專利名稱：Mea、mea的制造方法和高分子電解質型燃料電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及MEA (膜電極組件)、MEA的制造方法和高分子電 解質型燃料電池。本發(fā)明特別涉及在MEA主體部的周緣部接合了墊圈 而成的MEA、該MEA的制造方法和使用該MEA的高分子電解質型 燃料電池。
背景技術：
高分子電解質型燃料電池(以下稱為PEFC)通過使含氫的燃料氣 體和空氣等的含氧的氧化劑氣體在MEA主體部中進行電化學反應，從 而同吋產生i乜和熱。PEFC —般使單電池層疊而構成。單電池通過用一對導電性隔板、 具體來說用陽極隔板和陰極隔板夾住MEA的兩而周緣部的墊圈而構 成。MEA構成為包括MEA主體部以及配置成與延伸到MEA主體部 的周緣部的高分子電解質膜相接合而包圍MEA主體部的密封墊圈、或 框體和密封墊圈。MEA主體部由高分子電解質膜和在它的兩面上形成 的一對電極層構成。并且電極層的兩面分別暴露在燃料氣體和氧化劑 氣體中，發(fā)生電化學反應，并且用密封墊圈或框體和密封墊圈切斷或 抑制燃料氣體和氧化劑氣體向外部泄漏。其中，PEFC中存在的重要問題之一是燃料氣體和氧化劑氣體的利 用效率降低的問題。具體說，MEA因加工工序上的制約等原因，使密 封墊圈的內緣和電極層的外緣完全密封而進行制作是困難的。即在密 封墊圈的內緣和電極層的外緣之間產生間隙(下面稱為MEA主體部周 緣間隙)。并且，在PEFC運轉吋，燃料氣體和氧化劑氣體向MEA主 體部周緣間隙泄漏，而且泄漏的燃料氣體和氧化劑氣體幾乎沒有暴露 在MEA主體部中就直接排到外部，由此導致燃料氣體和氧化劑氣體的 利用效率降低，導致高分子電解質型燃料電池的效率降低。例如在專 利文獻1中，提出了由規(guī)定的橡膠材料構成的覆蓋電極層的外緣進行 密封的與高分子電解質膜一體化構成的密封墊圈。 專利文獻l:日本特開2001 - 155745號公報 發(fā)明內容可是用專利文獻1的密封墊圈，恰當地在電極層的周緣部配置均 勻密合的密封材料非常費事，至少不適合大量生產。此外申請人在以 前的申請(日本特愿2003 - 298628和日本特愿2004 -296702，都還未 公幵)中，提出了把MEA主體部周緣間隙的一部分閉塞或者部分封閉 的MEA。在這些方案中，在電極層周圍配置多個密封墊圈的提案(曰 本特愿2003 - 298628和日本特愿2004 - 296702)中需要增加MEA的 制造工序。此外，在使電極層周緣部的形狀做成復雜形狀的提案(日 本特愿2003 -298628)中，在MEA的制造工序中要求高的精度。此 外，在高分子電解質膜的周緣部設置密封墊圈后制作電極層的提案(日 本特愿2003 - 298628)中，不能在很寬的高分子電解質膜上形成多個 屯極層，不得不把高分子電解質股裁剪成所需要的大小，在配置框體 和密封墊圈后，逐一在高分子屯解質膜上形成ili極層。即在這些MEA 的制造方法1 「1存在有改進的余地。本發(fā)明是為了解決上述課題而完成的，本發(fā)明的目的是提供一種 在高分子電解質型燃料電池組裝的狀態(tài)下，可以切斷或抑制燃料氣體 和氧化劑氣體在MEA主體部周緣間隙中的流動，而且構造和它的制造 方法簡單，適合大量生產的MEA、該MEA的制造方法和使用該MEA 的高分子電解質型燃料電池。本發(fā)明人對適合大量生產的MEA主體部周緣間隙的一部分閉塞 或變窄的MEA的結構和它的制造方法進行了深入的研究。首先研究了 MEA的制造順序，在高分子電解質膜上配置密封墊圈或框體和密封墊 圈后，在高分子電解質膜上形成電極層的工序中，每個MEA都需要形 成電極層的工序。與此相反，如搞成在形成了電極層的高分子電解質 膜上配置框體的工序，在高分子電解質膜上形成多個電極層后，通過 把高分子電解質膜進行切分，可以大量生產MEA主體部。即發(fā)現優(yōu)選 的是在形成了電極層的高分子電解質膜即MEA主體部上配置框體的 制造順序。然后對在MEA主體部的周緣部配置密封墊圈或者框體和密封墊 圈的構造進行了研究。為了簡化構造，優(yōu)選的是省略了框體只配置密封墊圈的構造。可是如申請人已經研究的那樣(參照日本特愿2004-296702)，在只配置密封墊圈的構造中，由于密封墊圈是彈性體，存 在有燃料氣體和氧化劑氣體的交叉泄漏的可能。所以研究了配置框體 和密封墊圈的構造和制造方法，發(fā)現通過用熱塑性樹脂構成框體，用 選自熱塑性樹脂和熱塑性彈性體的至少一種構成的原材料，構成密封 墊圈，可以在成形機中連續(xù)成型。此外，通過在密封墊圈的配置構造 上想辦法，還發(fā)現可以閉塞MEA主體部周緣間隙的一部分或使它變 窄，通過這些研究結果想到了本發(fā)明。即第1個本發(fā)明的MEA包括MEA主體部，它具有在高分子電 解質膜和該高分子電解質膜的周緣部內側的部分的兩個面上形成的一 對電極層；板狀的由熱塑性樹脂構成的框體，它是以相對于所述一對 電極層有一定間隔而夾持所述高分子電解質膜的周緣部，并且以使得 包圍該高分子電解質膜的外緣的方式形成； 一對密封墊圈，它以在所 述框體的兩個面上夾持該框體的方式形成，由選自熱塑性樹脂和熱塑 性彈性體的至少一種構成。所述密封墊圈具有環(huán)狀部，它沿所述框 體的內緣形成為環(huán)狀；延伸部，它從該環(huán)狀部延伸，通過所述框體的 內緣部和所述高分子電解質膜的所述周緣部之上，與所述電極層的側 而接觸而形成。采用這樣的構成時，MEA在高分子電解質型燃料電池 組裝狀態(tài)下，可以切斷或抑制燃料氣體和氧化劑氣體在MEA主體部周 緣間隙中的流動，進而可以提高燃料氣體和氧化劑氣體的利用效率， 而且構造簡單，適合大量生產。這里，本發(fā)明中所謂"沿框體的內緣 形成為環(huán)狀的環(huán)狀部"，是指在平面視圖中，沿框體的內緣(開口) 形成為環(huán)狀的環(huán)狀部?？墒窃跇嫵晒┙oMEA的流體流過的流路的部分 中，也可以不沿框體的內緣(開口)(例如參照后述的圖3)。所謂平 面視圖是指從板狀的框體的厚度方向看的情況。此外在本發(fā)明中，所謂的"MEA主體部"是指具有至少包括陽極 (氣體擴散電極)、陰極(氣體擴散電極)、配置在所述陽極(氣體 擴散電極)和所述陰極(氣體擴散電極)之間的高分子電解質膜的結 構的層疊體。此外，第12個本發(fā)明的MEA的制造方法包括使熱塑性樹脂流
入第1模具和第2模具的間隙中，在框內緣上形成配置MEA主體部周 緣部的平坦部，使這樣的框狀的第1成形構件成形的工序；將嵌合在 所述第1模具的所述成形構件的框內預先制作的MEA主體部，配置成 平面狀，而且在所述平坦部上配置該MEA主體部的周緣部的工序；使 第3模具與配置了所述MEA主體部的成形構件所嵌合的第1模具相接 合，使所述熱塑性樹脂流入第1模具和第3模具的間隙中，使接合了 MEA主體部狀態(tài)的框體成形的工序；把接合了所述MEA主體部的框 體夾在中間，并把第4模具和第5模具接合，使熱塑性樹脂或熱塑性 樹脂彈性體流入第4模具和第5模具的間隙中，在框體表面成形密封 墊圈的工序。采用這樣的構成，MEA的制造方法簡單，而且適合大量 生產。此外制造的MEA在高分子電解質型燃料電池組裝的狀態(tài)下，可 以切斷或抑制燃料氣體和氧化劑氣體在MEA主體部周緣間隙中的流 動，進而可以提高燃料氣體和氧化劑氣體的利用效率。
