專利名稱：燃料電池單元和燃料電池以及燃料電池單元的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在固體高分子電解質(zhì)型燃料電池(PEFC)等中作為構(gòu)成 零部件使用的燃料電池單元，特別涉及電解質(zhì)膜一電極接合體。
背景技術(shù)：
固體高分子電解質(zhì)型燃料電池的結(jié)構(gòu)如圖7所示。
電池堆30具有由數(shù)個燃料電池單元串聯(lián)連接的層疊構(gòu)造。由外部向該 電池堆30提供燃料氣體A和含氧氣體B，通過電化學(xué)反應(yīng)，同時產(chǎn)生電、 熱以及水。由電池堆30產(chǎn)生的電力通過電力輸出部41獲取。
電池堆30的各燃料電池單元如圖8所示，由兩塊分離板43a，43b將電 解質(zhì)膜一電極接合體42夾在中間而構(gòu)成。電解質(zhì)膜一電極接合體42的構(gòu) 造如圖9(e)所示，在高分子電解質(zhì)膜44外周用框體45保持，在高分子電 解質(zhì)膜44的一側(cè)表面設(shè)置陽極(燃料極)46a,在高分子電解質(zhì)膜44的另一 側(cè)表面設(shè)置陰極(氧化劑極)46b。在分離板43a和陽極(燃料極)46a之間形成 燃料氣體A的通路，在分離板43b和陰極(氧化劑極)46b之間便形成含氧氣 體B的通路。
該電解質(zhì)膜一電極接合體42如專利文獻1等所示，可通過圖9(a) 圖 9(e)的工序來制造。
圖9(a)的框體一次成形工序中，可形成作為上述框體45的一部分的一 側(cè)的框47a。
圖9(b)中，在高分子電解質(zhì)膜44設(shè)置陽極(燃料極)46a以及陰極(氧化 劑極)46b而形成電極部。
圖9(c)(d)中，將在電極部的外周露出的高分子電解質(zhì)膜44的邊緣放置 于上述一側(cè)的框47a的上表面，注入樹脂材料，成形為作為上述框體45的 一部分的另一側(cè)的框47b，該一側(cè)的框47a與另一側(cè)的框47b將高分子電解質(zhì)膜44夾住。
圖9(e)中，注入楊氏模量小于上述框47a，47b的樹脂材料，在一側(cè)的框 47a與另一側(cè)的框47b的外側(cè)的面上，與相鄰的燃料電池單元抵接，形成密 封的突起部48a,48b。
另外，專利文獻2、專利文獻6中揭示了覆蓋高分子電解質(zhì)膜的周緣部 的框體彈性率為2000MPa以上2000000MPa以下，在框體與分離板間設(shè)置 的彈性體的彈性率為200MPa以下。
專利文獻3中揭示了在高分子電解質(zhì)膜的周緣部的兩側(cè)具有密封墊板 的電解質(zhì)膜一電極接合體。在密封墊板設(shè)有密封用凸部。
專利文獻4中揭示了由彈性體形成的密封材料被一體成形而獲得的薄 膜載體密封墊板，載體的正反面設(shè)有硬度或材質(zhì)不同的密封材料。
專利文獻5中揭示了在高分子電解質(zhì)膜的周緣部形成的密封構(gòu)件是由 兩層彈性率不同的材料疊加而成的結(jié)構(gòu)，使得在高分子電解質(zhì)膜上形成的 密封構(gòu)件(分離板側(cè))的彈性率比高分子電解質(zhì)膜一側(cè)的密封構(gòu)件更低，吸收 分離板的粗度。
專利文獻7中揭示了電解質(zhì)膜一電極接合體由高分子電解質(zhì)膜與夾住 它的電極組成，周緣部由彈性體形成的框架圍起，在框架上形成密封凸起 部分。
專利文獻8、專利文獻9中揭示了密封構(gòu)件由兩層彈性率不同的材料疊 加而成，高分子電解質(zhì)膜的密封構(gòu)件的彈性率要比分離板側(cè)的密封構(gòu)件彈 性率高。
專利文獻1 專利文獻2 專利文獻3 專利文獻4 專利文獻5 專利文獻6 專利文獻7 專利文獻8
日本專利特開2004 — 311254公報 日本專利特開2004 — 319461公報 日本專利特開2007 — 95669公報 日本專利特開2001—336640公報 日本專利特開2000_ 182639公報 US2004/0234831公報 US2007/0072045公報 US2002/0064703公報專利文獻9: US2002/0150810公報
發(fā)明的揭示
