成型来将截面形成为凹凸形状，对碳构件进行成形或者切削加工等。

[0030] 在发电单电池12的箭头符号B方向(水平方向)的一端缘部，以在层叠方向即箭头符号A方向相同连通孔相互连通的方式设置氧化剂气体入口连通孔30a、冷却介质入口连通孔32a以及燃料气体出口连通孔34b。氧化剂气体入口连通孔30a供给氧化剂气体(第二反应气体)、例如空气等含氧气体。冷却介质入口连通孔32a供给纯水、乙二醇、油等冷却介质。燃料气体出口连通孔34b排出燃料气体(第一反应气体)、例如含氢气体。氧化剂气体入口连通孔30a、冷却介质入口连通孔32a以及燃料气体出口连通孔34b在箭头符号C方向(铅垂方向)排列设置。

[0031] 在发电单电池12的箭头符号B方向的另一端缘部，以在箭头符号A方向相同连通孔相互连通的方式设置供给燃料气体的燃料气体入口连通孔34a、排出冷却介质的冷却介质出口连通孔32b、以及排出氧化剂气体的氧化剂气体出口连通孔30b。燃料气体入口连通孔34a、冷却介质出口连通孔32b以及氧化剂气体出口连通孔30b在箭头符号C方向排列设置。

[0032] 在第一隔板14的朝向带框的MEA 10的面14a，设置与燃料气体入口连通孔34a和燃料气体出口连通孔34b连通的燃料气体流路(第一流路)38(也参照图2)。具体来说，燃料气体流路38形成于第一隔板14与阳极电极20之间。燃料气体流路38具有在箭头符号B方向延伸的多个直线状流路槽(或者波状流路槽)。

[0033] 在第二隔板16的朝向带框的MEA 10的面16a，设置与氧化剂气体入口连通孔30a和氧化剂气体出口连通孔30b连通的氧化剂气体流路(第二流路)36(也参照图2)。具体来说，氧化剂气体流路36形成于第二隔板16与阴极电极22之间。氧化剂气体流路36具有在箭头符号B方向延伸的多个直线状流路槽(或者波状流路槽)。

[0034] 另外，关于多个发电单电池12，在层叠的状态下彼此相邻的第一隔板14的面14b与第二隔板16的面16b之间，形成与冷却介质入口连通孔32a和冷却介质出口连通孔32b连通并且在箭头符号B方向延伸的冷却介质流路40。

[0035] 如图2所示，在第一隔板14的面14a(与带框的MEA 10相向的面)，设置形成燃料气体流路38的多个凸部39。凸部39朝向阳极电极20侧鼓出并且抵接于阳极电极20。在第二隔板16的面16a(与带框的MEA 10相向的面)，设置形成氧化剂气体流路36的多个凸部37。凸部37朝向阴极电极22侧鼓出并且抵接于阴极电极22。也就是说，凸部37与凸部39相向，其间夹持着MEA 10a的发电部(有效区域(日文：アクティブエリア))。

[0036] 另外在本实施方式中，设定为第一隔板14的凸部39的高度SH1与第二隔板16的凸部37的高度SH2と相同。另外，第一以及第二隔板14、16的凸部37、39的平坦部(与阳极电极20以及阴极电极22接触的部分、以及隔板彼此接触的部分)的宽度也彼此相同。因此，第一隔板14形成的燃料气体流路38的流路截面积与第二隔板16形成的氧化剂气体流路36的流路截面积一致。

[0037] MEA 10a的电解质膜18例如是固体高分子电解质膜(阳离子交换膜)，固体高分子电解质膜例如可应用含水份的全氟磺酸的薄膜。此外，电解质膜18除能够使用氟系电解质以外，还能够使用HC(炭化氢)系电解质。

[0038] 阳极电极20具有：与电解质膜18的一方的面18a接合的第一电极催化剂层20a、层叠于第一电极催化剂层20a的第一气体扩散层20b。第一电极催化剂层20a以及第一气体扩散层20b具有彼此相同的平面尺寸(外形尺寸)，并且设定为比电解质膜18以及阴极电极22大的平面尺寸。

