CN103545541A - 燃料电池 - Google Patents

Abstract

构成燃料电池(10)的电解质膜电极构造体(16)设置固体高分子电解质膜(50)与阴极电极(52)及阳极电极(54)。阴极电极(52)的阴极侧电极催化剂层(52b)具有比阳极电极(54)的阳极侧电极催化剂层(54b)小的平面尺寸。设在阳极侧电极催化剂层(54b)的外侧的不透气性薄膜(56)的内周侧端部(56a)配置在与阴极侧电极催化剂层(52b)的外周端部(52be)夹着固体高分子电解质膜(50)进行重叠的位置。

Description

燃料电池

技术领域

本发明涉及一种燃料电池，其在固体高分子电解质膜的一方的面上设置具有第一电极催化剂层及第一气体扩散层的第一电极，在所述固体高分子电解质膜的另一方的面上设置具有第二电极催化剂层及第二气体扩散层的第二电极，并且所述第一电极催化剂层的平面尺寸设定得比所述第二电极催化剂层小的电解质膜电极构造体由一对金属隔板夹持。

背景技术

例如，固体高分子型燃料电池构成为在由高分子离子交换膜构成的固体高分子电解质膜的两侧各自设有阳极电极及阴极电极而成的电解质膜电极构造体(MEA)由一对隔板夹持的发电元件。燃料电池通常层叠多个发电元件而构成燃料电池堆栈，并且例如通过组装于燃料电池车辆而用作车载用燃料电池系统。

电解质膜电极构造体有时构成如下所述的所谓的台阶型MEA，即一方的电极设定为比固体高分子电解质膜小的平面尺寸，并且另一方的电极设定为与所述固体高分子电解质膜相同或比所述固体高分子电解质膜小的平面尺寸且比所述第一电极大的平面尺寸。

例如，在专利第3242737号公报所公开的燃料电池中，如图31所示，在电解质膜1的一方的面上设有电极2，并且在所述电解质膜1的另一方的面上设有电极3。电极2设定为比电极3小的平面尺寸。在电解质膜1的外周端部一边以环绕电极2的方式配置隔离物4，一边以环绕电极3的方式配置隔离物5。

电极2、3各自的电极面积不同，且所述电极2、3的端部相对于电解质膜1而不处于对称的位置。因此，在电极2、3的周边部，所述电极2、3中的任何一个支承电解质膜1，从而使该周边部的机械强度提高。

然而，在上述的燃料电池中，电极2设定为比电极3小的平面尺寸。因此，在电解质膜1处形成有仅在外周部设有电极3的催化剂层的、所谓的半电极区域。因此，从电极外周向半电极区域附近容易产生高电位或电位梯度，尤其是使用金属隔板时，可能使金属离子从与所述半电极区域附近对置的所述金属隔板的外周端部熔出。由此，与金属隔板的外周端部对置的电解质膜1的部分容易因熔出的金属离子而受到损害。

发明内容

本发明用于解决此类问题，其目的在于，提供一种能够以简单且经济的结构阻止来自金属隔板的金属离子的熔出且尽可能地抑制固体高分子电解质膜的劣化的燃料电池。

本发明涉及一种燃料电池，其中，电解质膜电极构造体由一对金属隔板夹持，在该电解质膜电极构造体中，在固体高分子电解质膜的一方的面上设置具有第一电极催化剂层及第一气体扩散层的第一电极，在所述固体高分子电解质膜的另一方的面上设置具有第二电极催化剂层及第二气体扩散层的第二电极，并且将所述第一电极催化剂层的平面尺寸设定得比所述第二电极催化剂层的平面尺寸小。

在燃料电池中，至少在第二电极催化剂层的外周侧或第一电极催化剂层的外周侧以使内周侧端部抵接或使所述内周侧端部重叠的方式设置边框状遮断层。

在本发明中，至少在第一电极催化剂层的外周侧或第二电极催化剂层的外周侧设有边框状遮断层。边框状遮断层具有电绝缘性。进一步优选的是，该边框状遮断层具有金属离子不透过性。因此，即便电位从第一电极催化剂层的端部附近朝向仅存在第二电极催化剂层的外周侧上升，并且产生电位梯度，也能够抑制从金属隔板的外侧端部熔出金属离子。并且，即使产生滞留水，也能够良好地保护固体高分子电解质膜。由此，能够以简单且经济的结构阻止来自金属隔板的金属离子的熔出且尽可能地抑制固体高分子电解质膜的劣化。

