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CN104170134B - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池(FC，FC2)包括：膜电极接合体(M)；框架(4)，框架(4)配置在膜电极接合体(M)的外周部；以及隔离体(5)，隔离体(5)限定隔离体(5)和膜电极接合体(M)之间以及隔离体(5)和框架(4)之间的气体流路(G)。作为气体流路(G)的一部分的扩散部(D)形成在隔离体(5)和框架(4)之间。电极层(1)包括金属多孔体(23、33)，该金属多孔体(23、33)作为电极表面层并且具有气体透过性。金属多孔体(23、33)在金属多孔体的端部具有延伸部(23A、33A)，其覆盖与框架(4)的扩散部(D)相对应的区域。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及诸如聚合物电解质燃料电池(PEFC)的燃料电池的改进。
背景技术
例如已知专利文献1中描述的燃料电池。燃料电池包括膜电极接合体(MEA)和将膜电极接合体夹在中间的两个隔离体(separator)。在膜电极接合体中，电解质膜夹在燃料电极和空气电极之间，第一气体扩散层和第二气体扩散层分别设置在燃料电极和空气电极的外表面。
在燃料电池中，膜电极接合体的端部朝向第一气体扩散层和第二气体扩散层的外部延伸。在第一气体扩散层和第二气体扩散层的外部，膜电极接合体的端部夹在设置于隔离体上的弹性垫圈(gasket)之间，该弹性垫圈防止膜电极接合体的变形以及第一气体扩散层和第二气体扩散层的移位。专利文献1还公开了一体地设置在膜电极接合体的外周部上的加强框架。
再者，例如已知专利文献2中描述的燃料电池。燃料电池包括支撑聚合物电解质膜的第一支撑构件和第二支撑构件。第一支撑构件与第二支撑构件相比沿平面方向进一步朝向内侧延伸。在燃料电池中，第一支撑构件经由聚合物电解质膜与电极的与第一支撑构件相对的外侧缘重叠。
燃料电池加强使用第一支撑构件和第二支撑构件的聚合物电解质膜，以及即使从阳极侧或阴极侧施加压力时也防止聚合物电解质膜产生剪切应力。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-108852号公报
专利文献2：日本特开2008-171783号公报
发明内容
发明要解决的问题
为专利文献1中描述的燃料电池提供位于膜电极接合体和用于将反应气体供给到膜电极接合体的歧管之间的扩散部是必要的，该扩散部具有反应气体流受控的特定区域。扩散部通过绕着膜电极接合体的外周部设置的框架形成。
另一方面，在专利文献1中描述的燃料电池中，归因于燃料电池的运行情况等，在阴极侧和阳极侧之间通常产生气体的压差，该压差会影响形成扩散部的框架。也就是，在具有扩散部的燃料电池中，压差沿框架的厚度方向在具有相对较大长度的扩散部处使框架变形，压差减小在一侧上的气体流路的截面积，以增大反应气体的压力损失。再者，框架通过压差变化反复接收应力，以使沿其厚度方向变形。由此，存在于一侧上的气体流路的截面积减小的问题，这会增大反应气体的压力损失。
近年来，薄的燃料电池的研究和发展促进实现小型化且高性能的燃料电池。在需要薄的框架以获得薄的燃料电池的情况下，由上述压差导致的问题变得更加显著。
此外，在诸如专利文献2描述的具有支撑元件设置在电解质膜的两表面上的结构的燃料电池的传统燃料电池中，电解质膜在电极和支撑元件之间的间隙内露出。尽管传统的燃料电池加强使用支撑元件的电解质膜，但是如果支撑元件由于阴极侧和阳极侧之间的压差而变形，则不能避免在电解质膜露出的区域内的弯曲和/或剪切应力的集中。存在电解质膜由于集中会被损坏的问题。
为解决上述传统问题而做出的本发明旨在提供一种能够防止由于阴极侧和阳极侧之间的压差而使框架变形的燃料电池。本发明还旨在提供一种即使在阴极侧和阳极侧之间产生压差时也能够减小待施加于电解质膜的应力的燃料电池。
用于解决问题的方案