[0039] 阴极电极22具有与电解质膜18的面18b接合的第二电极催化剂层22a、层叠于第二电极催化剂层22a的第二气体扩散层22b。第二电极催化剂层22a以及第二气体扩散层22b具有彼此相同的平面尺寸，并且设定为与电解质膜18相同的平面尺寸。从而，在电解质膜18的面方向(图2中箭头符号C方向)，阴极电极22的外周端22e位于与电解质膜18的外周端18e相同的位置。

[0040] 阴极电极22的外周端22e以及电解质膜18的外周端18e遍及整周地，位于比阳极电极20的外周端20e靠内方的位置。此外也可以是，阴极电极22设定为比阳极电极20大的平面尺寸，阴极电极22的外周端22e遍及整周地，位于比阳极电极20的外周端20e靠外方的位置(也参照图4)。或者也可以是，阳极电极20与阴极电极22设定为相同的平面尺寸，阳极电极20的外周端20e与阴极电极22的外周端22e在电解质膜18的面方向(图2中箭头符号C方向)为相同位置。

[0041] 第一电极催化剂层20a例如是将表面承载了白金合金的多孔质碳粒子和离子导电性高分子粘合剂一起均匀地涂布在第一气体扩散层20b的表面而形成的。第二电极催化剂层22a例如是将表面承载了白金合金的多孔质碳粒子和离子导电性高分子粘合剂一起均匀地涂布在第二气体扩散层22b的表面而形成的。第一电极催化剂层20a与第二电极催化剂层22a的厚度相同。第二电极催化剂层22a的平面尺寸设定为比第一电极催化剂层20a的平面尺寸小。

[0042] 另外，第一气体扩散层20b以及第二气体扩散层22b是由碳纸或者碳布等形成的。第一气体扩散层20b与第二气体扩散层22b的厚度相同。第二气体扩散层22b的平面尺寸设定为比第一气体扩散层20b的平面尺寸小。从而，MEA10a的发电部(有效区域)的厚度方向中心位置MO与电解质膜18的厚度方向中心位置一致。此外也可以是，第一电极催化剂层20a的厚度形成为比第二电极催化剂层22a的厚度薄。另外也可以是，在第一电极催化剂层20a与第一气体扩散层20b之间、在第二电极催化剂层22a与第二气体扩散层22b之间夹装导电性多孔质层。

[0043] 如图1以及图2所示，带框的MEA 10还具备框构件(副垫片)24，该框构件24围绕电解质膜18的外周，并且与阳极电极20以及电解质膜18接合。框构件24在框构件侧外周部25具有厚度不同的两个框状片。具体来讲，具有：从框构件24的框构件侧外周部25向内侧延伸并且与MEA 10a的外周部接合的第一框状片24a、与该第一框状片24a的外周部24ao接合的第二框状片24b。第一框状片24a与第二框状片24b利用由接合剂形成的接合层24c来在厚度方向相互接合。由此，框构件24的框构件侧外周部25构成为比框构件24的框构件侧内周部26厚。

[0044] 第一框状片24a形成为比第二框状片24b薄。第一框状片24a的内周部24a n从与第二框状片24b接合的外周部24ao向内方延伸，构成配置于MEA 10a的内部并与MEA 10a的内部接合的框构件侧内周部26。

[0045] 具体来说，第一框状片24a的内周部24an被夹持在电解质膜18的外周部18c与阳极电极20的外周部20c之间。第一框状片24a的内周部24an与电解质膜18的外周部18c经由接合层24c来接合。

[0046] 因此，在阳极电极20，在与第一框状片24a的内周端24ae对应的位置，形成台阶。也就是说，阳极电极20在同第一框状片24a的内周部24an重叠的区域21a与同电解质膜18重叠的区域21b之间具有倾斜区域21c。倾斜区域21c中的第一电极催化剂层20a以及第一气体扩散层20b相对于电解质膜18倾斜。