附图说明

基于参照附图进行说明的以下的实施方式的说明，使上述的目的、特征及优点容易被理解。

图1是构成本发明的第一实施方式所涉及的燃料电池的发电元件的分解立体说明图。

图2是所述发电元件的图1中II-II线剖视图。

图3是构成所述发电元件的第一金属隔板的主视说明图。

图4是构成所述发电元件的第二金属隔板的主视说明图。

图5是构成所述发电元件的电解质膜电极构造体的主视说明图。

图6是构成本发明的第二实施方式所涉及的燃料电池的发电元件的主要部分的剖视说明图。

图7是构成本发明的第三实施方式所涉及的燃料电池的发电元件的主要部分的剖视说明图。

图8是构成本发明的第四实施方式所涉及的燃料电池的发电元件的主要部分的剖视说明图。

图9是构成本发明的第五实施方式所涉及的燃料电池的发电元件的主要部分的剖视说明图。

图10是构成本发明的第六实施方式所涉及的燃料电池的发电元件的主要部分的剖视说明图。

图11是构成本发明的第七实施方式所涉及的燃料电池的发电元件的主要部分的剖视说明图。

图12是构成本发明的第八实施方式所涉及的燃料电池的发电元件的主要部分的剖视说明图。

图13是构成本发明的第九实施方式所涉及的燃料电池的发电元件的主要部分的剖视说明图。

图14是构成本发明的第十实施方式所涉及的燃料电池的发电元件的主要部分的剖视说明图。

图15是构成本发明的第十一实施方式所涉及的燃料电池的发电元件的主要部分的剖视说明图。

图16是构成本发明的第十二实施方式所涉及的燃料电池的发电元件的主要部分的剖视说明图。

图17是构成本发明的第十三实施方式所涉及的燃料电池的发电元件的主要部分的剖视说明图。

图18是构成本发明的第十四实施方式所涉及的燃料电池的发电元件的主要部分的剖视说明图。

图19是构成本发明的第十五实施方式所涉及的燃料电池的发电元件的主要部分的剖视说明图。

图20是构成本发明的第十六实施方式所涉及的燃料电池的发电元件的主要部分的剖视说明图。

图21是构成本发明的第十七实施方式所涉及的燃料电池的发电元件的主要部分的剖视说明图。

图22是构成本发明的第十八实施方式所涉及的燃料电池的发电元件的主要部分的剖视说明图。

图23是构成本发明的第十九实施方式所涉及的燃料电池的发电元件的主要部分的剖视说明图。

图24是构成本发明的第二十实施方式所涉及的燃料电池的发电元件的主要部分的剖视说明图。

图25是构成本发明的第二十一实施方式所涉及的燃料电池的发电元件的主要部分的剖视说明图。

图26是构成本发明的第二十二实施方式所涉及的燃料电池的发电元件的主要部分的剖视说明图。

图27是构成本发明的第二十三实施方式所涉及的燃料电池的发电元件的主要部分的剖视说明图。

图28是构成本发明的第二十四实施方式所涉及的燃料电池的发电元件的主要部分的剖视说明图。

图29是对设置边框状遮断层的范围进行规定的、构成本发明的第二十五实施方式所涉及的燃料电池的第二金属隔板的主视说明图。

图30是对设置边框状遮断层的范围进行规定的、构成本发明的第二十六实施方式所涉及的燃料电池的第二金属隔板的主视说明图。

图31是日本专利第3242737号公报所公开的燃料电池的剖视说明图。

具体实施方式

如图1及图2所示，本发明的第一实施方式所涉及的燃料电池10中，多个发电元件12例如以立起姿势沿水平方向(箭头A方向)层叠。

发电元件12具有横宽形状，并且具备电解质膜电极构造体(MEA)16、夹持所述电解质膜电极构造体16的第一金属隔板18及第二金属隔板20。第一金属隔板18及第二金属隔板20通过将薄板状的金属板分别冲压加工成波形状而具有截面凹凸形状(参照图2)。

第一金属隔板18及第二金属隔板20例如由铝板、不锈钢钢板、钛板或铌板等形成。

在发电元件12的长边方向(图1中，箭头B方向)的一端缘部以沿箭头A方向相互连通的方式设有用于供给氧化剂气体例如含氧气体的氧化剂气体供给连通孔26a、用于供给冷却介质的冷却介质供给连通孔28a、及用于排出燃料气体例如含氢气体的燃料气体排出连通孔30b。

在发电元件12的长边方向的另一端缘部以沿箭头A方向相互连通的方式设有用于供给燃料气体的燃料气体供给连通孔30a、用于排出冷却介质的冷却介质排出连通孔28b、及用于排出氧化剂气体的氧化剂气体排出连通孔26b。

如图3所示，在朝向第一金属隔板18的电解质膜电极构造体16的面18a上形成将氧化剂气体供给连通孔26a与氧化剂气体排出连通孔26b连通的氧化剂气体流路(反应气体流路)38。沿箭头B方向延伸的凸部40a与凹部40b沿箭头C方向交替形成，从而氧化剂气体流路38具有沿着各凹部40b而形成的多条氧化剂气体流路槽(反应气体流路槽)38a。凸部40a与电解质膜电极构造体16相接，并且凹部40b与所述电解质膜电极构造体16分离。

在氧化剂气体流路38的入口侧设置具有向电解质膜电极构造体16侧突出的多个压纹41ae的入口缓冲部41a，并且在所述氧化剂气体流路38的出口侧设置具有向所述电解质膜电极构造体16侧突出的多个压纹41be的出口缓冲部41b。

如图4所示，在朝向第二金属隔板20的电解质膜电极构造体16的面20a上形成将燃料气体供给连通孔30a与燃料气体排出连通孔30b连通的燃料气体流路(反应气体流路)42。沿箭头B方向延伸的凸部44a与凹部44b沿箭头C方向交替形成，从而燃料气体流路42具有沿各凹部44b形成的多条燃料气体流路槽(反应气体流路槽)42a。凸部44a与电解质膜电极构造体16相接，并且凹部44b与所述电解质膜电极构造体16分离。

在燃料气体流路42的入口侧设置具有向电解质膜电极构造体16侧突出的多个压纹45ae的入口缓冲部45a，并且在所述燃料气体流路42的出口侧设置具有向所述电解质膜电极构造体16侧突出的多个压纹45be的出口缓冲部45b。电解质膜电极构造体16被压纹41ae、41be与45be、45ae从两侧夹持。需要说明的是，在以下说明的第二实施方式之后的实施方式中也是相同的。

如图1所示，在相互邻接的第一金属隔板18的面18b与第二金属隔板20的面20b之间一体地形成将冷却介质供给连通孔28a与冷却介质排出连通孔28b连通的冷却介质流路46。冷却介质流路46构成为与氧化剂气体流路38及燃料气体流路42的背面形状重合。

在第一金属隔板18的面18a、18b上以环绕该第一金属隔板18的外周端部的方式一体成形第一密封构件47。在第二金属隔板20的面20a、20b上以环绕该第二金属隔板20的外周端部的方式一体成形第二密封构件48。

第一密封构件47及第二密封构件48使用如下所述的材料，例如是EPDM、NBR、氟橡胶、硅酮橡胶、氟硅酮橡胶、丁基橡胶、天然橡胶、苯乙烯橡胶、氯丁橡胶、或丙烯酸橡胶等的密封材料、缓冲材料或填充材料等具有弹性的密封材料。

如图1及图3所示，第一密封构件47具有在面18a、18b上具有均匀厚度而成形的平面密封部47a。第一密封构件47具有在面18a侧从平面密封部47a突出且使氧化剂气体供给连通孔26a及氧化剂气体排出连通孔26b与氧化剂气体流路38连通的凸状密封部47b(参照图3)。

第一密封构件47具有在面18b侧从平面密封部47a突出且使冷却介质供给连通孔28a及冷却介质排出连通孔28b与冷却介质流路46连通的凸状密封部47c(参照图1)。

