CN101356675A - 固体高分子电解质型燃料电池 - Google Patents

固体高分子电解质型燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种固体高分子电解质型燃料电池，其在电极部外缘与框体内缘之间设置与框体(2)一体地接合的弹性体(4c、4b)，在单电池模块组装后，弹性体在电极－模－框接合体(15)的厚度方向弹性变形，从而将电极－模－框接合体与隔板之间密封。

Description

固体高分子电解质型燃料电池
技术领域
本发明涉及固体高分子电解质型燃料电池，尤其涉及燃料电池的电解质膜-电极接合体与导电性隔板的密封构造的改良。
背景技术
固体高分子电解质型燃料电池最具代表性的构成为，包括：由在周缘部配有用于密封气体的衬垫的框体支撑的高分子电解质膜；在所述电解质膜的一方的面上接合正极，且在所述电解质膜的另一侧的面上接合负极而构成的电解质膜-电极接合体(MEA)；夹住所述MEA的正极侧导电性隔板及负极侧导电性隔板，且向所述正极及负极分别供给燃料气体及氧化剂气体的气体供给部形成在与所述隔板中的与所述MEA抵接的中央部的周缘。
但是，此种现有的固体高分子电解质型燃料电池，如图12所示地，由框体300与隔板301的组装上的必要性，在框体300的内缘与电极302之间具有间隙303，因此，引起供给到电池内的气体的一部分穿过该间隙303而排出的所谓的交叉泄漏(クロスリ一ク)的现象。
此外，为改善该现象，如图13所示，提出在该间隙303内配置第二衬垫308(专利文献1)，或衬垫的内缘的一部分与电极302的外缘局部接触地设置(专利文献2)。
此外，高分子电解质膜嵌入框体厚度的大致中央，作为其接合方法，采用热压接、粘接剂、机械性夹紧等。
专利文献1：特愿2004-296702
专利文献2：特开2005-100970号公报
但是，在所述的高分子电解质膜的热压接或粘接的接合方法中，高分子电解质膜有由于热及粘接剂的挥发成份而导致性能降低的可能性，条件受到限制。此外，在利用所述机械夹紧的接合方法中，存在由高分子电解质膜与框体的微小的间隙易于产生交叉泄漏的问题。
作为专利文献1的方法，通过在框体300的内缘与电极302之间配置防止间隙303的第二衬垫308，存在成本提高的问题。进而，当使该衬垫308部分地熔融而填埋间隙时，存在难于管理尺寸的问题。
作为所述专利文献2的方法，由于衬垫的内缘的一部分与电极302的外缘部分地接触，效果不充分，此外，因为气体扩散电极通常以脆的碳素纤维为主要成分，因此，在安装时存在易对电极造成破坏的问题。
发明内容
从而，本发明的目的在于解决所述问题，提供一种固体高分子电解质型燃料电池，其能够有效地抑制在高分子电解质膜与框体之间的间隙漏气的交叉泄漏的现象，并且，能够进一步提高还原剂气体与氧化剂气体的各自的利用率，能够进一步改善高分子电解质型燃料电池的性能。
为达到所述目的，本发明如以下地构成。
根据本发明的第一方式，提供一种固体高分子电解质型燃料电池，其叠层单电池模块而构成，所述单电池模块被构成为，具备：电极-膜-框接合体，其包括：电极部，该电极部由正极电极接合于高分子电解质膜的单侧的面，且负极电极接合于所述电解质膜的另一侧的面而构成；歧管形成用框体，该歧管形成用框体设置于所述电极部的周缘部，且具备分别向所述正极电极及所述负极电极供给燃料气体及氧化剂气体的气体供给部；一对隔板，其从正极侧及负极侧夹住所述电极部及所述电极-膜-框接合体，其中，
在所述电极部的外缘与所述框体的内缘之间设置弹性体，该弹性体与所述框体一体地接合，并且具有单电池模块组装后的所述电极-膜-框接合体与所述隔板的间隔尺寸以上的长度，在所述单电池模块组装后，所述弹性体在所述电极-膜-框接合体的厚度方向弹性变形，从而将所述电极-膜-框接合体与所述隔板之间密封。
根据本发明的第二方式，提供第一方式所述的固体高分子电解质型燃料电池，其中，在所述弹性体上具备与所述隔板接触，并可弹性变形的多个短路防止用肋，在所述单电池模块组装后，所述肋在相对于所述电极-膜-框接合体的厚度方向交叉的方向上弹性变形。
根据本发明的第三方式，提供第二方式所述的固体高分子电解质型燃料电池，其中，在所述多个肋之间具备所述肋的弹性变形的部分及所述弹性体的弹性变形的部分进入的凹部，并使所述弹性体的弹性变形的部分及所述肋的弹性变形的部分延伸到所述凹部内。
根据本发明的第四方式，提供第二方式所述的固体高分子电解质型燃料电池，其中，所述弹性体在所述气体供给部附近，具有不足所述单电池模块组装后的所述电极-膜-框接合体与所述隔板的间隔尺寸的长度，且在所述弹性体与所述隔板之间形成气体供给用的空间。
根据本发明的第五方式，提供第一至第四方式中任一个所述的固体高分子电解质型燃料电池，其中，所述弹性体仅配置于所述电极-膜-框接合体的所述正极侧或所述负极侧的一方侧，在所述电极-膜-框接合体的另一方侧具有延长部，该延长部将所述框体向内缘方向的中心侧延长而形成，承受隔板叠层时的所述弹性体的压缩压。
根据本发明的第六方式，提供第一至第四方式中任一个所述的固体高分子电解质型燃料电池，其中，所述弹性体分别配置于所述电极-膜-框接合体的所述正极侧和所述负极侧，并且，将所述正极侧的所述弹性体的位置与所述负极侧的所述弹性体的位置交替错开地配置。
根据本发明的第七方式，提供第五方式所述的固体高分子电解质型燃料电池，其中，所述弹性体分别配置于所述电极-膜-框接合体的所述正极侧和所述负极侧，并且，将所述正极侧的所述弹性体的位置与所述负极侧的所述弹性体的位置交替错开地配置。
根据本发明的第八方式，提供第六方式所述的固体高分子电解质型燃料电池，其中，将接合于所述高分子电解质膜的一方的面的所述正极电极的外缘的位置与接合于所述高分子电解质膜的另一方的面的所述负极电极的外缘的位置交替错开地配置，由此，将所述正极侧的所述弹性体的位置与所述负极侧的所述弹性体的位置交替错开地配置。
根据本发明的第九方式，提供第七方式所述的固体高分子电解质型燃料电池，其中，将接合于所述高分子电解质膜的一方的面的所述正极电极的外缘的位置与接合于所述高分子电解质膜的另一方的面的所述负极电极的外缘的位置交替错开地配置，由此，将所述正极侧的所述弹性体的位置与所述负极侧的所述弹性体的位置交替错开地配置。
