專利名稱：高分子電解質(zhì)型燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固體高分子電解質(zhì)型燃料電池，特別是涉及設(shè)置在電解質(zhì)膜-電極接合體周邊部的墊圈和導(dǎo)電性隔板之間密封結(jié)構(gòu)的改良。
背景技術(shù)：
固體高分子電解質(zhì)型燃料電池最典型由以下部分構(gòu)成電解質(zhì)膜-電極接合體(MEA)、夾持上述MEA的陽極側(cè)導(dǎo)電性隔板和陰極側(cè)導(dǎo)電性隔板、以及給上述陽極和陰極分別提供燃料氣體和氧化劑氣體的供氣裝置，所述的MEA由周邊部用密封材料支承的墊圈支承的高分子電解膜、與上述電解膜的一面接合的陽極、以及與上述電解膜的另一面接合的陰極組成。這種燃料電池的最大問題，就是氣體的交叉泄漏。這種氣體的交叉泄漏在氣體的歧管(ムニホ-ルト)孔附近產(chǎn)生。即在氧化劑氣體的歧管孔附近，是由于墊圈向?qū)щ娦愿舭宓娜剂蠚怏w通路側(cè)下垂而引起的。結(jié)果，從陽極到氧化劑氣體的歧管孔產(chǎn)生兩處泄漏途徑。一處是由墊圈和隔板的陽極側(cè)剝離所產(chǎn)生的泄漏途徑，另一處是由于墊圈的下垂造成電解質(zhì)膜和墊圈剝離所產(chǎn)生的泄漏途徑。同樣，在燃料氣體的歧管孔的附近，由于墊圈向?qū)щ娦愿舭宓难趸瘎怏w通路側(cè)下垂，產(chǎn)生氣體泄漏。
本發(fā)明者為了解決這些問題，提出了以下面方案。該方案記載在WO02/061869中，其內(nèi)容全部引用在此以作參考。即，如圖1所示，在電解質(zhì)膜1的周邊部排列有許多透孔2，用由注射成型把墊圈與電解質(zhì)的周邊部結(jié)合成一體的方法，來將這些透孔包含在電解質(zhì)膜中。用此方法是因為，墊圈覆蓋電解質(zhì)膜一面的部分和覆蓋另一面的部分，穿過包入電解質(zhì)膜邊緣的部分和上述透孔而相連，所以就能消除電解質(zhì)膜和墊圈剝離導(dǎo)致的氣體交叉泄漏問題。另外，自氧化劑氣體的歧管孔起，在墊圈的陽極側(cè)設(shè)有脊緣(rib)，通過將此脊緣與設(shè)在隔板對應(yīng)位置上的凹槽相嵌合，防止了墊圈和隔板的陽極側(cè)的剝離。同樣，通過將設(shè)在墊圈上的脊緣與隔板的凹槽相嵌合，防止了墊圈和隔板的陰極側(cè)的剝離。上述墊圈的脊緣，除了和隔板嵌合之外，還起著成型過程中的樹脂流道作用。為此，對于厚度薄的注射成型墊圈來說，脊緣是不可缺少的結(jié)構(gòu)。
但已發(fā)現(xiàn)，依靠上述墊圈的脊緣和隔板的凹槽的嵌合來防止氣體泄漏，其作用并不充分。
即，在注射成型中，成型品必定伴有成型收縮。因為成型收縮的程度根據(jù)成型材料和成型品形狀并不是一定的，所以通常很難事前對其進行預(yù)測。為此，當(dāng)成型收縮的程度沒有控制在預(yù)想范圍之內(nèi)的情況下，往往會產(chǎn)生墊圈的脊緣不能與隔板的凹槽適當(dāng)嵌合的問題。為此，在上述墊圈的脊緣和隔板的凹槽嵌合的形態(tài)中，最理想的就是在進行墊圈成型之后，實際測定其成型收縮量，為了符合該實測值，就必須進行隔板的設(shè)計。因為隔板的主要材料是金屬或碳，即使在成型時作為隔板也幾乎沒有成型收縮，所以把隔板與成型好的墊圈配合是合理的。在這種情況下，因改變墊圈材料等原因造成成型收縮量變化時，都會出現(xiàn)與此相應(yīng)的每次都要改變隔板設(shè)計這樣的麻煩。
其次，在上述結(jié)構(gòu)中，除嵌合部外的墊圈和隔板之間的密封方式基本上都是面密封方式。所以，對隔板和墊圈兩者都要求有充分的面精度。但是，采用注射成型法，必然會在成型品的表面產(chǎn)生注口痕跡和脫模銷痕跡。其高度因模具結(jié)構(gòu)和材料而異，通常都在幾十微米左右。如果上述燃料電池的結(jié)構(gòu)中，在墊圈的基準壁厚部或者脊緣部，殘留注口(gate)痕跡和脫模銷痕跡，除非墊圈彈性非常高，否則都會在隔板和墊圈之間產(chǎn)生縫隙，導(dǎo)致氣體交叉泄漏和外部泄漏等問題。該問題在使用成型隔板時尤為普遍。因為隔板幾乎完全沒有彈性，所以其表面的高差必須全部在墊圈側(cè)得到補償。也就是說，墊圈必須用高彈性材料支承。但是，這種高彈性材料，通常都缺乏機械性耐力，容易產(chǎn)生蠕變等問題。
此外，在上述面密封方式中，因為墊圈和隔板兩者都要負載充分的面負荷，所以必須提高電池組(セルスクツク)的緊固力。因此，要有大量的端板、螺栓、彈簧等緊固件，在體積方面也很不利。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于某種觀點的考慮，在墊圈上隔板和其表面之間的部位，形成密封用的小脊緣，由此來確保墊圈和隔板之間的密封。
本發(fā)明從其他觀點考慮，為了確保成型性和機械強度，在保留以往墊圈上脊緣及其造型的同時，在以往隔板和面之間的部位，形成密封用的小脊緣。這里的機械強度指彎曲強度、抗扭強度等，特別是希望有不向隔板的氣體流路部分下垂的強度。前一種脊緣，因為不直接有助于密封，所以為方便起見，就稱為假脊緣，后一種脊緣稱為密封脊緣。
本發(fā)明涉及具有單元電池的高分子電解質(zhì)型燃料電池，所述的單元電池由電解質(zhì)膜-電極接合體(以下用MEA表示)、夾持MEA的陽極側(cè)導(dǎo)電性隔板和陰極側(cè)導(dǎo)電性隔板所組成，其中所述的MEA由周邊部用墊圈覆蓋的高分子電解質(zhì)膜、與上述電解質(zhì)膜的一面接合的陽極、以及與上述電解質(zhì)膜的另一面接合的陰極構(gòu)成。
上述墊圈和各隔板分別設(shè)有燃料氣體、氧化劑氣體和冷卻水用的歧管(manifold)孔。墊圈的陽極所在側(cè)的表面和陽極陰極側(cè)的表面上具有至少部分包圍后述任一密封脊緣(seal rib)的假脊緣(dummy rib)。隔板具有與上述假脊緣游離嵌合的凹槽。在這里，所謂與假脊緣游離嵌合(原文游合)的凹槽是指寬度和深度都比假脊緣的寬度和高度大的凹槽，假脊緣游離嵌合在凹槽內(nèi)，但不受凹槽拘束。
墊圈的陽極所在側(cè)的表面上，具有包圍從燃料氣體用歧管孔一邊經(jīng)過陽極流到另一邊燃料氣體用歧管孔的燃料氣體流路部分的密封脊緣和包圍冷卻水用歧管孔的密封脊緣。最好墊圈的陽極所在側(cè)的表面上還有包圍氧化劑氣體用歧管孔的密封脊緣。