根据本发明的一方面的燃料电池包括：膜电极接合体，在所述膜电极接合体中，电解质膜夹在一对电极层之间；框架，所述框架配置在所述膜电极接合体的外周部上；以及隔离体，所述隔离体限定所述隔离体和所述膜电极接合体之间以及所述隔离体和所述框架之间的气体流路，其中，作为所述气体流路的一部分的扩散部形成在所述隔离体和所述框架之间，每个所述电极层包括金属多孔体，所述金属多孔体作为电极表面层并且具有气体透过性(permeability)，所述金属多孔体在所述金属多孔体的端部具有延伸部，该延伸部覆盖所述框架的与所述扩散部相对应的区域。
附图说明
图1是图示根据本发明的第一示例性实施方式的燃料电池的必要部分的截面图。
图2是图示在图1中图示的燃料电池的整体结构的平面图。
图3是在图2中图示的燃料电池分解的平面图。
图4是图示根据本发明的第一示例性实施方式的变型例的燃料电池的必要部分的截面图。
图5A是图示根据本发明的第二示例性实施方式的燃料电池的必要部分的截面图。
图5B是呈现出根据本发明的第二示例性实施方式的框架的弯曲刚性和金属多孔体的弯曲刚性的图。
图6是图示在图5A中图示的燃料电池的整体结构的平面图。
图7是在图6中图示的燃料电池分解的平面图。
图8是图示根据本发明的第二示例性实施方式的第一变型例的燃料电池的必要部分的截面图。
图9是图示根据本发明的第二示例性实施方式的第二变型例的燃料电池的必要部分的截面图。
图10是图示根据本发明的第二示例性实施方式的第三变型例的燃料电池的必要部分的截面图。
图11是图示根据本发明的第二示例性实施方式的第四变型例的燃料电池的必要部分的截面图。
具体实施方式
(第一示例性实施方式)
以下，将参考附图对根据第一示例性实施方式的燃料电池进行描述。在图1-图3中所示的燃料电池FC包括：膜电极接合体M，膜电极接合体M具有使电解质膜1夹在一对电极层(阴极层2和阳极层3)之间的结构；框架4，框架4配置在电解质膜1的端部的外周(膜电极接合体M的外周部)；以及隔离体5和5，隔离体5和5分别限定相对应的隔离体5和膜电极接合体M之间以及相对应的隔离体5和框架4之间的气体流路G。需要注意的是，图1是沿着图2中的线A-A的截面图。即，图1是沿着燃料电池FC的纵向的截面图。
膜电极接合体M是所谓的MEA(Membrane Electrode Assembly)，其中，由固体聚合物组成的电解质膜1夹在构成成对的电极层的阴极层2和阳极层3之间。如图1所示，在阴极层2中，催化剂层21、多孔层22(中间层)和金属多孔体23(电极表面层)从电解质膜1的侧面起按照这个顺序配置。多孔层22和金属多孔体23被用作气体扩散层。在阳极层3中，催化剂层31、多孔层32(中间层)和金属多孔体33(电极表面层)从电解质膜1的侧面起按照这个顺序配置。多孔层32和金属多孔体33被用作气体扩散层。多孔层22和32中的每个可以具有多层的结构。
由树脂制成的框架4支撑膜电极接合体M并且被用作垫圈。聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)被引用为树脂的一个示例。如图3所示，框架4形成在平面图中为矩形的形状并且与膜电极接合体M的外缘一体形成。如图1所示，框架4由与粘合层4A接合的一对片状材料组成，电解质膜1的端部的外周夹在所述一对片状材料之间。
框架4在图3中为左侧的一短边侧包括用于阴极气体(含氧气体)、冷却剂和阳极气体(含氢气体)的供给孔H1-H3。框架4在图3中为右侧的另一短边侧包括用于阴极气体、冷却剂和阳极气体的排放孔H4-H6。需要注意的是，能够对流体供给和排放之间的位置关系进行适当地改变。
隔离体5和5兼用作集电体。隔离体5和5中的每个形成在平面图中为矩形的形状，其大小与框架4的大小基本相同，并且通过将诸如不锈钢的金属板压制成形来生产。隔离体5和5中的每个在其中央部的内表面上具有沿着长边方向彼此平行延伸的多个突条。气体流路G限定在各个隔离体5和膜电极接合体M之间。隔离体5和5中的每个在两短边侧包括供给孔H1-H3和排放孔H4-H6，该供给孔H1-H3和排放孔H4-H6与框架4的供给孔H1-H3和排放孔H4-H6相对应。需要注意的是，在图3中省略了金属多孔体23和33。
