專利名稱：燃料電池和燃料電池的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括膜電解質(zhì)組件(MEA)的燃料電池，其中，一對電極相對配置且其 間介有電解質(zhì)膜，并涉及該燃料電池的制造方法。
背景技術(shù)：
近年來，燃料電池作為電子設(shè)備的能源引起了人們的關(guān)注。燃料電池具有膜電解 質(zhì)組件(MEA)，其中，電解質(zhì)膜配置在陽極(燃料電極)與陰極(氧電極)之間。分別將燃 料供應(yīng)至燃料電極、而將空氣或氧供應(yīng)至氧電極。結(jié)果，在燃料電極與氧電極中引發(fā)了氧化 還原反應(yīng)，燃料的部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，其被提取而作為電力。在這樣的燃料電池中，為了進(jìn)行有效的發(fā)電，期望改進(jìn)MEA中的各個層之間的接 觸特性。因此，提出了這樣一種技術(shù)，其中，MEA夾在其他的板材料等之間，并且通過使用金 屬螺釘進(jìn)行緊固而被加壓保持(例如，專利文獻(xiàn)1和2~)。在專利文獻(xiàn)1中，將多個MEA在面 內(nèi)垂直方向進(jìn)行層壓的層壓體夾在一對緊固板之間，并進(jìn)行螺釘連接，并且該層壓體利用 螺釘?shù)妮S向前進(jìn)力而被加壓保持。在專利文獻(xiàn)2中，在面內(nèi)方向配置了多個MEA的組件利 用外周部分中的螺釘進(jìn)行緊固。引用文獻(xiàn)列表專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1 日本未審查專利申請公開第2006-120589號專利文獻(xiàn)2 日本未審查專利申請公開第2004-327105號

發(fā)明內(nèi)容
然而，在專利文獻(xiàn)1和2的技術(shù)中，由于使用了金屬螺釘，因此用于螺釘連接的空 間以及用于確保對于MEA的絕緣的空間是必須的。隨著燃料電池逐漸小型化，很難確保這 些空間。此外，在緊固之后，由于發(fā)電使得MEA膨脹，進(jìn)而使得緊固力減弱，因此難以在長時 間內(nèi)維持緊固的加壓狀態(tài)。此外，在如專利文獻(xiàn)2的多個MEA沿著面內(nèi)方向配置的組件中， 難以確保對于每一個MEA的螺釘連接空間，面內(nèi)方向的加壓也容易出現(xiàn)不均勻。結(jié)果，存在 輸出變得不穩(wěn)定的缺點。鑒于上述缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定輸出的小的燃料電池及 其制造方法。本發(fā)明的燃料電池包括MEA，其中，燃料電極和氧電極相對配置且其間介有電解質(zhì) 膜；一對壓板，分別設(shè)置在MEA的燃料電極側(cè)上和氧電極側(cè)上，并與MEA及其周邊區(qū)域相對 配置；通孔，通過MEA的周邊區(qū)域從這一對壓板中的一個壓板穿透至一對壓板中的另一個 壓板；以及樹脂層，嵌入到該通孔中。本發(fā)明燃料電池的制造方法包括以下步驟形成MEA，其中燃料電極和氧電極相 對配置且其間介有電解質(zhì)膜；將該MEA及其周邊區(qū)域夾在一對壓板之間，每一個壓板在周 邊區(qū)域均具有彼此相對的開口，并以給定的壓力將熔融的熱塑性樹脂材料注入至這一對壓板之一的開口中。在本發(fā)明的燃料電池中，一對壓板配置為與MEA以及MEA的周邊區(qū)域相對，并將樹 脂層嵌入至穿透各個壓板和周邊區(qū)域的通孔中。利用樹脂層，MEA被加壓保持。從而，相比 于利用金屬螺釘?shù)木o固，減少了緊固空間，并且不需要用于確保對于MEA的絕緣的空間。此 外，由于樹脂的彈性，則易于保持給定的加壓狀態(tài)。在本發(fā)明的燃料電池的制造方法中，MEA及其周邊區(qū)域被夾在一對壓板之間，每一 個壓板在周邊區(qū)域均具有彼此相對的開口，并以給定的壓力將熔融的熱塑性樹脂材料注入 至這一對壓板之一的開口中。由此，該熔融的樹脂材料從一個壓板的開口通過MEA的周邊 區(qū)域到達(dá)另一壓板的開口。之后，隨著樹脂材料連續(xù)注入，在注入過程中，樹脂材料從另一 壓板側(cè)至一個壓板的開口的附近而逐漸固化。從而，在MEA的周邊區(qū)域，將樹脂層嵌入至穿 透這一對壓板的通孔中。根據(jù)本發(fā)明的燃料電池以及該燃料電池的制造方法，將一對壓板設(shè)置為與MEA以 及MEA的周邊區(qū)域相對，并將樹脂層嵌入至穿透各壓板和夾在壓板之間的周邊區(qū)域的通孔 中。因此，可以完成能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定輸出的小的燃料電池。


圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的燃料電池的結(jié)構(gòu)的截面圖。圖2是圖1中示出的第一壓板的平面圖。圖3是以步驟順序示出了制造圖1所示的燃料電池的方法的截面圖。圖4是示出了圖3之后的步驟的截面圖。圖5是示出了圖4之后的步驟的截面圖。圖6是示出了圖5之后的步驟的截面圖。圖7是示出了圖6中的步驟中使用的鉆模的結(jié)構(gòu)的示意圖。圖8是示出了圖6之后的步驟的截面圖。圖9是示出了圖7之后的步驟的截面圖。圖10是示出了從根據(jù)第一修改例的燃料電池的第一壓板側(cè)觀察的結(jié)構(gòu)的平面 圖。圖11是示出了從根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的燃料電池的第一壓板側(cè)觀察的結(jié)構(gòu) 的平面圖。圖12是示出了圖11所示的燃料電池的示意性結(jié)構(gòu)的截面圖。圖13是以步驟順序示出了制造圖11所示的燃料電池的方法的截面圖。圖14是示出了圖13之后的步驟的界面圖。圖15是示出了圖14之后的步驟的界面圖。圖16是示出了圖15之后的步驟的界面圖。圖17是示出了從根據(jù)第二修改例的燃料電池的第一壓板側(cè)觀察的結(jié)構(gòu)的平面 圖。圖18是示出了從根據(jù)第三修改例的燃料電池的第一壓板側(cè)觀察的結(jié)構(gòu)的平面 圖。圖19是示出了從根據(jù)第四修改例的燃料電池的第一壓板側(cè)觀察的結(jié)構(gòu)的平面圖。