第二密封构件48具有在面20a，20b上具有均匀厚度而形成的平面密封部48a。第二密封构件48具有在面20a侧从平面密封部48a突出且使燃料气体供给连通孔30a及燃料气体排出连通孔30b与燃料气体流路42连通的凸状密封部48b(参照图1及图4)。

电解质膜电极构造体16例如具备：在全氟磺酸的薄膜中含浸有水的固体高分子电解质膜50；夹持所述固体高分子电解质膜50的阴极电极(第一电极)52及阳极电极(第二电极)54。固体高分子电解质膜50设定为与阴极电极52及阳极电极54同等的平面尺寸或比阴极电极52及阳极电极54大的平面尺寸，外周端部从所述阴极电极52及所述阳极电极54的外周端部向外侧突出。

如图2所示，阴极电极52及阳极电极54具有：由碳纸等构成的阴极侧气体扩散层(第一气体扩散层)52a及阳极侧气体扩散层(第二气体扩散层)54a；将在表面载置有铂合金的多孔质碳颗粒均匀地涂敷于所述阴极侧气体扩散层52a及阳极侧气体扩散层54a的表面而成的阴极侧电极催化剂层(第一电极催化剂层)52b及阳极侧电极催化剂层(第二电极催化剂层)54b。

阴极侧电极催化剂层52b具有比阳极侧电极催化剂层54b小的平面尺寸(表面尺寸)。阴极侧电极催化剂层52b的外周端部52be比阳极侧电极催化剂层54b的外周端部54be靠内侧分离有距离L的量。阴极侧气体扩散层52a具有比阳极侧气体扩散层54a大的平面尺寸。在第一金属隔板18上以与阴极侧电极催化剂层52b的外周端部52be对置的方式配置有构成氧化剂气体流路38的氧化剂气体流路槽38a。并且，在以下说明的第二实施方式之后的实施方式中也是相同的。

需要说明的是，阴极侧气体扩散层52a可以具有与阳极侧气体扩散层54a相同的平面尺寸，或者所述阴极侧气体扩散层52a也可以具有比所述阳极侧气体扩散层54a小的平面尺寸。并且，在以下说明的第二实施方式之后的实施方式中也是相同的。

此外，阴极电极52与阳极电极54也可以调换彼此的尺寸而构成。即，阴极侧电极催化剂层52b也可以具有比阳极侧电极催化剂层54b大的平面尺寸。并且，在以下说明的第二实施方式之后的实施方式中也是相同的。

在第一实施方式中，如图2及图5所示，在阳极侧电极催化剂层54b的外周设置边框状遮断层，例如边框状的不透气性薄膜56。不透气性薄膜56具有电绝缘性。优选的是，该不透气性薄膜56还具有金属离子不透过性。不透气性薄膜56的内周侧端部56a至少配置在与阴极侧电极催化剂层52b的外周端部52be夹持固体高分子电解质膜50而进行重叠的位置(图2中，范围S)。

在第二金属隔板20中，如图4所示，容易产生高电位或电位梯度的部位58环绕发电面而存在。

不透气性薄膜56从阳极侧电极催化剂层54b与阳极侧气体扩散层54a之间越过所述阳极侧电极催化剂层54b的外周端部54be而配置在所述阳极侧气体扩散层54a与固体高分子电解质膜50之间。

需要说明的是，不透气性薄膜56也可以配置在阳极侧电极催化剂层54b与固体高分子电解质膜50之间。并且，阴极电极52及阳极电极54也可以设定为与上述第一实施方式相反的大小关系，并且在所述阴极电极52侧配置不透气性薄膜56。在以下说明的第二实施方式之后的实施方式中也相同地，阴极电极和阳极电极与不透气性薄膜能够变换彼此的结构。

不透气性薄膜56使用具有绝缘性且耐热水性、耐酸性及耐热性优异的材料。作为不透气性薄膜56而使用例如聚四氟乙烯(PTFE)、聚酰亚胺或聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)等。

以下，对该燃料电池10的动作进行说明。

如图1所示，在燃料电池10内，向氧化剂气体供给连通孔26a供给含氧气体等氧化剂气体，并且向燃料气体供给连通孔30a供给含氢气体等燃料气体。此外，向冷却介质供给连通孔28a供给纯水、乙二醇等冷却介质。因此，在各发电元件12中，氧化剂气体、燃料气体及冷却介质分别沿箭头A方向供给。

如图3所示，氧化剂气体从氧化剂气体供给连通孔26a而导入到第一金属隔板18的氧化剂气体流路38，并沿着电解质膜电极构造体16的阴极电极52而进行移动。另一方面，如图1及图4所示，燃料气体从燃料气体供给连通孔30a而导入到第二金属隔板20的燃料气体流路42，并沿着电解质膜电极构造体16的阳极电极54而进行移动。

因此，在各电解质膜电极构造体16中，向阴极电极52供给的氧化剂气体和向阳极电极54供给的燃料气体在阴极侧电极催化剂层52b及阳极侧电极催化剂层54b内发生电化学反应而被消耗，从而进行发电。

接着，将向阴极电极52供给而进行了消耗的氧化剂气体向氧化剂气体排出连通孔26b排出，并沿箭头A方向流动。同样地，将向阳极电极54供给而进行了消耗的燃料气体向燃料气体排出连通孔30b排出，并沿箭头A方向流动。

另外，冷却介质在从冷却介质供给连通孔28a导入到第一金属隔板18及第二金属隔板20之间的冷却介质流路46之后，沿着箭头B方向流动。该冷却介质在对电解质膜电极构造体16进行了冷却之后，在冷却介质排出连通孔28b中移动而从燃料电池10中排出。

在该情况下，阴极侧电极催化剂层52b具有比阳极侧电极催化剂层54b小的平面尺寸。如图2所示，阴极侧电极催化剂层52b的外周端部52be比阳极侧电极催化剂层54b的外周端部54be靠内侧分离了距离L的量。因此，仅在固体高分子电解质膜50的单面，从存在阳极侧电极催化剂层54b的电极外周到半电极区域附近(距离S～L的范围)容易产生高电位或电位梯度。

因此，在第一实施方式中，如图2及图5所示，在阳极侧电极催化剂层54b的外周设有不透气性薄膜56。而且，不透气性薄膜56的内周侧端部56a至少配置在与阴极侧电极催化剂层52b的外周端部52be夹持固体高分子电解质膜50而进行重叠的位置。