燃料电池FC通过在膜电极接合体M和框架4上重叠隔离体5和5形成。如图2所示，燃料电池FC在其中央部包括发电部E，膜电极接合体M配置于发电部E。燃料电池FC在发电部E的两侧包括歧管部H和H，用于反应气体的供给孔H1-H3和排放孔H4-H6分别配置于歧管部H和H。燃料电池FC包括配置在歧管部H、H与发电部E之间的扩散部D和D，反应气体流在扩散部D和D中被控制。即，燃料电池FC通过在框架4与隔离体5、5之间形成扩散部D和D而构造，扩散部D和D作为气体流路G的一部分。
在每个隔离体5和5中，凸部5A在与扩散部D和D相对应的区域中以矩阵形式配置在一个平面内。当沿着燃料电池FC的厚度方向对其施加负载时，凸部5A抵接在框架4上，这防止气体流路G被关闭。
燃料电池FC在框架4的边缘和每个隔离体5、5之间以及在供给孔H1-H3和排放孔H4-H6周围包括密封材料6。在多个燃料电池FC堆叠的状态下，密封材料6安装在相邻的燃料电池FC的隔离体5和5之间。在每个层间，密封材料6将阴极气体、冷却剂和阳极气体的流动区域彼此分开，以保持气体密封，并且在绕着供给孔H1-H3和排放孔H4-H6的周缘部的适当部位打开，使得相应的流体可以在这些层之间流动。
如上所述，燃料电池FC包括具有气体透过性以用作气体扩散层的金属多孔体23和33，该金属多孔体23和33位于构成成对的电极层的阴极层2和阳极层3的表面上。在燃料电池FC中，金属多孔体23和33在其外周侧包括延伸部23A和33A，框架4的扩散部D和D被延伸部23A和33A覆盖。
在本实施方式中，要求利用金属多孔体23和33的延伸部23A和33A来覆盖框架4的扩散部D，而不需要将延伸部23A和33A连接到框架4。延伸部23A和33A连接到框架4的一体结构也具有与本实施方式相同的有利效果，这一点自不待言。本实施方式具有隔离体5和5的凸部5A抵接在延伸部23A和33A上的结构。在本实施方式中，要求凸部5A抵接在延伸部23A和33A上，而不需要将凸部5A连接到延伸部23A和33A。需要注意的是，本实施方式允许凸部5A不抵接在延伸部23A和33A上。在这种情况下，当框架4由于压差变形时，凸部5A抵接在延伸部23A和33A上。
金属多孔体23和33由发泡金属(foam metal)、延展金属(expanded metal)、冲孔金属(punching metal)、刻蚀板(etching plate)、精密压制处理板(precision pressingprocessed plate)、金属丝网(wire mesh)、金属网(metal mesh)和金属细线烧结体(metalfine line sintered body)中的至少一者制成。即，至少金属多孔体23和33在其厚度方向上具有气体透过性。
期望的是，金属多孔体23和33除了具有沿其厚度方向的气体透过性之外还具有沿其面内方向的气体透过性。例如，金属多孔体23和33可以由发泡金属、金属丝网、金属细线烧结体等制成，从而具有沿其面内方向的气体透过性。再者，金属多孔体23和33可以通过沿其厚度方向执行立体地加工(sterically processing)制成，以保持沿其面内方向的气体透过性。在这种情况下，沿其平面方向的气体透过性能够通过加工平坦的冲孔金属保持，从而例如在截面内具有波形状态。
由于具有上述构造的燃料电池FC包括位于阴极层2和阳极层3的表面上的金属多孔体23和33，金属多孔体23和33接收压差输入且稳定输入负载。由此，施加于框架4的应力减小。
在传统的燃料电池中，由于运行条件等，气体的压差循环发生在阴极侧和阳极侧之间，框架4在燃料电池中的梁长度大的扩散部D和D内容易受压差输入等影响。相反地，即使压差循环发生在燃料电池FC内，金属多孔体23和33也能够减小待施加于框架4的应力，防止框架4变形。由此，燃料电池FC能够有效地保证气体流路G的截面积，以防止反应气体的压力损失增加。
由于施加于框架4的应力减小，框架4的耐久性增加。如果框架4制造为较薄，框架4对于膜电极接合体M的支撑作用被充分地保持。这样实现了薄的燃料电池。
燃料电池堆通过堆叠燃料电池FC构造。由于可以防止框架4的变形并且可以保证气体流路G的截面积，燃料电池堆保持高效率的发电。每个燃料电池FC能够制造为较薄，这实现了小型化且轻量化的燃料电池堆。薄的燃料电池堆适用于安装在诸如机动车的车辆上的电源。