具體實施例方式下面將詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實施方式
。此外，該描述將按以下順序進(jìn)行。在第 二實施方式、第二修改例以及第一至第四修改例1至4中，相同的參考標(biāo)號指代與第一實施 方式相同的構(gòu)成要素，并且將適當(dāng)省略對其的描述。(1)第一實施方式六個MEA以U形狀連接的組件的實例(2)第一修改例(1)的組件中的面內(nèi)通孔的截面面積根據(jù)各個區(qū)域而變化的實 例(3)第二實施方式在九個MEA直線地連接的組件中，將端子部從電極部的中央附 近沿不與電極部的延伸方向平行的方向引出的實例(3-1)第二修改例在C3)的組件中，將端子部從電極部的一端部沿與電極部的延 伸方向平行的方向引出的實例(4)第三修改例在(3)的組件中，將端子部從相鄰的通孔之間的空間沿不與電極 部的延伸方向平行的方向引出的實例(5)第四修改例在C3)的組件中，將端子部從電極部的兩個端部沿與電極部的延 伸方向平行的方向引出的實例第一實施方式1.燃料電池1的結(jié)構(gòu)圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的燃料電池1的截面結(jié)構(gòu)。圖2是從圖1 的燃料電池的第一壓板側(cè)觀察到的示圖。例如，燃料電池1是直接甲醇燃料電池(DMFC)，例 如用于諸如移動電話和PDA(個人數(shù)字助理)或筆記本PC(個人電腦)的移動設(shè)備。在燃 料電池1中，形成了在面內(nèi)方向上連接多個MEA 13的組件。在MEA 13中，將燃料電極16和氧電極14相對配置，其間介有電解質(zhì)膜15。分別 從燃料電極16側(cè)和氧電極14側(cè)而將該多個MEA 13夾在隔膜(連接膜)17和18之間，并 將該多個MEA電連接(例如，沿圖2中的連接方向D1)。在該實施方式中，六個MEA在面內(nèi) 方向上以U形狀相連接。電解質(zhì)膜15由含有例如磺酸基(-SO3H)的質(zhì)子導(dǎo)電材料制成。質(zhì)子導(dǎo)電材料的 實例包括聚全氟烷基磺酸質(zhì)子導(dǎo)電材料(例如，“Nafion”(注冊商標(biāo))由DuPont制造)、 諸如聚酰亞胺磺酸的烴質(zhì)子導(dǎo)電材料、以及富勒烯質(zhì)子導(dǎo)電材料。燃料電極16和氧電極14具有這樣的結(jié)構(gòu)，其中例如包含諸如鉬(Pt)和釕(Ru) 的催化劑的催化劑層形成在由例如碳紙等制成的集電體上。該催化劑層例如由將支撐催化 劑的諸如炭黑的支撐物質(zhì)分散在聚全氟烷基磺酸質(zhì)子導(dǎo)電材料等中的層而構(gòu)成。在MEA 13的燃料電極16側(cè)和氧電極14側(cè)上，分別在其間介有隔膜17和18的情 況下配置第一壓板10和第二壓板11。在MEA 13的周邊區(qū)域13D的一個選擇性的位置處， 設(shè)置了通孔12，該通孔從第一壓板10側(cè)穿透至第二壓板11側(cè)。第一壓板10和第二壓板11與形成MEA 13的區(qū)域以及其周邊區(qū)域13D相對配置。 連接的MEA 13的物理強(qiáng)度通過第一壓板10和第二壓板11維持，MEA 13的各個層/MEA 13 與隔膜17和18之間的貼合特性(contact characteristics)利用第一壓板10和第二壓板11固定。此外，在周邊區(qū)域13D中，在第二壓板11與隔膜17、18之間，沿著的MEA 13的 外周而形成密封部19。第一壓板10和第二壓板11由例如經(jīng)過防蝕鋁(鈍化，alumite)處理的鋁(Al)、 諸如聚亞苯基硫化物和聚醚酮的超級工程塑料或工程塑料、陶瓷或經(jīng)過絕緣處理的諸如不 銹鋼的金屬材料構(gòu)成。此外，如圖2所示，第一壓板10具有開口 10C，用于將燃料供應(yīng)至燃 料電極16側(cè)。燃料從燃料罐等(未示出)提供。此外，類似地，第二壓板11設(shè)置有用于將 氧(空氣)供應(yīng)至氧電極14側(cè)的開口。例如，能夠通過與外部相連通而將空氣吸入。此外， 盡管圖2示出了第一壓板10的平面結(jié)構(gòu)，但是第二壓板11的平面結(jié)構(gòu)與第一壓板10的平 面結(jié)構(gòu)相類似。例如，將通孔12以均勻間隔設(shè)置在燃料電池1的面內(nèi)方向上，其截面形狀例如是 直徑為d的圓。即，在周邊區(qū)域13D中，第一壓板10、隔膜17(隔膜18)、密封部19以及第二 壓板11分別具有與通孔12對應(yīng)的、直徑為d的各個圓形開口(開口 10A、17A、19A*11A)。 期望將開口 10A、17A、19A和IlA彼此相對配置并具有相同形狀，因為由此可容易形成稍后 所述的樹脂層20。同時，在周邊區(qū)域13D中，第一壓板10與隔膜17(隔膜18)之間的空間 是區(qū)域21 (空氣間隙)，其與上述開口 10A、17A、19A和IlA —起形成了通孔12。樹脂層20 嵌入在通孔12中。