此外第13個本發(fā)明的高分子電解質型燃料電池是把一個以上的具 有權利要求1所述的MEA、以及把該MEA夾在中間配置的陽極隔板 和陰極隔板的單電池層疊而成。采用這樣的構成，高分子電解質型燃 料iti池可以切斷或抑制燃料氣體和氧化劑氣體在MEA主體部周緣間 隙中的流動，進而可以提高燃料氣體和氧化劑氣體的利用效率。
第2個發(fā)明的MEA用于具有在與所述電極層接觸的表面和面對所 述電極層周圍的表面之間形成有連通用流路槽的隔板的高分子電解質 型燃料電池中，可以在所述連通用流路槽接觸的位置的兩個側面形成 所述延伸部。采用這樣的構成，由于可以切斷或抑制燃料氣體從連通 用流路槽向MEA主體部周緣間隙的泄漏，所以可以更可靠地得到上述 發(fā)明的效果。
第3個發(fā)明的MEA用于具有隔板的高分子電解質型燃料電池中， 所述隔板形成為流路槽在所述電極層的緣部有彎曲部，所述流路槽形 成在與所述電極層接觸的表面上，可以在相當于所述彎曲部之間的位 置接觸的位置上形成所述延伸部。采用這樣的構成，由于可以切斷或 抑制從彎曲部向MEA主體部周緣間隙漏出的燃料氣體和氧化劑氣體 在MEA主體部周緣間隙40中的流動，所以可以更可靠地得到上述發(fā) 明的效果。
第4個發(fā)明的MEA用于具有形成多個所述彎曲部的隔板的高分子 電解質型燃料電池，可以僅在相當于所述彎曲部之間的位置所接觸的 位置的一部分上形成所述延伸部。采用這樣的構成，可以進一步簡化 MEA的構造。
第5個發(fā)明的MEA可以在所述框體的組成和所述密封墊圈的組成 中包括共同的可塑成分。采用這樣的構成，可以使框體和密封墊圈熱 熔接，得到牢固的接合。
第6個發(fā)明的MEA可以為，所述密封墊圈的所述延伸部的前端部 形成為覆蓋所述電極層的側面的大致整個區(qū)域。采用這樣的構成，由 于利用延伸部幾乎全部阻礙氣體從電極層的側面流出，所以可以更可 靠地切斷或抑制在高分子電解質型燃料電池組裝的狀態(tài)下的燃料氣體 和氧化劑氣體在MEA主體部周緣間隙中的流動。
第7個發(fā)明的MEA可以為，在所述高分子電解質膜的兩個主面中 的至少一個主面的所述周緣部上，還配置有保護該周緣部的鏡框狀的 保護膜，所述電極層具有層疊結構，該層疊結構具有氣體擴散層、配 置在該氣體擴散層和所述高分子電解質膜之間的催化劑層，所述保護 膜的內邊緣部填入到所述催化劑層和所述氣體擴散層之間。采用這樣 的構成，可以防止在制造MEA時損傷高分子電解質膜的周緣部。
第8個發(fā)明的MEA可以為，在所述高分子電解質膜的兩個主面中 的至少一個主面的所述周緣部上，還配置有保護該周緣部的鏡框狀的 保護膜，所述保護膜和所述電極層相互不重疊地并排設置在所述高分 子電解質膜的所述主面上。采用這樣的構成，可以防止在制造MEA時 損傷高分子電解質膜的周緣部。
第9個發(fā)明的MEA可以為，在所述高分子電解質膜的兩個主面中 的至少一個主面的所述周緣部上，還配置有保護該周緣部的鏡框狀的 保護膜，所述電極層具有層疊結構，該層疊結構具有氣體擴散層、配 置在該氣體擴散層和所述高分子電解質膜之間的催化劑層，所述保護 膜的內緣部填入到所述高分子電解質膜和所述催化劑層之間。采用這 樣的構成，可以防止在制造MEA時損傷高分子電解質膜的周緣部。
第10個發(fā)明的MEA可以為，在所述密封墊圈的環(huán)狀部的頂面上， 以沿它的延伸方向延伸的方式形成筋，該筋的至少一部分在所述高分 子電解質膜的周緣部的內周側形成。采用這樣的構成，在高分子電解 質型燃料電池組裝的狀態(tài)下，通過MEA的環(huán)狀部的正反面的筋的按壓 力，可以強化高分子電解質膜的周緣部和框體的密合性和接合力。第11個發(fā)明的MEA可以為所述密封墊圈的延伸部的前端很淺地 延伸到所述電極層的面上。采用這樣的構成，由于可以進一步提高延 伸部和電極層的側面的密合性，所以可以更可靠地切斷或抑制在高分 子電解質型燃料電池組裝的狀態(tài)下燃料氣體和氧化劑氣體在MEA主 體部周緣間隙中的流動。本發(fā)明的上述目的、其他目的、特征和優(yōu)點，參照附圖從以下適 宜的實施方式的詳細說明中可以清楚。如上所述，本發(fā)明的MEA、該MEA的制造方法和使用該MEA 的高分子電解質型燃料電池具有如下效果可以切斷或抑制燃料氣體 和氧化劑氣體在高分子電解質型燃料電池組裝的狀態(tài)下在MEA主體 部周緣間隙中的流動，進而可以提高燃料氣體和氧化劑氣體的利用效 率，而且構造和它的制造方法簡單，適合大量生產。


圖1是把本發(fā)明優(yōu)選的一個實施方式的高分子電解質型燃料電池的構造分解一部分進行示意表示的立體圖。圖2是將圖1的II _ II線截面上的單電池10的層疊截面分解一部分表示的截面圖。圖3是表示圖1的MEA的陽極隔板一側的構造的俯視圖。圖4是表示圖1的MEA的陰極隔板一側的構造的俯視圖。圖5是MEA的密封墊圈的延伸部中的截面立體圖。圖6是在圖3和圖4的IV - IV線截面中示意表示MEA的各制造工序的制造工序圖。圖7是伴隨燃料氣體流路的變形的圖1的MEA的陽極隔板一側的俯視圖。圖8是伴隨氧化劑氣體流路的變形的圖1的MEA的陰極隔板一側 的俯視圖。圖9是表示第5延伸部7B5和第8延伸部7B8的形成位置的變形
例的圖1的MEA的陽極隔板一側的俯視圖。圖10是表示第6延伸部7B6和第7延伸部7B7的形成位置的變形 例的圖1的MEA陰極隔板一側的俯視圖。圖11是對比表示實施例的PEFC和比較例的PEFC在相同條件下 的輸出性能的曲線圖。圖12是舉例表示MEA周緣部中的保護膜和催化劑層的緣部之間 的干涉形態(tài)的截面圖。圖13是舉例表示MEA周緣中的保護膜和催化劑層的緣部之間的 干涉形態(tài)的截面圖。圖14是舉例表示MEA周緣中的保護膜和催化劑層的緣部之間的 干涉形態(tài)的截面圖。圖15是表示變形例5的MEA的陽極隔板一側構造的俯視圖。圖16是示意表示變形例6的MEA的第4制造工序中的圖3和圖 4的VI-VI線截而的圖。符號說明1 MEA2 陽極隔豐反 3陰極隔板 4螺栓孔5 MEA主體部5A高分子電解質膜 5B催化劑層 5C氣體擴散層 5D周緣部6 框體 6A槽部6B成形用貫通孔6C成形構件6C1 平坦部6D MEA主體部固定部7密封墊圈 7A環(huán)狀部 7B 延伸部7B1 第l延伸部 7B2 第2延伸部 7B3第3延伸部 7B4第4延伸部 7B5第5延伸部 7B6 第6延伸部 7B7第7延伸部 7B8 第8延伸部 7C筋 7D重疊部 9密封構件 10 單!li池 11A外側接合部 11B 內側接合部12、 22、 32 燃料氣體集流管(manifold)孔13、 23、 33氧化劑氣體集流管孔14、 24、 34水集流管孔 21燃料氣體流路槽 21A氣體擴散層接觸部 21B 連通部21C彎曲部31氧化劑氣體流路槽31A氣體擴散層接觸部31B 連通部31C 彎曲部40 MEA主體部周緣間隙 50水流路槽 60保護膜100高分子電解質型燃料電池(PEFC) Tl第l模具T1A凹陷部 TIB 平坦部 TIC框體部 T1D 凸部 T2第2模具 T2B 平坦部 T2C 框體部 T2D 凸部 T3第3模具 T3A凹陷部 丁4 第4模具 T5第5模具 P實施例 Q 比較例 S 框而 V輸山『ll壓 H 吋間具體實施方式