燃料电池FC具有隔离体5和5的凸部5A抵接在金属多孔体23和33的延伸部23A和33A上的结构，所述结构防止延伸部23A和33A和框架4沿其厚度方向移位。这样进一步增加防止框架4由于压差循环而变形的功能。
在燃料电池FC中，金属多孔体23和33由发泡金属、延展金属、冲孔金属、刻蚀板、精密压制处理板、金属丝网、金属网和金属细线烧结体中的至少一者制成。这样可以增大用于减小待施加于使用简单结构的框架4的应力的作用。
在燃料电池FC中，金属多孔体23和33具有沿其面内方向和厚度方向的气体透过性。这样会增大在扩散部D和D中的实质的气体透过面积，这实现了反应气体的压力损失的进一步减小。
(变型例)
图4图示根据本实施方式的变型例的燃料电池FC2。需要注意的是，与燃料电池FC相同的构造部分指定为相同的标记且省略其详细说明。
燃料电池FC2包括：膜电极接合体M；框架4，其配置在膜电极接合体M的外周部；以及隔离体5和5，其分别限定相对应的隔离体5和膜电极接合体M之间以及相对应的隔离体5和框架4之间的气体流路G。作为气体流路G的一部分的扩散部D和D形成在框架4与隔离体5、5之间。
燃料电池FC2包括位于构成成对的电极层的阴极层2和阳极层3的表面上的多孔层22和32以及金属多孔体23和33。构成电极层中的一者的阴极层2的金属多孔体23在其外缘侧包括延伸部23A，延伸部23A在与框架4的扩散部D相对应的区域被延伸部23A覆盖的状态下连接到框架4。在燃料电池FC2中，延伸部23A安装在位于阴极层2的表面上的金属多孔体23。
燃料电池FC具有与框架4的扩散部D和D相对应的区域被金属多孔体23和33的延伸部23A和33A覆盖的结构。相反地，燃料电池FC2具有如下结构：(1)在框架4的扩散部D被金属多孔体23的延伸部23A覆盖以及(2)框架4连接到金属多孔体23的延伸部23A。
燃料电池堆可以通过堆叠燃料电池FC2构造。这样的燃料电池堆通过特定的燃料电池系统驱动。在燃料电池系统中，存在阳极气体沿一个方向从供给侧流动到排放侧的阳极闭端系统(anode dead-end system)。在这样的燃料电池系统中，使阳极气体的供给压力发生脉动，以有效执行阳极气体的供给和产生的水的排放。在这种情况下，燃料电池系统可以保持阴极气体压力基本上恒定并且设定阳极气体的、超过阴极气体压力的上限压力和下限压力。
在这样的燃料电池系统中，压差在燃料电池FC2中的阴极侧和阳极侧之间反复产生。通过这样的压差循环，与在燃料电池FC2中的梁长度大的扩散部D和D的区域相对应的框架4反复变形。
为了解决该问题，在燃料电池FC2中，延伸部23A安装于构成电极层中的一者的阴极层2的金属多孔体23，并且延伸部23A连接于框架4。延伸部23A防止框架4变形。由此，燃料电池FC2可以具有与燃料电池FC相同的作用效果。
在燃料电池FC2中，延伸部23A连接于框架4。因此，延伸部安装于电极层中的一者，这提供防止框架4变形的特定效果。期望的是：延伸部安装于在位于阴极侧和阳极侧中气体压力较低一侧的一个电极层中的一个金属多孔体。
在延伸部安装于在位于阴极侧和阳极侧中气体压力较高一侧的一个电极层中的一个金属多孔体的情况下，相对应的隔离体5的凸部5A抵接在框架4上，以根据框架4的特性产生蠕变变形。相反地，在延伸部安装于在位于阴极侧和阳极侧中气体压力较低一侧的一个电极层中的一个金属多孔体的情况下，根据金属多孔体的特性产生蠕变变形，这减小了框架4和延伸部朝向低压侧的位移。即，在结构上防止变形。
鉴于以上，在燃料电池FC2中，延伸部安装于在位于阴极侧和阳极侧中气体压力较低一侧的一个电极层中的一个金属多孔体。在燃料电池FC2应用于上述燃料电池系统的情况下，延伸部23A安装于在位于气体压力比阳极侧的气体压力低的阴极侧的阴极层2中的金属多孔体23。由此，由于阴极侧和阳极侧之间的气体压差，燃料电池FC2必然地防止框架4变形。与燃料电池FC一样，燃料电池FC2增加耐久性和发电功能，实现薄的燃料电池，并且对小型化和轻量化的燃料电池堆的实现做出贡献。
(第二示例性实施方式)