此外，在第一壓板10和第二壓板11的與通孔12相對應(yīng)的區(qū)域的表面?zhèn)?MEA 13 的相對側(cè))上，分別設(shè)置了凹部IOB和11B，其中凹部IOB和IlB具有面積大于開口 IOA和 IlA的底面。樹脂層20由具有熱塑性的樹脂材料制成，諸如，聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚氯乙 烯(PVC)、ABS樹脂(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、尼龍、聚縮醛(POM)、氟樹脂、聚甲 基戊烯(PMP)、聚丙烯腈(PAN)、丙烯酸酯樹脂、硅橡膠、氯丁二烯橡膠和氟橡膠。作為樹脂 層20的組分材料，具有210度至230度(包括兩個端值)的熔點的材料是所期望的，原因如 下。即，這樣的材料不必設(shè)置有不同于注射成型方法的冷卻步驟，在該注射成型方法中，將 熔融的樹脂材料注入至金屬模具中，隨后將熔融的樹脂材料冷卻并固化以形成樹脂層20。 此外，期望樹脂層20的組分材料對甲醇等具有耐性。從上述角度考慮，作為樹脂層20的組 分材料，聚丙烯是合適的。隔膜17和18具有將相鄰的MEA串聯(lián)地電連接的功能。隔膜17和18分別配置為與 MEA 13的燃料電極16和氧電極14相接觸，并形成了供應(yīng)燃料或空氣的流路。這樣的隔膜 17和18由例如銅(Cu)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、不銹鋼(SUS)等構(gòu)成。此外，這樣的隔膜17和18 具有開口(未示出)以用于供應(yīng)燃料或空氣，并且例如由諸如多孔金屬(expandedmetal)、 沖孔金屬等的網(wǎng)狀物構(gòu)成。此外，隔膜17和18在MEA 13的周邊區(qū)域13D中彎曲。在該彎 曲部與第二壓板11之間設(shè)置有密封部19。密封部19由例如聚丙烯、酸改性聚丙烯、聚乙烯醇、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET) 等構(gòu)成。密封部19意在密封各個MEA 13的周邊區(qū)域13D，以阻止空氣從側(cè)面進(jìn)入。燃料電池1能夠按照如下進(jìn)行制造。2.燃料電池1的制造方法圖3至圖9以步驟順序示出了燃料電池1的制造方法。首先，如圖3所示，形成了 多個MEA 13相連接的組件。例如，由上述材料制成的電解質(zhì)膜15夾在由上述材料制成的燃料電極16和氧電極14之間，并熱壓成型以形成MEA 13。隨后，制備由上述材料制成的隔 膜17和18。將其一端部彎曲，并在該彎曲的端部形成由上述材料制成的密封部19。隨后， 分別地，將隔膜17配置在燃料電極16側(cè)上，而將隔膜18配置在氧電極14側(cè)上，以使隔膜 17和18彼此相對，并將所得物熱壓成型。按照該方式，形成夾在隔膜17和18之間的多個 MEA 13，且該多個MEA在面內(nèi)方向上連接。此時，例如，在相鄰的MEA 13中，一個MEA 13上 的隔膜17的端部在連接部170與另一個MEA 13的隔膜18的端部相連接。隨后，如圖4所示，在各個MEA 13的周邊區(qū)域13D的選擇性位置，分別在隔膜17 和18、其連接部170以及密封部19中通過例如片壓制(sheetpressing)、沖孔等形成開口 17A 禾口 19A。同時，在第一壓板10和第二壓板11中通過例如壓制、半蝕刻、擴(kuò)散接合 (diffusion joining)等形成凹部IOB和IlB0之后，在凹部IOB和IlB的底面上通過例如 壓制、研磨等形成開口 IOA和11A。接著，如圖5所示，將第一壓板10鋪設(shè)在連接的MEA 13的隔膜17側(cè)(燃料電極 16側(cè))上，并將第二壓板11鋪設(shè)在隔膜18側(cè)(氧電極14側(cè))上，使得開口 10A、11A、17A 和19A彼此相對，并將所得物熱壓成型。由此，將連接的MEA 13夾在第一壓板10與第二壓 板11之間，并形成通孔12。之后，將上模具110與第一壓板10側(cè)相接觸，將下模具111與 第二壓板11側(cè)相接觸。在上模具110中，將注入孔IlOA設(shè)置在與通孔12相對的位置。在 下模具111中，設(shè)置氣孔22。隨后，利用所謂的熔融流注入法形成樹脂層20，在該方法中，熔融狀態(tài)的上述樹脂 材料(樹脂20A)流入至通孔12。即，如圖6所示，例如在0. 25ΜΙ^至0. 35MPa(包括兩個端 值)的壓力下，樹脂20A從上模具110的注入孔IlOA流入。此時，例如，如圖7所示通過使 用治具(夾具，jig) 120將樹脂20A同時注入至多個注入孔110A。治具120設(shè)置有作為樹 脂20A的注入口的主澆道112、作為從主澆道112注入的樹脂20A的流路的多個流道113、 以及設(shè)置在各個流道113的末端的澆口 114。在多個流道113中，從主澆道112到設(shè)置在 每一個流道113的末端的澆口 114的各個路徑的長度均彼此相等。使用時，將治具120的 澆口 114與上模具110的注入孔IlOA相對配置，并將樹脂20A從主澆道112注入。由此， 注入的樹脂20A分散進(jìn)入至各個流道113并通過各個澆口 114到達(dá)注入孔110A，同時樹脂 20A均勻且同步地注入至各個注入孔110A。如上所述，當(dāng)同步地將樹脂20A注入至上模具110的各個注入孔IlOA時，樹脂20A 首先沿著在第一壓板10的表面上形成的凹部IOB的形狀流入。此外，通過從燃料電極16 側(cè)注入樹脂20A，能夠提高燃料電極16側(cè)的密封特性。