根据本发明的第十方式，提供第一至第四方式中任一个所述的固体高分子电解质型燃料电池，其中，所述框体在所述负极电极所位于的一侧的表面即框体组装面上突出地形成衬垫，该衬垫包括氧化剂气体用歧管孔及氧化剂气体流路，且在所述负极电极中包围氧化剂气体通过的整个区域地形成氧化剂气体用歧管，并且所述框体的所述正极电极所位于的一侧的表面即另外的框体安装面上突出地形成衬垫，该衬垫包括燃料气体用歧管孔及燃料气体流路，且在所述正极电极中包围燃料气体通过的整个区域地形成燃料剂气体用歧管，在所述单电池模块组装后，所述各个衬垫在所述框体的厚度方向上弹性变形而将所述框体与所述隔板之间密封。
根据本发明的第十一方式，提供第五方式所述的固体高分子电解质型燃料电池，其中，所述框体在所述负极电极所位于的一侧的表面即框体组装面上突出地形成衬垫，该衬垫包括氧化剂气体用歧管孔及氧化剂气体流路，且在所述负极电极中包围氧化剂气体通过的整个区域地形成氧化剂气体用歧管，并且所述框体的所述正极电极所位于的一侧的表面即另外的框体安装面上突出地形成衬垫，该衬垫包括燃料气体用歧管孔及燃料气体流路，且在所述正极电极中包围燃料气体通过的整个区域地形成燃料剂气体用歧管，在所述单电池模块组装后，所述各个衬垫在所述框体的厚度方向上弹性变形而将所述框体与所述隔板之间密封。
根据本发明的第十二方式，提供第六方式所述的固体高分子电解质型燃料电池，其中，所述框体在所述负极电极所位于的一侧的表面即框体组装面上突出地形成衬垫，该衬垫包括氧化剂气体用歧管孔及氧化剂气体流路，且在所述负极电极中包围氧化剂气体通过的整个区域地形成氧化剂气体用歧管，并且所述框体的所述正极电极所位于的一侧的表面即另外的框体安装面上突出地形成衬垫，该衬垫包括燃料气体用歧管孔及燃料气体流路，且在所述正极电极中包围燃料气体通过的整个区域地形成燃料剂气体用歧管，在所述单电池模块组装后，所述各个衬垫在所述框体的厚度方向上弹性变形而将所述框体与所述隔板之间密封。
根据本发明的第十三方式，提供第七方式所述的固体高分子电解质型燃料电池，其中，所述框体在所述负极电极所位于的一侧的表面即框体组装面上突出地形成衬垫，该衬垫包括氧化剂气体用歧管孔及氧化剂气体流路，且在所述负极电极中包围氧化剂气体通过的整个区域地形成氧化剂气体用歧管，并且所述框体的所述正极电极所位于的一侧的表面即另外的框体安装面上突出地形成衬垫，该衬垫包括燃料气体用歧管孔及燃料气体流路，且在所述正极电极中包围燃料气体通过的整个区域地形成燃料剂气体用歧管，在所述单电池模块组装后，所述各个衬垫在所述框体的厚度方向上弹性变形而将所述框体与所述隔板之间密封。
根据本发明的第十四方式，提供第八方式所述的固体高分子电解质型燃料电池，其中，所述框体在所述负极电极所位于的一侧的表面即框体组装面上突出地形成衬垫，该衬垫包括氧化剂气体用歧管孔及氧化剂气体流路，且在所述负极电极中包围氧化剂气体通过的整个区域地形成氧化剂气体用歧管，并且所述框体的所述正极电极所位于的一侧的表面即另外的框体安装面上突出地形成衬垫，该衬垫包括燃料气体用歧管孔及燃料气体流路，且在所述正极电极中包围燃料气体通过的整个区域地形成燃料剂气体用歧管，在所述单电池模块组装后，所述各个衬垫在所述框体的厚度方向上弹性变形而将所述框体与所述隔板之间密封。
根据本发明的第十五方式，提供第九方式所述的固体高分子电解质型燃料电池，其中，所述框体在所述负极电极所位于的一侧的表面即框体组装面上突出地形成衬垫，该衬垫包括氧化剂气体用歧管孔及氧化剂气体流路，且在所述负极电极中包围氧化剂气体通过的整个区域地形成氧化剂气体用歧管，并且所述框体的所述正极电极所位于的一侧的表面即另外的框体安装面上突出地形成衬垫，该衬垫包括燃料气体用歧管孔及燃料气体流路，且在所述正极电极中包围燃料气体通过的整个区域地形成燃料剂气体用歧管，在所述单电池模块组装后，所述各个衬垫在所述框体的厚度方向上弹性变形而将所述框体与所述隔板之间密封。
根据本发明的第十六方式，提供一种固体高分子型燃料电池，其包括：
高分子电解质膜；
第一电极及第二电极，其夹住所述高分子电解质膜且至少具备气体扩散层；
第一隔板，其具有用于向所述第一电极供给并排出反应气体的流路；
第二隔板，其具有用于向所述第二电极供给并排出反应气体的流路；
框体，其具有配置于所述第一电极及所述第二电极的周缘部的矩形的开口部，其中，
在所述第一电极的外缘与所述框体的第一电极侧的内缘之间设有第一弹性体，
所述第一电极的所述气体扩散层的外缘的至少一部分被配置为，从对置的所述第二电极的所述气体扩散层的外缘向外侧延伸，
所述第一电极的所述气体扩散层的外缘的至少一部分与所述框体的所述第二电极侧的内缘的至少一部分相互相对地配置。
根据本发明的第十七方式，提供一种第十六方式所述的固体高分子型燃料电池，其中，在所述第二电极的外缘与所述框体的第一电极侧的内缘之间进一步设置第二弹性体。
发明效果
根据所述结构，在保持高分子电解质膜的框体的内侧的缘部分别具备：例如平面框状的正极侧弹性体和平面框状的负极侧弹性体，并且各弹性体具有单电池模块组装后的所述电极-膜-框接合体与所述隔板的间隔尺寸以上的长度，在所述单电池模块组装后，所述弹性体在所述电极-膜-框接合体的厚度方向弹性变形，从而将所述电极-膜-框接合体与所述隔板之间密封。如此，在单个电池单元组装时，在框体与正极侧隔板之间，使正极侧弹性体弹性变形，弹性变形后的正极侧弹性体在框体与正极侧隔板之间紧密接触而密封，由此能够达到密封效果。同样地，在负极侧，在单个电池单元组装时，在框体与负极侧隔板之间，使负极侧弹性体弹性变形，弹性变形后的负极侧弹性体在框体与负极侧隔板之间紧密接触而密封，由此能够达到密封效果。
其结果，通过弹性变形后的正极侧弹性体和弹性变形后的负极侧弹性体，框体与正极侧隔板及负极侧隔板之间分别被密封，从而能够有效地抑制从高分子电解质膜与框体之间的间隙漏气的交叉泄漏现象，并且，能够分别抑制沿框体的缘部的还原剂气体的短路的流动及沿框体的缘部的氧化剂气体的短路的流动，并能够使还原剂气体与氧化剂气体的各自的利用率进一步提高，从而进一步改善高分子电解质型燃料电池的性能