[0047] 在阳极电极20中，与同电解质膜18重叠的区域21b的靠第一隔板14侧的面相比，同第一框状片24a的内周部24an重叠的区域21a的靠第一隔板14侧的面位于与电解质膜18分离的位置。

[0048] 另一方面，阴极电极22遍及从同电解质膜18重叠的区域23b至同第一框状片24a的内周部24an重叠的区域23a地形成为平坦状。从而，遍及从同电解质膜18重叠的区域23b至同第一框状片24a的内周部24an重叠的区域23a，第二电极催化剂层22a以及第二气体扩散层22b与电解质膜18平行。此外也可以是，阴极电极22在与阳极电极20的倾斜区域21c对应的区域具有倾斜区域。

[0049] 第一框状片24a的外周部24ao的厚度FT1(从接合层24c的中心至第一框状片24a的外侧的厚度)与第二框状片24b的厚度FT2(从接合层24c的中心至第二框状片24b的外侧的厚度)设定为FT1

[0050] 这里，框构件24的框构件侧外周部25的厚度方向中心位置FO与MEA 10a的发电部的厚度方向中心位置MO在侧面剖面观察时相互偏离(偏移)。具体来说，框构件24的厚度方向中心位置FO比MEA 10a的厚度方向中心位置MO靠第二隔板16侧。换言之，带框的MEA10以框构件24的框构件侧外周部25的配置位置以及厚度与MEA 10a的有效区域的配置位置以及厚度相互偏离的方式，被各隔板14、16夹持。可考虑包括MEA 10a和框构件侧外周部25的发电单电池12的厚度、各隔板14、16的厚度等，来设计框构件24的厚度方向中心位置FO与MEA 10a的发电部的厚度方向中心位置MO的偏离量X。

[0051] 第二框状片24b的内周端24be位于比第一框状片24a的内周端24ae靠外方(从MEA 10a分离的方向)的位置，并且位于比阳极电极20的外周端20e以及阴极电极22的外周端22e靠外方的位置。在第二框状片24b的内周端24be与阴极电极22的外周端22e之间形成间隙G。
间隙G构成后述的流路36a的一部分。

[0052] 第一框状片24a以及第二框状片24b由树脂材料构成。作为第一框状片24a以及第二框状片24b的构成材料，例如可以举出PPS(聚苯硫醚)、PPA(聚邻苯二甲酰胺)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PES(聚醚砜)、LCP(液晶聚合物)、PVDF(聚偏氟乙烯)、硅树脂、氟树脂、m-PPE(改性聚苯醚树脂)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)或者改性聚烯烃等。

[0053] 在第一框状片24a的靠第二框状片24b侧(阴极侧)的面24as，遍及整面地设置接合层24c。第一框状片24a在上述间隙G的部位处经由接合层24c暴露于间隙G(流路36a)。作为构成接合层24c的接合剂，例如设置液状接合剂、热熔片。此外，接合剂不限于液体、固体、热可塑性、热固化性等。

[0054] 在第一隔板14的面14a，设置围绕该第一隔板14的外周部的第一密封线42(金属凸起密封件：第一密封部)。第一密封线42与第一隔板14一体地朝向框构件24鼓出，一边弹性变形一边气密并且液密地抵接于第一框状片24a的外周部24ao(与第二框状片24b重叠的区域)。第一密封线42具有：外侧凸起部42a、比外侧凸起部42a靠内侧设置的内侧凸起部42b。此外也可以是，第一密封线42仅由外侧凸起部42a和内侧凸起部42b中的任一方构成。此外也可以是，在第一密封线42与第一框状片24a之间涂布树脂材料。

[0055] 内侧凸起部42b将燃料气体流路38、燃料气体入口连通孔34a以及燃料气体出口连通孔34b包围并且使它们连通。在比第一密封线42靠内方(MEA 10a侧)处，在第一隔板14与框构件24之间形成的流路38a与燃料气体流路38连通，供给燃料气体。