墊圈在陽極陰極側(cè)的表面上，還具有包圍燃料氣體用歧管孔和冷卻水用歧管孔的密封脊緣。最好墊圈在陽極陰極側(cè)的表面上還具有包圍從氧化劑氣體用歧管孔一邊經(jīng)過陰極到另一邊氧化劑氣體用歧管孔的氧化劑氣體流路部分的密封脊緣。
所述的密封脊緣依靠壓緊電池組(cell stack)的緊固力壓接在隔板上，構(gòu)成氣體密封部。
陽極側(cè)導(dǎo)電性隔板的與陽極對向面?zhèn)鹊谋砻嫔希哂羞B通一對燃料氣體用歧管孔的燃料氣體流路，陰極側(cè)導(dǎo)電性隔板的與陰極對向面?zhèn)鹊谋砻嫔?，具有連通一對氧化劑氣體用歧管孔的氧化劑氣體流路。而且，這些燃料氣體和氧化劑氣體流路，分別與墊圈的上述燃料氣體通路和氧化劑氣體通路連通。
墊圈的基準壁厚部(不計脊緣高度的厚度部分)的兩面上，設(shè)有假脊緣和密封脊緣。如前所述，假脊緣在墊圈成型為薄壁時具有提高成型性能的作用。因此，除了上述燃料氣體和氧化劑氣體流路部分之外，包圍陽極和陰極的密封脊緣的外側(cè)，最好設(shè)計成被實質(zhì)上包圍。更好地是，假脊緣包圍各歧管孔，且歧管孔互相連接，陽極和陰極的外側(cè)實質(zhì)上被包圍。對墊圈成型時的注口部位(gate point)，最好按與該假脊緣連接的形式設(shè)計。也就是說，如果是銷注口(pin gate)，可把銷部注口設(shè)在假脊緣上。如果是側(cè)注口(side gate)，可通過以與假脊緣連接的形式設(shè)置注口，使從注口注入的樹脂首先優(yōu)先流過假脊緣，然后成型為基準壁厚部、密封脊緣和其他造型。假脊緣的寬度和高度，從第一含義上講，是由成型樹脂的流動性來決定的。假脊緣的形狀，從后述機械強度的觀點來看，應(yīng)做微調(diào)，但從隔板厚度考慮，高度以離基準壁厚0.3～0.8毫米的程度為妥。隔板的厚度，最好設(shè)計成切開兩面插入假脊緣的凹槽仍能具有足夠的機械強度。
關(guān)于其基準厚度能確保成型性和機械強度的墊圈，則不一定需要假脊緣，這一點對同行業(yè)人員來說是很容易理解的。


圖1是本發(fā)明實施例的高分子電解質(zhì)膜的正面圖。
圖2是本發(fā)明一個實施例中MEA的陽極側(cè)的正面圖。
圖3是同上MEA的陰極側(cè)的正面圖。
圖4是同上MEA的左側(cè)面圖。
圖5是同上MEA主要部分的放大的正面圖。
圖6是圖5沿VI-VI’線切開得到的剖面圖。
圖7是圖3沿VII-VII’線切開得到的剖面圖。
圖8是圖3沿VIIII-VIII’線切開得到的剖面圖。
圖9是本發(fā)明一個實施例中陽極側(cè)導(dǎo)電性隔板的正面圖。
圖10是同上隔板的背面圖。
圖11是本發(fā)明一個實施例中陰極側(cè)導(dǎo)電性隔板的正面圖。
圖12是同上隔板的背面圖。
圖13是本發(fā)明一個實施例中燃料電池沿圖3的VII-VII’線切開得到的剖面圖。
圖14是同上燃料電池沿圖3的VIII-VIII’線切開得到的剖面圖。
圖15是陰極側(cè)隔板的氧化劑氣體流路入口附近的放大的正面圖。
圖16是其他實施例中墊圈主要部分的放大的正面圖。
圖17是另一實施例中墊圈主要部分的放大的正面圖。
圖18是又一個實施例中墊圈主要部分的放大的正面圖。
圖19是本發(fā)明其他實施例中MEA的陽極側(cè)正面圖。
圖20是同上MEA的陰極側(cè)正面圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提供了高分子電解質(zhì)型燃料電池，，它是具備由以下(1)和(2)構(gòu)成的單元電池的高分子電解質(zhì)型燃料電池(1)由周邊部用密封材料制成的墊圈覆蓋的高分子電解質(zhì)膜、與上述電解質(zhì)膜的一面接合的陽極、以及與所述電解質(zhì)膜的另一面接合的陰極構(gòu)成的電解質(zhì)膜-電極接合體，(2)夾持所述電解質(zhì)膜-電極接合體的陽極側(cè)導(dǎo)電性隔板和陰極側(cè)導(dǎo)電性隔板，其特征在于，(3)所述的墊圈、陽極側(cè)導(dǎo)電性隔板和陰極側(cè)導(dǎo)電性隔板具有燃料氣體用歧管孔、氧化劑氣體用歧管孔和冷卻水用歧管孔各一對；(4)所述的墊圈(4a)其陽極所在側(cè)的表面上，具有包圍從燃料氣體用歧管孔一邊經(jīng)過陽極到另一邊燃料氣體用歧管孔的燃料氣體流路部分的密封脊緣、和包圍冷卻水用歧管孔的密封脊緣，(4b)其陰極所在側(cè)的表面上，具有分別包圍所述燃料氣體用歧管孔和冷卻水用歧管孔的密封脊緣；(5)所述的陽極側(cè)導(dǎo)電性隔板的與陽極對向面?zhèn)鹊谋砻嫔?，具有連通所述一對燃料氣體用歧管孔的燃料氣體流路；(6)所述的陰極側(cè)導(dǎo)電性隔板的與陰極對向面?zhèn)鹊谋砻嫔希哂羞B通所述一對氧化劑氣體用歧管孔的氧化劑氣體流路；(7)所述墊圈的各密封脊緣依靠壓緊所述電池的緊固壓力，壓接在所述導(dǎo)電性隔板的表面上。
所述墊圈的陽極所在側(cè)的表面上，最好還有包圍所述氧化劑氣體用歧管孔的密封脊緣；所述墊圈的陰極所在側(cè)的表面上，還有包圍從所述氧化劑氣體用歧管孔一邊經(jīng)過陰極到另一邊氧化劑氣體用歧管孔的氧化劑氣體流路部分的密封脊緣。
本發(fā)明基于一種更理想觀點的高分子電解質(zhì)型燃料電池，它是具備由以下(1)和(2)構(gòu)成的單元電池的高分子電解質(zhì)型燃料電池(1)由周邊部用密封材料制成的墊圈覆蓋的高分子電解質(zhì)膜、與上述電解質(zhì)膜的一面接合的陽極、以及與所述電解質(zhì)膜的另一面接合的陰極構(gòu)成的電解質(zhì)膜-電極接合體，(2)夾持所述電解質(zhì)膜-電極接合體的陽極側(cè)導(dǎo)電性隔板和陰極側(cè)導(dǎo)電性隔板，其特征在于，(3)所述的墊圈、陽極側(cè)導(dǎo)電性隔板和陰極側(cè)導(dǎo)電性隔板具有燃料氣體用歧管孔、氧化劑氣體用歧管孔和冷卻水用歧管孔各一對；(4)所述的墊圈(4a)其陽極所在側(cè)的表面上，具有包圍從燃料氣體用歧管孔一邊經(jīng)過陽極到另一邊燃料氣體用歧管孔的燃料氣體流路部分的密封脊緣、和包圍冷卻水用歧管孔的密封脊緣，(4b)其陰極所在側(cè)的表面上，具有分別包圍所述燃料氣體用歧管孔和冷卻水用歧管孔的密封脊緣，(4c)陽極所在側(cè)的表面以及陰極所在側(cè)的表面上，具有至少部分包圍所述任一密封脊緣的假脊緣，(4d)所述的各假脊緣的高度大于各密封脊緣的高度；(5)所述的陽極側(cè)導(dǎo)電性隔板的與陽極對向面?zhèn)鹊谋砻嫔?，具有游離嵌合所述密封脊緣的凹槽、以及連通所述一對燃料氣體用歧管孔的燃料氣體流路；(6)所述的陰極側(cè)導(dǎo)電性隔板的與陰極對向面?zhèn)鹊谋砻嫔?，具有游離嵌合所述密封脊緣的凹槽、以及連通所述一對氧化劑氣體用歧管孔的氧化劑氣體流路；(7)所述墊圈的各密封脊緣依靠壓緊所述電池的緊固壓力，壓接在所述導(dǎo)電性隔板的表面上。