以下，将参考附图对根据第二示例性实施方式的燃料电池进行描述。在图5A-图7中所示的燃料电池FC3包括：膜电极接合体M2，膜电极接合体M2具有电解质膜11夹在一对电极层(阴极层12和阳极层13)之间的结构；框架14，框架14配置在电解质膜11的端部的外周(膜电极接合体M2的外周部)；以及隔离体15和15，隔离体15和15分别限定相对应的隔离体15和膜电极接合体M2之间以及相对应的隔离体15和框架14之间的气体流路G2。需要注意的是，图5A是沿着图6中线B-B的截面图。即，图5A是沿着燃料电池FC3的横向的截面图。
膜电极接合体M2是所谓的MEA(Membrane Electrode Assembly)，其中，由固体聚合物组成的电解质膜11夹在构成成对的电极层的阴极层12和阳极层13之间。如图5A所示，在阴极层12中，催化剂层41、第一碳多孔体42、第二碳多孔体43和金属多孔体44从电解质膜11的侧面起按照这个顺序配置。第一碳多孔体42和第二碳多孔体43是中间层并且作为气体扩散层。金属多孔体44是电极表面层。在阳极层13中，催化剂层51、第一碳多孔体52、第二碳多孔体53和金属多孔体54从电解质膜11的侧面起按照这个顺序配置。第一碳多孔体52和第二碳多孔体53是中间层并且被用作气体扩散层。金属多孔体54是电极表面层。
由树脂制成的框架14支撑膜电极接合体M2并且被用作垫圈。聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)被引用为树脂的一个示例。如图7所示，框架14形成在平面图中为矩形的形状并且与电解质膜11的外周一体形成。如图5A所示，框架14由与粘合层14A接合的一对片状材料组成，电解质膜11的端部的外周夹在所述一对片状材料之间。
框架14在图7中为左侧的一短边侧包括用于阴极气体(含氧气体)、冷却剂和阳极气体(含氢气体)的供给孔H11-H13。框架14在图7中为右侧的另一短边侧包括用于阴极气体、冷却剂和阳极气体的排放孔H14-H16。需要注意的是，能够对流体供给和排放之间的位置关系进行适当地改变。
隔离体5和5兼用作集电体。隔离体5和5中的每个形成在平面图中为矩形的形状，其大小与框架4的大小基本相同，并且通过将诸如不锈钢的金属板压制成形来生产。隔离体15和15中的每个在其中央部的内表面上具有沿长边方向彼此平行延伸的多个突条。气体流路G2限定在各个隔离体15和膜电极接合体M2之间。隔离体15和15中的每个在两短边侧包括供给孔H11-H13和排放孔H14-H16，该供给孔H11-H13和排放孔H14-H16与框架14的供给孔H11-H13和排放孔H14-H16相对应。需要注意的是，在图7中省略了金属多孔体44和54。
燃料电池FC3通过在膜电极接合体M2和框架14上重叠隔离体15和15形成。如图6所示，燃料电池FC3在其中央部包括发电部E2，膜电极接合体M2配置于发电部E2。燃料电池FC3在发电部E2的两侧包括歧管部H2和H2，用于反应气体的供给孔H11-H13和排放孔H14-H16分别配置于歧管部H2和H2。燃料电池FC3包括配置在歧管部H2、H2与发电部E2之间的扩散部D2和D2，反应气体流在扩散部D2和D2中被控制。即，燃料电池FC3通过在框架14与隔离体15、15之间形成扩散部D2和D2而构造，扩散部D2和D2是气体流路G2的一部分。
燃料电池FC3在框架14的边缘和每个隔离体15、15之间以及在供给孔H11-H13和排放孔H14-H16周围包括密封材料16。在多个燃料电池FC3堆叠的状态下，密封材料16安装在相邻的燃料电池FC3的隔离体15和15之间。在每个层间，密封材料16将阴极气体、冷却剂和阳极气体的流动区域彼此分开，以保持气体密封，并且在绕着供给孔H11-H13和排放孔H14-H16的周缘部的适当部位打开，使得相应的流体可以在这些层之间流动。
如图5A所示，在燃料电池FC3中，阴极层12中的金属多孔体44和阳极层13中的金属多孔体54的端部(外周部)在框架14的表面上延伸。在燃料电池FC3中，阴极层12中的第一碳多孔体42和阳极层13中的第一碳多孔体52的端部具有错开构造，其中端部在面内方向(图5A中的水平方向)上移位。在阴极层12(或阳极层13)中的第一碳多孔体42(或52)的端部配置在阳极层13(或阴极层12)中的金属多孔体54(或44)的端部的内侧(图5A中的左侧)。在燃料电池FC3中，第二碳多孔体43和53的端部与框架14接触，以封闭第一碳多孔体42和52与框架14之间的间隙。