隨后，如圖8所示，隨著樹脂20A連續(xù)注入，在凹部IOB中擴(kuò)散的樹脂20A依次通 過第一壓板10的開口 10A、區(qū)域21、隔膜17和18的開口 17A、密封部19的開口 19A以及 第二壓板11的開口 11A，并到達(dá)第二壓板11的凹部11B。此時，利用上模具110和下模具 111將流經(jīng)通孔12的樹脂20A密封，由此樹脂20A不會流至外部。此外，由于樹脂20A的 注入壓力使得內(nèi)部壓力升高，維持了內(nèi)部的氣密性。此外，由于在下模具111中設(shè)置有氣孔 22，因此可以調(diào)整內(nèi)部壓力以防止MEA 13的內(nèi)部破壞，并抑制了所產(chǎn)生的氣體的排出而與 各電極的反應(yīng)。此時，隨著樹脂20A的位置越接近注入孔110A，溫度越高。隨著樹脂20A的 位置越遠(yuǎn)離注入孔110A，溫度則逐漸降低。因此，處于注入孔IlOA表面附近的樹脂20A的粘度較大，而第二壓板11附近的樹脂20A的粘度較小。接著，如圖9所示，隨著樹脂20A的進(jìn)一步注入，樹脂20A流動并分散在第二壓板 11的整個凹部IlB中。樹脂20A從凹部IlB至第一壓板10的凹部IOB相繼發(fā)生固化。在 該步驟中，區(qū)域21的空氣縫隙部分也填充有待固化的樹脂20A，且樹脂層20嵌入到通孔12 中。由于如上所述樹脂20A分散進(jìn)入到凹部IOB和IlB中并固化，因此通過第一壓板10和 第二壓板11而使得MEA 13被加壓保持(緊固的)。此時，由于第一壓板10和第二壓板11 分別設(shè)置有凹部IOB和11B，因此，即使對于各個通孔12樹脂20A的注入量存在變化，這種 變化也是可以吸收的，并且容易進(jìn)行均勻加壓。最后，在注入給定量的樹脂20A之后，在保 持加壓狀態(tài)的同時，緊密密封樹脂注入路徑。由此，完成了圖1中所示的燃料電池1。接著，將描述該實施方式的操作和效果。3.燃料電池1的操作在上述燃料電池1中，在將燃料通過第一壓板10和隔膜17供應(yīng)至燃料電極16的 同時，將氧通過第二壓板11和隔膜18供應(yīng)至氧電極14。結(jié)果，引發(fā)了氧化還原反應(yīng)，并且 燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，該電能被提取作為電力。在這種情況下，將通孔12設(shè)置在其間夾有連接的MEA 13的第一壓板10和第二壓 板11的周邊區(qū)域13D中，并且樹脂層20嵌入通孔12中。由此，MEA 13被緊固，并被加壓 保持。通過如上所述利用樹脂層20，緊固空間小于通過金屬螺釘?shù)木o固空間，并且不需要用 于確保對于MEA 13的絕緣的空間。因此，特別地，在多個MEA 13在面內(nèi)方向上連接的情況 下，在多個MEA 13的各個周圍區(qū)域中均能夠確保緊固空間，且燃料電池1的整個面內(nèi)能夠 被均勻加壓。此外，在使用金屬螺釘?shù)那闆r下，由于發(fā)電使得MEA膨脹，從而使緊固力變?nèi)?，?且難以在長時間內(nèi)維持緊固的加壓狀態(tài)。然而，在該實施方式中，由于樹脂20A的彈性，因 此在緊固后容易保持給定的加壓狀態(tài)。此外，通過樹脂層20可抑制燃料泄漏。此外，在上述燃料電池1的制造方法中，將MEA 13和周邊區(qū)域13D夾在分別具有 開口 IOA和IlA的第一壓板10和第二壓板11之間，并且以給定的壓力將熔融的樹脂20A 注入至第一壓板10的開口 IOA中。由此，熔融樹脂20A在通孔12中從第二壓板11側(cè)起逐 漸固化。由此，將樹脂層嵌入在通孔12中。如上所述，通過以給定壓力將熔融樹脂20A流 入通孔12并利用自然冷卻使得熔融樹脂20A固化，則僅在MEA 13的周邊區(qū)域的選擇性位 置中形成樹脂層20如上所述，在該實施方式中，將第一壓板10和第二壓板11與MEA 13和周邊區(qū)域 13D相對地設(shè)置，且樹脂層20嵌入在周邊區(qū)域13D中形成的通孔12中。因此，可以形成能 夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定輸出的小的燃料電池1。修改例1圖10是從根據(jù)上述實施方式的修改例的燃料電池的第一壓板側(cè)觀察的平面圖。 該修改例中的燃料電池的結(jié)構(gòu)與上述實施方式的燃料電池1的結(jié)構(gòu)相似，只是通孔的結(jié)構(gòu) 與第一壓板和第二壓板的凹部的形狀的結(jié)構(gòu)不同。在該修改例中，第二壓板(未示出)具 有與第一壓板30相似的結(jié)構(gòu)。該修改例的燃料電池在MEA 13的周邊區(qū)域13D中具有通孔31、32和33。通孔31、 32和33對應(yīng)于各個面內(nèi)區(qū)域而分別具有不同的截面面積。在面內(nèi)的內(nèi)部區(qū)域中的截面面積大于端部區(qū)域(燃料電池的外周部)中的截面面積。即，第一壓板30的平面形狀是矩形。 截面面積按照以下順序增大設(shè)置在矩形的四個角部的通孔31、設(shè)置在與矩形的邊相對的 區(qū)域的通孔32、以及設(shè)置在矩形中央?yún)^(qū)域的通孔33。在第一壓板30中，形成了與上述通孔 31,32和33具有相等的截面面積的開口 31A、32A和33A，并設(shè)置有底面積大于通孔31、32 和33的截面面積的凹部31A、32B和33B。如上所述，通過對應(yīng)于各個面內(nèi)區(qū)域而將通孔31、32和33的截面面積形成為彼此 不同，可實現(xiàn)燃料電池的面內(nèi)對應(yīng)于作用力(反力，reactiveforce)的緊固。通常，在MEA 在面內(nèi)方向上連接的組件中，在整個組件的中央附近作用力最強(qiáng)，而在端部區(qū)域作用力較 弱。