[0056] 在第二隔板16的面16a，设置围绕该第二隔板16的外周部的第二密封线44(金属凸起密封件：第二密封部)。第二密封线44与第二隔板16一体地朝向框构件24鼓出，一边弹性变形一边气密且液密地抵接于第二框状片24b。第一密封线42与第二密封线44隔着框构件24相向，在其之间夹持框构件24。第二密封线44也具有：外侧凸起部44a、比外侧凸起部44a靠内侧设置的内侧凸起部44b。此外也可以是，在第二密封线44与第二框状片24b之间涂布树脂材料。

[0057] 内侧凸起部44b将氧化剂气体流路36、氧化剂气体入口连通孔30a以及氧化剂气体出口连通孔30b包围并且使它们连通。在比第二密封线44靠内方(M EA 10a侧)处，在第二隔板16与框构件24之间形成的流路36a与氧化剂气体流路36连通，供给氧化剂气体。也可以是，第一密封线42以及第二密封线44由具有弹性地橡胶材料构成，一体化地形成于隔板14、16。

[0058] 这里，第一密封线42的各凸起部42a、42b的高度BH1、第二密封线44的各凸起部44a、44b的高度BH2，设定为BH1>BH2的关系。另一方面，第一密封线42与第二密封线44构成为彼此的弹性模量(弹簧常数)(日文：弾性率(バネ定数))相等。因此，各凸起部42a、42b与各凸起部44a、44b相互形成为非对称形状(不是线对称(日文：線対称)的形状)。

[0059] 具体来讲，第一隔板14在侧面剖面观察时从框构件24分离的位置处具有平坦状的底部43a。而且，第一密封线42的各凸起部42a、42b形成为与构成第一隔板14的燃料气体流路38的凸部39不同形状的梯形并且从底部43a突出。

[0060] 各凸起部42a、42b具有：与底部43a相连并且倾斜地向框构件侧外周部25突出的一对倾斜部43b；将一对倾斜部43b桥连(日文：架橋)并且对框构件侧外周部25进行密封的密封平坦部43c。另外，底部43a与一对倾斜部43b的各连结部位形成为具有规定的曲率半径R1的圆角43r。

[0061] 第二隔板16在侧面剖面观察时从框构件24分离的位置处具有平坦状的底部45a。而且，第二密封线44的各凸起部44a、44b形成为与构成第二隔板16的氧化剂气体流路36的凸部37不同形状的梯形并且从底部45a突出。

[0062] 各凸起部44a、44b具有：与底部45a相连并且倾斜地向框构件侧外周部25靠近的一对倾斜部45b；将一对倾斜部45b桥连并且对框构件侧外周部25进行密封的密封平坦部45c。另外，底部45a与一对倾斜部45b的各连结部位形成为具有规定的曲率半径R2的圆角45r。

[0063] 第一密封线42的底部43a的宽度Wb1与第二密封线44的底部45a的宽度Wb2设定为相同尺寸。还有，第一密封线42的各凸起部42a、42b的密封平坦部43c的宽度Ws1与第二密封线44的各凸起部44a、44b的密封平坦部45c的宽度Ws2设定为相同尺寸。

[0064] 另一方面，如上所述，与第一密封线42的各凸起部42a、42b的高度BH1相比，第二密封线44的各凸起部44a、44b的高度BH2低。因此，一对倾斜部45b相对于各凸起部44a、44b的密封平坦部45c的倾斜角β为比一对倾斜部43b相对于各凸起部42a、42b的密封平坦部43c的倾斜角α大的角度。还有，将底部45a与第二密封线44之间相连的一对圆角45r的曲率半径R2也比将底部43a与第一密封线42之间相连的一对圆角43r的曲率半径R1大。