目前的情況如圖9(a) (e)所示，由于成形的工序多，操作性差，因此 需要減少成形工序數(shù)。
因此，如

圖10(a)所示，考慮在模具100上設(shè)置電極部，從澆口101注 入樹脂材料102，通過一次成形形成框體45，但存在下述問題。S卩，由于 高分子電解質(zhì)膜44很薄，為擾性材料，因此高分子電解質(zhì)膜44的邊緣會 由于樹脂的注入而如圖10(b)所示那樣因樹脂壓力而不平衡，發(fā)生變形，從 而不能夠達到穩(wěn)定的支持狀態(tài)。
本發(fā)明的目的是提供成形工序數(shù)少、生產(chǎn)性良好的燃料電池單元和使 用該電池單元的燃料電池以及燃料電池單元的制造方法。
另外，本發(fā)明的目的是提供成形工序數(shù)少，操作性良好，而且能夠得 到高分子電解質(zhì)膜的穩(wěn)定的支持狀態(tài)的燃料電池單元的制造方法。本發(fā)明 的權(quán)利要求1記載的燃料電池單元是高分子電解質(zhì)膜的邊緣由框體支承的 燃料電池單元，該電池單元的特征在于，上述框體由將高分子電解質(zhì)膜的 邊緣夾在中間而接合的一側(cè)框和另一側(cè)框構(gòu)成，上述另一側(cè)框是由楊氏模 量小于上述一側(cè)框的樹脂材料形成的，且在上述一側(cè)框與上述另一側(cè)框的 接合面的相反側(cè)的表面形成了與上述另一側(cè)框相同材質(zhì)的密封部。
本發(fā)明的權(quán)利要求2記載的燃料電池單元的特征在于，如權(quán)利要求1 所述，在上述另一側(cè)框形成了露出上述高分子電解質(zhì)膜的開口。
本發(fā)明的權(quán)利要求3記載的燃料電池的特征在于，對于將數(shù)個權(quán)利要 求1或權(quán)利要求2記載的燃料電池單元串聯(lián)連接而成的層疊構(gòu)造的電池堆， 向各燃料電池單元的陽極(燃料極)和陰極(氧化劑極)提供燃料氣體和氧化 氣體而構(gòu)成。
本發(fā)明的權(quán)利要求4記載的燃料電池單元的制造方法的特征在于，在 制造高分子電解質(zhì)膜的邊緣由框體支承的燃料電池單元時，將在于高分子 電解質(zhì)膜設(shè)置陽極(燃料極)和陰極(氧化劑極)而形成的電極部的外周露出
6的高分子電解質(zhì)膜的邊緣放置在構(gòu)成上述框體的一側(cè)框的上表面，在上述 一側(cè)框的上表面注入楊氏模量小于上述一側(cè)框的樹脂材料，成形為構(gòu)成上 述框體的另一側(cè)框的同時，在上述一側(cè)框的下表面同時成形與上述另一側(cè) 框相同材質(zhì)的密封部。
本發(fā)明的權(quán)利要求5記載的燃料電池單元的制造方法的特征在于，在 制造高分子電解質(zhì)膜的邊緣由框體支承的燃料電池單元時，將在于高分子 電解質(zhì)膜設(shè)置陽極(燃料極)和陰極(氧化劑極)而形成的電極部的外周露出 的高分子電解質(zhì)膜的邊緣放置在構(gòu)成上述框體的一側(cè)框的上表面， 一邊用 按壓部件將高分子電解質(zhì)膜的邊緣按在上述一側(cè)框的上表面， 一邊在上述 一側(cè)框的上表面注入楊氏模量小于上述一側(cè)框的樹脂材料，成形為構(gòu)成上 述框體的另一側(cè)框的同時，在上述一側(cè)框的下表面同時成形與上述另一側(cè)
框相同材質(zhì)的密封部。
本發(fā)明的權(quán)利要求6記載的燃料電池單元的制造方法的如權(quán)利要求4 或權(quán)利要求5所述，注入烯烴類樹脂材料形成上述一側(cè)框，注入楊氏模量 小于上述一側(cè)框的烯烴類彈性體樹脂材料，形成上述另一側(cè)框并在上述一 側(cè)框的下表面形成密封部。
本發(fā)明的權(quán)利要求7記載的燃料電池單元如權(quán)利要求1所述，在上述 一側(cè)框形成連接該一側(cè)框的兩面的貫通孔，上述另一側(cè)框和上述密封部通 過被填入上述貫通孔的樹脂材料連結(jié)。
本發(fā)明的權(quán)利要求8記載的燃料電池單元的制造方法如權(quán)利要求4所 述，在上述一側(cè)框的上表面注入樹脂材料而成形上述另一側(cè)框時，通過形 成于上述一側(cè)框的貫通孔在與上述另一側(cè)框相反側(cè)的表面注入樹脂材料， 成形上述密封部。