因此，即使从阴极侧电极催化剂层52b的端部附近向仅存在阳极侧电极催化剂层54b的外周侧而产生高电位或电位梯度，也能够抑制来自第二金属隔板20的外侧端部的金属离子熔出。由此，能够以简单且经济的结构阻止来自第二金属隔板20的金属离子的熔出，并尽可能地抑制固体高分子电解质膜50的劣化。并且，即便产生金属离子，也能够阻止其向固体高分子电解质膜50的进入。

图6是构成本发明的第二实施方式所涉及的燃料电池10a的发电元件12a的主要部分的剖视说明图。需要说明的是，对与第一实施方式所涉及的燃料电池10相同的构成要素标注相同的附图标记并省略其详细的说明。并且，在以下说明的第三实施方式之后的实施方式中也省略其详细的说明。

在第二实施方式中具备不透气性薄膜56，并且所述不透气性薄膜56具有与固体高分子电解质膜50的外形尺寸相同的外形尺寸。因此，第二实施方式能获得与上述的第一实施方式相同的效果，并且能更可靠地进行固体高分子电解质膜50的保护。并且，不透气性薄膜56也可以配置在阳极侧电极催化剂层54b与固体高分子电解质膜50之间。

图7是构成本发明的第三实施方式所涉及的燃料电池10b的发电元件12b的主要部分的剖视说明图。

在第三实施方式中，在第二金属隔板20上以与阳极侧电极催化剂层54b的外周端部54be对置的方式配置有构成燃料气体流路42的燃料气体流路槽42a。因此，能够可靠地抑制阳极侧电极催化剂层54b的外周端部54be处的燃料气体及生成水的滞留。

图8是构成本发明的第四实施方式所涉及的燃料电池60的发电元件62的主要部分的剖视说明图。

发电元件62具备电解质膜电极构造体(MEA)64、夹持所述电解质膜电极构造体64的第一金属隔板18及第二金属隔板20。电解质膜电极构造体64利用阴极电极52及阳极电极54来夹持固体高分子电解质膜50。

在阳极侧电极催化剂层54b的外周处设置边框状遮断层，例如边框状的不透气性薄膜56，并且在阴极侧电极催化剂层52b的外侧设置边框状遮断层，例如边框状的不透气性薄膜66。不透气性薄膜66的内周侧端部66a与阴极侧电极催化剂层52b的外周端部52be抵接，或者以与该外周端部52be一部分重叠的方式配置在所述外周端部52be与阴极侧气体扩散层52a之间。

在该第四实施方式中，在阴极侧电极催化剂层52b的外侧设有边框状的不透气性薄膜66。因此，在阴极电极52中，即使在阴极侧电极催化剂层52b的外侧产生滞留水，也能够良好地保护固体高分子电解质膜50。

另外，以与阴极侧电极催化剂层52b的外周端部52be对置的方式配置有氧化剂气体流路槽38a。因此，能够可靠地向外周端部52be供给氧化剂气体。需要说明的是，也可以仅在阴极侧电极催化剂层52b侧配置不透气性薄膜66而不设置不透气性薄膜56。

图9是构成本发明的第五实施方式所涉及的燃料电池67的发电元件68的主要部分的剖视说明图。需要说明的是，对与第四实施方式所涉及的燃料电池60相同的构成要素标注相同的附图标记并省略其详细的说明。

在发电元件68中，在阳极侧电极催化剂层54b的外周设有不透气性薄膜56L，并且在阴极侧电极催化剂层52b的外侧设有边框状的不透气性薄膜66L。不透气性薄膜56L、66L设定为与固体高分子电解质膜50相同的外形尺寸。因此，在第五实施方式中，能够更可靠地进行固体高分子电解质膜50的保护。

需要说明的是，不透气性薄膜66L也可以具有与阴极侧电极催化剂层52b重叠的重叠部。此时，重叠部能够通过将不透气性薄膜66L延伸到固体高分子电解质膜50与阴极侧电极催化剂层52b之间而构成。另一方面，重叠部还能够通过使不透气性薄膜66L延伸到阴极侧电极催化剂层52b与阴极侧气体扩散层52a之间而构成。

图10是构成本发明的第六实施方式所涉及的燃料电池70的发电元件72的主要部分的剖视说明图。

发电元件72具备电解质膜电极构造体(MEA)74、夹持所述电解质膜电极构造体74的第一金属隔板18及第二金属隔板20。电解质膜电极构造体74利用阴极电极52及阳极电极76来夹持固体高分子电解质膜50。

阳极电极76具有阳极侧气体扩散层76a与阳极侧电极催化剂层(第二电极催化剂层)76b。在阳极侧电极催化剂层76b的外周端部76be设有边框状遮断层，例如边框状的树脂含浸部78，其通过加热熔融而含浸到阳极侧气体扩散层76a而成。树脂含浸部78能够采用例如PVDF(聚偏氟乙烯)、PPS(聚苯硫醚)等树脂材料。树脂含浸部78具有金属离子不透过性。优选的是，在该树脂含浸部78的表面设有由树脂覆盖的电绝缘层。电绝缘层也可以不必进行整面覆盖。

在该第六实施方式中，在阳极侧电极催化剂层76b的外周设有树脂含浸部78。因此，能够抑制来自第二金属隔板20的外侧端部的金属离子的熔出。因此，能够以简单且经济的结构尽可能地抑制固体高分子电解质膜50的劣化等，获得与上述的第一实施方式之后的实施方式相同的效果。

图11是构成本发明的第七实施方式所涉及的燃料电池80的发电元件82的主要部分的剖视说明图。

发电元件82具备电解质膜电极构造体(MEA)84、夹持所述电解质膜电极构造体84的第一金属隔板18及第二金属隔板20。电解质膜电极构造体84利用阴极电极86及阳极电极76来夹持固体高分子电解质膜50。

阴极电极86具有阴极侧气体扩散层86a与阴极侧电极催化剂层(第一电极催化剂层)86b。在阳极侧电极催化剂层76b的外周端部76be设有树脂含浸部78，并且在阴极侧电极催化剂层86b的外周端部86be设有边框状遮断层，例如边框状的树脂含浸部78a，其通过含浸到阴极侧气体扩散层86a而成。