下面參照附圖對用于實施本發(fā)明的最佳方式進行說明。 圖1是把本發(fā)明優(yōu)選的一個實施方式的高分子電解質型燃料電池 的構造分解一部分進行示意表示的立體圖。如圖l所示，使單電池IO層疊而構成PEFCIOO。此外圖中沒有表 示，在電池10兩端的最外層安裝有集電板、絕緣板、端板，單電池IO 用插入螺栓孔4的連結螺栓和螺母從兩端連結而構成。在本實施方式 中，層疊了60個單電池10，插入螺栓孔4的螺栓和螺母用10kN的連 結力連結。用一對導電性的隔板、具體說用陽極隔板2和陰極隔板3夾持 MEA1的兩面周緣部的框體6、更正確地說是密封墊圈7而構成單電池 10。這樣MEA主體部5的電極層中的配置在最外側的氣體擴散層5C
與隔板2、 3接觸，用氣體擴散層5C覆蓋陽極隔板2的燃料氣體流路 槽21的氣體擴散層接觸部21A和陰極隔板3的氧化劑氣體流路槽31 的氣體擴散層接觸部31A。即在陽極上使隔板2 —側的氣體擴散層5C 暴露于在氣體擴散層接觸部21A中流通的燃料氣體中，陰極隔板3 — 側的氣體擴散層5C暴露于在氣體擴散層接觸部31A中流動的氧化劑 氣體中，可以發(fā)生PEFC100的電化學反應。此外在層疊的單電池10 屮，相鄰的MEA主體部5互相電串聯連接，有時并聯連接。
燃料氣體和氧化劑氣體流過的各一對貫通孔、即燃料氣體集流管 孔12、 22、 32和氧化劑氣體集流管孔13、 23、 33在隔板2、 3和MEA1 的周緣部即框體6上穿通。在單電池IO層疊的狀態(tài)下，這些貫通孔層 疊結合，形成燃料氣體進氣管和氧化劑氣體管道(manifold)。并且在 陽極隔板2內側的主面上，連接一對燃料氣體集流管孔22、 22之間而 形成有燃料氣體流路槽21。在陰極隔板3內側的主面上，連接一對氧 化劑氣體集流管孔33、 33之間而形成有氧化劑氣體流路槽31。即構成 為氧化劑氣體和燃料氣體分別從一個管道，也就是從供給一側的管道 分流到流路槽21、 31，分別流通到另一個管道，也就是流通到排出一 側的管道。
燃料氣體流路槽21構成為具有氣體擴散層接觸部21A和一對連通 部(連通用流路槽)21B，氣體擴散層接觸部21A形成在單電池10組 裝狀態(tài)下與氣體擴散層5C接觸的表面上， 一對連通部(連通用流路槽) 21B形成在與氣體擴散層5C接觸的表面和與氣體擴散層5C的周圍相 對的表面之間。同樣，流路槽31構成為具有氣體擴散層接觸部31A和 一對連通部(連通用流路槽)31B，氣體擴散層接觸部31A形成在單 電池10組裝狀態(tài)下與氣體擴散層5C接觸的表面上， 一對連通部(連 通用流路槽)31B形成在與氣體擴散層5C接觸的表面和與氣體擴散層 5C的周圍相對的表面之間。這里，連通部21B、 31B形成為連接一對 集流管孔22、 33和氣體擴散層接觸部21A、 31A。因此氧化劑氣體和 燃料氣體分別從供給一側的燃料氣體集流管孔22和氧化劑氣體集流管 孔33分路到連通部21B、 31B流入，氣體擴散層5C分別在氣體擴散 層接觸部21A、 31A中暴露在燃料氣體和氧化劑氣體中，引起電化學 反應。并且它們的剩余氣體和反應生成成分經過連接于排出一側的燃
料氣體集流管孔22和氧化劑氣體集流管孔33上的連通部21B、 31B， 排出到排出一側的燃料氣體集流管孔22和氧化劑氣體集流管孔33。并且，在MEA1的框體6的兩個面上，以夾持該框體6的方式配 置密封墊圈7。密封墊圈7配置成使得氧化劑氣體和燃料氣體不從規(guī)定 的流路槽21、 31泄漏。即密封墊圈7配置成包圍集流管孔12、 13、 14 的周圍和框的周圍。此外，這里，在陽極隔板2—側，在單電池10組 裝狀態(tài)下，在燃料氣體流路槽21的連通部21B接觸的位置不配置密封 墊圈7，而且密封墊圈7被配置成一體包圍燃料氣體集流管孔12和 MEA主體部5。同樣，在陰極隔板3—側，在單電池10組裝狀態(tài)下， 在氧化劑氣體流路槽31的連通部31B接觸的位置不配置密封墊圈7， 而且密封墊圈7被配置成一體包圍氧化劑氣體集流管孔13和MEA主 體部5。因此密封墊圈7不會成為在燃料氣體集流管孔12和MEA主體部 5之間流通的燃料氣體和在氧化劑氣體集流管孔33和MEA主體部5 之間流通的氧化劑氣體的流路阻力，而且用密封墊圈7可以切斷或抑 制燃料氣體和氧化劑氣體向外部泄漏。此外在圖1中，為了說明上的 方便，省略了密封墊圈7的延伸部7B (參照圖3和圖4)、筋7C (參 照圖2)。此外把隔板2、 3的氣體擴散層接觸部21A、 31A的流路槽 21、 31的蛇行構造放大顯示，以便容易理解，所以與圖3、圖4、圖9、 圖10和圖15的流路槽21、 31的流路構造不一致。其中集流管可以由所謂的外部集流管構成。即在MEA1和隔板2、 3上不形成燃料氣體集流管孔12、 22、 32和氧化劑氣體集流管孔13、 23、 33，燃料氣體流路槽21和氧化劑氣體流路槽31的連通部21B、 31B延伸到各自隔板2、 3的端面。并且在各隔板2、 3的端面上分路 而接合構成分別提供燃料氣體和氧化劑氣體的配管。在外部集流管的 情況下，密封墊圈7配置成沿燃料氣體流路槽21和氧化劑氣體流路槽 31的連通部21B、 31B各自的周圍，延伸到框體6的端面。與燃料氣體集流管孔12、 22、 32和氧化劑氣體集流管孔13、 23、 33相同，在隔板2、 3和MEA1的周緣部穿通有形成使水流通的兩對 集流管的水集流管孔14、 24、 34。因此在單電池10層疊狀態(tài)下，這些 集流管孔分別層疊，形成兩對水集流管。 圖2是將在圖1的II - II線截面上的單電池10的層疊截面分解一 部分表示的截面圖。MEA主體部1由有選擇地輸送氫離子的高分子電解質膜5A、以 及在高分子電解質膜5A的周緣部的內側的部分的兩個面上形成的一 對電極層、即陽極和陰極電極層構成。電極層具有層疊構造，該層疊 構造具有氣體擴散層5C、配置在氣體擴散層5C和高分子電解質膜5A 之間的催化劑層5B。 一般，催化劑層5B將擔載有鉑族金屬催化劑的 碳粉作為主要成分，在高分子電解質膜5A的表面上形成。此外，氣體 擴散層5C在催化劑層5B的外面形成，同吋具有透氣性和電子傳導性。陽極隔板2和陰極隔板3為平板狀，與MEA1接觸的側面、也就 是內面具有臺階，其中央部突出成梯形狀，以對應于MEA1的形狀， 更具體地說對應于因框體6和MEA主體部5厚度不同而形成的臺階。 這里，在陽極隔板2和陰極隔板3中使用東海碳株式會社制的玻璃碳(厚度3mm)。在隔板2、 3中各種集流管孔22、 23、 24、 32、 33、 34、螺栓孔4在厚度方向貫通該隔板2、 3。此外在隔板2、 3的內而形 成燃料氣體流路槽21、氧化劑氣體流路槽31，在隔板2、 3的背面形 成水流路槽50。