根據(jù)該構(gòu)成，可實現(xiàn)能夠獲得高分子電解質(zhì)膜的穩(wěn)定的支持狀態(tài)的燃 料電池單元。另外，在一側(cè)框的上表面注入楊氏模量小于上述一側(cè)框的樹 脂材料而成形另一側(cè)框的同時，在上述一側(cè)框的下表面同時成形與上述另 一側(cè)框相同材質(zhì)的密封部，因此能夠以較少的工序制作燃料電池單元。
附圖的簡單說明[圖l]本發(fā)明的實施方式1的燃料電池單元的重要部分的放大剖視圖。同上實施方式的制造工序圖。本發(fā)明的實施方式2的燃料電池單元的重要部分的放大剖視圖。 [圖4]同上實施方式的制造工序圖。本發(fā)明的實施方式3的燃料電池單元的制造工序圖。 [圖6]本發(fā)明的實施方式4的燃料電池單元的制造工序圖。 [圖7]固體高分子電解質(zhì)型燃料電池的結(jié)構(gòu)圖。 [圖8]—般的燃料電池單元的剖視圖。 [圖9]一般的燃料電池單元的制造工序圖。 [圖IO]比較例的燃料電池單元的制造工序圖。
實施發(fā)明的最佳方式
以下，基于具體的各實施方式對本發(fā)明的燃料電池單元的制造方法進 行說明。
(實施方式1)
圖1和圖2表示本發(fā)明的實施方式1。
這里，和圖7 圖IO起相同作用的地方將使用相同的符號進行說明。 該燃料電池單元通過圖2(a) (d)的工序制得。
圖2(a)的框體一次成形工序中，成為上述框體45的一部分的一側(cè)框47a 由烯烴類合成樹脂例如聚丙烯成形。
圖2(b)中，在高分子電解質(zhì)膜44設(shè)置陽極(燃料極)46a和陰極(氧化劑 極)46b形成電極部。
圖2(c)(d)中，將在電極部的外周露出的高分子電解質(zhì)膜44的邊緣放置 于上述一側(cè)框47a的上表面，設(shè)置模具(未圖示)，向該模具中注入作為楊氏 模量小于上述一側(cè)框47a的樹脂材料的烯烴類彈性體。
詳細說明采用該模具的成形。
這里，使用普瑞曼聚合物(primepolymer)有限公司生產(chǎn)的商品名為 prime polypro，等級R-250G或R-350G作為上述的一側(cè)框47a。 向模具中注入烯烴類彈性體例如三井化學(xué)有限公司生產(chǎn)的Milastomer(注冊商標(biāo))M3800或三菱化學(xué)有限公司生產(chǎn)的Zelas(注冊商 標(biāo))MC616作為楊氏模量小于上述一側(cè)框47a的樹脂材料，成形為成為上述 框體45的一部分的另一側(cè)框47c， 一側(cè)框47a和另一側(cè)框47c將高分子電 解質(zhì)膜44夾住。此外，同時在一側(cè)框47a的下表面供給成形另一側(cè)框47c 的樹脂而成形為作為密封部的突起部49。
以上制得的電解質(zhì)膜一電極接合體42用兩塊分離板43a，43b夾在中間， 在分離板43a與陽極(燃料極)46a之間形成燃料氣體A的通路，在分離板43b 與陰極(氧化劑極)46b之間形成含氧氣體B的通路。對于將數(shù)個這樣的燃料 電池單元串聯(lián)連接而成的層疊構(gòu)造的電池堆30，通過向各燃料電池單元的 陽極46a和陰極46b提供燃料氣體和氧化氣體，可構(gòu)成燃料電池。
根據(jù)該構(gòu)成，能夠以較圖9所示的比較例少的工序制得燃料電池單元。
(實施方式2)
圖3和圖4表示本發(fā)明的實施方式2。
圖3與實施方式1的圖1的不同點在于，在另一側(cè)框47c形成露出高 分子電解質(zhì)膜44的開口 50，其他則相同。
該開口 50在燃料電池單元的制造工序中如圖4所示發(fā)揮作用。 圖4(a)的框體一次成形工序中，成為上述框體45的一部分的一側(cè)框47a
由烯烴類合成樹脂例如聚丙烯形成。
圖4(b)中，在高分子電解質(zhì)膜44設(shè)置陽極(燃料極)46a和陰極(氧化劑 極)46b而形成電極部。
在將其置于模具(未圖示)的狀態(tài)下，如圖4(c)所示，通過前端細于本體 的按壓構(gòu)件51將高分子電解質(zhì)膜44的邊緣壓在上述一側(cè)框47a的上表面。