此外，如果在保持高分子电解质膜等的框体的内侧的缘部每隔规定间隔还分别具备多个配置的正极侧肋和负极侧肋，则在单个电池单元的组装时，在框体与正极侧隔板之间，使正极侧弹性体与正极侧肋分别弹性变形，弹性变形后的部分例如分别进入其与邻接的正极侧肋之间的空间，弹性变形后的正极侧弹性体与弹性变形后的正极侧肋大体连续地在框体和正极侧隔板之间紧密接触而密封，由此能够达到密封效果。此外，负极侧也同样地，在单个电池单元的组装时，在框体与负极侧隔板之间，使负极侧弹性体与负极侧肋分别弹性变形，弹性变形后的部分例如分别进入其与邻接的负极侧肋之间的空间，弹性变形后的负极侧弹性体与弹性变形后的负极侧肋大体连续地在框体和正极侧隔板之间紧密接触而密封，由此能够达到密封效果。
其结果，利用弹性变形后的正极侧弹性体、弹性变形后的正极侧肋、弹性变形后的负极侧弹性体和弹性变形后的负极侧肋，分别密封框体与正极侧隔板及负极侧隔板之间，并能够有效地抑制从高分子电解质膜与框体之间的间隙排气的交叉泄漏现象，并且，能够分别抑制沿框体的缘部的还原剂气体的短路的流动及沿框体的缘部的氧化剂气体的短路的流动，并且能够进一步提高还原剂气体和氧化剂气体的各自的利用率，从而能够进一步改善高分子电解质型燃料电池的性能。
附图说明
本发明的这些及其他的目的特征，由与关于附图的优选的实施方式相关联的如下的记述而变得清晰。该图面中，
图1是表示具备本发明的第一实施方式涉及的燃料电池用电池组的燃料电池的概略结构的示意结构图。
图2是图1所示的燃料电池具备的燃料电池用电池组的示意分解图。
图3A是所述燃料电池用电池组的单个电池单元的组装前的概略剖面图。
图3B是所述单个电池单元组装后的概略剖面图。
图3C是没有弹性体的情况下的比较例的燃料电池用电池组的单个电池单元的组装前的概略剖面图。
图3D是没有弹性体的情况下的比较例的单个电池单元的组装后的概略剖面图。
图3E是用于说明残留有由于组装精度误差产生的微小间隙的情况的，燃料电池用电池组的单个电池单元的组装后的概略剖面图。
图3F是用于说明除去由于组装精度误差产生的微小间隙的情况的，燃料电池用电池组的单个电池单元的组装前的概略剖面图。
图3G是用于说明除去由于组装精度误差产生的微小间隙的情况的，燃料电池用电池组的单个电池单元的组装后的概略剖面图。
图4A是所述单个电池单元组装前的立体图。
图4B是所述单个电池单元组装前的局部放大剖面示意图。
图4C是所述单个电池单元组装后的立体图。
图4D是带有肋的单个电池单元组装后的局部放大剖面示意图。
图4E是带有所述肋的单个电池单元组装前的立体图。
图4F是带有所述肋的单个电池单元组装前的局部放大剖面示意图。
图4G是带有所述肋的单个电池单元组装后的立体图。
图4H是带有所述肋的单个电池单元组装后的局部放大剖面示意图。
图4I是所述单个电池单元的弹性体附近的放大剖面示意图。
图5A是本发明的第二实施方式涉及的燃料电池用电池组的单个电池单元的组装前的概略剖面图。
图5B是图5A的所述单个电池单元的组装后的概略剖面图。
图6是所述第一或第二实施方式的其他的变形例涉及的燃料电池用电池组的单个电池单元组装前的概略剖面图。
图7A是所述第一或第二实施方式的其他的变形例涉及的燃料电池用电池组的单个电池单元组装前的概略剖面图。
图7B是所述第一或第二实施方式的另外的变形例涉及的燃料电池用电池组的单个电池单元组装后的概略剖面图。
图7C是所述图7B的变形例涉及的燃料电池用电池组的单个电池单元的电极-膜-框接合体的概略俯视图。
图7D是所述图7B的变形例涉及的燃料电池用电池组的单个电池单元的电极-膜-框接合体的概略剖面图。
图7E是所述第一或第二实施方式的其他的变形例涉及的燃料电池用电池组的单个电池单元组装后的概略剖面图。
图7F是所述图7E的变形例涉及的燃料电池用电池组的单个电池单元的电极-膜-框接合体的概略俯视图。
图7G是所述图7E的变形例涉及的燃料电池用电池组的单个电池单元的电极-膜-框接合体的概略剖面图。
图7H是所述第一或第二实施方式的其他的变形例涉及的燃料电池用电池组的单个电池单元的组装前的电极-膜-框接合体的概略俯视图。
图7I是所述图7H的变形例涉及的燃料电池用电池组的单个电池单元组装前且弹性体成形前的概略剖面图。
图7J是所述图7H的变形例涉及的燃料电池用电池组的单个电池单元组装后(弹性体成形后)的概略剖面图。
图7K是所述第一或第二实施方式的其他的变形例涉及的燃料电池用电池组的单个电池单元组装后的概略剖面图。
图7L是所述图7K的变形例涉及的燃料电池用电池组的单个电池单元的电极-膜-框接合体的概略俯视图。
图7M是所述图7K的变形例涉及的燃料电池用电池组的单个电池单元的电极-膜-框接合体的概略剖面图。
图8A是所述第一实施方式的所述单个电池单元的框体主体的俯视图。
图8B是在将衬垫配置于所述框体主体的状态下的所述第一实施方式的所述单个电池单元的框体的正极侧的表面的主视图。
图8C是在将衬垫配置于所述框体主体的状态下的所述第一实施方式的所述单个电池单元的框体的负极侧的表面的主视图。
图8D是用于说明弹性体使用热可塑性树脂的所述框体的局部扩大图。
图8E是用于说明没有框体的情况下的不良状况，没有框体，直接将两个衬垫配置于高分子电解质膜的情况的燃料电池用电池组的单个电池单元的组装前的概略剖面图。
图8F是图8E的情况所述单个电池单元的组装后且长期使用后的概略剖面图。
图8H是具有框体的情况的所述燃料电池用电池组的所述单个电池单元的组装前的概略剖面图。
图8I是图8H的情况的所述单个电池单元的组装后的初始时及长期使用后的概略剖面图。
图9A是所述第一实施方式的所述单个电池单元的气体流路部分的组装前的概略剖面图。
图9B是所述第一实施方式的所述单个电池单元的气体流路部分的组装后的概略剖面图。
图10A是所述第一或第二实施方式的另外的变形例涉及的燃料电池用电池组的单个电池单元组装前的概略剖面图。
图10B是图10A的另外的变形例涉及的燃料电池用电池组的单个电池单元组装后的概略剖面图。
图10C是所述第一或第二实施方式的另外的变形例涉及的燃料电池用电池组的单个电池单元的组装前的概略剖面图。
图10D是图10C的另外的变形例涉及的燃料电池用电池组的单个电池单元组装后的概略剖面图。
图11A是在不错开正极电极侧的弹性体与负极电极侧的弹性体的位置的情况下，将燃料电池用电池组的单个电池单元成形时的金属模靠模前的工序的说明图。
图11B是将图11A的情况下的燃料电池用电池组的单个电池单元成形时的金属模靠模中的工序的说明图。
图11C是在成形图11A的情况的燃料电池用电池组的单个电池单元时的金属模的熔融树脂注入工序的说明图。