各種集流管孔22、 23、 24、 32、 33、 34、螺栓孔4、 燃料氣體流路槽21、氧化劑氣體流路槽31和水流路槽50等用切削加 工或成形加工形成。其中水流路槽50形成為連接兩對水集流管孔24、 34之間。即構 成為水分別從一個集流管即供給側的集流管分路到水流路槽50，分別 流向另一個集流管即排出側的集流管。這樣利用水的傳熱能力，可以 使單電池10保持在適合電化學反應的規(guī)定的溫度。此外，與燃料氣體 和氧化劑氣體相同，也可以在隔板2、 3禾PMEA1的周緣部不形成水集 流管孔14、 24、 34，使冷卻水給排流路采用外部集流管構造。再有也 可以在隔板2、 3的背面不形成水流路槽50，在相鄰的單電池10之間 插入使冷卻水循環(huán)的冷卻單元，使單電池IO層疊而構成。密封墊圈7用彈性體構成，利用MEA1和隔板2、 3的按壓，根據 隔板2、 3的形狀而變形，密封MEA主體部5的周圍和集流管孔14的 周圍。同樣在燃料氣體集流管孔12和氧化劑集流管孔13上也一樣， 用密封墊圈7密封各個集流管孔的周圍(參照圖3)。如圖2所示，在 密封墊圈7的頂面以沿著它的延伸方向延伸的方式，形成筋7C。該筋
7C在單電池IO組裝狀態(tài)下，將按壓力集中在筋7C上，所以可以更合 適地密封各集流管孔12 14和MEA主體部5的周圍。即可以更可靠 地進行密封墊圈7的密封。
其中框體6由熱塑性樹脂構成。該熱塑性樹脂在PEFC100的運行 溫度以下，化學上是干凈而且穩(wěn)定的，具有適當的彈性模量和比較高 的負荷撓曲溫度。例如在以隔板2、 3的燃料氣體流路21和氧化劑氣 體流路31的寬度為1至2mm左右，而且框體6的厚度大約在lmm以 下為前提的情況下，優(yōu)選框體6的材料的壓縮彈性模量至少在2000MPa 以上。這里，所謂的彈性模量是指用JIS-K7181中規(guī)定的壓縮彈性模 量測定方法測量的壓縮彈性模量。此外，由于PEFC100的運轉溫度一 般在90。C以下，所以優(yōu)選框體6的負荷撓曲溫度為12(TC以上。此外， 從化學穩(wěn)定性的觀點看，優(yōu)選框休6不是非晶性樹脂，而是結晶性樹 脂，其中優(yōu)選機械強度大而且耐熱性好的材質。
例如適合采用所謂的超工程塑料級的材質。舉例的話，聚苯硫醚 (PPS)、聚醚醚酮(PEEK)、液晶聚合物(LCP)、聚醚腈(PEN) 等具有幾千到幾萬MPa的壓縮彈性模量和150°C以上的負荷撓曲溫度， 是適用的材料。此外即使是通用的樹脂材料，例如填充了玻璃填料的 聚丙烯(GFPP)等具有不填充的聚丙烯(壓縮彈性模量1000 1500MPa)的幾倍的彈性模量，而且具有接近15(TC的負荷撓曲溫度， 是適用的材料。在本實施方式中使用熱塑性樹脂的添加玻璃填料的PPS (大日本油墨株式會社DIC-PPSFZ1140-B2)。
此外，密封墊圈7由選自熱塑性樹脂和熱塑性彈性體的至少一種 構成。此熱塑性樹脂和熱塑性彈性體在PEFCIOO的運轉溫度以下化學 穩(wěn)定，特別是具有不發(fā)生水解等的耐熱水性。例如優(yōu)選密封墊圈7的 壓縮彈性模量為200MPa以下。適合的材料是選自聚乙烯、聚丙烯(PP)、 乙烯-丙烯-二烯烴共聚物(EPDM : Ethylene-Propylene-Diene Methylene linkage)、聚丁烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、聚 乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚酰胺、聚碳酸酯、聚縮醛、聚氨酯、聚硅酮、 氟樹脂、聚對苯二甲酸丁二醇酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲 酸乙二醇酯、間規(guī)-聚苯乙烯、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚酮、液晶
聚合物、聚醚腈、改性聚苯醚、聚砜、聚醚砜、多芳基化合物(polyarylate)、聚酰胺-酰亞胺、聚醚酰亞胺、以及熱塑性聚酰亞胺的 一種。這樣在PEFC100連接負荷中，可以確保良好的密封性。在本實 施方式中，使用具有PP和EPDM而形成的聚烯烴類熱塑性彈性體的 廿/卜7。l^:/8101-55 (Advanced Elasotomer System公司制)。在陽極隔板2和陰極隔板3的背面，在各種集流管孔的周圍，配 置有由耐熱性材質構成的擠壓式填料等的一般的密封構件9。這樣可以 防止來自各種集流管孔22、 23、 24、 32、 33、 34的單電池10之間的 連接部到燃料氣體、氧化劑氣體和水在相鄰的單電池IO之間的泄漏。圖3是表示圖1的MEA的陽極隔板一側構造的俯視圖，圖4是表 示圖1的MEA的陰極隔板一側構造的俯視圖。在圖中，表示在單電池 10組裝狀態(tài)下，陽極隔板2和陰極隔板3的燃料氣休流路21和氧化劑 氣體流路31接觸或面對的位置。如圖3和圖4所示，本實施方式的MEA1在MEA主體部5的周 緣部配置框體6，在框體6的兩個主面上配置密封墊圈7。在MEA1的 框休6的中央開口部的兩個面上用高分子電解質膜5A (參照圖2)的 周緣部5D隔開，露出氣體擴散層5C。框體6是夾持MEA主體部5的高分子電解質膜5A的周緣部5D (參照圖2)，而且與該高分子電解質膜5A的外緣接合的矩形板狀的 框體。在框體6上形成一對燃料氣體集流管孔12、 一對氧化劑氣體集 流管孔13、兩對水集流管孔14，在框體6的角部附近形成四個螺栓孔 4，使它們在厚度方向上貫通該框體6。在本實施方式中，框體6構成 為外形尺寸為200mmX 180mm、開口部26的尺寸為124mm方形的矩 形平板狀。此外框體6的厚度為0.8mm。密封墊圈7構成為，在框體6的各主面上具有環(huán)狀部7A，它沿 框體6的內緣形成環(huán)狀；延伸部7B，它形成為從環(huán)狀部7A延伸，通 過框體6的內緣部和高分子電解質膜的周緣部5D的上面，與電極層(氣 體擴散層5C)大側面相接觸。環(huán)狀部7A形成為包圍一對燃料氣體集流管孔12、 一對氧化劑氣 體集流管孔13、兩對水集流管孔14，而且包圍MEA主體部5的氣體 擴散層5C的方式。這里，如前所述，在單電池10組裝狀態(tài)下，在燃