所述墊圈的陽極所在側(cè)的表面上，最好還有包圍所述氧化劑氣體用歧管孔的密封脊緣；所述墊圈的陰極所在側(cè)的表面上，還有包圍從所述氧化劑氣體用歧管孔一邊經(jīng)過陰極到另一邊氧化劑氣體用歧管孔的氧化劑氣體流路部分的密封脊緣。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，設(shè)在所述陽極所在側(cè)的表面上的假脊緣，實質(zhì)上包圍著包圍所述燃料氣體流路部分的密封脊緣；設(shè)在所述陰極所在側(cè)的表面上的假脊緣，實質(zhì)上包圍著包圍所述氧化劑氣體流路部分的密封脊緣。
在本發(fā)明的另一最佳方式中，設(shè)在所述陽極所在側(cè)的表面上的假脊緣，還具有包圍所述各歧管孔的部分；設(shè)在所述陰極所在側(cè)的表面上的假脊緣，還具有包圍所述各歧管孔的部分。
本發(fā)明基于另一觀點的高分子電解質(zhì)型燃料電池，它是具備由以下(1)和(2)構(gòu)成的單元電池的高分子電解質(zhì)型燃料電池(1)由周邊部用密封材料制成的墊圈覆蓋的高分子電解質(zhì)膜、與上述電解質(zhì)膜的一面接合的陽極、以及與所述電解質(zhì)膜的另一面接合的陰極構(gòu)成的電解質(zhì)膜-電極接合體，(2)夾持所述電解質(zhì)膜-電極接合體的陽極側(cè)導(dǎo)電性隔板和陰極側(cè)導(dǎo)電性隔板，其特征在于，(3)所述的墊圈、陽極側(cè)導(dǎo)電性隔板和陰極側(cè)導(dǎo)電性隔板具有燃料氣體用歧管孔、氧化劑氣體用歧管孔和冷卻水用歧管孔各一對；(4a)所述墊圈的陽極所在側(cè)的表面上，具有分別包圍所述各歧管孔的假脊緣、在上述假脊緣的內(nèi)側(cè)包圍各歧管孔的密封脊緣、包括設(shè)在包圍所述燃料氣體歧管孔的假脊緣朝著陽極側(cè)的切口部在內(nèi)的燃料氣體通路、包圍陽極的密封脊緣、以及在所述燃料氣體通路兩側(cè)的連接包圍所述燃料氣體用歧管孔的密封脊緣和包圍陽極的密封脊緣的密封脊緣，(4b)所述墊圈的陰極所在側(cè)的表面上，具有分別包圍所述各歧管孔的假脊緣、在上述假脊緣的內(nèi)側(cè)包圍各歧管孔的密封脊緣、包括設(shè)在包圍所述陰極的假脊緣朝著陰極側(cè)的切口部在內(nèi)的氧化劑氣體通路、包圍陰極的密封脊緣、以及在所述氧化劑氣體通路兩側(cè)的連接包圍所述氧化劑氣體用歧管孔的密封脊緣和包圍陰極的密封脊緣的密封脊緣，(4c)所述的各假脊緣的高度大于各密封脊緣的高度；
(5)所述的陽極側(cè)導(dǎo)電性隔板的與陽極對向面?zhèn)鹊谋砻嫔希哂杏坞x嵌合所述密封脊緣的凹槽、以及連通所述一對燃料氣體用歧管孔的燃料氣體流路；(6)所述的陰極側(cè)導(dǎo)電性隔板的與陰極對向面?zhèn)鹊谋砻嫔?，具有游離嵌合所述密封脊緣的凹槽、以及連通所述一對氧化劑氣體用歧管孔的氧化劑氣體流路；(7)所述墊圈的燃料氣體通路和氧化劑氣體通路，分別連通陽極側(cè)導(dǎo)電性隔板的氣體流路和和陰極側(cè)導(dǎo)電性隔板的氣體流路；(8)所述墊圈的各密封脊緣依靠壓緊所述電池的緊固壓力，壓接在所述導(dǎo)電性隔板的表面上。
在本發(fā)明的最佳實施方式中，在墊圈的陰極所在側(cè)的表面上，包圍所述各歧管孔的各密封脊緣，處于跟陽極所在側(cè)的表面上包圍各歧管孔的各密封脊緣相對應(yīng)的位置上，包圍所述陰極的密封脊緣，處于跟包圍所述陽極的密封脊緣相對應(yīng)的位置上；另外，在陽極所在側(cè)的表面上，在連接包圍所述氧化劑氣體用歧管孔的密封脊緣和包圍陰極的密封脊緣的密封脊緣的對應(yīng)位置上，設(shè)有密封脊緣；在陰極所在側(cè)的表面上，在連接包圍所述燃料氣體用歧管孔的密封脊緣和包圍陽極的密封脊緣的密封脊緣的對應(yīng)位置上，設(shè)有密封脊緣。
在本發(fā)明的其他最佳實施方式中，在所述陽極所在側(cè)的表面上，分別包圍所述各歧管孔的假脊緣互相連接；在所述陰極所在側(cè)的表面上，分別包圍所述各歧管孔的假脊緣互相連接。
在本發(fā)明的其他最佳實施方式中，在所述燃料氣體通路和氧化劑氣體通路內(nèi)，分別設(shè)有多個增強脊緣，所述的陽極側(cè)導(dǎo)電性隔板和陰極側(cè)導(dǎo)電性隔板的所述氣體流路出入口附近，設(shè)有容納上述增強脊緣的凹部，所述凹部支承所述增強脊緣的頂部，位于所述燃料氣體通路和氧化劑氣體通路前后的密封脊緣的與隔板的氣體流路不對應(yīng)的部分，壓接在隔板上。
在本發(fā)明的另一其他最佳實施方式中，所述密封脊緣中至少有一個由多條密封脊緣組成。
設(shè)在本發(fā)明墊圈上的密封脊緣的寬度、高度和形狀，在考慮電池組的緊固壓力和必要的密封壓力后確定。密封脊緣的高度以隔板和墊圈兩者的注口痕跡等的高度為基準，至少必須高于注口痕跡高度。密封脊緣的寬度和剖面形狀由模具加工用的刀具決定。例如，假設(shè)墊圈和隔板的表面上殘留0.1毫米左右的注口痕跡的情況，在使用直徑0.3毫米的圓頭凹槽銑刀(ball end mill)在模具上銑出0.3毫米深凹槽的情況下，成型品上形成高0.3毫米、寬0.3毫米剖面的半圓型脊緣(半圓錐體狀脊緣)，在此情況下確保因壓縮而高度減少的部分為0.2毫米。通常密封脊緣的高度為0.1～0.5毫米、寬度為1毫米以下，剖面形狀可采取矩形、半圓型、三角形的任何一種形狀。
適合于上述墊圈的隔板，寬度、深度都具有假脊緣能完全進入大小的凹槽。凹槽的位置在考慮墊圈預(yù)期成型收縮之后決定。凹槽的深度最好是考慮到殘留在假脊緣上的注口痕跡、脫模銷痕跡等因素后，使之大于墊圈的假脊緣高度，寬度要加大到能吸收由墊圈的成型收縮變形(主要是因材料的成型收縮率差異而形成)帶來的脊緣位置偏差的程度。具體來說，對于假脊緣，凹槽的深度加大0.1毫米左右、凹槽的寬度加大0.3毫米左右。
組裝電池時墊圈的假脊緣和隔板凹槽的關(guān)系，例如，如圖13和圖14所示。由此可了解，墊圈的基準壁厚部和假脊緣不與隔板接觸，是一種緊固力完全由密封脊緣承擔(dān)的結(jié)構(gòu)。因此，用較低的電池組緊固力就能產(chǎn)生高密封壓力，所以提高了耐泄漏特性。