因此，嚴(yán)格地說，難以執(zhí)行在中央與端部之間均勻的加壓保持。在該修改例中，通過將 通孔31、32和33的截面面積設(shè)置為對應(yīng)于各個區(qū)域而彼此不同，能夠給出對應(yīng)于上述作用 力的保持力。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)更加均勻的加壓保持。此外，根據(jù)各個通孔的截面面積尺寸，能夠任意設(shè)定拉伸強(qiáng)度，因此，不需要緊固 等之后的扭矩管理。此外，由于均勻加壓，無需依賴于第一壓板30和第二壓板的厚度，就可 容易地確保物理強(qiáng)度，從而實現(xiàn)了薄的燃料電池。此外，上述通孔的截面面積沒有特別的限制。由于該保持力由截面面積尺寸而確 定，因此通孔的形狀設(shè)計具有自由度。此外，在該第一修改例中，已經(jīng)對為了對應(yīng)于作用力 進(jìn)行緊固、使通孔的截面面積尺寸對應(yīng)于各個區(qū)域而變化的情況進(jìn)行了描述。然而，該結(jié)構(gòu) 并不限于此，例如，通孔的數(shù)目可以對應(yīng)于各個區(qū)域而變化，以及配置在內(nèi)部區(qū)域的通孔比 配置在端部區(qū)域的通孔更加密集。在該結(jié)構(gòu)中，也能夠?qū)崿F(xiàn)對應(yīng)于作用力的樹脂緊固，并能 夠獲得與上述第一修改例同等的效果。第二實施方式1.燃料電池2的結(jié)構(gòu)圖11是從根據(jù)本發(fā)明的第二實施方式的燃料電池2的第一壓板1側(cè)觀察的示圖。 圖12示出了沿圖11所示的燃料電池2的線I-I截取的截面結(jié)構(gòu)。與上述第一實施方式中 的燃料電池1相同，該燃料電池2是直接甲醇燃料電池。燃料電池2具有這樣一個組件(組 件130)，在該組件中，多個MEA 13串聯(lián)地電連接(下文中簡稱為“串聯(lián)”)。然而，在該實施 方式中，在組件130中，九個矩形MEA 13直線地連接。為了通過夾在第一壓板10和第二壓 板11之間來緊固該組件130，按照與上述第一實施方式中不同的方式來設(shè)置多個通孔12A 和12B。在該實施方式中，特別地，將詳細(xì)描述該結(jié)構(gòu)中的用于外部連接的電極端子41A和 41B。電極端子的結(jié)構(gòu)組件130的平面形狀例如為矩形。將+(正)側(cè)的電極端子41A連接至組件130 的連接方向D2上的一個端部，將-(負(fù))側(cè)的電極端子41B連接至其另一端部。分別地，將 電極端子41A利用其與組件130之間的隔膜18而連接至組件130，而將電極端子41B利用 其與組件130之間的隔膜17而連接至組件130。在以下描述中，“組件130的端部或端邊” 意指組件130的連接方向D2上的端部或端邊。這樣的組件130設(shè)置有多個通孔12A和12B。將樹脂層40嵌入到通孔12A和12B， 由此實現(xiàn)樹脂緊固。在組件130的兩個端部總共設(shè)置有六個通孔12A，具體地，在組件130的 四個角部以及在其端邊的中央附近。期望如上所述在組件130的兩個端部實現(xiàn)樹脂緊固。由此，組件130被均勻地加壓保持，且容易確保物理強(qiáng)度。在組件130的除兩個端部之外的 區(qū)域之中相鄰的MEA 13之間的區(qū)域中，等間距地設(shè)置了多個(在該情況下為18個)通孔 12B。該樹脂層40由與上述第一實施方式的樹脂層20相同的材料制成。電極端子41A由沿著組件130的端邊延伸的電極部410和以不與電極部410的延 伸方向平行的方向從電極部410的部分區(qū)域引出的端子部411組成。在該實施方式中，將 端子部411以與電極部410的延伸方向相垂直的方向從電極部410的中央附近引出。與電 極端子41A類似地，電極端子41B由沿著組件130的端邊延伸的電極部412、以及從電極部 412的部分引出至外部的端子部413組成。構(gòu)成電極端子41A和41B的材料的實例包括鈦(Ti)、鉬(Mo)、鎢(W)、銅(Cu)、黃 銅以及鍍金的銅。電極部410和412的寬度Bl例如約為從Imm至3mm，包括兩個端值。端 子部411和413的寬度B2比電極部410和412的寬度Bl更寬，優(yōu)選約為3mm至10mm，包括兩個端值。如上所述，在組件130的兩個端部中均設(shè)置有用于緊固的通孔12A和電極端子41A 和41B的電極部410和412。S卩，通孔12A設(shè)置為穿透組件130兩個端部中的電極部410和 412。具體地，如圖12所示，在組件130的一端部(+側(cè))，將密封部19、隔膜18、電極端 子41A、鈦片42以及密封部43層壓在第一壓板10與第二壓板11之間。通孔12A被設(shè)置 為穿透從第一壓板10至第二壓板11的所有層。在組件130的另一端部(-側(cè))，將密封部 19、鈦片42、密封部43、電極端子41B以及隔膜17層壓在第一壓板10與第二壓板11之間。 通孔12A被設(shè)置為穿透所有層。在組件130除兩個端部之外的區(qū)域中，將隔膜18、鈦片42、 密封部43以及隔膜17層壓在第一壓板10與第二壓板11之間。通孔12A被設(shè)置為穿透所 有層。2.制造燃料電池2的方法例如，能夠按如下制造裝有這樣的電極端子41A和41B的燃料電池2。首先，將電 解質(zhì)膜15與密封部43切割為給定形狀并彼此結(jié)合在一起，隨后加熱所得物。由此，如圖 13 (A)所示，形成了電解質(zhì)膜15與密封部43相連接的電解質(zhì)片。隨后，如圖13 (B)所示，切 割所形成的電解質(zhì)片，由此形成了周圍設(shè)置有密封部43的多個電解質(zhì)膜15。