图11D是在将使正极电极侧的弹性体与负极电极侧的弹性体错开位置的情况的燃料电池用电池组的单个电池单元成形时的金属模靠模前的工序的说明图。
图11E是将图11D的情况下的燃料电池用电池组的单个电池单元成形时的金属模靠模中的工序的说明图。
图11F是在成形图11D的情况的燃料电池用电池组的单个电池单元时的金属模的熔融树脂注入工序的说明图。
图12是现有例的固体高分子电解质型燃料电池的电解质膜-电极接合体与隔板的分解剖面图。
图13是现有例的固体高分子电解质型燃料电池的电解质膜-电极接合体的剖面图。
具体实施方式
以下，基于附图详细地说明本发明涉及的实施方式。
(第一实施方式)
图1表示具备本发明的第一实施方式涉及的燃料电池用电池组的燃料电池的概略结构的示意结构图。此外，图2表示图1所示的燃料电池101具备的燃料电池用电池组(以下，称为电池组。)的示意分解图。
燃料电池101例如为固体高分子电解质型燃料电池(PEFC)，通过使含有氢的燃料气体与含有空气等氧的氧化剂气体发生电化学反应，同时产生电、热及水。如图1所示，燃料电池101中具备：电池组30，其包括多个具有正极及负极的一对极的燃料电池单元(或者单个电池单元)串联连接的叠层构造；燃料处理器31，其从燃料气体中取出氢；正极加湿器32，其通过将含有由燃料处理器31取出的氢的燃料气体加湿而使发电效率提高；负极加湿器33，其对于含氧气体(氧化剂气体)进行加湿；泵34、35，其分别用于供给燃料气体和含氧气体。即，由燃料处理器31、正极加湿器32及泵34构成向电池组30的各电池单元供给燃料气体的燃料供给装置，此外，由负极加湿器33和泵35构成向电池组30的各电池单元供给氧化剂气体的氧化剂供给装置。而且，只要该燃料供给装置和氧化剂供给装置具备进行燃料和氧化剂的供给的功能，也可采用其他的各种方式，但在本实施方式中，对于电池组30具备的多个电池单元，如果是共同地供给燃料或氧化剂的供给装置，能够合适地得到后述的本实施方式的效果。
此外，燃料电池101具备：泵36，其用于循环供给冷却水，该冷却水用于有效地除去在发电时由电池组30产生的热；热交换器37，其用于将由该冷却水(例如，没有导电性的液体，例如使用纯水)除去的热与自来水等流体进行热交换；储热水槽38，其储藏热交换后的自来水。进而，燃料电池101具备：运转控制装置40，其将此种各个构成部相互关联地进行用于发电的运转控制；电输出部41，其取出由电池组30发电的电。
此外，如图2所示，该燃料电池101具备的电池组30将作为基本单位结构的单个电池单元(单电池模块)20叠层多个，并由集电板21、绝缘板22、端板23从两侧以规定的载荷夹住而构成。在各个集电板21上设有电流取出端子部21a，在发电时从此处取出电流即电。各个绝缘板22将集电板21与端板23之间绝缘，并且有时设有未图示的气体或冷却水的导入口、排出口。各个端板23通过未图示的加压机构，以规定的载荷夹住并保持叠层多片的单个电池单元20、集电板21及绝缘板22。
如图2所示，但电池单元20被构成为，由一对隔板5b、5c夹住MEA(膜电极复合体)15。MEA15被构成为，在选择性地输送氢离子的高分子电解质膜1a的正极面侧形成以担载有铂-钌合金催化剂的碳粉末为主成分的催化剂层(正极侧催化剂层)112，在负极面侧形成以担载有铂催化剂的碳粉末为主成分的催化剂层(负极侧催化剂层)113，在该催化剂层112及113的外表面，配置兼具有燃料气体或氧化剂气体的通气性和电子导电性的气体扩散层114。高分子电解质膜1a通常使用表示质子导电性的固体高分子材料，例如，全氟磺酸膜(杜邦公司制ナフィォン膜)。而且，以下将正极侧催化剂层112和气体扩散层114统称为正极电极1b，将负极催化剂层113和气体扩散层114统称为负极电极1c。
而且，在该说明书及权利要求的范围中，电极表示至少包括GDL(气体扩散层)。
隔板5b、5c只要是气体不透过性的导电性材料即可，例如，通常使用将树脂浸渍碳材料切削成规定的形状，或将碳粉末与树脂材料的混合物成形。隔板5b、5c中的与MEA15接触的部分处形成有凹状的槽部，该槽部与气体扩散层114相接，由此向电极面供给燃料气体或氧化剂气体，并形成用于将剩余气体运离的气体流路。气体扩散层114作为其基材通常可以使用以碳素纤维来构成，作为此种基材，例如可以使用碳素纤维织布。
图3A及图3B放大详细地表示所述单个电池单元20的一例。
所述单个电池单元(单电池模块)20具备电极-膜-框接合体(MEA(膜电极复合体))，和从正极侧及负极侧夹住电极部1E及电极-膜-框接合体15的一对隔板5b、5c而构成，并叠层该单个电池单元20而构成高分子电解质型燃料电池101。所述电极-膜-框接合体15包括：所述电极部1E，其在长方形的高分子电解质膜1a的单侧的面上接合正极电极1b且在所述电解质膜1a的另一侧的面上接合负极电极1c而构成；和刚体的歧管形成用的长方形的框体2，其设置于所述电极部1E的周缘部，且具备分别向所述正极电极1b及所述负极电极1c供给燃料气体及氧化剂气体的气体供给部2x、2y(参照图8A～图8c)。
在所述结构中，例如，通过高分子电解质膜1a的周围缘部插入并夹持在框体2的高分子电解质膜插入用狭缝2a，机械地接合高分子电解质膜1a与框体2。此外，在高分子电解质膜1a的两面上粘接固定有正极电极1b和负极电极1c。
在高分子电解质膜1a的两面上如此地粘接固定正极电极1b和负极电极1c，从而构成MEA(膜电极复合体)15，并由一对隔板5b、5c夹住该MEA(膜电极复合体)，如上所述地构成单个电池单元20。在该单个电池单元20中，正极电极侧隔板5b与正极电极1b对置，负极电极侧隔板5c与负极电极1c对置。
如图3C及图3D所示，在未设有下述的弹性体的情况的单个电池单元组装后的状态下，正极电极1b的外缘与负极电极1c的外缘与框体2的内缘2b、2c之间在0.1mm～10mm范围内分别有间隙6。如果有该间隙6，则导致供给电池内的气体的一部分穿过该间隙6而排出的称作交叉泄漏的现象。为消除该间隙6，此处，即如图3A所示，以与框体2的正极侧的内缘2b和正极电极1b的外缘两者接触的方式，配置平面为矩形框状即图3A中的剖面为矩形(作为其他的例子，在图4E中为大致平行四边形)的正极侧弹性体4b，在框体2与正极电极1b的成形时，使该正极侧弹性体4b与他们一体化。此外，以与框体2的负极侧的内缘2c和负极电极1c的外缘两者接触的方式，配置平面为矩形框状即图3A中的剖面为矩形(作为其他的例子，在图4E中为大致平行四边形)的负极侧弹性体4c，在框体2与负极电极1c的成形时，使该负极侧弹性体4c与他们一体化。此时，这些弹性体4b、4c仅通过分别抵接于高分子电解质膜1a而机械性接合，不需要粘接于高分子电解质膜1a。