[0065] 也就是说，第二密封线44由于倾斜角β大并且圆角45r的曲率半径R2大，因此使各凸起部44a、44b的弹性模量降低，成为与第一密封线42的各凸起部42a、42b的弹性模量相等。此外，只要第一密封线42与第二密封线44彼此的弹性模量相等即可。因此，可以设为如下结构：倾斜角α与倾斜角β、以及曲率半径R1与曲率半径R2中的任一方相互不同，由此使弹性模量相等。具体来讲，也可以是一对倾斜部43b、45b的倾斜角α、β相互相同而曲率半径R1、R2不同的形状，该情况下可以是，底部43a的宽度Wb1与底部45a的宽度W b2设定为Wb1≠Wb2的关系，或者密封平坦部43c的宽度Ws1与密封平坦部45c的宽度Ws2设定为Ws1≠Ws2的关系。相反，也可以是一对倾斜部43b、45b的倾斜角α、β相互不同而曲率半径R1、R2相同(或者不是圆角的形状)。另外，例如可采用在一对倾斜部43b与密封平坦部43c的各连结部位处均形成圆角、或者在一对倾斜部45b与密封平坦部45c的各连结部位处均形成圆角等各种形状。

[0066] 还有，在第一隔板14，形成燃料气体流路38的凸部39的底部与第一密封线42的各凸起部42a、42b的底部43a相互设定为同一面(相同高度)。同样地，在第二隔板16，形成氧化剂气体流路36的凸部37的底部与第二密封线44的各凸起部44a、44b的底部45a相互设定为同一面(相同高度)。

[0067] 如图3所示，燃料电池系统11具备：上述的燃料电池堆11a；氧化剂气体供给装置50，其向燃料电池堆11a供给氧化剂气体；燃料气体供给装置52，其向燃料电池堆11a供给燃料气体；以及冷却介质供给装置54，其向燃料电池堆11a供给冷却介质。

[0068] 氧化剂气体供给装置50具有：氧化剂气体供给配管64a，其经由在燃料电池堆11a设置的氧化剂气体供给歧管58a来与氧化剂气体入口连通孔30a(参照图1)连通；以及氧化剂气体排出配管64b，其经由在燃料电池堆11a设置的氧化剂气体排出歧管58b来与氧化剂气体出口连通孔30b(参照图1)连通。在氧化剂气体供给配管64a配设气泵66。在氧化剂气体排出配管64b配设背压调整阀68。

[0069] 在氧化剂气体供给配管64a以及氧化剂气体排出配管64b配设对所供给的空气进行加湿的加湿器67。在氧化剂气体供给配管64a，在比加湿器67靠上游侧配设气泵66。在氧化剂气体排出配管64b，在比加湿器67靠下游侧配设背压调整阀68。燃料电池系统11的控制部70例如控制气泵66的动作速度和背压调整阀68的阀开度的至少一方，由此控制在氧化剂气体流路36流通的氧化剂气体的压力。

[0070] 燃料气体供给装置52具有：燃料气体供给配管72a，其经由在燃料电池堆11a设置的燃料气体供给歧管60a来与燃料气体入口连通孔34a(参照图1)连通；以及燃料气体排出配管72b，其经由在燃料电池堆11a设置的燃料气体排出歧管60b来与燃料气体出口连通孔34b(参照图1)连通。

[0071] 在燃料气体供给配管72a的上游配置贮存高压的氢的氢罐74。在燃料气体供给配管72a，在燃料气体供给歧管60a与氢罐74之间配设密封阀76、压力调整阀77以及引射器(日文：エゼクタ)78。引射器78和燃料气体排出配管72b与氢循环路径80连接。在氢循环路径80配设用于氢循环的氢泵82。控制部70控制氢泵82的驱动速度，由此控制在燃料气体流路38流通的燃料气体的流量。

[0072] 冷却介质供给装置54具备向燃料电池堆11a循环供给冷却介质的冷却介质循环路径84。冷却介质循环路径84经由在燃料电池堆11a设置的冷却介质供给歧管62a来与冷却介质入口连通孔32a(参照图1)连通，并且经由冷却介质排出歧管62b来与冷却介质出口连通孔32b(参照图1)连通。在冷却介质循环路径84配置散热器86以及冷却泵88。控制部70控制冷却泵88的驱动速度，由此控制在冷却介质流路40流通的冷却介质的流量。