接著，如圖14(A)所示，將周圍形成有密封部43的電解質(zhì)膜15利用在對應(yīng)于電解 質(zhì)膜15的區(qū)域具有開口(aperture)的鈦片42進(jìn)行定位(對準(zhǔn)，align)，并將所得物熱密 封。由此，在鈦片42上直線地連接了九個電解質(zhì)膜15。隨后，如圖14⑶所示，將連接的九個電解質(zhì)膜15分別與燃料電極16和隔膜17 進(jìn)行定位。之后，通過電阻焊接將各個隔膜17的各端部與鈦片42接合。此時，在圖15中 的左端部(-側(cè)端部)，將電極端子41B插入到密封部43與隔膜17之間。接著，如圖15㈧所示，將九個電解質(zhì)膜15分別與氧電極14和隔膜18進(jìn)行定位。 之后，通過電阻焊接將各個隔膜18的各端部與鈦片42接合。此時，在圖15中的右端部(+ 側(cè)端部)，將電極端子41A插入到密封部43與隔膜17之間。隨后，如圖15⑶所示，將氧電極14、電解質(zhì)膜15以及燃料電極16進(jìn)行熱壓并彼 此結(jié)合。由此，形成了九個MEA 13串聯(lián)連接的組件130。接著，如圖16㈧所示，在組件130的右端部，利用例如片壓制、沖孔等形成了開口12A1以穿透隔膜18、電極端子41A、鈦片42以及密封部43。同樣地，在組件130的左端部， 形成了開口 12A1以穿透鈦片42、密封部43、電極端子41B以及隔膜17。此外，在組件130 除兩個端部以外的區(qū)域，形成了開口 12B1以穿透隔膜18、鈦片42、密封部43以及隔膜17。隨后，如圖16(B)所示，將密封部19結(jié)合至第二壓板11上的外周部分，該第二壓 板設(shè)置有對應(yīng)于通孔12A1和12B1的開口和凹部11B。之后，鋪設(shè)組件130，并進(jìn)行熱壓。之 后，以與上述第一實施方式相同的方式，將設(shè)置有給定開口和凹部的第一壓板10鋪設(shè)在隔 膜17側(cè)上。在給定條件下，向其內(nèi)注入樹脂。由此，樹脂層40嵌入到通孔12A和12B中。 因此，完成了圖11和圖12所示的燃料電池2。3.燃料電池2的操作在燃料電池2中，與上述第一實施方式的燃料電池1中相同，在將燃料供應(yīng)至燃料 電極16的同時，將氧供應(yīng)至氧電極14。結(jié)果，引發(fā)了氧化還原反應(yīng)，燃料的化學(xué)能被轉(zhuǎn)化為 電能，從而產(chǎn)生電力(發(fā)電)。在該實施方式中，通孔12A設(shè)置在組件130的兩個端部，通孔 12B設(shè)置在組件130除兩個端部之外的區(qū)域，并將樹脂層40嵌入在通孔12A和12B中。通 過如上所述利用樹脂進(jìn)行緊固，組件130夾在第一壓板10與第二壓板11之間，并被加壓保 持。將通過這樣的樹脂緊固而獲得的組件130中的產(chǎn)生的電力通過連接至組件130的 兩個端部的電極端子41A和41B而提取至外部。在物理強(qiáng)度等方面，形成通孔12A以穿透 電極部410和412，并將樹脂層40嵌入通孔12A。然而，在電極部410和412中設(shè)置有通孔 12A且樹脂層40嵌入通孔12A的情況下，由于電極部410和412的寬度Bl較窄，約Imm至 3mm，包括兩個端值，因此，在一些情況下，電極部410和412在加壓時斷裂。本文中，圖17示出了作為該實施方式的修改例(第二修改例)，從第一壓板10側(cè) 觀察的燃料電池3的平面結(jié)構(gòu)。在燃料電池3中，用于將電力提取至外部的電極端子44A和 44B連接至組件130的兩個端部。在該電極端子44A和44B中，沿著組件130的端邊設(shè)置 電極部440和442，并通過將電極部440和442的一個端部延伸來設(shè)置端子部441和443。 即，電極端子44A和44B具有這樣的結(jié)構(gòu)，其中端子部441和443沿著與電極部440和442 的延伸方向平行的方向從電極部440和442的一個端部引出。如上所述，電極端子44A和 44B中的端子部441和443的引出方向可以與電極部440和442的延伸方向平行。然而，在這樣的燃料電池3中，在產(chǎn)生如上所述由通孔12A造成的電極部440和 442破壞的情況下，難以從組件130穩(wěn)定地提取電力。此外，可能會由于電極部440和442 中的導(dǎo)電電阻而發(fā)熱。同時，在該實施方式中，將端子部411和413沿著不與電極部410和412的延伸方 向平行的方向引出。因此，如果由通孔12A造成電極部410和412的破壞，則穩(wěn)定地提取電 力。此外，電極部411和413的寬度B2比例如在電極部410和412的中央附近的寬度Bl 更寬。因此，能夠確保電極部411和413的截面面積，而與電極部410和412的寬度Bl無 關(guān)。因此，保持了電極部411和413的物理強(qiáng)度，并降低了電極部411和413的導(dǎo)電電阻。如上所述，在該實施方式中，通孔12A設(shè)置在組件130的兩個端部，并設(shè)置了用于 將電力提取至外部的電極端子41A和41B。因此，在執(zhí)行組件130的樹脂緊固時，在確保物 理強(qiáng)度的同時，能夠?qū)㈦娏μ崛≈镣獠?。特別地，在電極端子41A和41B中，在將端子部411 和413沿著不與電極部410和412的延伸方向平行的方向引出的情況下，不僅能夠獲得與上述第一實施方式中的效果等同的效果，而且能夠更穩(wěn)定地提取電力。此外，能夠抑制由于 導(dǎo)電電阻引起的發(fā)熱。在該實施方式中，已經(jīng)利用九個MEA串聯(lián)連接的組件130的具體實例，對用于將電 力提取至外部的電極端子41A和41B進(jìn)行了描述。