在如此地设置弹性体4b、4c的状态下，如图3B所示，当将隔板5b、5c叠层组装于框体2时，框体2的框体组装面9与隔板5b、5c的各自的隔板组装面10分别接近，但此时，以将弹性体4b、4c与隔板5b、5c的相对面间的间隙8设定为小于框体2与隔板5b、5c的间隙7的方式来设置弹性体4b、4c。通过如此地构成，在所述组装时，在框体2的框体组装面9与隔板5b、5c的各自的隔板组装面10位于各自最接近的位置(参照图3B)之前，弹性体4b、4c分别与隔板5b、5c确实地接触并开始弹性变形。并且，在组装完成后，换言之，框体2的框体组装面9与隔板5b、5c的各自的隔板组装面10分别位于最接近位置后，如图3B所示，弹性体4b、4c被隔板5b、5c按压，分别为弹性变形的状态，弹性体4b、4c分别从隔板5b、5c侧承受压缩力。此时，如图3A中的标记6G所示，弹性体4b、4c在组装前和组装后，弹性体4b、4c沿隔板组装面10扩展了尺寸6G，由此能够消除在组装前弹性体4b、4c与隔板5b、5c的各自的隔板组装面10的阶梯部5b-1、5c-1的间隙(换言之，供给到电池内的气体的一部分被排出的间隙)，从而能够有效地抑制交叉泄漏现象。
但是，如图3E所示，有时残留有由于组装精度误差产生的微小的间隙6H，但在此种情况下，如图3F及图4A～图4B所示，在隔板5b、5c的的隔板组装面10处的阶梯部5b-1、5c-1(参照图3A)处，从图3F的隔板5b、5c的外侧向内侧形成平缓的倾斜面5f、5g。另一方面，与该倾斜面5f、5g相对应，在弹性体4b、4c的图3F中的剖面形状且平面形状中，在全周上形成具有大致同样的倾斜角度的正极侧倾斜面4b-2和负极侧倾斜面4c-2。其结果，如图3F至图3G及图4A～图4D所示，在设置弹性体4b、4c的e状态下，当在框体2上叠层组装隔板5b、5c时，在相对的倾斜面之间相互大致平行的、框体2的框体组装面9和隔板5b、5c的各自的隔板组装面10分别位于最接近位置(参照图3G及图4D)之前，弹性体4b、4c分别确实地与隔板5b、5c接触而开始弹性变形。此时，弹性体4b、4c的倾斜面4b-2、4c-2与隔板5b、5c的倾斜面5f、5g接触，在组装完成后，换言之，在框体2的框体组装面9与隔板5b、5c的各自的隔板组装面10分别位于最接近位置后，如图3G及图4D所示，弹性体4b、4c被隔板5b、5c按压而分别呈弹性变形的状态，弹性体4b、4c分别从隔板5b、5c侧承受压缩力，并且弹性体4b、4c的倾斜面4b-2、4c-2承受压缩力的同时，紧贴于隔板5b、5c的倾斜面5f、5g。由此，能够消除由于组装精度误差而具有产生微小间隙6H的可能性，也能够抑制框体内缘部分处的交叉泄漏现象，作为整体能够进一步有效地抑制交叉泄漏现象。
弹性体4b、4c的内缘在将隔板5b、5c叠层组装于框体2时，这些弹性体4b、4c即使与隔板5b、5c接触，由于弹性体4b、4c的弹力使隔板5b、5c破损的可能性低，因此隔板5b、5c与弹性体4b、4c的间隙6G能够设定为比以往没有弹性体时更窄。根据情况，即使所述间隙6G的距离为0，因为弹性体4b、4c也没有问题。
此外，作为其他的例子，如图4E及4F所示，在所述弹性体4b、4c的全周分别具备正极侧倾斜面4b-3及负极侧倾斜面4c-3，在该正极侧倾斜面4b-3及负极侧倾斜面4c-3上也可分别形成为短路(shortcut)防止用而突出的正极侧肋4d和负极侧肋4e。肋4d、4e在所述的各个倾斜面4b-3、4c-3上每隔规定间隔作为突起一体地形成。如图4G及图4H所示，这些肋4d、4e在单个电池单元组装时，被与正极侧倾斜面4b-3和负极侧倾斜面4c-3大致平行的隔板5b、5c的倾斜面5f、5g分别压缩而弹性变形，由此与隔板5b、5c紧贴而防止气体泄漏。各个肋4d、4e被压缩而弹性变形时的弹性变形的部分分别进入到邻接的正极侧肋4d与正极侧肋4d之间的正极侧凹部(压缩体积进入部)4f，或者邻接的负极侧肋4e与负极侧肋4e之间的负极侧凹部(压缩体积进入部)4g内。如图4I所示，这些凹部4f、4g在单个电池单元组装时利用隔板5b、5c，正极侧弹性体4b与负极侧弹性体4c例如分别被设定为可压缩0.1mm，并且正极侧肋4d与负极侧肋4e例如分别被设定为可压缩0.05mm。并且，该正极侧凹部4f的总体积设定为大致相当于平面矩形框状的正极侧弹性体4b的全周的体积与沿正极侧弹性体4b的长度方向以一定间距间隔设置的肋4d的总体积的总和。换言之，此表示在单个电池单元组装时，隔板5b与框体2的缘部之间被压缩而弹性变形时，正极侧弹性体4b的弹性变形后的部分与肋4d弹性变形后的部分均进入正极侧凹部4f内，由此，由弹性变形部分大体没有间隙地填满正极侧凹部4f从而密封。同样地，所述负极侧凹部4g的总体积设定为大致相当于平面矩形框状的负极侧弹性体4c的全周的体积与沿负极侧弹性体4c的长度方向以一定间距间隔设置的肋4e的总体积的总和。换言之，此表示在单个电池单元组装时，隔板5c与框体2的缘部之间被压缩而弹性变形时，负极侧弹性体4c的弹性变形后的部分与肋4e弹性变形后的部分均进入负极侧凹部4g内，由此，由弹性变形部分大体没有间隙地填满负极侧凹部4g从而密封。通过如此地设定，在隔板组装后，凹部4f、4g的间隙没有，能够有效地防止气体泄漏。
而且，正极侧凹部4f的底面与负极侧凹部4g的底面分别形成所述的弹性体4b、4c的正极侧倾斜面4b-3及负极侧倾斜面4c-3。
而且，如图8A～图8C所示，所述框体2上至少设置各一对的燃料气体用歧管孔15b、氧化剂气体用歧管孔15a、冷却水用歧管孔15c，此外，具有用于将单个电池单元20之间紧固的螺栓(未图示)贯通的多个贯通孔16。从所述框体2的一对氧化剂气体用歧管孔15a向负极电极1c供给并排出氧化剂气体。从所述框体2的燃料气体用歧管孔15b向正极电极1b侧供给并排出燃料气体。此外，从一对冷却水用歧管孔15c向邻接的单个电池单元20之间的隔板5b、5c相互对置的背面间供给并排出冷却水。