墊圈的基準壁厚，從成型性觀點來看，因為薄到某種程度就不能再薄，所以有時通過設(shè)置密封脊緣，使墊圈的實際厚度大于MEA氣體擴散層的厚度。此時，隔板朝密封脊緣的一個面可以相應(yīng)減薄許多。在必須使用比通?？赡艹尚偷膲|圈基準壁厚更薄的氣體擴散層以提高電池特性的情況下，也同樣適用這一方法。因此，通過使隔板形狀與墊圈相符，在結(jié)構(gòu)上下工夫，可以適當(dāng)補償施加于電極的力和施加于密封脊緣的力。
以下詳細說明本發(fā)明的最佳實施方式。圖2～4所示的MEA和圖9～12所示的隔板，其圖面顯示大小不一，但實際上大小相同。
實施方式1本實施方式MEA陽極側(cè)正面圖如圖2所示，陰極側(cè)正面圖如圖3所示。該MEA10由圖1所示的高分子電解質(zhì)膜1、覆蓋其周邊部的墊圈11、與高分子電解質(zhì)膜1的一面接合的陽極12、以及與高分子電解質(zhì)膜1的另一面接合的陰極13所構(gòu)成。高分子電解質(zhì)膜1在周邊部排列有透孔2。為覆蓋包括高分子電解質(zhì)膜1的透孔2部分在內(nèi)的周邊部，墊圈11采用注射成型制得，覆蓋了膜1的一面的部分和覆蓋了另一面的部分在包圍電解質(zhì)膜邊緣的部分和透孔2的部分互相連接，牢固地支承膜1。
墊圈11具有燃料氣體用歧管孔14、氧化劑氣體用歧管孔15和冷卻水用歧管孔16各一對，還有用于貫通緊固電池的螺栓的4個孔17。
墊圈11的陽極12所在側(cè)的表面上，具有分別包圍燃料氣體用歧管孔14、氧化劑氣體用歧管孔15以及冷卻水用歧管孔16的假脊緣21、22和23，以及將上述假脊緣相互連接的假脊緣24。在包圍燃料氣體用歧管孔14的假脊緣21上，朝著陽極側(cè)設(shè)有切口部以及包括該切口部在內(nèi)的燃料氣體通路25。在該通路25中，設(shè)有2個增強脊緣26。墊圈11在包圍氧化劑氣體用歧管孔15的假脊緣22內(nèi)側(cè)，有包圍氧化劑氣體用歧管孔的密封脊緣42，在包圍冷卻水用歧管孔16的假脊緣23內(nèi)側(cè)，有包圍冷卻水用歧管孔的密封脊緣43。
墊圈11的陽極12所在側(cè)的表面上，還有分別包圍包括燃料氣體用歧管孔14、燃料氣體通路25和陽極12在內(nèi)的區(qū)域的燃料氣體用密封脊緣。該燃料氣體用密封脊緣，由包圍燃料氣體用歧管孔14的密封脊緣41、包圍陽極12的密封脊緣44、以及設(shè)在燃料氣體通路25兩側(cè)的連接上述密封脊緣41和44的密封脊緣45所構(gòu)成。關(guān)于位于密封脊緣41和44的通路25內(nèi)的部分41a和44a，待后詳述。
墊圈11的陰極13所在側(cè)的表面上，具有分別包圍燃料氣體用歧管孔14、氧化劑氣體用歧管孔15以及冷卻水用歧管孔16的假脊緣31、32和33以及將上述假脊緣相互連接的假脊緣34。在包圍氧化劑氣體用歧管孔15的假脊緣32上，朝著陰極側(cè)設(shè)有切口部以及包括該切口部在內(nèi)的氧化劑氣體通路35。在該通路35上，設(shè)有4個增強脊緣36。墊圈11在包圍燃料氣體用歧管孔14的假脊緣31的內(nèi)側(cè)，具有包圍燃料氣體用歧管孔的密封脊緣51，在包圍冷卻水用歧管孔16的假脊緣33的內(nèi)側(cè)，具有包圍冷卻水用歧管孔的密封脊緣53。
墊圈11的陰極13所在側(cè)的表面上，還有分別包圍包括氧化劑氣體用歧管孔15、氧化劑氣體通路35和陰極13在內(nèi)的區(qū)域的氧化劑氣體用密封脊緣。該氧化劑氣體用密封脊緣由包圍氧化劑氣體用歧管孔15的密封脊緣52、包圍陰極13的密封脊緣54、以及設(shè)在氧化劑氣體通路35兩側(cè)的連接上述密封脊緣52和54的密封脊緣55所構(gòu)成。關(guān)于位于密封脊緣52和54的通路35內(nèi)的部分52a和54a，待后詳述。
圖中表示了最佳實施方式。即，墊圈的陽極所在側(cè)上，分別包圍各歧管孔14、15和16的假脊緣21、22和23通過假脊緣24連成一體。而在其陰極所在側(cè)，分別包圍各歧管孔14、15和16的假脊緣31、32和33通過假脊緣34連成一體。而且，其陽極所在側(cè)的假脊緣21、22、23和24，分別處于與其陰極所在側(cè)的假脊緣31、32、33和34相對應(yīng)的位置。采用此法，即便減薄墊圈的基準厚度，也能保持足夠強度。
在墊圈的陽極所在側(cè)，分別包圍各歧管孔14、15和16的密封脊緣41、42和43，分別處在與陰極所在側(cè)的密封脊緣51、52、53相對應(yīng)的位置。而且，在與陽極所在側(cè)上設(shè)在燃料氣體通路25兩側(cè)的密封脊緣45相對應(yīng)的位置上，在陰極所在側(cè)上設(shè)有密封脊緣56；在與陰極所在側(cè)上設(shè)在氧化劑氣體通路35兩側(cè)的密封脊緣55相對應(yīng)的位置上，在陽極所在側(cè)上設(shè)有密封脊緣46。另外，當(dāng)設(shè)置密封脊緣46和56的位置與假脊緣重疊時，因為假脊緣更高，所以沒有密封脊緣。因此，通過把陽極所在側(cè)的密封脊緣和陰極所在側(cè)的密封脊緣設(shè)置在各自對應(yīng)的位置上，可以提高密封脊緣的密封效果。
以下說明組合在上述MEA中的導(dǎo)電性隔板。
圖9和圖10示出了陽極側(cè)導(dǎo)電性隔板60，圖11和圖12示出了陰極側(cè)導(dǎo)電性隔板80。
陽極側(cè)導(dǎo)電性隔板60，具有燃料氣體用歧管孔64、氧化劑氣體用歧管孔65、冷卻水用歧管孔66各一對，以及用于貫通緊固電池的螺栓的4個孔67。隔板60在與陽極對向的面上，具有形成燃料氣體流路68的凹槽，以連通一對燃料氣體用歧管孔64。在此例中，氣體流路68形成為并行的3條凹槽。然后，3條凹槽在歧管孔64的附近互相連接。該連接部分以69表示。上述連接部分69中，連接了墊圈11氣體通路25內(nèi)的增強脊緣26頂部。連接部分69，不必連接上述凹槽，只要是能承受、支承脊緣26的凹部就行。
隔板60的歧管孔64的周圍，除了上述氣體流路之外，還有凹槽71，墊圈11的假脊緣21游離嵌合在此凹槽中。隔板60在與陽極對向的面上還有包圍氧化劑氣體用歧管孔65的凹槽72、包圍冷卻水用歧管孔66的凹槽73、以及連接凹槽71、72和73的凹槽74，這些凹槽72、73、74分別與設(shè)置在墊圈11的陽極所在側(cè)表面的假脊緣22、23和24游離嵌合。
隔板60背面，還有形成連通一對冷卻水用歧管孔66的冷卻水流路76的凹槽。