料氣體流路槽21和氧化劑氣體流路槽31的連通部21B、31B相接觸的 區(qū)域中，不配置密封墊圈7，而且如圖3所示，在陽極隔板2—側，以 一體包圍燃料氣體集流管孔12和MEA主體部5的方式形成環(huán)狀部7A， 如圖4所示，在陰極隔板3 —側，以一體包圍氧化劑氣體集流管孔13 和MEA主體部5的方式形成環(huán)狀部7A。這樣可以減小燃料氣體流路 槽21和氧化劑氣體流路槽31的連通部21B、 31B的流路阻力，而且可 以切斷或抑制燃料氣體和氧化劑氣體向外部泄漏。即在框體6的兩個 面上，環(huán)狀部7A沿內緣形成環(huán)狀。此外，在構成向MEA供給的流體 流通的流路的一部分(連通部21B、 31B接觸的區(qū)域)中，也可以不沿 著框體6的內緣(開口)。此外，在單電池10組裝狀態(tài)下，在燃料氣體流路槽21和氧化劑 氣體流路槽31的連通部21B、 31B接觸的位置，也可以設置密封墊圈 7的環(huán)狀部7A。在這種情況下，環(huán)狀部密封墊圈7的環(huán)狀部7A使燃 料氣體流路槽21和氧化劑氣體流路槽31的連通部21B、31B的流路阻 力產生，但山T槽的深度足夠，所以對燃料氣體和氧化劑氣體的流通 沒冇障礙。這里，如圖2所示，在環(huán)狀部7A和MEA主體部5的氣體擴散層 5C之間，形成MEA主體部周圍間隙40。如后所述，利用密封墊圈7 的延伸部7B來切斷MEA主體部周圍的間隙40或使其變窄。此外，如圖2和圖3所示，密封墊圈7的環(huán)狀部7A的筋7C的至 少一部分在高分子電解質膜5A的周緣部5D的內周側形成。采用這樣 的構造，在單電池10組裝狀態(tài)下，利用MEA1的環(huán)狀部7A的正反面 的筋7C之間的擠壓力，可以強化周緣部5D和框體6的密合性和接合 力。還有，在框體6的兩個表面的密封墊圈7的環(huán)狀部7A延伸的部分 上，形成槽部6A，以把此槽部6A埋入的方式形成環(huán)狀部7A。用該槽 部6A可以提高密封墊圈7和框體的接合性。圖5是MEA的密封墊圈的延伸部上的截面立體圖。如圖3至圖5 所示，延伸部7B以切斷環(huán)狀的MEA主體部周緣間隙40的一部分的 方式延伸，從環(huán)狀部7A通過MEA主體部5的周緣部5D上而與電極 層(氣體擴散層5C)的側面相接觸。這樣，在單電池10組裝狀態(tài)下，
環(huán)狀的MEA主體部周緣間隙40被密封墊圈7的延伸部7B，切斷或使 其環(huán)的至少一部分變窄。
這里形成多個延伸部7B。
首先，如圖3所示，在陽極隔板2—側的面上，在單電池10組裝 狀態(tài)下，在接觸連通部21B的位置的兩側，形成第1延伸部7B1。以 此可以在單電池10組裝狀態(tài)下切斷或抑制燃料氣體從連通部21B向 MEA主體部周緣間隙40泄漏。此外，如圖4所示，在它的背面，也 就是在陰極隔板3 —側的面上，在面對第1延伸部7B1的位置上形成 第2延伸部7B2。因此，由于把第1延伸部7B1支承并按壓在第2延 伸部7B2上，所以可以進一步可靠地切斷或抑制燃料氣體從連通部21B 向MEA主體部周緣間隙40泄漏。
同樣，如圖4所示，在陰極隔板3—側的面上，在單電池10組裝 狀態(tài)下，在接觸連通部31B的位置的兩側，形成第3延伸部7B3。以 此可以在單電池10組裝狀態(tài)下切斷或抑制氧化劑氣體從連通部31B向 MEA主體部周緣間隙40泄漏。此外，如圖3所示，在它的背面，也 就是在陽極隔板2 —側的面上，在而對第3延仲部7B3的位置上形成 第4延仲部7B4。因此，由于把第3延伸部7B3支承并按壓在第4延 伸部7B4上，所以可以更加可靠地切斷或抑制氧化劑氣體從連通部31B 向MEA主體部周緣間隙40泄漏。
下面，如圖3所示，當燃料氣體流路槽21的氣體擴散層接觸部21A 在氣體擴散層5C的緣部有多個彎曲部21C時，在陽極隔板2 —側的密 封墊圈7上形成第5延伸部7B5。彎曲部21C在陽極隔板2上形成， 在單電池10的組裝狀態(tài)下，與MEA1的氣體擴散層5C的緣部相接觸。 另一方面，在MEA1上沿氣體擴散層5C的緣部，形成環(huán)狀部7A。因 此，在單電池10的組裝狀態(tài)下，環(huán)狀部7A與相鄰的彎曲部5C之間 的間部的附近相接觸。 '
這里，在單電池10組裝狀態(tài)下，在陽極隔板2的接觸相鄰的彎曲 部21C之間的間部的位置的附近的環(huán)狀部7A上形成第5延伸部7B5。 這樣，燃料氣體不沿燃料氣體流路槽21流通而可以切斷或抑制從彎曲 部21C向MEA主體部周緣間隙40漏出的燃料氣體在MEA主體部周 緣間隙40中的流通，可以抑制燃料氣體利用效率的降低。此外，如圖
4所示，在它的背面，也就是在陰極隔板3 —側的面上，在面對第5 延伸部7B5的位置上形成第6延伸部7B6。因此，由于把第5延伸部 7B5支承并按壓在第6延伸部7B6上，所以可以更可靠地切斷或抑制 燃料氣體在MEA主體部周緣間隙40中的流通，可以抑制燃料氣體的 利用效率的降低。同樣，如圖4所示，在氧化劑氣體流路31的氣體擴散層接觸部31A 在氣體擴散層5C的緣部有多個彎曲部31C的情況下，在陰極隔板3 一側的密封墊圈7上形成第7延伸部7B7。彎曲部31C在陰極隔板3 上形成，在單電池10組裝狀態(tài)下，與MEA1的氣體擴散層5C的緣部 相接觸。另一方而，在MEA1上沿氣體擴散層5C的緣部，形成環(huán)狀 部7A。因此，在單電池10組裝狀態(tài)下，環(huán)狀部7A與相鄰的彎曲部 5C之間的間部的附近相接觸。這里，在單電池10組裝狀態(tài)下，在陰極隔板3的接觸相鄰的彎曲 部31C的間部的位置附近的環(huán)狀部7A上形成第7延伸部7B7。這樣， 氧化劑氣體不沿氧化劑氣體流路槽31流通，可以切斷或抑制從彎曲部 31C向MEA主體部周緣間隙40漏出的氧化劑氣體在MEA主體部周緣 間隙40中的流通，可以抑制氧化劑氣體利用效率的降低。此外，如圖 3所示，在它的背面，也就是在陽極隔板2 —側的面上，在面對第7 延仲部7B7的位置上形成第8延伸部7B8。因此，由于把第7延仲部 7B7支承并按壓在第8延伸部7B8上，所以可以更可靠地切斷或抑制 氧化劑氣體在MEA主體部周緣間隙40中的流通，可以抑制氧化劑氣 體的利用效率的降低。下面對MEA1的制造方法進行說明。首先，用一般的方法在高分子電解質膜5A的中央部兩個面上，分 別形成催化劑層5B和氣體擴散層5C，制作MEA主體部5。例如按如 下方法制作。首先，按如下方法形成催化劑層5B。以重量比1: 1的比例把鉑 擔載在科琴碳黑EC (KETJENBLACK INTERNATIONAL公司制爐黑， 比表面積800m2/g， DBP吸油量360ml/100g)上。然后把水35g和氫 離子傳導性高分子電解質的乙醇分散液(旭硝子株式會社制，9%FSS) 59g與該催化劑粉末10g混合，用超聲波攪拌機分散，制作了催化劑層 墨汁。然后在高分子電解質膜5A的兩個主面上噴涂20pm厚的該催化 劑層墨汁，此后在115'C下進行20分鐘的熱處理，形成催化劑層5B。 此外，在進行噴涂時，在高分子電解質膜5A上覆蓋具有120mmX 120mm的開口部的掩模而進行。這里，高分子電解質膜5A使用外形 尺寸為140mm的方形、厚度50pm的全氟化碳磺酸膜(DUPONT公司 制Nafion117 (注冊商標))。然后形成氣體擴散層5C。氣體擴散層5C由具有很多微細孔部的 多孔質體構成。因此，由于燃料氣體或氧化劑氣體滲入到孔部，使這 些氣體擴散，容易到達催化劑層5B。在本實施方式中，把123mm方 形的碳纖維布(JAPAN GORE _ TEX公司制Carbel CL400、厚400pn)， 覆蓋在涂敷催化劑層5B的高分子電解質膜5A的兩個主面上。通過把 該碳纖維布在壓力0.5MPa、 135度、5分鐘的條件下進行熱壓，使其 接合在高分子電解質膜5A的兩個主面的催化劑層5B上，形成氣體擴 散層5C。