如图8C所示，框体2进而在负极电极1c所位于的一侧的表面上即框体组装面9上，以平面为矩形框状、剖面为半圆形状的凸部的方式，形成衬垫(gasket)3c，该衬垫3c包括氧化剂气体用歧管孔15a及氧化剂气体流路(气体流路部)2y，并且在负极电极1c中，包围氧化剂气体通过的整个区域地形成氧化剂气体用歧管。此外，如图8B所示，在框体2的正极电极1b所位于的一侧的表面上即框体组装面9上，以平面为矩形框状、剖面为半圆形状的凸部的方式，形成衬垫3b，该衬垫3b包括燃料剂气体用歧管孔15b及燃料气体流路(气体流路部)2x，并且在正极电极1b中，包围燃料气体通过的整个区域地形成燃料剂气体用歧管。此外，所述衬垫3b、3c分别与所述各个气体通过的区域(歧管)隔离地仅包围冷却水用歧管孔15c。从而在单个电池单元组装后，衬垫3b、3c分别插入并抵接于隔板5b、5c的隔板组装面10的凹部5d、5e内而弹性变形，由此负极侧与正极侧分别独立地防止燃料气体及氧化剂气体的泄漏以及冷却水的泄漏(参照图4D及图4H等)。
此外，在MEA(膜电极复合体)15的负极电极1c的面中，从氧化剂气体用歧管孔15a向负极电极1c侧的气体流路19，如图9A及图9B所示，将作为框状的负极侧弹性体4c中的一部分，且与框体2的气体流路部2y相当的气体流路部分4c-1降低到与框体2的厚度相同的程度，并且，在与该负极侧弹性体4c的气体流路部分4c-1相对的负极侧隔板5c的气体流路部上形成有气体流路部用凹部5c-1(图8A中，由标记5c-1表示的平行四边形的斜线部分的凹部，实际上该斜线部分为空间。)。从而，在单个电池单元组装后，在负极侧弹性体4c的气体流路部分4c-1与负极侧隔板5c之间能够确实地形成气体供给用的空间。而且，优选在负极侧弹性体4c的气体流路部分4c-1的近旁，不设置负极侧肋4e，从而确保气体流路。
此外，正极侧也是同样的构造，在MEA(膜电极复合体)15的正极电极1b的面中，从燃料气体用歧管孔15b向正极电极1b侧的气体流路19，将作为框状的正极侧弹性体4b中的一部分且与框体2的气体流路部2x相当的气体流路部分4b-1(与图8A及图8C的气体流路部分4c-1同样的部分，参照8B)降低到与框体2的厚度相同的程度，并且，在与该正极侧弹性体4b的气体流路部分4b-1相对的正极侧隔板5b的气体流路部上，形成有气体流路部用凹部5b-1(与图8A的气体流路部用凹部5c-1同样的部分，未图示)。从而，在单个电池单元组装后，在正极侧弹性体4b的气体流路部分4b-1与正极侧隔板5c之间能够确实地形成气体供给用的空间。而且，优选在正极侧弹性体4b的气体流路部分4b-1的近旁，不设置负极侧肋4d，从而确保气体流路。
作为所述弹性体4b、4c及所述肋4d、4e的材料的一例，优选热可塑性树脂弹性材料。其理由是如果弹性体4b、4c使用热固化性树脂，则因为流动性非常差，有可能热固化性树脂浸渍到电极1b、1c的内部(参照箭头66)而减小电极1b、1c的部分的有效面积(参照图8D)。与此相反，如果如本实施方式地在弹性体4b、4c中使用热可塑性树脂，则在成形时流动的熔融树脂接触到电极1b、1c，急速地冷却固化，从而不会浸渍到电极1b、1c的内部，不会对电极1b、1c的部分的有效面积造成不良影响，并且，利用成形压力，可以发挥能够形成与框体2和电极1b、1c的接合部分的形状一致的致密的密封件(换言之，复写性好的期望形状的密封件)的效果。
作为弹性体、肋、衬垫的具体材料的例，举出有作为烯烃系热可塑性树脂弹性材料的一种的三井化学株式会社制的米拉斯韬码(ミラストマ一、注册商标)的高硬度牌号的M3800。此外，在弹性体及肋中，作为用于分别更确实地进行弹性变形的条件，只要具有由JIS K 6253(ISO 7619)规定的A50～A90或D37～D60的弹性即可。
作为框体2的具体的材料，是株式会社普莱姆泡力玛(プラィムポリマ)的R-250G或350G，作为隔板5b、5c可以使用对金属例如不锈钢(SUS)实施镀金的表面处理，或在钛的表面实施镀金的表面处理等，作为隔板5b、5c的具体材料的例子，举出有外形尺寸120mm×120mm，厚度3.0mm的树脂浸渍石墨板(东海炭素(株)制珐琅碳精)。而且，特别作为汽车用材料，优选在不锈钢(SUS)上实施表面处理后的金属隔板。
此外，作为框体2存在的效果，除能够有效地构成歧管外，部件的处理变得容易，及由框体2能够挡止隔板5b、5c，由此能够将隔板5b、5c与电极1b、1c的接触压力保持在最佳。例如，如图8E所示，没有框体2，直接在高分子电解质膜1a上配置衬垫3b、3c的情况下，如图8F(初始时)及8G(长期使用后)所示，因为电极1b、1c软，如果衬垫3b、3c由于长期使用而损坏，则隔板5b、5c之间的间隔尺寸逐渐变小，隔板5b、5c强烈地抵接于电极1b、1c(参照箭头67)。此时，如图8H及图8I所示，能够将隔板5b、5c挡止于框体2，对于长期压缩负载，能够使隔板5b、5c间的间隔尺寸68稳定。
如果在单个电池单元20组装时，隔板5b、5c叠层于电极-膜-框接合体15，则如图3B、图4G、图4H所示，弹性体4b、4c和肋4d、4e被隔板5b、5c分别压缩。其结果利用弹性体4b、4c的压缩力，沿高分子电解质膜1a的厚度方向，对高分子电解质膜1a进行加压，因此即使高分子电解质膜1a与弹性体4b、4c不接触，由该加压力和弹性体4b、4c的弹力，确实地密封弹性体4b、4c与高分子电解质膜1a的间隙12(参照图3A)。此外，利用隔板5b、5c与框体2之间的弹性体4b、4c与肋4d、4e的弹性变形，正极电极1b的外缘与负极电极1c的外缘分别与框体2的内缘2b、2c之间的间隙6(参照图3D)比所述现有例大幅减小，即，能够大幅地减小间隙6的空间或者能够消除间隙6。