树脂含浸部78a以与阴极侧电极催化剂层86b的外周端部86be相接、或与所述外周端部86be一部分重叠的方式配置。

在该第七实施方式中，在阴极侧电极催化剂层86b的外侧设有边框状的树脂含浸部78a。因此，在阴极电极86中，即使在阴极侧电极催化剂层86b的外侧产生滞留水，也能够良好地保护固体高分子电解质膜50等，获得与上述的第四实施方式相同的效果。

图12是构成本发明的第八实施方式所涉及的燃料电池90的发电元件92的主要部分的剖视说明图。

发电元件92具备电解质膜电极构造体(MEA)94、夹持所述电解质膜电极构造体94的第一金属隔板18及第二金属隔板20。电解质膜电极构造体94利用阴极电极52及阳极电极54来夹持固体高分子电解质膜50。

在固体高分子电解质膜50的外周端部接合树脂制框构件96、98，并且，所述树脂制框构件96具有沿着阳极侧电极催化剂层54b的外周而含浸于阳极侧气体扩散层54a的树脂含浸部(边框状遮断层)96a。

树脂制框构件96、98能够采用例如PVDF(聚偏氟乙烯)、PPS(聚苯硫醚)等树脂材料。树脂含浸部96a一体设置于树脂制框构件96，通过被加热及加压而含浸于阳极侧气体扩散层54a。

利用树脂制框构件96、98，能够防止固体高分子电解质膜50的露出，并保护所述固体高分子电解质膜50。需要说明的是，在以下说明的第九实施方式中也是相同的。

在该第八实施方式中，在阳极侧电极催化剂层54b的外周设有将树脂制框构件96的一部分含浸于阳极侧气体扩散层54a而成的树脂含浸部96a。因此，能够抑制来自第二金属隔板20的外侧端部的金属离子的熔出，能够以简单且经济的结构尽可能地抑制固体高分子电解质膜50的劣化等，获得与上述的第一实施方式之后的实施方式相同的效果。

图13是构成本发明的第九实施方式所涉及的燃料电池100的发电元件102的主要部分的剖视说明图。

发电元件102具备电解质膜电极构造体(MEA)104、夹持所述电解质膜电极构造体104的第一金属隔板18及第二金属隔板20。电解质膜电极构造体104利用阴极电极52及阳极电极54来夹持固体高分子电解质膜50。

在阳极侧电极催化剂层54b的外侧设有将树脂制框构件96的一部分含浸于阳极侧气体扩散层54a而成的树脂含浸部96a。在阴极侧电极催化剂层52b的外侧设有将树脂制框构件98的一部分含浸于阴极侧气体扩散层52a而成的树脂含浸部(边框状绝缘部)98a。树脂含浸部98a以与阴极侧电极催化剂层52b的外周端部52be相接、或与所述外周端部52be重叠一部分的方式配置。

在该第九实施方式中，在阴极侧电极催化剂层52b的外侧设有边框状的树脂含浸部98a。因此，在阴极电极52中，即使在阴极侧电极催化剂层52b的外侧产生滞留水，也能够良好地保护固体高分子电解质膜50。

图14是构成本发明的第十实施方式所涉及的燃料电池110的发电元件112的主要部分的剖视说明图。

发电元件112具备电解质膜电极构造体(MEA)114、夹持所述电解质膜电极构造体114的第一金属隔板18及第二金属隔板20。电解质膜电极构造体114利用阴极电极52及阳极电极54来夹持固体高分子电解质膜50。

在阳极侧电极催化剂层54b的外侧，更具体来说，在阳极侧气体扩散层54a与第二金属隔板20之间设有边框状遮断层，例如边框状的不透气性薄膜116。不透气性薄膜116的内周侧端部116a至少配置在与阴极侧电极催化剂层52b的外周端部52be夹持固体高分子电解质膜50而进行重叠的位置。

在该第十实施方式中，以位于阳极侧气体扩散层54a与第二金属隔板20之间的方式设有不透气性薄膜116。由此，能够以简单且经济的结构阻止来自第二金属隔板20的金属离子的熔出，并尽可能地抑制固体高分子电解质膜50的劣化等，获得与上述的第一实施方式之后的实施方式相同的效果。

图15是构成本发明的第十一实施方式所涉及的燃料电池110a的发电元件112a的主要部分的剖视说明图。

在第十一实施方式中具备不透气性薄膜116，并且所述不透气性薄膜116具有与固体高分子电解质膜50的外形尺寸相同的外形尺寸。因此，在第十一实施方式中，能更可靠地进行固体高分子电解质膜50的保护。

图16是构成本发明的第十二实施方式所涉及的燃料电池120的发电元件122的主要部分的剖视说明图。

发电元件122具备电解质膜电极构造体(MEA)124、夹持所述电解质膜电极构造体124的第一金属隔板18及第二金属隔板20。电解质膜电极构造体124利用阴极电极52及阳极电极54来夹持固体高分子电解质膜50。

在阳极侧气体扩散层54a与第二金属隔板20之间设有不透气性薄膜116，并且在阴极侧气体扩散层52a与第一金属隔板18之间设有边框状遮断层，例如边框状的不透气性薄膜126。不透气性薄膜126的内周侧端部126a以相对于层叠方向而与阴极侧电极催化剂层52b的外周端部52be邻接或重叠一部分的方式配置。

在该第十二实施方式中，在阴极侧气体扩散层52a的外侧设有边框状的不透气性薄膜126。因此，能够良好地保护固体高分子电解质膜50。

图17是构成本发明的第十三实施方式所涉及的燃料电池120a的发电元件122a的主要部分的剖视说明图。

在第十三实施方式中，不透气性薄膜116具有与固体高分子电解质膜50的外形尺寸相同的外形尺寸，并且不透气性薄膜126具有与所述固体高分子电解质膜50的外形尺寸相同的外形尺寸。因此，在第十三实施方式中，能更可靠地进行固体高分子电解质膜50的保护。