這里，在高分子電解質膜5A的兩個主面中的至少一個主面的周緣 部5D上，還配置有保護周緣部5D的鏡框狀的保護膜60。用該保護膜 60可以防止在制造MEA1時對高分子電解質膜5A的周緣部5D造成 損傷。作為造成損傷的主要原因例如有與模具的接觸或密封墊圈7的 射出壓力所造成的壓迫。圖12至圖14是舉例表示MEA周緣部上的、保護膜內緣部和電極 層的干涉方式的截面圖。在圖12中表示保護膜60的內緣部填入催化劑層5B和氣體擴散層 5C之間的方式。也就是，可以在形成催化劑層5B的工序后，實施保 護膜60的配置工序，制作表示保護膜60的內緣部填入到催化劑層5B 和氣體擴散層5C之間的方式的該方式的MEA1。然后在制作氣體擴散 層5C時，催化劑層5B的緣部和保護膜60的緣部被壓縮。此外在圖13中表示保護膜60和電極層(5B、 5C)相互不重疊， 并排配置在髙分子電解質膜5A的上述主面上的方式。在此方式的 MEA1中，對催化劑層5B的形成工序和保護膜60的配置工序的順序 沒有限制。然后在制作氣體擴散層5C時，催化劑層5B的外緣部和保 護膜60的內緣部由于在厚度方向上的壓縮而延伸，成為緣部之間接近
或接觸的形態(tài)。
在圖14中表示保護膜60的內緣部填入到高分子電解質膜5A和催 化劑層5B之間的方式?？梢栽诒Ｗo膜60的配置工序后實施催化劑層 5B的形成工序，來制作此方式的MEA1。然后在制作氣體擴散層5C 吋，催化劑層5B和保護膜60的內緣部被壓縮。
這里，如圖12和圖14所示，在催化劑層5B和保護膜60的內緣 部的層疊部中，即使氣體擴散層5C成為有些隆起的狀態(tài)，在單電池 IO組裝狀態(tài)下，由于被隔板2、 3按壓，氣體擴散層5C撓曲，所以對 MEA1的功能也沒有妨礙。此外，如圖13所示，由于催化劑層5B和 保護膜60的厚度不同，所以在氣體擴散層5C的外緣部中，即使成為 產生一些凹凸的形態(tài)，在單電池10組裝狀態(tài)下，由于被隔板2、3按 壓，氣體擴散層5C撓曲，所以對MEA1的功能也沒有妨礙。
這里優(yōu)選保護膜60在化學方而是惰性的，非粘著性的。從得到足 夠的保護效果的觀點出發(fā)，保護膜的厚度優(yōu)選10 5(Him，更優(yōu)選10 30pm。因此在材質方面，優(yōu)選在此程度的厚度下可以延伸的材質。例 如選自聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚偏氯乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯 酰胺、聚酰胺、聚碳酸酯、聚硅酮、氟樹脂、聚對苯二甲酸丁二醇酯、 聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮、 聚醚酮、液晶聚合物、聚醚腈、改性聚苯醚、聚砜、聚醚砜、多芳基 化合物、聚酰胺-酰亞胺、聚醚酰亞胺、以及熱塑性聚酰亞胺。
此外保護膜60即使與高分子電解質膜5A的任意單面相接合，也 可以防止從該面一側對周緣部5D造成的損傷。
然后在MEA主體部5的周緣部5D上形成框體6。
圖6是簡要表示在圖3和圖4的VI - VI線截面中的MEA各制造 工序的制造工序圖。
首先在第一工序中，使框體6的一部分的成形構件6C成形。如圖 6 (a)所示，把第1模具Tl和第2模具T2相接合，在第1模具Tl 和第2模具T2的間隙通過噴射流入成形構件6C、也就是框體6的熱 塑性樹脂，使成形構件6C成形。成形構件6C在框體內緣形成配置 MEA主體部5的周緣部5D的平坦部6C1 。
這里第1模具Tl構成為框體部T1C具有對應于成形構件6C的形狀，也就是具有對應于框體6的下半面的形狀。此外第1模具Tl的框內部分構成可以配置MEA主體部5的周緣部5D的平坦部T1B。也就 是，平坦部TIB具有從框體部TIC的框內緣一側與成形構件6C大體 平行延伸的頂面，也就是大體與框體6的框面S平行延伸的頂面。此 外，在第1模具T1的框內部分上，形成可以把MEA主體部5平面狀 收容配置的凹陷部T1A。也就是凹陷部T1A在平坦部T1B的頂面延伸 構成的第1模具Tl的框內部分，以比氣體擴散層5C的外緣多延伸幾 毫米左右的寬度，底部以平坦部T1B的頂面為基準，成為深度為MEA 主體部5的催化劑層5B和氣體擴散層5C的厚度左右的平面。第2模具T2構成為框體部T2C成形成形構件6C，也就是成形框 體6的上半面。但是在第2模具T2的框內緣部分構成平坦部T2B，使 得可以配置MEA主體部5的周緣5D。即平坦部T2B具有與第1模具 Tl的平坦部T1B的頂面相接觸，向框的外緣延伸到MEA1的周緣部 5D的寬度以上的頂面。在框體部T1C、 T2C中，在配置密封墊圈7的位置上，也就是在 包圍集流管孔12、 13、 14而且包圍框體6的框內的位置上，形成凸部 T1D、T2D。這里，凸部T1D、T2D的截面為深約0.5mm、寬約為0.5mm。 這樣在成形構件6C上，也就是在框體6上成形槽部6A。此外，框體 T1C、 T2C也可以構成沒有凸部T1D、 T2D，在框體6完成后用切削加 工形成槽部6A而進行加工。此外框體部T1C、 T2C具有形成集流管孔12、 13、 14的形狀。這 樣用成形加工來形成集流管孔12、 13、 14。此外框體部T1C、 T2C也 可以構成為沒有集流管孔12、 13、 14的形狀，框體6也可以用切削加 工或沖壓加工形成集流管孔12、 13、 14而加工。然后在第二工序中，把第2模具T2從成型構件6C取下，把MEA 主體部5配置在嵌合在第1模具Tl內的成形構件6C的框內，成平面 狀，而且在平坦部6C1上配置MEA主體部5的周緣部5D。詳細地說， 如圖6 (b)所示，用延伸至MEA主體部5的周圍的保護膜5D覆蓋的 高分子電解質膜5A位于成形構件6C的平坦部6C1上，而且氣體擴散 層5C配置成位于第1模具Tl的凹陷部T1A上。這樣MEA主體部5 被配置成平面狀態(tài)。 然后在第三工序中，制作接合了MEA主體部5的框體6。詳細地 說，如圖6 (c)所示，把第3模具T3與嵌合有配置了 MEA主體部5 的成形構件6C的第1模具Tl相接合。這里，第3模具T3與第1模 具同樣，在與氣體擴散層5C干涉的部分形成使氣體擴散層5C與第3 模具T3不接觸而凹陷的凹陷部T3A。即凹陷部T3A為與凹陷部T1A 同樣的形狀。這樣在第三工序時，由于第3模具T3和氣體擴散層5C 不干擾，所以可以防止MEA主體部5的損傷。然后用噴射等使框體6的熱塑性樹脂流入第1模具Tl和第3模具 T3的間隙，也就是流入到MEA主體部固定部6D的位置，與成形構件 6C—體化而成形框體6。這里，第3模具T3構成為使成形構件6C的 平坦部6C1的部分成為框體6的上半面的形狀。即，在第3模具T3 的框體部T3B和成形構件6C之間形成的間隙中構成MEA主體部固定 咅P6D。然后，在第四工序中，在接合有MEA主體部5的框體6上形成密 封墊圈7，制作MEA1 。如圖6 (d)所示，接合有MEA主體部5的框 體6從第1模具Tl和第3模具T3上取下，夾在第4模具T4和第5 模具T5屮，把第4模具T4和第5模具T5接合。