从而，根据所述第一实施方式，在保持高分子电解质膜1a的框体2的内侧的缘部分别具备：平面框状的正极侧弹性体4b和平面框状的负极侧弹性体4c，以及并每隔规定间隔地配置的多个正极侧肋4d和负极侧肋4e。因此，在单个电池单元20的组装时，在框体2与正极侧隔板5b之间，使正极侧弹性体4b与正极侧肋4d分别在相对于所述电极-膜-框接合体15的厚度方向交叉的方向上弹性变形，弹性变形的部分分别进入邻接的正极侧肋4d间的空间即正极侧凹部(压缩体积进入部)4f内，弹性变形的正极侧弹性体4b与弹性变形的正极侧肋4d大体连续地与框体2和正极侧隔板5b之间紧密接触并密封，由此能够达到密封效果。此外，在负极侧也同样地，在单个电池单元20的组装时，在框体2与负极侧隔板5c之间，使负极侧弹性体4c与负极侧肋4c分别弹性变形，弹性变形的部分分别进入邻接的负极侧肋4c间的空间即负极侧凹部(压缩体积进入部)4g内，弹性变形的负极侧弹性体4c与弹性变形的负极侧肋4e大体连续地与框体2和负极侧隔板5c之间紧密接触并密封，由此能够达到密封效果。
其结果，利用弹性变形后的正极侧弹性体4b、弹性变形后的正极侧肋4d、弹性变形后的负极侧弹性体4c和弹性变形后的负极侧肋4e，分别密封框体2与正极侧隔板5b及负极侧隔板5c之间，并能够有效地抑制从高分子电解质膜1a与框体2之间的间隙12(参照图3A)排气的交叉泄漏现象(在现有例中，产生如图8A箭头18所示的交叉泄漏的现象)，并且，能够分别抑制沿框体2的缘部的还原剂气体11a的短路的流动及沿框体2的缘部的氧化剂气体11b的短路的流动(参照图3A)，并且能够进一步提高还原剂气体11a和氧化剂气体11b的各自的利用率，从而能够进一步改善高分子电解质型燃料电池的性能。
(第二实施方式)
图5A表示具备本发明的第二实施方式涉及的燃料电池用电池组的燃料电池的单个电池单元的概略结构的概略剖面图。
在该第二实施方式中，不是在所述第一实施方式的所述单个电池单元中，在平面上全周框状地设置正极侧隔板5b的倾斜面5f和负极侧隔板5c的倾斜面5g，而是部分地设置。此外，在所述第一实施方式中，所述的弹性体4b、4c的正极侧倾斜面与负极侧倾斜面作为正极侧凹部4f的底面与负极侧凹部4g的底面，但并不限定于此，也可作为正极侧肋4d的表面或负极侧4e的表面处理。此外，正极侧凹部4f的底面与负极侧凹部4g的底面或者正极侧肋4d的表面与负极侧肋4e的表面并不限定于分别与隔板5b、5c的倾斜面5f、5g大致平行地形成，多少倾斜角度不同也可，重要的是，在单个电池单元组装时，只要能够利用如所述的正极侧肋4d和负极侧肋4e的弹性变形达到密封效果即可。
如果如此地设定，则电极-膜-框接合体15与隔板5b、5c叠层时，不仅弹性体4b、4c的上表面，即使弹性体4b、4c的倾斜面侧也能够利用正极侧肋4d和负极侧肋4e稳定地密封，因此还原剂气体11a及氧化剂气体11b的各自的阻断性进一步提高。此外，这些倾斜面在单个电池单元组装时，也能够起到容易地将电极-膜-框接合体15与隔板5b、5c相对的定位的引导功能，从而能够使组装性提高。
(变形例)
而且，本发明并不限定于所述多个实施方式，也可由其它种种方式来实施。
例如，在所述各个实施方式的高分子电解质膜1a中，在由弹性体4b、4c成形一体化的范围以上，为保护正极电极1b及负极电极1c，进一步有一层增强膜13(参照图5A及图5B)，也可得到同样的效果。
此外，作为其它的变形例，在所述各个实施方式中，在配置有正极侧弹性体4b、负极侧弹性体4c的部分，利用该弹性变形效果，得到与衬垫3b、3c同样的气体的密封效果，因为还原剂气体11a及氧化剂气体11b分别被密封，因此，在外周上不配置衬垫3b、3c的构造也可。
此外，作为其它的变形例，在所述各个实施方式中，如图6所示，将与弹性体4b或4c同样的弹性体4h仅在框体2的正极侧的框体安装面9或负极侧的框体安装面9的一方，全周或者部分地配置，并在正极侧的框体组装面9或者负极侧的框体组装面9的另一方上，为承受隔板5b、5c叠层时的弹性体4h的压缩压，形成将框体2向内缘方向的中心侧延长的延长部2h也可。如此地，弹性体4h即使在单侧，也得到相应的效果，并且因为只要在所述电极-膜-框接合体15的所述正极侧的框体组装面9或所述阴极侧的框体组装面9的一方侧，因此，制造上容易。在此情况下，为形成延长部2h，如图6所示，使负极电极1c的外缘的位置位于正极电极1b的外缘的位置的内侧。
而且，在该别的变形例及其他的变形例或实施方式(除图5A及图5B以外)中没有增强膜13。
此外，作为其它的变形例，在所述各个实施方式中，图7A通过将所述单侧的弹性体4b、4c与所述电极-膜-框接合体的框体2的正极侧的框体组装面9和负极侧的框体组装面9相互错开位置，易于承受一体化成形时的成形压力，并能够减小相对于成形时的成形压力的弹性体4b、4c的各自的耐变形强度，提高单个电池单元20的设计自由度。在该情况下的弹性体4b、4c在全周或者部分地配置均可。在该情况下，为形成延长部2h，如图7A所示，使负极电极1c的外缘的位置位于正极电极1b的外缘的位置的内侧。
作为更具体的例子，如图7A所示，为使负极电极1c的外缘的位置位于正极电极1b的外缘的位置的内侧，从而使弹性体4b、4c的位置错开，如图7B～图7D所示，也可使正极电极1b与负极电极1c的大小不同。作为一例，可以使正方形的负极电极1c大于正方形的正极电极1b。
根据此种图7B～图7D的结构，是图7A的其它的变形例的基本的代表例，是将弹性体4b、4c分别简单地配置于框体2的全周的形状，构造简单。
此外，作为其它的具体的例子，如图7A所示，为使负极电极1c的外缘的位置位于正极电极1b的外缘的位置的内侧，从而使弹性体4b、4c的位置错开，如图7E～图7G所示，正极电极1b与负极电极1c的大小相同，但使配置位置相互不同也可。作为一例，在图7中，可以使正方形的负极电极1c与相同大小的正方形的正极电极1b在图7F中倾斜方向上相互错开位置。
根据此种图7E～图7G的结构，具有以下的效果。即，在图7B～图7D的结构中，正极电极1b与负极电极1c的大小不同，与此相反，根据图7E～图7G的结构，因为只要准备一种冲压模即可，在电极制作上容易，并且弹性体4b、4c的周长相同，能够使成形性提高。
另外，作为进而其他的具体例，如图7A所示，为了错开负极电极1c的外侧的弹性体4c的位置和正极电极1b的外侧的弹性体4b的位置，如图7H～图7J所示，使正极电极1b和负极电极1c的大小不同，并且不是分别形成为四边形，而是形成为使凸缘部部分地交替突出地形成的形状，且将配置于正极电极1b和负极电极1c的各外侧的弹性体4b、4c的配置位置不是形成为正方形，而是配置为沿各电极1b、1c的外缘的锯齿状也可。作为一例，负极电极1c形成为比正极电极1b大，并且，沿负极电极1c的外缘配置为锯齿状的弹性体4c和沿正极电极1b的外缘配置为锯齿状的弹性体4b相互以规定间隔分别交叉而交替位于内侧和外侧也可。还有，图7I是单个电池单元的组装前且弹性体成形前的概略剖面图，弹性体4b成形用的间隙6i和弹性体4c成形用间隙6j连续而形成框状。图7J是这些框状间隙6i、6j中分别形成有弹性体4b、4c而形成的状态的概略剖面图。