陰極側(cè)導(dǎo)電性隔板80，具有燃料氣體用歧管孔84、氧化劑氣體用歧管孔85、冷卻水用歧管孔86各一對，以及用于貫通緊固電池螺栓的4個孔87。隔板80的與陰極對向的面上，具有形成氧化劑氣體通路88的凹槽，以連通一對氧化劑氣體用歧管孔85。在此例中，氣體流路88形成為并行的5條凹槽。然后，5條凹槽在歧管孔85的附近互相連接。該連接部分以89表示。在上述連接部分89中，連接了墊圈11氣體通路35內(nèi)的增強脊緣36頂部。上述連接部分89，不必連接上述凹槽，只要是能承受、支承脊緣36的凹部就行。
隔板80的歧管孔85的周圍，除了上述氣體流路部分之外，還有凹槽92，墊圈11的假脊緣32游離嵌合在此凹槽中。隔板80在與陰極對向的面上還有包圍燃料氣體用歧管孔84的凹槽91、包圍冷卻水用歧管孔86的凹槽93、以及連接凹槽91、92和93的凹槽94，這些凹槽91、93、94分別與設(shè)置在墊圈11陰極所在側(cè)表面的假脊緣31、33和34游離嵌合。
隔板80背面，還有形成連通一對冷卻水用歧管孔86的冷卻水流路96的凹槽。
由MEA的10、接合在其陽極側(cè)的陽極側(cè)導(dǎo)電性隔板60、以及接合于MEA的陰極側(cè)的陰極側(cè)導(dǎo)電性隔板80構(gòu)成單元電池。將許多個這種單元電池層疊而成的電池組，在其兩端分別通過集電板和絕緣板與端板接合，再用螺栓緊固，組裝成燃料電池裝置。
圖13和圖14分別表示相當(dāng)于沿圖3的VII-VII’線和VIII-VIII線’將該電池組剖開得到的剖面圖。
墊圈11、隔板60和80的各氧化劑氣體用歧管孔15、65、85相互連通。墊圈11的氧化劑氣體通路35，與隔板80中的氧化劑氣體通路88的歧管孔附近的部分相對應(yīng)。也就是說，如圖15所示，隔板80的各氣體流路88的入口部與墊圈11的氧化劑氣體通路35中的脊緣36之間形成的空隙部35a(圖5)相對應(yīng)。氣體通路35內(nèi)的脊緣36，位于隔板80的氣體通路的連接部89內(nèi)。因此，氧化劑氣體，從歧管孔通過隔板80的氣體流路88的入口部和上述空隙部35a，流到包圍陰極13的密封脊緣54內(nèi)側(cè)的氣體流路88，供給陰極13，供應(yīng)到陰極13，再從對側(cè)的歧管孔排出。如圖14所示，在上述的氣體通路35中，除了對應(yīng)于脊緣36之間空隙部35a的部分之外，密封脊緣52a和54a壓接在隔板80的基準厚度部分。
墊圈11的燃料氣體通路25的部分和隔板60的氣體流路關(guān)系，除了脊緣26是2個之外，其他均跟上述氧化劑氣體已說明的內(nèi)容結(jié)構(gòu)相同。
圖14中還應(yīng)重視的一點是，包圍墊圈11的氧化劑氣體用歧管孔15的密封脊緣42和52，位于夾持墊圈基準壁厚部的相應(yīng)位置。通過電池組的緊固力，把墊圈11的陽極側(cè)密封脊緣42壓接在陽極側(cè)的隔板60上，把陰極側(cè)密封脊緣52壓接在陰極側(cè)的隔板80上，這些壓接位置處于和墊圈11的表里兩側(cè)相同的位置上，所以墊圈的兩面能得到良好的密封效果。如果墊圈兩面密封脊緣的位置錯開太多，當(dāng)墊圈的基準壁厚很薄的情況下，密封脊緣處的墊圈撓曲，得不到良好的密封效果。這里已說明了密封脊緣42和52，但在圖示的實例中，陰極側(cè)的密封脊緣54和55分別設(shè)置在與陽極側(cè)的密封脊緣44和46對應(yīng)的位置上。另外，包圍燃料氣體用歧管孔的密封脊緣和包圍冷卻水用歧管孔的密封脊緣，也分別處于在和陽極側(cè)和陰極側(cè)對應(yīng)的位置上。
其次，在從氧化劑氣體用歧管孔15到陰極13的氣體通路的某處，如圖13所示可知，墊圈11因為只支承單側(cè)隔板，即僅從陽極側(cè)隔板60支承，所以恐怕會向陰極側(cè)隔板80的氣體流路內(nèi)下垂。該部位如圖5所示，對于基準壁厚部，陰極側(cè)的增強脊緣36和陽極側(cè)的假脊緣22呈垂直相交的結(jié)構(gòu)。為此，單與平板狀的現(xiàn)有墊圈相比，因為彎曲強度特別大，所以實際上基本不會發(fā)生下垂現(xiàn)象。因此，背面的密封脊緣壓接到隔板上，便不會產(chǎn)生氣體的交叉泄漏。陽極側(cè)的增強脊緣26的部分也與陰極側(cè)的增強脊緣36同樣起作用。在從燃料氣體用歧管孔到陽極氣體通路的某個部位，也采取同樣的措施。對這些部位的變形例，用以下實施方式說明。
在本實施方式是在各電池間設(shè)有流通冷卻水的冷卻部的結(jié)構(gòu)，但也可以是每2～3個電池配一個冷卻部的結(jié)構(gòu)。在此情況下，不是用上述陽極側(cè)隔板和陰極側(cè)隔板的組合，而是部分使用一面有燃料氣體流路、另一面有氧化劑氣體流路的、兼做陽極側(cè)隔板和陰極側(cè)隔板的一個隔板。
在本實施方式中，展示了最佳的方式。但是，如果是該行業(yè)人員，不脫離本發(fā)明的精神，不加修正而加以改變是也很容易的事情。例如，在本實施方式中，對于燃料氣體、氧化劑氣體以及冷卻水的歧管孔；以及燃料氣體和氧化劑氣體流路，都設(shè)置了包圍它們的密封脊緣。但是，在氧化劑氣體用空氣的情況下，包圍氧化劑氣體的歧管孔和流路的密封脊緣可以節(jié)省。也可以相應(yīng)地改變隔板的結(jié)構(gòu)。關(guān)于這樣的改變，如果是該行業(yè)人員是很容易理解的。
實施方式2在圖16中示出了把密封脊緣做成2條的例子。在這里，包圍墊圈11陰極側(cè)歧管孔15的密封脊緣52、包圍陰極的密封脊緣54、包圍歧管孔14的密封脊緣51、氣體通路35兩側(cè)的密封脊緣55都做成2條。與此對應(yīng)，設(shè)于陽極側(cè)的密封脊緣也可分別做成2條。另外，陽極側(cè)的密封脊緣也可做成1條，設(shè)在與陰極側(cè)的2條密封脊緣中央相對應(yīng)的部位。如此所示，把密封脊緣做成多條，也可以提高密封效果。
實施方式3以下說明連接墊圈11的氧化劑用歧管孔15和陰極的部分的其他實施方式。
在上述實例中，在墊圈11的氧化劑氣體通路35上，幾乎等間隔地設(shè)置了4個增強脊緣36，在其對側(cè)，即在陽極側(cè)，設(shè)置連續(xù)帶狀的假脊緣22。通過這些脊緣22和與其垂直相交設(shè)置的增強脊緣36，氣體通路35部分得到增強。
圖17的氣體通路35一側(cè)與上述相同，但示出了一個在與脊緣22對應(yīng)的部分中做成連接筒體形狀的脊緣22a從而使強度變得更大的例子。