用噴射等使密封墊圈 7的熱塑性樹脂或熱塑性彈性體，流入到第4模具T4和第5模具T5 與框體6的間隙中，在框體6的兩個表面上成形密封墊圈7。這里，在 第4模具T4和第5模具T5中構成密封墊圈7的環(huán)狀部7A和延伸部 7B的成形形狀，然后在環(huán)狀部7A上使筋7C成形的形狀。如上所述，本發(fā)明的MEA1的制造方法除了在第二工序中配置 MEA主體部5以外，MEA1是成形加工。因此，MEA1在成形機內制 造，由于僅將在第二工序中預先制作的MEA主體部1裝入并配置到成 形機內就可以制造，所以本發(fā)明的MEA1的制造方法適合燃料氣體和 氧化劑氣體的利用效率高的MEA1的大量生產。除此之外，可以通過使用滑動模具或轉動模具，在一個成形機內 可以連續(xù)進行第一工序到第三工序。這樣工序更簡化，可以進一步提 高MEA1的批量生產率。下面對PEFC100運轉時的作用進行說明。供給PEFC100的燃料氣體通過一個燃料氣體集流管，從陽極隔板
2的燃料氣體集流管孔22分流到燃料氣體流路槽21 ，暴露在MEA主 體部5中，在另一個燃料氣體集流管孔22中，排出到另一個燃料氣體 集流管，通過燃料氣體集流管而從PEFC100排出。對于氧化劑氣體也 是在一個氧化劑氣體集流管中通過，同樣從另一個氧化劑氣體集流管 排出。這里，在燃料氣體流路21的連通部21B中，燃料氣體能向MEA 主體部周緣間隙40泄漏，但是由于連通部21B和兩側的MEA主體部 周緣間隙40用密封墊圈7的第1延伸部7B1切斷或變窄，所以可以切 斷或抑制燃料氣體的泄漏。即可以切斷或抑制迂回到氣體擴散層接觸 部21A、在MEA主體部周緣間隙40中傳遞、流過一對燃料氣體集流 管22、 22之間的燃料氣體的流通。此外，在燃料氣體流路21的氣體 擴散層接觸部21A的彎曲部21C中，燃料氣體能向MEA主體部周緣 間隙40泄漏，但是由于用第5延伸部7B5使相鄰的彎曲部21C之間的 MEA主體部周緣間隙40切斷或變窄，所以可以切斷或抑制向MEA主 體部周緣間隙40漏出的燃料氣體在MEA主體部周緣間隙40中的流 通，可以抑制燃料氣體的利用效率降低。氧化劑氣體也一樣，由于用 密封墊圈7的第3延仲部7B3和第7延仲部7B7可以使MEA主體部 周緣問隙40切斷或變窄，所以可以切斷或抑制迂回到氣體擴散層接觸 部31A、在MEA主體部周緣間隙40傳遞、流過一對氧化劑氣體集流 管33、 33之間的氧化劑氣體的流通，或從氣體擴散層接觸部31A的彎 曲部31C漏出的氧化劑氣體在MEA主體部周緣間隙40中的流通。
以上對本發(fā)明的實施方式進行了詳細地說明，但本發(fā)明不限于上 述的實施方式，在本發(fā)明的范圍內本領域技術人員可以進行各種改進 或采用替代手段。例如有以下的變形例。
密封墊圈7可以熔接在框體6上形成。這樣可以得到更牢固的接合。
作為槽部6A的變形例，在密封墊圈7由具有與框體6共通的可塑 成分的材質構成的情況下，使框體6和密封墊圈7熱熔接，可以得到 牢固的接合。或者省略了槽部6A，可以進一步使MEA1的構造簡化。 例如，在框體6中使用添加玻璃纖維的聚丙烯(出光石油化學公司制 R350G)。而在密封墊圈7中使用廿y卜7°1/乂 8101 - 55 (Advanced
Elasotomer System公司制)。由于密封墊圈7和框體6共有聚丙烯作 為可塑成分，所以在密封墊圈7成形時，密封墊圈7熔接在框體6上 而一體化，可以得到沒有剝離以外的其它結構缺陷的牢固的接合構造。 [變形例2]作為另外的槽部6A的變形例，也可以使槽部6A為形成為列狀的 貫通孔。即在第三工序中，通過貫通孔連接形成框體6的兩個表面的 密封墊圈7之間，所以可以提高框體6和密封墊圈7的接合性。[變形例3]MEA1在對應于燃料氣體流路21和氧化劑氣體流路31的彎曲部 21C、 31C的位置上，構成第5到第8延伸部7B5、 7B6、 7B7、 7B8。 圖7是作隨燃料氣體流路的變形的圖1的MEA的陽極隔板一側的俯視 圖，圖8是伴隨氧化劑氣體流路的變形的圖1的MEA的陰極隔板一側 的俯視圖。在圖中表示在單電池IO組裝狀態(tài)下，陽極隔板2和陰極隔 板3的燃料氣體流路21和氧化劑氣體流路31接觸或面對的位置。如 圖所示，在MEA主體部5的正反面，具有在相面對的位置構成的彎曲 部21C和彎曲部31C的情況下，由于第5延仲部7B5和第6延伸部7B6， 而不需耍設置第7延仲部7B7和第8延伸部7B8的一部分。此外，燃 料氣體流路21的氣體擴散層接觸部21A和氧化劑氣體流路31的氣體 擴散層接觸部31A在MEA主體部5的正反面中，相互在同一方向蛇 行而構成的情況下，第5延伸部7B5和第6延伸部7B6與第7延伸部 7B7和第8延伸部7B8的重復進一步增加，可以使延伸部7B的設置數 量合理化。[變形例4]圖9是表示形成第5延伸部7B5和第8延伸部7B8的位置的變形 例的圖1的MEA的陽極隔板一側的俯視圖，圖10是表示形成第6延 伸部7B6和第7延伸部7B7的位置的變形例的圖1的MEA的陰極隔 板一側的俯視圖。如圖所示，僅在相鄰的彎曲部21C、 31C的間部接觸 的位置中的一部分上形成第5延伸部7B5和第7延伸部7B7。因流路 槽21、 31的根數、流路槽21、 31的流路形狀或槽的形狀、氣體擴散 層5C的氣體透過性和流路槽21、 31中的燃料氣體和氧化劑氣體的流 速、流路槽21、 31的壓力損失、燃料氣體和氧化劑氣體的露點的關系，
即使不在全部的彎曲部21C、 31C之間形成第5延伸部7B5和第7延 伸部7B7，也不會產生PEFCIOO的燃料氣體和氧化劑氣體的利用效率 的顯著降低。即第5延伸部7B5和第7延伸部7B7可以根據PEFCIOO 的燃料氣體和氧化劑氣體的流路條件而省略。這樣也可以減少第6延 伸部7B6和第8延伸部7B8的形成位置，可以進一步簡化MEA1的構 造。
圖15是表示變形例5的MEA的陽極隔板一側的構造的俯視圖。 如圖所示，在變形例5中，在集流管孔12、 13、 14和MEA主體部5 之間，從用平行的兩根密封墊圈7分割的雙層構造的環(huán)狀部7A，變形 成用一根密封墊圈7分割的單層構造的環(huán)狀部7A。這樣可以簡化環(huán)狀 部7A的構造。
此外，以與電極層(氣體擴散層5C)的側面大體整個區(qū)域接觸的 方式形成延伸部7B。也就是延伸部7B延伸為使環(huán)狀的MEA主體部周 緣間隙40的一部分被切斷，從環(huán)狀部7A通過MEA主體部5的周緣 5D上而與電極層(氣體擴散層5C)的側面接觸。除此之外，延仲部 7B的前端部在周緣部5D上延伸，與其他的延伸部7A的前端部結合， 形成為覆蓋周緣部5D的大體整個區(qū)域。采用這樣的構造，由于用延伸 部7B幾乎全部阻止氣體從電極層(氣體擴散層5C)的側面流出，所 以可以更可靠地切斷或抑制燃料氣體和氧化劑氣體從燃料流路21和氧 化劑氣體流路31向MEA主體部周緣間隙的泄漏。