然而，這樣的電極端子結(jié)構(gòu)能夠用于上 述第一實施方式和上述第一修改例。相比之下，在該實施方式中，各通孔的截面面積能夠?qū)?應(yīng)于組件面內(nèi)的各個區(qū)域而變化，以實現(xiàn)如上述第一修改例那樣的更均勻的加壓保持?！吹谌薷睦祱D18是從根據(jù)上述第二實施方式的修改例(第三修改例)的燃料電池4的第一 壓板10側(cè)觀察的示圖。在該修改例中，與上述第二實施方式類似地，在連接至組件130的 兩個端部的電極端子45A和45B中，沿著組件130的端邊設(shè)置電極部450和452，且形成通 孔12A以穿透電極部450和452。此外，端子部451和452沿著不與電極部450和452的延 伸方向平行(而是垂直)的方向引出。然而，在該修改例中，端子部451和453從電極部450和452的相鄰的通孔12A之 間的區(qū)域引出。電極部450和452具有寬度Bi，該寬度與上述第二實施方式的電極部410 和412的寬度相等，端子部451和453的寬度B3例如約為3mm至10mm，包括兩個端值。電 極端子45A和45B的組分材料與上述第二實施方式的電極端子41A和41B的相同。此外， 除電極端子45A和45B以外的元件具有與上述第二實施方式相同的結(jié)構(gòu)。如上述，在該電極端子45A和45B中，端子部451和453可以沿著不與電極部450 和452的延伸方向平行的方向、從電極部450和452的相鄰的通孔12A之間的區(qū)域引出。由 此，在產(chǎn)生如上所述由通孔12A造成的電極部450和452的破壞的情況下，能夠穩(wěn)定地提取 電力。此外，相比于圖17所示的燃料電池3，能夠抑制由于導(dǎo)電電阻造成的發(fā)熱。因此，能 夠獲得與上述第二實施方式幾乎等同的效果?！吹谒男薷睦祱D19是從根據(jù)上述第二實施方式的修改例(第四修改例)的燃料電池5的第一 壓板10側(cè)觀察的示圖。在該修改例中，與上述第二實施方式類似地，在連接至組件130的 兩個端部的電極端子46A和46B中，沿著組件130的端邊設(shè)置電極部460和462，且形成通 孔12A以穿透電極部460和462。然而，在該修改例中，具有與電極部460和462的寬度相 同的寬度Bl的端子部(端子部461A、461B、463A和463B)沿著與電極部460和462的延伸 方向平行的方向從具有寬度Bl的電極部460和462的兩個端部引出。電極端子46A和46B 的組成材料與上述第二實施方式的電極端子41A和41B的相似。此外，除電極端子46A和 46B以外的元件具有與上述第二實施方式相同的結(jié)構(gòu)。如上所述，在該電極端子46A和46B中，端子部461A、461B、463A和46!3B可以沿著 與電極部460和462的延伸方向平行的方向從電極部460和462的兩個端部引出。因此， 相比于端子部僅從電極部的一個端部引出的結(jié)構(gòu)(如圖17所示的燃料電池3)，能夠穩(wěn)定地 提取電力，并能夠抑制由于導(dǎo)電電阻造成的發(fā)熱。因此，能夠獲得與上述第二實施方式幾乎 等同的效果。本發(fā)明已經(jīng)參照實施方式和修改例進(jìn)行了描述。然而，本發(fā)明并不限于上述實施 方式等，還可以做出各種修改。例如，在上述實施方式中，對電解質(zhì)膜15、燃料電極16和氧 電極14的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了描述。但是電解質(zhì)膜15、燃料電極16和氧電極14可具有其他的結(jié)構(gòu)，或可由其他材料制成。此外，在上述實施方式等中，已經(jīng)對在面內(nèi)方向上水平層壓多個MEA的情況進(jìn)行 了描述。然而，結(jié)構(gòu)并不限于此，且本發(fā)明能夠應(yīng)用多個MEA在垂直方向上層壓的結(jié)構(gòu)。此 外，在上述實施方式等中，已經(jīng)對六個MEA以U形狀連接的結(jié)構(gòu)以及九個MEA直線地連接的 結(jié)構(gòu)進(jìn)行了描述。然而，MEA的數(shù)目和連接方向并不限于此，而多個MEA串聯(lián)電連接就是足 夠的。此外，在上述實施方式等中，密封部配置在第二壓板側(cè)上以密封各個MEA的氧電 極側(cè)上的區(qū)域。然而，密封部可以配置在第一壓板側(cè)上以密封燃料電極側(cè)上的區(qū)域。此外， 已經(jīng)對各個MEA周圍設(shè)置有密封部的情況進(jìn)行了描述。然而，該密封部可以僅僅設(shè)置在燃 料電池的外周部分中。此外，本發(fā)明不僅可應(yīng)用于DMFC，還可應(yīng)用于其他類型的燃料電池，諸如使用氫作 為燃料的高分子電解質(zhì)燃料電池、直接乙醇燃料電池以及二甲基醚燃料電池。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，包括膜電解質(zhì)組件MEA，其中，燃料電極和氧電極相對配置，且其間介有電解質(zhì)膜； 一對壓板，分別設(shè)置在所述MEA的燃料電極側(cè)上和氧電極側(cè)上，并與所述MEA及其周邊 區(qū)域相對配置；通孔，通過所述MEA的所述周邊區(qū)域從所述一對壓板中的一個壓板穿透至所述一對壓 板中的另一個壓板；以及樹脂層，嵌入到所述通孔中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中，多個所述MEA在面內(nèi)方向上配置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池，其中，所述通孔分別設(shè)置在各個所述MEA的周邊區(qū) 域中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池，其中，所述一對壓板的內(nèi)部區(qū)域的所述通孔的截 面面積大于所述一對壓板的端部區(qū)域的所述通孔的截面面積。