圖18示出把氣體通路35內(nèi)的脊緣36a做成細徑但增加數(shù)量的例子。陰極側(cè)的脊緣22保持帶狀不變。
因此，不影響氣體流通，通過把氣體通路部做成必定能從背面支承的結(jié)構(gòu)，可得到用于防止歧管孔附近的氣體通路部中交叉泄漏的各種各樣的結(jié)構(gòu)。
實施方式4本實施方式的MEA的陽極側(cè)的正面圖示于圖19，陰極側(cè)的正面圖示于圖20。該MEA10的墊圈的結(jié)構(gòu)與實施方式1所示結(jié)構(gòu)有若干差異。這里使用的墊圈11A，其假脊緣和密封脊緣都和實施方式1不同。
關(guān)于假脊緣，陽極所在側(cè)的包圍各歧管孔14、15和16的假脊緣21、22和23；以及陰極所在側(cè)的包圍各歧管孔14、15和16的假脊緣31、32和33，是各自獨立的，而且沒有將它們相互連接起來的假脊緣，這不同于與實施方式1的墊圈11。
關(guān)于陽極所在側(cè)的密封脊緣，取消了包圍燃料氣體用歧管孔14的密封脊緣41B橫穿與陽極相連的燃料氣體通路25的部分(實施方式1中的41a)，還取消了包圍陽極的密封脊緣44B橫穿燃料氣體通路25的部分(實施方式1中的44a)，這兩點是與實施方式1不同的。
于是，從燃料氣體歧管孔14一邊經(jīng)過陽極12到另一邊燃料氣體用歧管孔的燃料氣體流路部分被密封脊緣41B、45和44B包圍。
關(guān)于陰極所在側(cè)的密封脊緣，取消了包圍氧化劑氣體的歧管孔15的密封脊緣52B橫穿與陰極相連的氧化劑氣體通路35的部分(實施方式1中的52a)，還取消了包圍陰極的密封脊緣54B橫穿氧化劑氣體通路35的部分(實施方式1中的54a)，這與實施方式1不同的。
于是，從氧化劑氣體歧管孔15一邊經(jīng)過陰極13到另一邊氧化劑氣體用歧管孔的氧化劑氣體流路部分被密封脊緣52B、55和54B包圍。
伴隨上述的改變，可以省去實施方式1中的密封脊緣46和56。
通過上述假脊緣的改變，與組合于MEA的隔板的假脊緣游離嵌合的凹槽結(jié)構(gòu)當(dāng)然也可隨之改變。這種改變，對于本行業(yè)的人員來說，是能充分理解的。
在本實施方式中，包圍各歧管孔的假脊緣，包圍著包圍陽極或陰極的密封脊緣外側(cè)的大部分。依靠這樣的結(jié)構(gòu)，可以保持墊圈的機械強度。相鄰的2個或3個假脊緣也可以互相連接。
以上實施方式，示出了在基準壁厚薄的墊圈上設(shè)置假脊緣、通過假脊緣確保成型性和機械強度的例子。但是，關(guān)于其基準厚度能確保成型性和機械強度的墊圈，就不一定需要假脊緣，這一點對于本行業(yè)的人員來說，也是能夠理解的。
以下說明本發(fā)明的實施例。
實施例1把高分子電解質(zhì)膜(杜邦公司的Nafion117，50微米厚)按照湯姆遜模型，打造成如圖1所示的周邊部排列有透孔的68毫米見方的形狀。透孔設(shè)為寬1.5毫米、長6毫米、間距8毫米。由立式注射成型機將該高分子電解質(zhì)膜成型為外型尺寸120毫米見方、內(nèi)部尺寸60毫米見方、形狀如圖2～4所示的墊圈。該墊圈基準壁厚部為0.7毫米、基準壁厚部的兩面有寬2.0毫米、高0.6毫米的假脊緣和寬0.6毫米、高0.5毫米、剖面為半徑0.3毫米半圓形的密封脊緣。氧化劑氣體歧管孔15附近的氣體通路35中的增強脊緣36，具有2.0毫米的寬度，以4毫米的間隔設(shè)置，在與此相對應(yīng)的陽極側(cè)，設(shè)有與增強脊緣36垂直相交的脊緣22，在結(jié)構(gòu)上做成彎曲強度高的結(jié)構(gòu)。
墊圈材料使用聚酯類熱塑性彈性體(東レ-デユポン(株)制的ハイトレルM7240)。成型條件是注射溫度235℃、模具溫度50℃、注射速度240毫米/秒。此外，注口部位在上述假脊緣上設(shè)8個直徑0.9毫米的銷部注口，進行成型，按上述條件能沒有短細粒(short shot)地成型。
其次，在比表面積800米2/克、DBP吸油量360毫升/100克的ケツチエンブラツクEC(ケツチエンブラツク·インタ一ナシヨナル公司制的爐黑)上，以1∶1的比例附載鉑。在10克該催化劑粉末中，加入35克水和59克氫離子導(dǎo)電高分子電解質(zhì)的乙醇分散液(旭硝子(株)制，9％FSS)，用超聲波攪拌機分散之，制作催化劑層油墨。把該催化劑油墨涂在聚丙烯膜(東レ(株)制的トレフアン50-2500)上，經(jīng)干燥形成催化劑層。將所得的催化劑層裁成59毫米×59毫米，在溫度為135℃、壓力為32千克力/厘米2的條件下轉(zhuǎn)印到上述成型品高分子電解質(zhì)膜的露出部分的兩面上。接著，在由碳纖維構(gòu)成的氣體擴散層(東レ(株)制TGPH120)的一面上涂布聚四氟乙烯(PTFE)微粉(ダイキン工業(yè)(株)制)和乙炔黑(電氣化學(xué)工業(yè)(株)制)的重量比為1∶4的水分散液，在350℃下煅燒20分鐘，形成單位電極面積2.0毫米/厘米2密度的防水層。
在溫度為130℃、壓力為1.5兆帕的條件下通過熱壓加工，使防水層接觸電解質(zhì)，從而把形成有上述防水層的氣體擴散層接合在上述轉(zhuǎn)印了催化劑層的電解質(zhì)膜上，制成MEA，對其進行以下特性評價試驗。
接下來，按以下方法，制作形狀如圖9～10所示的陽極側(cè)隔板和圖11～12所示的陰極側(cè)隔板這兩種碳制隔板。在外形尺寸為120毫米×120毫米、厚度3.0毫米的樹脂浸漬石墨板(東海碳(株)制的グラツシ-カ-ボン)上，由銑加工形成歧管孔、燃料氣體流路、氧化劑氣體流路、冷卻水流路以及能與墊圈的假脊緣游離嵌合的凹槽。這兩種隔板用硅酮系密封劑粘合，支承內(nèi)部有冷卻水路、一側(cè)是陽極隔板另一側(cè)是陰極隔板的隔板單元。
在此隔板單元上，裝入上述MEA，構(gòu)成3個電池串聯(lián)連接的電池組。相對于墊圈的假脊緣，使隔板的凹槽寬度為0.3毫米寬、深度為0.1毫米深，因此假脊緣處于接觸不到隔板凹槽內(nèi)壁的位置，確認沒有由墊圈成型收縮帶來的隔板/墊圈之間的尺寸差，也沒有因假脊緣的注口痕跡(高50微米左右)引起的密封不良等情況。
由上述本實施例做成的電池組和比較例1特性進行比較的結(jié)果列于表1。比較例1，除了沒有本實施例墊圈的密封脊緣、假脊緣嵌合在隔板凹槽中、希望在此嵌合部做成密封結(jié)構(gòu)之外，其余均與實施例相同。
評價項目如下所述。
(1)常規(guī)交叉泄漏試驗用1440千克力(緊固壓力1兆帕)將上述三電池組(隔板面積12×12＝144厘米2)壓緊，在陽極側(cè)接上氮氣供給源，其壓力保持50千帕，此時以測量從陰極泄漏出來的氣體量的形式，進行交叉泄漏試驗。