在此狀態(tài)的基礎(chǔ)上，作為楊氏模量小于上述一側(cè)框47a的樹脂材料， 若框47a的樹脂材料使用的是普瑞曼聚合物有限公司生產(chǎn)的商品名為 primepolypro、等級R-250G或R-350G的材料，則作為楊氏模量比它小的 樹脂材料，注入作為烯烴類彈性體的例如三井化學(xué)有限公司生產(chǎn)的 Milastomer(注冊商標(biāo))M3800或三菱化學(xué)有限公司生產(chǎn)的Zelas(注冊商 標(biāo))MC616，成形為成為上述框體45的一部分的另一側(cè)框47c， 一側(cè)框47a 和另一側(cè)框47c將高分子電解質(zhì)膜44夾住。另外，同時在一側(cè)框47a的下表面供給成形另一側(cè)框47c的樹脂，成形為作為密封部的突起部49。
待上述另一側(cè)框47c與密封部49的樹脂硬化后，打開上述模具取出成 品，如圖4(e)所示，制得具有上述開口 50的電解質(zhì)膜一電極接合體42。
將以上制得的電解質(zhì)膜一 電極接合體42用兩塊分離板43a,43b夾在中 間，在分離板43a與陽極(燃料極)46a之間形成燃料氣體A的通路，在分離 板43b與陰極(氧化劑極)46b之間形成含氧氣體B的通路。對于將數(shù)個這樣 的燃料電池單元串聯(lián)連接而成的層疊構(gòu)造的電池堆30，通過向各燃料電池 單元的陽極46a和陰極46b提供燃料氣體和氧化氣體，可構(gòu)成燃料電池。
根據(jù)該構(gòu)成，由于在能夠以較圖9所示的比較例少的工序制得燃料電 池單元的同時，在通過使用按壓構(gòu)件51將高分子電解質(zhì)膜44的邊緣壓在 上述一側(cè)框47a的上表面的狀態(tài)下注入樹脂，因此，高分子電解質(zhì)膜44的 邊緣不會因為樹脂的壓力而產(chǎn)生偏斜，能夠得到穩(wěn)定的支持狀態(tài)。
(實施方式3)
圖5表示本發(fā)明的實施方式3。
在圖1和圖2所示的實施方式1中，通過以一側(cè)框47a為界被注入的 樹脂成形了另一側(cè)框47c以及突起部49，但如圖5所示，由于在一側(cè)框47a 形成了連接該一側(cè)框47a的兩面的貫通孔52，在注入一側(cè)框47a的樹脂時， 一部分樹脂通過貫通孔52被注入相反側(cè)的面，如圖5(b)所示能夠形成突起 部49。其他的和實施方式l相同。
以上的構(gòu)成在實施方式1的效果的基礎(chǔ)上，另一側(cè)框47c和突起部49 通過被填入一側(cè)框47a的貫通孔52的樹脂連接起來，因此，相比實施方式 1，能夠提高突起部49向一側(cè)框47a的粘著的強度。
(實施方式4)
圖6表示本發(fā)明的實施方式4。
在圖3和圖4所示的實施方式2中，通過以一側(cè)框47a為界被注入的 樹脂成形了另一側(cè)框47c以及突起部49，但如圖6(a)所示，由于在一側(cè)框 47a形成了連接該一側(cè)框47a的兩面的貫通孔52，在注入一側(cè)框47a的樹 脂時， 一部分樹脂通過貫通孔52被注入相反側(cè)的面，如圖6(b)(c)所示能夠 形成突起部49。其他的和實施方式l相同。以上的構(gòu)成在實施方式2的效果的基礎(chǔ)上，另一側(cè)框47c和突起部49 通過被填入一側(cè)框47a的貫通孔52的樹脂連接起來，因此，相比實施方式 2的情況，能夠提高突起部49向一側(cè)框47a粘著的強度。
此外，在上述各實施方式中，作為框47c所要求的條件(可靠地實行彈 性變形的條件)是具有"JIS K 6253"規(guī)定的A50 A卯或D37 D60的彈性。
制作將數(shù)個上述任一實施方式的燃料電池單元串聯(lián)連接而成的層疊構(gòu) 造的電池堆30，對于該電池堆30，通過向各燃料電池單元的陽極46a和陰 極46b提供燃料氣體和氧化氣體，可以良好的生產(chǎn)性制得燃料電池。
產(chǎn)業(yè)上的利用可能性