在图5A中，阳极层13中的第一碳多孔体52的端部相对于阴极层12中的第一碳多孔体42的端部向外错开(图5A中的右侧)。如图5A中的箭头所示，阴极层12(或阳极层13)中的第一碳多孔体42(或52)的端部配置在阳极层13(或阴极层12)中的金属多孔体54(或44)的端部的内侧(图5A中的左侧)。即，燃料电池FC3构造为使得金属多孔体44和54总是呈现在第一碳多孔体42和52的端部的相对侧。
第一碳多孔体42和52以及第二碳多孔体43和53中的每个例如由诸如碳混合物(carbon cross)或碳纸的碳材料、施加有碳粒子的金属多孔体或片状碳粒子形成。第一碳多孔体42和52以及第二碳多孔体43和53中的每个在其厚度方向和面内方向上具有气体透过性。
金属多孔体44和54由发泡金属、延展金属、冲孔金属、刻蚀板、精密压制处理板、金属丝网、金属网和金属细线烧结体中的至少一者制成。即，至少金属多孔体44和54在其厚度方向上具有气体透过性。根据其材料的特性或适当的构造，金属多孔体44和54能够在其面内方向上具有气体透过性。
如图5B所示，每个金属多孔体44和54具有比一个框架14的弯曲弹性模量大的弯曲弹性模量(弯曲刚性)。尽管金属多孔体44和54的端部在框架14的表面上延伸，但是金属多孔体44和54的端部可以不连接于框架14。
在燃料电池FC3中，由电解质膜11和催化剂层41和51组成的层堆叠膜(layerstack membrane)在第一碳多孔体42和52与框架14之间的间隙内露出。然而，第二碳多孔体43和53的端部以及金属多孔体44和54的端部具有上述配置，这防止了层堆叠膜直接露出并且利用金属多孔体44和54的刚性减小待施加于电解质膜11的应力。
由此，即使由于运行情况等在阴极侧和阳极侧之间产生压差，燃料电池FC3也可以防止框架14变形，这避免了电解质膜11在第一碳多孔体42和52与框架14之间的间隙内的应力集中。这样防止电解质膜11的损坏的发生并且实现了耐久性的增加。
在燃料电池FC3中，由于采用具有比一个框架14的弯曲弹性模量大的弯曲弹性模量(弯曲刚性)的金属多孔体44和54，框架14的刚性或框架14、第一碳多孔体42、52和第二碳多孔体43、53的刚性被金属多孔体44和54的刚性补偿。由此，框架14、第一碳多孔体42和52以及第二碳多孔体43和53(气体扩散层)变薄，以实现薄的燃料电池。
燃料电池堆通过堆叠燃料电池FC3构造。由于电解质膜11的应力减小并且电解质膜11的耐久性增加，燃料电池堆可以增强稳定性。每个燃料电池FC3可以制造为较薄，实现小型化且轻量化的燃料电池堆。薄的燃料电池堆适用于安装在例如机动车的车辆上的电源。
图8-图11是图示根据本实施方式的第一至第四变型例的燃料电池的必要部分的截面图。需要注意的是，与燃料电池FC3相同的构造部分指定为相同的标记且省略其详细说明。注意，图8-图11是沿着图6中的线B-B的截面图。
(第一变型例)
在图8所示的燃料电池FC4中，像燃料电池FC3一样，每个密封材料16夹在框架14的外周部和每个隔离体15的外周部之间，金属多孔体44a和54a的端部延伸至密封材料16。
燃料电池FC4具有与燃料电池FC3相同的作用和有利效果，以及框架14的刚性通过覆盖框架14的几乎整个表面的金属多孔体44a和54a而被更加有效地补偿。由此，即使在阴极侧12a和阳极侧13a之间有压差，燃料电池FC4也可以防止框架14变形，这避免电解质膜11在第一碳多孔体42和52与框架14之间的间隙内的应力集中。这样防止电解质膜11发生损坏并且实现了耐久性的增加。
(第二变型例)