图18是构成本发明的第十四实施方式所涉及的燃料电池130的发电元件132的主要部分的剖视说明图。

发电元件132具备电解质膜电极构造体134。在构成电解质膜电极构造体134的阴极电极52中，将阴极侧气体扩散层52a及阴极侧电极催化剂层52b设定为相同的平面尺寸，且设定为比固体高分子电解质膜50小的平面尺寸。在构成电解质膜电极构造体134的阳极电极54中，阳极侧气体扩散层54a及阳极侧电极催化剂层54b设定为与固体高分子电解质膜50相同的平面尺寸。

在从固体高分子电解质膜50的阴极电极52的外周端部向外侧延伸的外周端部设有不透气性薄膜136，以使该不透气性薄膜136与所述阴极电极52的阴极侧电极催化剂层52b的外周端部抵接。进一步优选的是，不透气性薄膜136设定为与阴极电极52同等的厚度。在阳极电极54的与凸状密封部48b接触的接触部设有对阳极侧气体扩散层54a与阳极侧电极催化剂层54b实施了树脂含浸的树脂含浸部138。

在该第十四实施方式中，获得与上述的第四实施方式之后的实施方式相同的效果。

图19是构成本发明的第十五实施方式所涉及的燃料电池140的发电元件142的主要部分的剖视说明图。

发电元件142具备电解质膜电极构造体144。在构成电解质膜电极构造体144的阴极电极52中，阴极侧气体扩散层52a及阴极侧电极催化剂层52b设定为相同的平面尺寸，且设定为比固体高分子电解质膜50小的平面尺寸。在构成电解质膜电极构造体144的阳极电极54中，阳极侧气体扩散层54a及阳极侧电极催化剂层54b设定为相同的平面尺寸，且设定为比固体高分子电解质膜50小的平面尺寸。阳极电极54设定为比阴极电极52大的平面尺寸。

优选的是，阳极电极54的阳极侧电极催化剂层54b的外周端部配置在燃料气体流路槽42a内。其原因在于，不会产生燃料气体、生成水滞留的情况。

在从固体高分子电解质膜50的阴极电极52的外周端部向外侧延伸的外周端部设有不透气性薄膜136，以使该不透气性薄膜136与所述阴极电极52的阴极侧电极催化剂层52b的外周端部抵接。在从固体高分子电解质膜50的阳极电极54的外周端部向外侧延伸的外周端部设有不透气性薄膜146，以使该不透气性薄膜146与所述阳极电极54的阳极侧电极催化剂层54b的外周端部抵接。进一步优选的是，将不透气性薄膜146设定为与阳极电极54同等的厚度。

在该第十五实施方式中，获得与上述的第四实施方式之后的实施方式相同的效果。需要说明的是，在第十三实施方式及第十四实施方式中，虽然将阳极电极54设定为比阴极电极52大的平面尺寸，但也可以与此相反地，将所述阴极电极52设定为比所述阳极电极54大的平面尺寸。

图20是构成本发明的第十六实施方式所涉及的燃料电池150的发电元件152的主要部分的剖视说明图。

发电元件152具备电解质膜电极构造体(MEA)154、夹持所述电解质膜电极构造体154的第一金属隔板18及第二金属隔板20。电解质膜电极构造体154利用阴极电极52及阳极电极54来夹持固体高分子电解质膜50。

在阳极电极54中，阳极侧电极催化剂层54b与阳极侧气体扩散层54a设定为相同的平面尺寸。在阴极电极52中，在阴极侧电极催化剂层52b的外周部与内周侧端部156a重叠地设置边框状遮断层，例如边框状的不透气性薄膜156。将不透气性薄膜156设定为与固体高分子电解质膜50相同的外形尺寸。

阳极侧电极催化剂层54b的外周端部配置在燃料气体流路槽42a内，并且将阴极侧电极催化剂层52b的外周端部配置在氧化剂气体流路槽38a内。不透气性薄膜156也可以配置在固体高分子电解质膜50与阴极侧电极催化剂层52b之间。

在该第十六实施方式中，获得与上述的第四实施方式之后的实施方式相同的效果。

图21是构成本发明的第十七实施方式所涉及的燃料电池160的发电元件162的主要部分的剖视说明图。

发电元件162具备电解质膜电极构造体(MEA)164、夹持所述电解质膜电极构造体164的第一金属隔板18及第二金属隔板20。电解质膜电极构造体164利用阴极电极166及阳极电极54来夹持固体高分子电解质膜50。

阴极电极166具有阴极侧电极催化剂层166b以及阴极侧气体扩散层166a。在阴极侧气体扩散层166a的外周端部166ae设有边框状遮断层，例如边框状的树脂含浸部168，其通过具有与阴极侧电极催化剂层166b重叠的重叠部而将其含浸于所述阴极侧气体扩散层166a而成。树脂含浸部168也可以与阴极侧电极催化剂层166b抵接。在阴极侧气体扩散层166a的阴极侧电极催化剂层166b的外侧与固体高分子电解质膜50之间设有粘合层169。

在该第十七实施方式中，仅在阴极电极166设有树脂含浸部168，获得与上述的第四实施方式之后的实施方式相同的效果。

图22是构成本发明的第十八实施方式所涉及的燃料电池170的发电元件172的主要部分的剖视说明图。

发电元件172具备电解质膜电极构造体(MEA)174、夹持所述电解质膜电极构造体174的第一金属隔板18及第二金属隔板20。电解质膜电极构造体174利用阴极电极52及阳极电极54来夹持固体高分子电解质膜50。

在阴极电极52中，阴极侧电极催化剂层52b与阴极侧气体扩散层52a设定为相同的平面尺寸。在阳极电极54中，阳极侧电极催化剂层54b与阳极侧气体扩散层54a设定为相同的平面尺寸。阳极电极54设定为与固体高分子电解质膜50相同的平面尺寸，并且具有比阴极电极52大的平面尺寸。

在电解质膜电极构造体174的外周部接合树脂制框构件176。树脂制框构件176具有电绝缘性。优选的是，该树脂制框构件176还具有金属离子不透过性。树脂制框构件176具有截面L字状，在沿层叠方向延伸的底面部176a上抵接有阳极电极54的外周端部及固体高分子电解质膜50的外周端部而进行接合。在向树脂制框构件176的内侧突出的内侧端部176b上抵接有阴极电极52的外周端部而进行接合。也可以在阴极电极52的外周端部设置被树脂含浸后的树脂含浸部178a，另一方面，也可以在阳极电极54的外周端部设置被树脂含浸后的树脂含浸部178b。