本發(fā)明能夠以較少的成形工序制得在固體高分子電解質(zhì)型燃料電池 (PEFC)等中作為構(gòu)成零部件使用的燃料電池單元，能夠在不降低燃料電池 性能的前提下為燃料電池的低成本化作出貢獻。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池單元，其高分子電解質(zhì)膜的邊緣由框體支承，其特征在于，所述框體由將高分子電解質(zhì)膜的邊緣夾在中間而接合的一側(cè)框和另一側(cè)框構(gòu)成，所述另一側(cè)框由楊氏模量小于所述一側(cè)框的樹脂材料形成，且在所述一側(cè)框與所述另一側(cè)框的接合面的相反側(cè)的表面形成與所述另一側(cè)框相同材質(zhì)的密封部。
2. 如權(quán)利要求l所述的燃料電池單元，其特征在于，在所述另一側(cè)框形成供所述高分子電解質(zhì)膜露出的開口。
3. —種燃料電池，其特征在于，對于數(shù)個權(quán)利要求1或2所述的燃料電 池單元串聯(lián)連接而成的層疊構(gòu)造的電池堆，向各燃料電池單元的陽極和陰 極供給燃料氣體和氧化氣體而構(gòu)成。
4. 一種燃料電池單元的制造方法，其特征在于，在制造高分子電解質(zhì)膜 的邊緣由框體支承的燃料電池單元時，將在于高分子電解質(zhì)膜設(shè)置陽極和 陰極而形成的電極部的外周露出的高分子電解質(zhì)膜的邊緣放置在構(gòu)成所述 框體的一側(cè)框的上表面，在所述一側(cè)框的上表面注入楊氏模量小于所述一側(cè)框的樹脂材料，成形 為構(gòu)成所述框體的另一側(cè)框的同時，在所述一側(cè)框的下表面同時成形與所 述另一側(cè)框相同材質(zhì)的密封部。
5. —種燃料電池單元的制造方法，其特征在于，在制造高分子電解質(zhì)膜的邊緣由框體支承的燃料電池單元時，將在于高分子電解質(zhì)膜設(shè)置陽極和陰極而形成的電極部的外周露出的高分子電解質(zhì)膜的邊緣放置在構(gòu)成所述 框體的一側(cè)框的上表面，一邊用按壓部件將高分子電解質(zhì)膜的邊緣按在所述一側(cè)框的上表面，一 邊在所述一側(cè)框的上表面注入楊氏模量小于所述一側(cè)框的樹脂材料，成形為構(gòu)成所述框體的另一側(cè)框的同時，在所述一側(cè)框的下表面同時成形與所 述另一側(cè)框相同材質(zhì)的密封部。
6. 如權(quán)利要求4或5所述的燃料電池單元的制造方法，其特征在于， 注入烯烴類樹脂材料形成所述一側(cè)框，注入楊氏模量小于所述一側(cè)框的烯烴類彈性體樹脂材料，形成所述另一 側(cè)框并在所述一側(cè)框的下表面形成密封部。
7. 如權(quán)利要求l所述的燃料電池單元，其特征在于，在所述一側(cè)框形成 連接該一側(cè)框的兩面的貫通孔，所述另一側(cè)框和所述密封部通過被填入所 述貫通孔的樹脂材料連結(jié)。
8. 如權(quán)利要求4所述的燃料電池單元的制造方法，其特征在于，在所述 一側(cè)框的上表面注入樹脂材料成形所述另一側(cè)框時，通過形成于所述一側(cè) 框的貫通孔，在與所述另一側(cè)框的相反側(cè)的表面注入樹脂材料，成形所述 密封部。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供成形工序數(shù)少、生產(chǎn)性良好的燃料電池單元，將在于高分子電解質(zhì)膜(44)設(shè)置陽極(46a)和陰極(46b)而形成的電極部的外周露出的高分子電解質(zhì)膜(44)的邊緣放置在構(gòu)成上述框體的一側(cè)框(47a)的上表面，在該上表面注入楊氏模量小于上述一側(cè)框(47a)的樹脂材料成形另一側(cè)框(47c)的同時，在上述一側(cè)框(47a)的下表面同時形成與上述另一側(cè)框(47c)相同材質(zhì)的密封部(49)。
文檔編號H01M8/02GK101542796SQ200880000070
公開日2009年9月23日 申請日期2008年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月13日
發(fā)明者吉村光生, 川畑德彥, 日下部弘樹, 松本敏宏, 森本隆志 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社