(2)常規(guī)外部泄漏試驗用1440千克力(緊固壓力1兆帕)將上述三電池組壓緊，將陽極和陰極分別連接壓力為50千帕的氮氣供給源，以測量流入的氣體量(＝流出氣體量、即外部泄漏量)的形式，進行外部泄漏試驗。
(3)最低緊固力試驗將上述三電池組的陽極和陰極分別連接氮氣供給源，其壓力保持50千帕，考察使流入的氣體量(＝流出氣體量、即外部泄漏量)在0.01毫升/分鐘以下所需的電池組緊固力。
這些試驗結(jié)果列于表1。
表1

從表1結(jié)果可知，按本發(fā)明的墊圈/隔板的組件結(jié)構(gòu)，以比過去低得多的緊固力，就能防止交叉泄漏和外部泄漏。這可以解釋為，密封脊緣的高度高于墊圈基準壁厚部的表面凹凸，以及在形狀上僅在密封脊緣部位受到局部壓力的緣故。由此可知，如果沒有墊圈薄壁化的必要條件，即使沒有假脊緣，只要有密封脊緣，就能用很低的緊固壓力得到充分密封的效果。
實施例2～4采用與實施例1同樣的手法進行成型，制得歧管孔附近具有如圖18(實施例2)、圖16(實施例3)、圖17(實施例4)所示結(jié)構(gòu)的各墊圈，并用與實施例1同樣的方法，將其做成MEA。然后，用與實施例1同樣的方法，設(shè)計、制作隔板，分別組裝3電池組。
對其進行了以下項目的特性評價試驗。
(1)常規(guī)交叉泄漏試驗用1440千克力(緊固壓力1兆帕)將上述3電池組(隔板面積12×12＝144厘米2)壓緊，在陽極側(cè)接上壓力50千帕的氮氣供給源，以測量從陰極泄漏出來的氣體量的形式，進行交叉泄漏試驗。
(2)臨界交叉泄漏試驗用1440千克力(緊固壓力1兆帕)將上述3電池組壓緊，逐漸增大對陽極的供氣壓力，以測量從陰極泄漏出來時供氣源壓力的形式，進行交叉泄漏試驗。
以上試驗結(jié)果列于表2。
表2

如表2所示，在常用壓力((2)工作壓力)(通常，陽極和陰極的供氣壓力均為50千帕)下，不論哪個實施例，都未觀察到交叉泄漏現(xiàn)象，而且任一情況下，電池釋放電壓(OCV)都在0.99V左右，在實際使用上沒有問題。臨界交叉泄漏試驗是為了知道電池對氣體供給系統(tǒng)突發(fā)性操作(例如開閉閥門)的反應(yīng)行為。該試驗結(jié)果表明，如實施例2～4那樣，通過使密封脊緣多重化，在墊圈流路部的背面(夾持基準壁厚部的反面)的形狀上下工夫，可以成為適于該臨界值大、供氣壓力高的用途(車輛用供給源壓180千帕左右，但兩極間的壓差最大也只是該樹脂的幾分之一)的產(chǎn)品。
按照本發(fā)明，以較低的緊固壓力就能制得高氣密性的燃料電池，而且有利于提高燃料電池的可靠性。
權(quán)利要求
1.高分子電解質(zhì)型燃料電池，它是具備由以下(1)和(2)構(gòu)成的單元電池的高分子電解質(zhì)型燃料電池(1)由周邊部用密封材料制成的墊圈覆蓋的高分子電解質(zhì)膜、與上述電解質(zhì)膜的一面接合的陽極、以及與所述電解質(zhì)膜的另一面接合的陰極構(gòu)成的電解質(zhì)膜-電極接合體，(2)夾持所述電解質(zhì)膜-電極接合體的陽極側(cè)導(dǎo)電性隔板和陰極側(cè)導(dǎo)電性隔板，其特征在于，(3)所述的墊圈、陽極側(cè)導(dǎo)電性隔板和陰極側(cè)導(dǎo)電性隔板具有燃料氣體用歧管孔、氧化劑氣體用歧管孔和冷卻水用歧管孔各一對；(4)所述的墊圈(4a)其陽極所在側(cè)的表面上，具有包圍從燃料氣體用歧管孔一邊經(jīng)過陽極到另一邊燃料氣體用歧管孔的燃料氣體流路部分的密封脊緣、和包圍冷卻水用歧管孔的密封脊緣，(4b)其陰極所在側(cè)的表面上，具有包圍所述燃料氣體用歧管孔和冷卻水用歧管孔的密封脊緣；(5)所述的陽極側(cè)導(dǎo)電性隔板的與陽極對向面?zhèn)鹊谋砻嫔?，具有連通所述一對燃料氣體用歧管孔的燃料氣體流路；(6)所述的陰極側(cè)導(dǎo)電性隔板的與陰極對向面?zhèn)鹊谋砻嫔?，具有連通所述一對氧化劑氣體用歧管孔的氧化劑氣體流路；(7)所述墊圈的各密封脊緣依靠壓緊所述電池的緊固壓力，壓接在所述導(dǎo)電性隔板的表面上。
2.如權(quán)利要求1所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于，所述墊圈的陽極所在側(cè)的表面上，還有包圍所述氧化劑氣體用歧管孔的密封脊緣；所述墊圈的陰極所在側(cè)的表面上，還有包圍從所述氧化劑氣體用歧管孔一邊經(jīng)過陰極到另一邊氧化劑氣體用歧管孔的氧化劑氣體流路部分的密封脊緣。
3.高分子電解質(zhì)型燃料電池，它是具備由以下(1)和(2)構(gòu)成的單元電池的高分子電解質(zhì)型燃料電池(1)由周邊部用密封材料制成的墊圈覆蓋的高分子電解質(zhì)膜、與上述電解質(zhì)膜的一面接合的陽極、以及與所述電解質(zhì)膜的另一面接合的陰極構(gòu)成的電解質(zhì)膜-電極接合體，(2)夾持所述電解質(zhì)膜-電極接合體的陽極側(cè)導(dǎo)電性隔板和陰極側(cè)導(dǎo)電性隔板，其特征在于，(3)所述的墊圈、陽極側(cè)導(dǎo)電性隔板和陰極側(cè)導(dǎo)電性隔板具有燃料氣體用歧管孔、氧化劑氣體用歧管孔和冷卻水用歧管孔各一對；(4)所述的墊圈(4a)其陽極所在側(cè)的表面上，具有包圍從燃料氣體用歧管孔一邊經(jīng)過陽極到另一邊燃料氣體用歧管孔的燃料氣體流路部分的密封脊緣、和包圍冷卻水用歧管孔的密封脊緣，(4b)其陰極所在側(cè)的表面上，具有分別包圍所述燃料氣體用歧管孔和冷卻水用歧管孔的密封脊緣，(4c)陽極所在側(cè)的表面以及陰極所在側(cè)的表面上，具有至少部分包圍所述任一密封脊緣的假脊緣，(4d)所述的各假脊緣的高度大于各密封脊緣的高度；(5)所述的陽極側(cè)導(dǎo)電性隔板的與陽極對向面?zhèn)鹊谋砻嫔?，具有游離嵌合所述密封脊緣的凹槽、以及連通所述一對燃料氣體用歧管孔的燃料氣體流路；(6)所述的陰極側(cè)導(dǎo)電性隔板的與陰極對向面?zhèn)鹊谋砻嫔?，具有游離嵌合所述密封脊緣的凹槽、以及連通所述一對氧化劑氣體用歧管孔的氧化劑氣體流路；(7)所述墊圈的各密封脊緣依靠壓緊所述電池的緊固壓力，壓接在所述導(dǎo)電性隔板的表面上。