在该第十八实施方式中具备树脂制框构件176，尤其能获得与上述的第八实施方式相同的效果。

图23是构成本发明的第十九实施方式所涉及的燃料电池180的发电元件182的主要部分的剖视说明图。

发电元件182具备电解质膜电极构造体(MEA)184、夹持所述电解质膜电极构造体184的第一金属隔板18及第二金属隔板20。电解质膜电极构造体184利用阴极电极52及阳极电极54来夹持固体高分子电解质膜50。

在阴极电极52中，阴极侧电极催化剂层52b设定为比阴极侧气体扩散层52a小的平面尺寸，并且所述阴极侧气体扩散层52a设定为与固体高分子电解质膜50大致相同的平面尺寸。在阳极电极54中，阳极侧电极催化剂层54b与阳极侧气体扩散层54a设定为相同的平面尺寸。阳极电极54具有比阴极侧电极催化剂层52b大的平面尺寸，且具有比阴极侧气体扩散层52a小的平面尺寸。

在电解质膜电极构造体184的外周部处接合有树脂制框构件186。树脂制框构件186具有截面L字状，在沿层叠方向延伸的底面部186a抵接有阴极侧气体扩散层52a的外周端部及固体高分子电解质膜50的外周端部而进行接合。在向树脂制框构件186的内侧突出的内侧端部186b抵接有阳极电极54的外周端部而进行接合。

也可以在阴极电极52的外周端部设置被树脂含浸后的树脂含浸部188a，另一方面，也可以在阳极电极54的外周端部处设置被树脂含浸后的树脂含浸部188b。

在该第十九实施方式中具备树脂制框构件186，尤其能获得与上述的第十八实施方式相同的效果。

图24是构成本发明的第二十实施方式所涉及的燃料电池190的发电元件192的主要部分的剖视说明图。

发电元件192具备电解质膜电极构造体(MEA)194、夹持所述电解质膜电极构造体194的第一金属隔板18及第二金属隔板20。电解质膜电极构造体194利用阴极电极52及阳极电极54来夹持固体高分子电解质膜50。

在阴极电极52中，阴极侧电极催化剂层52b设定为比阴极侧气体扩散层52a大的平面尺寸。在阳极电极54中，阳极侧电极催化剂层54b与阳极侧气体扩散层54a设定为相同的平面尺寸。阳极电极54设定为与固体高分子电解质膜50相同的平面尺寸，并且具有比阴极电极52大的平面尺寸。

在电解质膜电极构造体194的外周部处接合有树脂制框构件196。树脂制框构件196具有截面L字状，在沿层叠方向延伸的底面部196a抵接有阳极电极54的外周端部及固体高分子电解质膜50的外周端部而进行接合。在向树脂制框构件196的内侧突出的内侧端部196b抵接有阴极侧气体扩散层52a的外周端部而进行接合。在树脂制框构件196的内侧端部196b的内表面与固体高分子电解质膜50之间设有粘合层198。

在该第二十实施方式中具备树脂制框构件196，尤其能获得与上述的第十八实施方式～第十九实施方式相同的效果。

图25是构成本发明的第二十一实施方式所涉及的燃料电池200的发电元件202的主要部分的剖视说明图。

发电元件202具备电解质膜电极构造体(MEA)204以及夹持所述电解质膜电极构造体204的第一金属隔板18及第二金属隔板20。电解质膜电极构造体204利用阴极电极52及阳极电极54来夹持固体高分子电解质膜50。

在阴极电极52中，阴极侧电极催化剂层52b设定为比阴极侧气体扩散层52a小的平面尺寸，并且所述阴极侧气体扩散层52a设定为与固体高分子电解质膜50大致相同的平面尺寸。在阳极电极54中，阳极侧电极催化剂层54b设定为比阳极侧气体扩散层54a大的平面尺寸。阳极侧电极催化剂层54b及阳极侧气体扩散层54a具有比阴极侧电极催化剂层52b大的平面尺寸。

在电解质膜电极构造体204的外周部处接合有树脂制框构件206。树脂制框构件206具有截面L字状，在沿层叠方向延伸的底面部206a抵接有阴极侧气体扩散层52a的外周端部及固体高分子电解质膜50的外周端部而进行接合。在向树脂制框构件206的内侧突出的内侧端部206b抵接有阳极侧气体扩散层54a的外周端部而进行接合。

也可以在阴极电极52的外周端部处设置被树脂含浸后的树脂含浸部207。在树脂制框构件206的内侧端部206b的内表面与固体高分子电解质膜50之间设有粘合层208。

在该第二十一实施方式中具备树脂制框构件206，尤其能获得与上述的第十八实施方式～第二十实施方式相同的效果。

图26是构成本发明的第二十二实施方式所涉及的燃料电池210的发电元件212的主要部分的剖视说明图。

发电元件212具备电解质膜电极构造体(MEA)214、夹持所述电解质膜电极构造体214的第一金属隔板18及第二金属隔板20。电解质膜电极构造体214利用阴极电极52及阳极电极54来夹持固体高分子电解质膜50。

在阳极电极54中，阳极侧电极催化剂层54b与阳极侧气体扩散层54a设定为相同的平面尺寸。在阴极电极52中，阴极侧电极催化剂层52b设定为比阴极侧气体扩散层52a小的平面尺寸。

在阴极侧气体扩散层52a的外周部以重叠内周侧端部216a的方式设有边框状遮断层，例如边框状的不透气性薄膜216。内周侧端部216a配置在相对于层叠方向而与阴极侧电极催化剂层52b重叠一部分的位置。不透气性薄膜216设定为与固体高分子电解质膜50相同的外形尺寸。需要说明的是，不透气性薄膜216可以设定为比固体高分子电解质膜50小的外形尺寸，也可以在不与凸状密封部47b抵接的位置处形成终端。

在该第二十二实施方式中，获得与上述的第四实施方式之后的实施方式相同的效果。

图27是构成本发明的第二十三实施方式所涉及的燃料电池220的发电元件222的主要部分的剖视说明图。需要说明的是，燃料电池220与第十四实施方式所涉及的燃料电池130大致相同地构成。