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池，其中，所述一對壓板的平面形狀是矩形，以及 在所述矩形的四個角部的所述通孔的截面面積最小。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池，其中，所述一對壓板的內(nèi)部區(qū)域的所述通孔比所 述一對壓板的端部區(qū)域的所述通孔設(shè)置得更加密集。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池，包括連接構(gòu)件，將各個所述MEA彼此連接，并且在與所述通孔相對應(yīng)的區(qū)域中具有開口。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池，其中，由多個所述MEA串聯(lián)電連接而構(gòu)成組件，所 述燃料電池包括電極端子，所述電極端子連接至在所述組件的連接方向上的端部，并且將電力提取至 外部。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池，其中，在所述組件的端部，所述通孔還穿透所述電極端子。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃料電池，其中，所述電極端子具有電極部，沿著所述組件 的端邊延伸，以及端子部，從所述電極部的一部分引出至外部。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃料電池，其中，所述端子部在不與所述電極部的延伸方 向平行的方向上引出。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃料電池，其中，引出的所述端子部的寬度大于所述組件 的面內(nèi)的所述電極部的寬度。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃料電池，其中，多個所述通孔設(shè)置在與所述電極部相對 應(yīng)的區(qū)域，以及所述端子部從與所述電極部相對應(yīng)的區(qū)域中的多個所述通孔之中相鄰的通孔之間引出。
14.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池，包括粘附層，在所述MEA的周邊區(qū)域中、在一個壓板和所述連接構(gòu)件之間與所述通孔相對 應(yīng)的區(qū)域中具有開口。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中，在所述一對壓板的與所述通孔相對應(yīng)的區(qū)域的表面?zhèn)壬显O(shè)置凹部，所述凹部具有面積比所述通孔大的底面。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其中，所述一對壓板分別具有形成所述通孔的一 部分的開口，以及各個開口的形狀彼此相等。
17.一種燃料電池的制造方法，包括以下步驟形成膜電解質(zhì)組件MEA，其中，燃料電極和氧電極相對配置，且其間介有電解質(zhì)膜；以及將所述MEA及其周邊區(qū)域夾在一對壓板之間，所述一對壓板在所述周邊區(qū)域均具有彼 此相對的開口，并以給定的壓力將熔融的熱塑性樹脂材料注入至所述一對壓板之一的所述 開口中。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的燃料電池的制造方法，其中，所述樹脂材料注入至所述一 對壓板中燃料電極側(cè)上的所述壓板的所述開口中。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的燃料電池的制造方法，其中，在所述一對壓板的每一個中 形成多個開口，以及將所述樹脂材料同時注入至所述一對壓板之一的所述多個開口中。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的燃料電池的制造方法，其中，在所述一對壓板的與通孔相 對應(yīng)的區(qū)域的表面?zhèn)壬闲纬砂疾?，所述凹部具有面積比所述通孔大的底面。
全文摘要
本發(fā)明提供了能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定輸出的小的燃料電池及其制造方法。燃料電池(1)包括膜電解質(zhì)組件(13)，其中，燃料電極(16)和氧電極(14)相對配置且其間介有電解質(zhì)膜(15)；第一壓板(10)和第二壓板(11)，與膜電解質(zhì)組件(13)及其周邊區(qū)域(13D)相對配置；通孔12，設(shè)置為通過周邊區(qū)域(13D)從第一壓板(10)穿透至第二壓板(11)；以及樹脂層(20)，嵌入到通孔(12)中。通過在通孔(12)中形成的樹脂層(20)，使得MEA(13)在第一壓板(10)和第二壓板(11)之間被加壓保持。相比于使用金屬螺釘?shù)那闆r，減少了緊固空間，并且不需要用于確保絕緣的空間。由于樹脂層(20)的彈性，因此容易保持加壓狀態(tài)。
文檔編號H01M8/02GK102057527SQ20098012177
公開日2011年5月11日 申請日期2009年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月13日
發(fā)明者木下昌洋 申請人:索尼公司