[0073] 本实施方式所涉及的发电单电池(燃料电池)12基本上是如以上那样构成的，以下说明发电单电池12的制造以及应用了该发电单电池12的燃料电池系统11的动作。

[0074] 关于发电单电池12，首先在电解质膜18与阳极电极20之间夹着框构件24来相互接合从而制造带框的MEA 10。该情况下，框构件24的接合层24c与电解质膜18接合。然后，在带框的MEA 10的一方的面配置第一隔板14，并且在带框的MEA 10的另一方的面配置第二隔板16，夹持带框的MEA 10来形成凸起密封件构造。也可以是，代替凸起密封件而使用由具有弹性的橡胶材料形成的密封件。该情况下，密封件的高度相同。

[0075] 在此如上所述，被各隔板14、16夹持的MEA 10a的发电部的厚度方向中心位置MO与框构件24的框构件侧外周部25的厚度方向中心位置FO偏移。另一方面，关于发电单电池12，与第一隔板14的第一密封线42的各凸起部42a、42b的高度BH1相比，第二隔板16的第二密封线44的各凸起部44a、44b的高度BH2低(BH1>BH2)。而且，第一密封线42的各凸起部42a、42b与第二密封线44的各凸起部44a、44b相互为非对称形状，由此设计为弹性模量相等。

[0076] 具体来讲，第二密封线44的各凸起部44a、44b的一对倾斜部45b的倾斜角β成为比第一密封线42的各凸起部42a、42b的一对倾斜部43b的倾斜角α大的角度。还有，第二密封线44的一对圆角45r的曲率半径R2比第一密封线42的一对圆角43r的曲率半径R1大。

[0077] 由此，第二密封线44的各凸起部44a、44b的弹性模量降低，成为与第一密封线42的各凸起部42a、42b的弹性模量相等。因此，对各隔板14、16与框构件24进行凸起密封时，能够从两面良好地对框构件24进行抵压配合来使其相互紧密接合。从而，各隔板14、16即使夹持相对于MEA 10a偏移的框构件24，也能从在框构件24的两侧配置的第一密封线42的各凸起部42a、42b与第二密封线44的各凸起部44a、44b施加相同的接触压力，发挥良好的密封功能。另外，各隔板14、16能够遍及面方向地对阳极电极20和阴极电极22施以相同程度的接触压力，能够使层叠构造的压力良好地均匀化。

[0078] 燃料电池系统11是使用将多个所述发电单电池12层叠而成的燃料电池堆11a构成的。如图3所示，氧化剂气体供给装置50中，在气泵66的驱动作用下，空气被送到氧化剂气体供给配管64a。该空气通过加湿器67被加湿之后，经由氧化剂气体供给歧管58a供给到氧化剂气体入口连通孔30a(参照图1)。加湿器67将从氧化剂气体排出歧管58b排出的水份和热添加到所供给的空气。

[0079] 另一方面，燃料气体供给装置52中，在密封阀76开放的状态下，从氢罐74向燃料气体供给配管72a供给燃料气体。该燃料气体经由燃料气体供给歧管60a供给到燃料气体入口连通孔34a(参照图1)。

[0080] 另外，冷却介质供给装置54中，在冷却泵88的作用下，从冷却介质循环路径84向冷却介质入口连通孔32a(参照图1)供给冷却介质。

[0081] 从而，如图1所示，向氧化剂气体入口连通孔30a供给氧化剂气体，向燃料气体入口连通孔34a供给燃料气体，向冷却介质入口连通孔32a供给冷却介质。

[0082] 从氧化剂气体入口连通孔30a向第二隔板16的氧化剂气体流路36导入氧化剂气体，氧化剂气体在箭头符号B方向移动，被供给到MEA 10a的阴极电极22。另一方面，从燃料气体入口连通孔34a向第一隔板14的燃料气体流路38导入燃料气体。燃料气体沿着燃料气体流路38在箭头符号B方向移动，被供给到MEA 10a的阳极电极20。