发电元件222具备电解质膜电极构造体(MEA)224以及夹持所述电解质膜电极构造体224的第一金属隔板18及第二金属隔板20。电解质膜电极构造体224利用阴极电极52及阳极电极54来夹持固体高分子电解质膜50。

阴极电极52具有比阳极电极54小的平面尺寸，并且阴极侧电极催化剂层52b设定为比阴极侧气体扩散层52a大的平面尺寸。在固体高分子电解质膜50的外周端部处设置具有与所述固体高分子电解质膜50相同的平面尺寸的不透气性薄膜226。不透气性薄膜226的内侧端部226a具有与阴极侧电极催化剂层52b重叠的重叠部，且与阴极侧气体扩散层52a的外周部接合而构成为阶梯差状。

在第二十三实施方式中具备不透气性薄膜226，尤其能获得与上述的第十四实施方式等相同的效果。

图28是构成本发明的第二十四实施方式所涉及的燃料电池230的发电元件232的主要部分的剖视说明图。需要说明的是，燃料电池230与第十五实施方式所涉及的燃料电池140大致相同地构成。

发电元件232具备电解质膜电极构造体(MEA)234以及夹持所述电解质膜电极构造体234的第一金属隔板18及第二金属隔板20。电解质膜电极构造体234利用阴极电极52及阳极电极54来夹持固体高分子电解质膜50。

阴极电极52与上述的第二十三实施方式相同地构成。阳极电极54中，阳极侧电极催化剂层54b具有比阳极侧气体扩散层54a大的平面尺寸。阴极电极52及阳极电极54设定为比固体高分子电解质膜50小的平面尺寸。

在从固体高分子电解质膜50的阳极电极54的外周端部向外侧延伸的外周端部处设有不透气性薄膜236。不透气性薄膜236的内侧端部236a具有与阳极侧电极催化剂层54b重叠的重叠部，且与阳极侧气体扩散层54a的外周部接合而构成为阶梯差状。优选的是，阳极电极54的阳极侧电极催化剂层54b的外周端部配置在燃料气体流路槽42a内。优选的是，阴极电极52的阴极侧电极催化剂层52b的外周端部配置在氧化剂气体流路槽38a内。

在该第二十四实施方式中具备不透气性薄膜226、236，尤其能获得与上述的第十五实施方式等相同的效果。

需要说明的是，本发明并不局限于仅是上述的第一实施方式～第二十四实施方式的组合、形状等，另外作为边框状遮断层而使用不透气性薄膜、树脂构件等，但能够根据各自的用途而进行组合、形状等各种选择。

图29表示对设置边框状遮断层的范围进行规定的、构成本发明的第二十五实施方式所涉及的燃料电池的第二金属隔板240。需要说明的是，第一金属隔板也是相同的。

在第二金属隔板240中，不透气性薄膜、树脂构件等边框状遮断层设置于遮断层范围242。遮断层范围242是从发电范围(阴极侧电极催化剂层52b与阳极侧电极催化剂层54b将固体高分子电解质膜50夹在中间而对置的范围)的外周遍及到覆盖入口缓冲部45a及出口缓冲部45b的范围。

需要说明的是，边框状遮断层可以处于阴极侧电极催化剂层52b侧、阳极侧电极催化剂层54b侧或上述两者。在以下说明的第二十六实施方式中也是相同的。

图30表示对设置边框状遮断层的范围进行规定的、构成本发明的第二十六实施方式所涉及的燃料电池的第二金属隔板250。

在第二金属隔板250中，不透气性薄膜、树脂构件等边框状遮断层设置于遮断层范围252。遮断层范围252从发电范围的外周遍及到第二金属隔板250的整面。边框状遮断层扩张至氧化剂气体供给连通孔26a、氧化剂气体排出连通孔26b、冷却介质供给连通孔28a、冷却介质排出连通孔28b、燃料气体供给连通孔30a及燃料气体排出连通孔30b而进行设置。需要说明的是，边框状遮断层也可以设置上述连通孔。

Claims (10)

1.一种燃料电池，电解质膜电极构造体由一对金属隔板夹持，在所述电解质膜电极构造体中，在固体高分子电解质膜的一方的面上设置具有第一电极催化剂层及第一气体扩散层的第一电极，在所述固体高分子电解质膜的另一方的面上设置具有第二电极催化剂层及第二气体扩散层的第二电极，并且将所述第一电极催化剂层的平面尺寸设定得比所述第二电极催化剂层的平面尺寸小，

所述燃料电池的特征在于，

至少在所述第二电极催化剂层的外周侧或所述第一电极催化剂层的外周侧以使内周侧端部抵接或使所述内周侧端部重叠的方式设置边框状遮断层。

2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，

所述边框状遮断层至少是不透气性薄膜、树脂含浸部或树脂框构件中的任一种。

3.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，

在所述第二电极催化剂层的外周设置所述边框状遮断层，并且，

所述边框状遮断层的内周侧端部配置在夹着所述固体高分子电解质膜且至少与所述第一电极催化剂层的外周端重叠的位置。

4.根据权利要求3所述的燃料电池，其特征在于，

所述边框状遮断层具有配置在所述第二电极催化剂层与所述第二气体扩散层之间的不透气性薄膜。

5.根据权利要求3所述的燃料电池，其特征在于，

所述边框状遮断层具有将树脂含浸于所述第二气体扩散层而构成的树脂含浸部。

6.根据权利要求3所述的燃料电池，其特征在于，

所述边框状遮断层具有设于所述第二气体扩散层的外周的树脂框构件。

7.根据权利要求3所述的燃料电池，其特征在于，

所述边框状遮断层具有设在所述第二气体扩散层与所述金属隔板之间的不透气性薄膜。

8.根据权利要求3所述的燃料电池，其特征在于，

在所述第一电极催化剂层的外周以与所述边框状遮断层对置的方式设置另一边框状遮断层。

9.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，

所述第一电极催化剂层具有比所述第一气体扩散层大的平面尺寸，或者，所述第二电极催化剂层具有比所述第二气体扩散层大的平面尺寸，在所述第一气体扩散层的外周端部或所述第二气体扩散层的外周端部处设置所述边框状遮断层。

10.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，

至少所述第一电极催化剂层或所述第二电极催化剂层的外周端部配置在反应气体流路槽内，该反应气体流路槽构成使反应气体沿着发电面进行流通的反应气体流路。

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