在图9所示的燃料电池FC5中，金属多孔体44a和54a的外周部通过安装于隔离体15和15的内侧的凸部15B和15B固定。气体流路G2形成在每个隔离体15和膜电极接合体M2之间。为了保持气体流路G2的厚度(高度)，每个隔离体15从其截面看具有凹凸形状并且凸部15A接触膜电极接合体M2。在燃料电池FC5中，凸部(肋)15B和15B在相对于密封材料16和16的内侧安装于隔离体15和15。凸部15B和15B压接于金属多孔体44a和54a，这固定了金属多孔体44a和54a。
燃料电池FC5具有与燃料电池FC4相同的作用和有利效果，并且覆盖框架14的表面的金属多孔体44a和54a的刚性增大。由此，框架14的刚性被更加有效地补偿，以及即使在阴极12a侧和阳极13a侧之间产生压差，燃料电池FC5也可以防止框架14变形，这避免电解质膜11在第一碳多孔体42和52与框架14之间的间隙内的应力集中。这样防止电解质膜11发生损坏并且实现耐久性的进一步增加。
(第三变型例)
在图10所示的燃料电池FC6中，金属多孔体44a和54a的外周部连接于框架14。在本变型例中，金属多孔体44a和54a经由粘合层17和17连接于框架14。不必说的是，可以采用除粘合层17和17以外的粘合手段。
燃料电池FC6具有与燃料电池FC4相同的作用和有利效果，并且覆盖框架14的表面的金属多孔体44a和54a的刚性增大。由此，框架14的刚性被更加有效地补偿，以及即使在阴极12a侧和阳极13a侧之间产生压差，燃料电池FC6也可以防止框架14变形，这避免电解质膜11在第一碳多孔体42和52与框架14之间的间隙内的应力集中。这样防止电解质膜11发生损坏并且实现了耐久性的进一步增加。此外，由于框架14与金属多孔体44a和54a一体形成，增大了装配精度，从而对其生产率增加和成本降低做出贡献。
(第四变型例)
在图11所示的燃料电池FC7中，金属多孔体44b和54b的外周部沿其厚度方向立体地形成(sterically-formed)。金属多孔体44b和54b的外周部为立体形成部(sterical-formation)44c和54c。立体形成部44c和54c从其截面看具有波状形状。立体形成部44c和54c通过压制加工等制成。立体形成部44c和54c从其截面看可以具有除了波状形状以外的、沿厚度方向突出的肋状形状、点状形状等。
燃料电池FC7具有与燃料电池FC3相同的作用和有利效果，以及覆盖框架14的表面的金属多孔体44b和54b的刚性通过其立体地构造(即，可以获得的形状效果)而被增大。由此，框架14的刚性被更加有效地补偿，以及即使在阴极12b侧和阳极13b侧之间产生压差，燃料电池FC7也可以防止框架14变形，这避免电解质膜11在第一碳多孔体42和52与框架14之间的间隙内的应力集中。这样防止电解质膜11发生损坏并且实现耐久性的进一步增加。
根据本发明的燃料电池不限于上述实施方式。在不脱离本发明的范围的情况下，可以适当地变型燃料电池的形状、燃料电池的各个组成部件的形状和材料以及燃料电池的结构的细节。再者，第一示例性实施方式的燃料电池FC1或FC2的结构可以与第二示例性实施方式的燃料电池FC3、FC4、FC5、FC6或FC7的结构结合。
本申请是基于在先的日本专利申请No.2012-058471(于2012年3月15日递交的)和No.2012-061982(于2012年3月19日在日本递交的)的专利申请。被要求优先权的日本专利申请No.2012-058471和No.2012-061982的全部内容通过引用而合并于此，以对翻译错误或省略部分采取保护。
附图标记列表
D1,D2 扩散部
FC-FC7 燃料电池
G1,G2 气体流路
M1,M2 膜电极接合体
1,11 电解质膜
2,12,12a,12b 阴极层
3,13,13a,13b 阳极层
4,14 框架
5,15 隔离体
23,33,44,44a,44b,54,54a,54b 金属多孔体
23A,33A 延伸部
42,52 第一碳多孔体
43,53 第二碳多孔体

Claims (19)

1.一种燃料电池，其包括：
膜电极接合体，在所述膜电极接合体中，电解质膜夹在一对电极层之间；
框架，所述框架配置在所述膜电极接合体的外周部；以及
隔离体，所述隔离体限定所述隔离体和所述膜电极接合体之间以及所述隔离体和所述框架之间的气体流路，
其中，
作为所述气体流路的一部分的扩散部形成在所述隔离体和所述框架之间，