[0083] 从而，MEA 10a中，向阴极电极22供给的氧化剂气体、向阳极电极20供给的燃料气体在第二电极催化剂层22a以及第一电极催化剂层20a内通过电化学反应被消耗，来进行发电。因发电被消耗的氧化剂气体沿着氧化剂气体出口连通孔30b向箭头符号A方向排出，因发电被消耗的燃料气体沿着燃料气体出口连通孔34b向箭头符号A方向排出。另外，向冷却介质入口连通孔32a供给的冷却介质被导入到第一隔板14与第二隔板16之间的冷却介质流路40，将MEA 10a冷却之后，从冷却介质出口连通孔32b被排出。

[0084] 如以上所述，关于发电单电池(燃料电池)12，MEA 10a的发电部的厚度方向中心位置MO与框构件侧外周部25的厚度方向中心位置FO位于相互偏移的位置，并且第一密封线42与第二密封线44相互为非对称形状。即，关于发电单电池12，各隔板14、16从框构件24的两侧施加均匀的压力来提高密封性能，能够抑制反应气体的泄漏。另外，关于发电单电池12，减小各隔板14、16与MEA 10a之间的接触阻抗，能够大幅提高耐久性能以及发电性能。

[0085] 另外，第一以及第二密封线42、44具有：底部43a、45a；一对倾斜部43b、45b；以及密封平坦部43c、45c。由此，关于发电单电池12，能够使密封平坦部43c、45c与框构件侧外周部25可靠地接触，能够从第一密封线42的各凸起部42a、42b与第二密封线44的各凸起部44a、
44b均匀地施加接触压力。

[0086] 特别是，第一密封线42的弹性模量与第二密封线44的弹性模量彼此相同，因此框构件24从两侧的第一密封线42以及第二密封线44接受相同的接触压力来被接合。因此，关于发电单电池12，各隔板14、16与框构件24的密封性能更加提高，耐久性能以及发电性能进一步提高。

[0087] 高度较低的第二密封线44的倾斜部45b的倾斜角β比高度较高的第一密封线42的倾斜部43b的倾斜角α大，因此能够降低第二密封线44的弹性模量。也就是说，通常，高度较低的密封部具有比高度较高的密封部高的弹性模量，但通过降低高度较低的密封部的弹性模量，能够将弹性模量设为彼此相同的程度。由此，在进行凸起密封时，能够更加良好地进行第一以及第二密封线42、44与框构件侧外周部25的接合。

[0088] 高度较低的第二密封线44的连结部位的圆角45r的曲率半径R2比高度较高的第一密封线42的连结部位的圆角43r的曲率半径R1大，由此能够降低第二密封线44的弹性模量。也就是说，即使将曲率半径R1、R2设为不同的大小，通过将高度较低的密封部的弹性模量降低，也能够将其设为与高度较高的密封部的弹性模量相同的程度。

[0089] 而且，关于发电单电池12，通过使第一密封线42与第二密封线44在倾斜角和曲率半径双方成立α<β且R1

[0090] 另外，关于发电单电池12，第一密封线42的密封平坦部43c的宽度Ws1与第二密封线44的密封平坦部45c的宽度Ws2相同，因此能够简单地形成在第一以及第二密封线42、44的相对于框构件侧外周部25的接触部分处相互面接触并且抵压配合的结构。从而，能够容易地从第一密封线42的各凸起部42a、42b与第二密封线44的各凸起部44a、44b施加均匀的接触压力。

[0091] 还有，关于发电单电池12，第一隔板14形成的燃料气体流路38的高度与第二隔板16形成的氧化剂气体流路36的高度相同，因此能够充分减小MEA10a与各隔板14、16之间的接触阻抗。其结果是，能够进一步提高发电单电池12的耐久性能。