4.如權(quán)利要求3所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于，所述墊圈的陽極所在側(cè)的表面上，還有包圍所述氧化劑氣體用歧管孔的密封脊緣；所述墊圈的陰極所在側(cè)的表面上，還有包圍從所述氧化劑氣體用歧管孔一邊經(jīng)過陰極到另一邊氧化劑氣體用歧管孔的氧化劑氣體流路部分的密封脊緣。
5.如權(quán)利要求4所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于，設(shè)在所述陽極所在側(cè)的表面上的假脊緣，實質(zhì)上包圍著包圍所述燃料氣體流路部分的密封脊緣；設(shè)在所述陰極所在側(cè)的表面上的假脊緣，實質(zhì)上包圍著包圍所述氧化劑氣體流路部分的密封脊緣。
6.如權(quán)利要求5所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于，設(shè)在所述陽極所在側(cè)的表面上的假脊緣，還具有包圍所述各歧管孔的部分；設(shè)在所述陰極所在側(cè)的表面上的假脊緣，還具有包圍所述各歧管孔的部分。
7.高分子電解質(zhì)型燃料電池，它是具備由以下(1)和(2)構(gòu)成的單元電池的高分子電解質(zhì)型燃料電池(1)由周邊部用密封材料制成的墊圈覆蓋的高分子電解質(zhì)膜、與上述電解質(zhì)膜的一面接合的陽極、以及與所述電解質(zhì)膜的另一面接合的陰極構(gòu)成的電解質(zhì)膜-電極接合體，(2)夾持所述電解質(zhì)膜-電極接合體的陽極側(cè)導(dǎo)電性隔板和陰極側(cè)導(dǎo)電性隔板；其特征在于，(3)所述的墊圈、陽極側(cè)導(dǎo)電性隔板和陰極側(cè)導(dǎo)電性隔板具有燃料氣體用歧管孔、氧化劑氣體用歧管孔和冷卻水用歧管孔各一對；(4a)所述墊圈的陽極所在側(cè)的表面上，具有分別包圍所述各歧管孔的假脊緣、在上述假脊緣的內(nèi)側(cè)包圍各歧管孔的密封脊緣、包括設(shè)在包圍所述燃料氣體用歧管孔的假脊緣朝著陽極側(cè)的切口部在內(nèi)的燃料氣體通路、包圍陽極的密封脊緣、以及在所述燃料氣體通路兩側(cè)的連接包圍所述燃料氣體用歧管孔的密封脊緣和包圍陽極的密封脊緣的密封脊緣，(4b)所述墊圈的陰極所在側(cè)的表面上，具有分別包圍所述各歧管孔的假脊緣、在上述假脊緣的內(nèi)側(cè)包圍各歧管孔的密封脊緣、包括設(shè)在包圍所述陰極的假脊緣朝著陰極側(cè)的切口部在內(nèi)的氧化劑氣體通路、包圍氧化劑氣體用歧管孔的密封脊緣、以及在所述氧化劑氣體通路兩側(cè)的連接包圍所述氧化劑氣體用歧管孔的密封脊緣和包圍陰極的密封脊緣的密封脊緣，(4c)所述的各假脊緣的高度大于各密封脊緣的高度；(5)所述的陽極側(cè)導(dǎo)電性隔板的與陽極對向面?zhèn)鹊谋砻嫔?，具有游離嵌合所述密封脊緣的凹槽、以及連通所述一對燃料氣體用歧管孔的燃料氣體流路；(6)所述的陰極側(cè)導(dǎo)電性隔板的與陰極對向面?zhèn)鹊谋砻嫔?，具有游離嵌合所述密封脊緣的凹槽、以及連通所述一對氧化劑氣體用歧管孔的氧化劑氣體流路；(7)所述墊圈的燃料氣體通路和氧化劑氣體通路，分別連通陽極側(cè)導(dǎo)電性隔板的氣體流路和和陰極側(cè)導(dǎo)電性隔板的氣體流路；(8)所述墊圈的各密封脊緣依靠壓緊所述電池的緊固壓力，壓接在所述導(dǎo)電性隔板的表面上。
8.如權(quán)利要求7所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于，在墊圈的陰極所在側(cè)的表面上，包圍所述各歧管孔的各密封脊緣，處于跟陽極所在側(cè)的表面上包圍各歧管孔的各密封脊緣相對應(yīng)的位置上，包圍所述陰極的密封脊緣，處于跟包圍所述陽極的密封脊緣相對應(yīng)的位置上；另外，在陽極所在側(cè)的表面上，在連接包圍所述氧化劑氣體用歧管孔的密封脊緣和包圍陰極的密封脊緣的密封脊緣的對應(yīng)位置上，設(shè)有密封脊緣；在陰極所在側(cè)的表面上，在連接包圍所述燃料氣體用歧管孔的密封脊緣和包圍陽極的密封脊緣的密封脊緣的對應(yīng)位置上，設(shè)有密封脊緣。
9.如權(quán)利要求7所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于，在所述陽極所在側(cè)的表面上，分別包圍所述各歧管孔的假脊緣互相連接；在所述陰極所在側(cè)的表面上，分別包圍所述各歧管孔的假脊緣互相連接。
10.如權(quán)利要求7所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于，在所述燃料氣體通路和氧化劑氣體通路內(nèi)，分別設(shè)有多個增強脊緣，所述的陽極側(cè)導(dǎo)電性隔板和陰極側(cè)導(dǎo)電性隔板的所述氣體流路出入口附近，設(shè)有容納上述增強脊緣的凹部，所述凹部支承所述增強脊緣的頂部，位于所述燃料氣體通路和氧化劑氣體通路前后的密封脊緣的與隔板的氣體流路不對應(yīng)的部分，壓接在隔板上。
11.如權(quán)利要求7所述的高分子電解質(zhì)型燃料電池，其特征在于，所述密封脊緣中至少有一個由多條密封脊緣組成。
全文摘要
本發(fā)明提供了在低緊固力下沒有交叉泄漏和外部泄露的高分子電解質(zhì)型燃料電池。它是一種具備單元電池的高分子電解質(zhì)型燃料電池，所述的單元電池由周邊部用密封材料制成的墊圈覆蓋的高分子電解質(zhì)膜和與電解質(zhì)膜接合的陽極及陰極構(gòu)成的電解質(zhì)膜－電極接合體(MEA)、以及夾持該MEA的導(dǎo)電性隔板組成。墊圈和隔板各有燃料氣體、氧化劑氣體和冷卻水用歧管孔，墊圈具有包圍各歧管孔的假脊緣，隔板分別具有游離嵌合上述假脊緣的凹槽。墊圈具有包圍各歧管孔、陽極和陰極的密封脊緣、以及位于連接燃料氣體用歧管孔和陽極的氣體通路和連接氧化劑氣體用歧管孔和陰極的氣體通路兩側(cè)的密封脊緣。這些密封脊緣通過電池組的緊固力，除上述氣體通路外，壓接在隔板上，構(gòu)成氣體密封部。
文檔編號H01M8/24GK1412875SQ0214731
公開日2003年4月23日 申請日期2002年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月16日
發(fā)明者小林晉, 保坂正人, 羽藤一仁, 村上光, 竹澤干夫, 大西孝行 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社