每个所述电极层包括金属多孔体，所述金属多孔体作为电极表面层并且具有气体透过性，以及
所述金属多孔体两者分别在所述金属多孔体的端部具有延伸部，所述延伸部覆盖所述框架的与所述扩散部相对应的区域。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述金属多孔体由发泡金属、延展金属、冲孔金属、刻蚀板、精密压制处理板、金属丝网、金属网和金属细线烧结体中的至少一者制成。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于，所述金属多孔体沿金属多孔体的厚度方向和面内方向具有气体透过性。
4.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于，每个所述电极层还包括作为中间层的碳多孔体，
在所述电极层中的所述碳多孔体的端部具有错开构造，在所述错开构造中，所述端部沿所述燃料电池的面内方向错位，以及
一个所述电极层中的所述碳多孔体的所述端部配置在另一个所述电极层中的所述金属多孔体的所述端部的内侧。
5.根据权利要求4所述的燃料电池，其特征在于，所述金属多孔体的弯曲弹性模量比所述框架的弯曲弹性模量大。
6.根据权利要求4所述的燃料电池，其特征在于，在所述框架的外周部和所述隔离体的外周部之间安装密封材料，以及
所述金属多孔体的端部延伸至所述密封材料。
7.根据权利要求4所述的燃料电池，其特征在于，所述金属多孔体的外周部由安装于所述隔离体的内侧的凸部固定。
8.根据权利要求4所述的燃料电池，其特征在于，所述金属多孔体的外周部连接于所述框架。
9.根据权利要求4所述的燃料电池，其特征在于，所述金属多孔体的外周部沿所述金属多孔体的厚度方向立体地形成。
10.一种燃料电池，其包括：
膜电极接合体，在所述膜电极接合体中，电解质膜夹在一对电极层之间；
框架，所述框架配置在所述膜电极接合体的外周部；以及
隔离体，所述隔离体限定所述隔离体和所述膜电极接合体之间以及所述隔离体和所述框架之间的气体流路，
其中，
作为所述气体流路的一部分的扩散部形成在所述隔离体和所述框架之间，
每个所述电极层包括金属多孔体，所述金属多孔体作为电极表面层并且具有气体透过性，
在所述电极层中的一个电极层中的所述金属多孔体在所述金属多孔体的端部具有延伸部，所述延伸部覆盖所述框架的与所述扩散部相对应的区域，其中，所述电极层中的所述一个电极层的气体压力比所述电极层中的另一个电极层的气体压力低，以及
所述延伸部连接于所述框架。
11.根据权利要求10所述的燃料电池，其特征在于，所述金属多孔体由发泡金属、延展金属、冲孔金属、刻蚀板、精密压制处理板、金属丝网、金属网和金属细线烧结体中的至少一者制成。
12.根据权利要求10或11所述的燃料电池，其特征在于，所述金属多孔体沿金属多孔体的厚度方向和面内方向具有气体透过性。
13.根据权利要求10或11所述的燃料电池，其特征在于，每个所述电极层还包括作为中间层的碳多孔体，
在所述电极层中的所述碳多孔体的端部具有错开构造，在所述错开构造中，所述端部沿所述燃料电池的面内方向错位，以及
一个所述电极层中的所述碳多孔体的所述端部配置在另一个所述电极层中的所述金属多孔体的所述端部的内侧。
14.根据权利要求13所述的燃料电池，其特征在于，所述金属多孔体的弯曲弹性模量比所述框架的弯曲弹性模量大。
15.根据权利要求13所述的燃料电池，其特征在于，在所述框架的外周部和所述隔离体的外周部之间安装密封材料，以及
所述金属多孔体的端部延伸至所述密封材料。
16.根据权利要求13所述的燃料电池，其特征在于，所述金属多孔体的外周部由安装于所述隔离体的内侧的凸部固定。
17.根据权利要求13所述的燃料电池，其特征在于，所述金属多孔体的外周部连接于所述框架。
18.根据权利要求13所述的燃料电池，其特征在于，所述金属多孔体的外周部沿所述金属多孔体的厚度方向立体地形成。
19.一种燃料电池堆，其包括：
多个权利要求1-18中的任一项所述的燃料电池，多个所述燃料电池是被堆叠的。
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