[0092] 〔第二实施方式〕

[0093] 然后，参照图4说明本发明的第二实施方式所涉及的发电单电池(燃料电池)12A。此外，在以后的说明中，对于与第一实施方式所涉及的发电单电池12相同的结构或者具有相同的功能的结构，附与相同的符号并省略其详细说明。

[0094] 该发电单电池12A构成为在电解质膜18与阴极电极22之间接合框构件90的框构件侧内周部26，这一点不同于第一实施方式所涉及的发电单电池12。该情况下，阳极电极20可以是遍及从与电解质膜18的有效区域重叠的区域21b至与第一框状片24a的内周部24an重叠的区域21a形成为平坦状。此外也可以是，阳极电极20在与阴极电极22的倾斜区域23c对应的区域具有倾斜区域。

[0095] 另一方面，阴极电极22可以是在同电解质膜18重叠的区域23b与同第一框状片24a的内周部24an重叠的区域23a之间具有相对于电解质膜18倾斜的倾斜区域23c。另外，阴极电极22的平面尺寸设定为比阳极电极20的平面尺寸大(阴极电极22的外周端22e位于阳极电极20的外周端20e的外方的位置)。

[0096] 另外，关于发电单电池12A的框构件90，在框构件侧外周部25处，第一框状片24a位于第二隔板16侧的位置，第二框状片24b位于第一隔板14侧的位置。而且，框构件90的第一框状片24a的外周部24ao的厚度FT1与第二框状片24b的厚度FT2设为相同尺寸(FT1＝FT2)。由此，框构件90的厚度方向中心位置FO位于将第一框状片24a与第二框状片24b接合的接合层24c的中央的位置。另外，相对于MEA 10a的发电部的厚度方向中心位置MO，偏移地配置框构件90的厚度方向中心位置FO。

[0097] 另外，发电单电池12A的第一隔板14与第二隔板16具有与第一实施方式同样形状的第一密封线42以及第二密封线44。即，在第一隔板14、第二隔板16以及框构件侧外周部25的层叠状态下，与第一密封线42的各凸起部42a、42b的高度BH1相比，第二密封线44的各凸起部44a、44b的高度BH2低，但是第一密封线42的弹性模量与第二密封线44的弹性模量相等。此外，关于发电单电池12A，第一框状片24a的厚度FT1与第二框状片24b的厚度FT2相等。

[0098] 因此，关于发电单电池12A，在进行凸起密封时，各隔板14、16良好地对第一框状片24a和第二框状片24b进行抵压配合来相互紧密接合。因此，各隔板14、16能够遍及面方向地对与凸起密封件部分相比靠内方侧的阳极电极20和阴极电极22施以相同程度的接触压力，能够使层叠构造的压力良好地均匀化。

[0099] 此外，本发明不限定于上述的第一以及第二实施方式，能够遵循发明的主旨进行各种改变。例如，第一以及第二密封线42、44由具有弹性的橡胶材料构成，由此各凸起部42a、42b与各凸起部44a、44b在带框的MEA 10的两面被良好地接合。由此，在第一以及第二密封线42、44的内侧，能够稳定地形成MEA 10a与第一以及第二隔板14、16的层叠结构。

[0100] 该情况下，第一密封线42的各凸起部42a、42b以及第二密封线44的各凸起部44a、44b彼此的橡胶材料的材质或者截面形状不同，由此能够简单地设定彼此的弹性模量。

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燃料电池-专利编号CN101485020B	2020-05-11	281
燃料电池-专利编号CN103081197A	2020-05-11	845
燃料电池堆-专利编号CN101557007B	2020-05-13	507
燃料电池堆-专利编号CN101557007A	2020-05-13	613
燃料电池-专利编号CN101485020A	2020-05-12	595
燃料电池-专利编号CN107565154A8	2020-05-11	876
燃料电池-专利编号CN107565154A	2020-05-11	341
燃料电池堆-专利编号CN101841052A	2020-05-12	865
燃料电池系统-专利编号CN107646152A	2020-05-13	480
燃料电池-专利编号CN207459078U	2020-05-12	963

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