圖16是簡要表示在變形例6的MEA第4制造工序中的圖3和圖 4的VI-VI線截面的圖。如圖所示，在變形例6中，在密封墊圈7的 延伸部7B的前端形成重疊部7D。重疊部7D在氣體擴散層5C的面上 薄薄地延伸。采用這樣的重疊部7D的構成，在單電池10組裝狀態(tài)下， 重疊部7D通過被氣體擴散層5C和隔板2、 3夾持按壓，可以進一步 提高延伸部7B和氣體擴散層5C的密合性，所以可以更可靠地切斷或 抑制燃料氣體和氧化劑氣體向燃料流路21和氧化劑氣體流路31外的 泄漏。 '
下面舉出實施例對本發(fā)明進行更詳細地說明，但是本發(fā)明并不限 定于這些實施例。 (實施例1)作為實施例，進行了PEFC100的輸出性能試驗。輸出性能試驗使 燃料氣體和氧化劑氣體的供給條件和PEFC100的輸出條件保持一定， 測量了每個單電池10的輸出電壓V。這些條件為供給的燃料氣體的 濕度為露點65"C、供給的氧化劑氣體的濕度為露點65'C、氧化劑氣體 的利用率為40%、燃料氣體的利用率為75%、 PEFC100的溫度為65°C、 電流密度為0.08A/cm2。這里PEFC100的輸出條件為部分負荷，設成 燃料氣體和氧化劑氣體的壓力損失降低的條件。 (比較例1)此外作為比較例，在PEFC100中使用把在框體6上形成的密封墊 圈改變成沒有延伸部7B的密封墊圈，即改變成僅形成環(huán)狀部7A的密 U墊圈的PEFC，在與PEFC100相同條件下進行了輸出性能試驗。圖11是對比表示實施例的PEFC和比較例的PEFC在相同條件下 的輸出性能的曲線圖。如圖所示，實施例P的輸出電壓比比較例Q的 輸出電壓更高，而且穩(wěn)定。根據以上說明，本發(fā)明的MEA1、該MEA1的制造方法以及使用 該MEA1的PEFC100在PEFC100組裝狀態(tài)下，可以切斷或抑制燃料 氣體和氧化劑氣體在MEA主體部周緣間隙40中的流通，進而可以提 高燃料氣體和氧化劑氣體的利用效率，而且構造和它的制造方法簡單， 適合大量生產。工業(yè)上的可利用性本發(fā)明作為在高分子電解質型燃料電池組裝狀態(tài)下，可以切斷或 抑制燃料氣體和氧化劑氣體在MEA主體部周緣間隙中的流通，進而可 以提高燃料氣體和氧化劑氣體的利用效率，而且構造和它的制造方法 簡單，適合大量生產的MEA、該MEA的制造方法以及使用該MEA 的高分子電解質型燃料電池是有用的。
權利要求
1.一種MEA，其特征在于，包括MEA主體部，其具有高分子電解質膜和形成在該高分子電解質膜的周緣部的內側的部分的兩個面上的一對電極層；板狀的由熱塑性樹脂構成的框體，其形成為相對于所述一對電極層有間隔地夾著所述高分子電解質膜的周緣部，并且包圍該高分子電解質膜的外緣；一對密封墊圈，其在所述框體的兩個面上夾著該框體而形成，由選自熱塑性樹脂和熱塑性彈性體的至少一種構成，所述密封墊圈具有環(huán)狀部和延伸部，所述環(huán)狀部沿所述框體的內緣形成為環(huán)狀，所述延伸部從該環(huán)狀部起延伸，通過所述框體的內緣部和所述高分子電解質膜的所述周緣部的上方而與所述電極層的側面接觸。
2. 根據權利要求1所述的MEA，其特征在于， 用于具有隔板的高分子電解質型燃料電池中，所述隔板在與所述電極層接觸的表面和與所述電極層的周圍相對的表面之間形成有連通 用流路槽，在所述連通用流路槽所接觸的位置的兩旁的所述環(huán)狀部上形成有 所述延伸部。
3. 根據權利要求1所述的MEA，其特征在于， 用于具有隔板的高分子電解質型燃料電池中，在與所述電極層接觸的表面形成的流路槽在所述電極層的緣部有多個彎曲部而形成所述 隔板，在接觸相鄰的所述彎曲部之間的間部的位置的附近的所述環(huán)狀部 上，形成所述延伸部。
4. 根據權利要求3所述的MEA，其特征在于，僅在相鄰的所述彎曲部之間的間部所接觸的位置的附近的所述環(huán) 狀部的一部分上形成有所述延伸部。
5. 根據權利要求1所述的MEA，其特征在于， 在所述框體的組成和所述密封墊圈的組成中，包括共同的可塑成分。
6. 根據權利要求1所述的MEA，其特征在于， 所述密封墊圈的所述延伸部的前端部形成為與所述電極層的側面的大致整個區(qū)域相接觸。
7. 根據權利要求1所述的MEA，其特征在于， 在所述高分子電解質膜的兩個主面中的至少一個主面的所述周緣部上，還配置有保護該周緣部的鏡框狀的保護膜，所述電極層具有層疊結構，該層疊結構具有氣體擴散層和配置在 該氣體擴散層和所述高分子電解質膜之間的催化劑層，所述保護膜的內緣部填入到所述催化劑層和所述氣體擴散層之間。
8. 根據權利要求1所述的MEA，其特征在于， 在所述高分子電解質膜的兩個主面中的至少一個主面的所述周緣部上，還配置有保護該周緣部的鏡框狀的保護膜，所述保護膜和所述電極層不相互重疊地并排設置在所述高分子電 解質膜的所述主面上。
9. 根據權利要求1所述的MEA，其特征在于， 在所述高分子電解質膜的兩個主面中的至少一個主面的所述周緣部上，還配置有保護該周緣部的鏡框狀的保護膜，所述電極層具有層疊結構，該層疊結構具有氣體擴散層和配置在 該氣體擴散層和所述高分子電解質膜之間的催化劑層，所述保護膜的內邊緣部填入到所述高分子電解質膜和所述催化劑 層之間。
10. 根據權利要求1所述的MEA，其特征在于，在所述密封墊圈的環(huán)狀部的頂面上，以沿著其延伸方向延伸的方 式形成筋，該筋的至少一部分形成在所述高分子電解質膜的周緣部的 內周一側。
11. 根據權利要求1所述的MEA，其特征在于， 所述密封墊圈的延伸部的前端很淺地延伸到所述電極層的面上。
12. —種MEA的制造方法，其特征在于， 包括使熱塑性樹脂流入第1模具和第2模具的間隙中而形成框狀的成 形構件的工序，該框狀的成形構件在框內緣形成有平坦部；將在嵌合于所述第1模具中的所述成形構件的框內預先制作的MEA主體部配置成平面狀，并且在所述平坦部上配置該MEA主體部 的周緣部的工序；使第3模具與嵌合有配置了所述MEA主體部的成形構件的第1模 具相接合，使熱塑性樹脂流入第1模具和第3模具的間隙中，使接合 有MEA主體部的狀態(tài)的框體成形的工序；把接合了所述MEA主體部的框體夾在中間，并接合第4模具和第 5模具，使熱塑性樹脂或熱塑性彈性體流入第4模具和第5模具的間隙 中，在框體表面使密封墊圈成形的工序。
13. —種高分子電解質型燃料電池，其特征在于， 是把一個以上的具有權利要求1所述的MEA以及配置成將該MEA夾在中間的陽極隔板和陰極隔板的單電池層疊而成。
全文摘要
本發(fā)明的MEA包括板狀的熱塑性樹脂構成的框體(6)、在框體(6)的兩個面上夾持框體(6)形成的密封墊圈(7)，密封墊圈(7)具有所述密封墊圈具有環(huán)狀部(7A)，它沿所述框體(6)的內緣形成環(huán)狀；延伸部(7B1～7B8)，它從該環(huán)狀部(7A)延伸，通過所述框體(6)的內邊緣和所述高分子電解質膜的周緣部(5D)上，形成為與所述電極層(5C)的側面相接觸。
文檔編號H01M8/02GK101156267SQ20068001126
公開日2008年4月2日 申請日期2006年3月31日 優(yōu)先權日2005年4月1日
發(fā)明者川畑德彥, 日下部弘樹, 來島知裕, 松岡廣彰, 松本敏宏, 羽藤一仁 申請人:松下電器產業(yè)株式會社