根据这样的图7H～图7J的构成可知，与图7E～图7G的例子相比，能够使正极电极1b和负极电极1c的中心一致，制品整体的协调性良好。
还有，作为进而其他的具体例，如图7A所示，为了错开负极电极1c的外侧的弹性体4c的位置、和正极电极1b的外侧的弹性体4b的位置，如图7K～图7M所示，使长方形的正极电极1b和长方形的负极电极1c的大小不同，并且，在正极电极1b的长边(或短边)中，负极电极1c明显地突出也可。
如上述各种记载，通过错开正极电极1b侧的弹性体4b和负极电极1c侧的弹性体4c的位置，容易受到一体化成形时的成形压力，能够减小相对于成形时的成形压力的弹性体4b、4c各自的耐变形强度，而且，还能够防止高分子电解质膜1a的变形，对上述情况进行详细说明。
如图11A所示，在正极电极侧的弹性体4b和负极电极侧的弹性体4c的位置没有错开的情况下，在正极电极侧的金属模61b内配置正极电极1b，在负极电极侧的金属模61c内配置负极电极1c，在正极电极侧的金属模61b和负极电极侧的金属模61c之间包夹框体2及高分子电解质膜1a，由此将正极电极侧的金属模61b和负极电极侧的金属模61c如图11所示地靠模。其次，如图11C所示，若向靠模的正极电极侧的金属模61b和负极电极侧的金属模61c内注入熔融树脂，在弹性体4b和4c对置的部分的腔61g中，熔融树脂只在高分子电解质膜1a受到其压力。这样，高分子电解质膜1a没有强度，因此，如图11C的参照符号62所示，由于熔融树脂的压力，高分子电解质膜1a可能变形。
对此，如图11D所示，错开正极电极侧的弹性体4b和负极电极侧的弹性体4c的位置的情况下，在正极电极侧的金属模61d内配置正极电极1b，在负极电极侧的金属模61e内配置负极电极1c，在正极电极侧的金属模61d和负极电极侧的金属模61e之间包夹框体2及高分子电解质膜1a，由此，将金属模61d和金属模61e如图11E所示地靠模。其次，如图11F所示，若向靠模框体2正极电极侧的金属模61d和负极电极侧的金属模61e内注入熔融树脂，则在弹性体4b的腔61h中，位于高分子电解质膜1a的背后的正极电极侧的金属模61e承受熔融树脂，在弹性体4c的腔61i中，位于高分子电解质膜1a的背后的框体2的延长部2h及正极电极侧的金属模61d承受熔融树脂。从而，受到成形时的树脂压力的面为金属模或由金属模支撑的框体2，因此，高分子电解质膜1a不变形。
另外，作为进而其他的变形例，在所述各自的实施方式中，如图10A及10B所示，将所述弹性体4b、4c不配置于框体2，而配置于隔板5b、5c也可。
另外，作为进而其他的变形例，在所述各自的实施方式中，如图10C及图10D所示，将所述弹性体4b、4c配置于框体2，并且，将能够与弹性体4b、4c接触而压接的弹性体45b、45c配置于隔板5b、5c也可。配置于隔板5b、5c的弹性体45b、45c具有与隔板5b、5c的倾斜面同样的倾斜面45b-1、45c-1，并发挥同样的功能。
实施例1
对使用所述第一实施方式涉及的高分子电解质型燃料电池的实施例进行说明。
图5A及图8A中，例如由杜邦(Dupont)公司的那非安(Nafion(注册商标)的N-117)50μm厚的树脂材料利用汤姆逊模(トムソン型)拉拔形成高分子电解质膜1a。在该高分子电解质膜1a的面上分别接合正极电极1b、负极电极1c，作为该高分子电解质膜1a-电极接合体15的嵌入部件，使用添加玻璃纤维的聚丙烯(例如，出光石油化学株式会社R250G)，利用树脂成形而形成框体2。
如此地形成的框体2中，如图8A所示，设置至少各一对的燃料气体用歧管孔15b、氧化剂气体用歧管孔15a、冷却水用歧管孔15c，此外，具有用于使紧固电池单元的螺栓贯通的多个贯通孔16。
框体2进而在负极电极1c所位于的一侧的表面上即框体组装面9上具有衬垫3c，该衬垫3c包括氧化剂气体用歧管孔15a及氧化剂气体流路2y，并且在负极电极1c中，包围氧化剂气体通过的整个区域，并且包围冷却水用歧管孔15c。此外，在框体2的正极电极1b所位于的一侧的表面上即框体组装面9上同样地具有衬垫3b，该衬垫3b包括燃料剂气体用歧管孔15b及燃料气体流路2x，并且在正极电极1b中，包围燃料气体通过的整个区域并且包围冷却水用歧管孔15c。此外，在正极电极1b及负极电极1c的两面，从燃料剂气体用歧管孔15b及氧化剂气体用歧管孔15a分别向电极侧的气体流路19，如图9所示，将框状的弹性体4b、4c中的一部分且与框体2的气体流路部2x、2y相当的气体流路部分4b-1、4c-1降低到与框体2的厚度相同的程度，并且，在与该弹性体4b、4c的气体流路部分4b-1、4c-1相对的隔板5b、5c的气体流路部中形成气体流路部用凹部5b-1、5c-1，形成用于在气体流路方向增强的肋4d、4e。
在该实施例中，各电极1b、1c的外缘为120mm角，厚度为0.5mm，框体2的厚度为2mm，内缘为125mm角。并且，在该电极的外缘与框体的内缘之间，通过成形热可塑性树脂弹性材料，将电极1b、1c与框体2一体化。作为弹性体4b、4c使用热可塑性树脂弹性材料，初始厚度2.2mm，通过由隔板5b、5c将弹性体4b、4c向隔板5b、5c接合的接合面设定为与框体2同一个面，叠层时的弹性体压缩量在正极电极侧、负极电极侧分别设定为0.10mm。
作为弹性体4b、4c的内缘侧向电极面侧倾斜的倾斜面，相对于高分子电解质膜1a的正交方向，倾斜30度地形成。
通过由正极侧用隔板5b与负极侧用隔板5c从两侧夹住如以上制作的电极-膜-框接合体15，形成单个电池单元20。
叠层50个此种单个电池单元20，并在叠层后的50个电池单元的两端部，以金属制的集电板21和电绝缘材料的绝缘板22，进而端板23和紧固螺栓来固定，通入氢和空气，使冷却水循环进行电池试验，其结果，与没有弹性体的情况相比较，能够使气体利用率提高6％。
而且，通过适宜地组合所述各种实施方式中的任意的实施方式，能够达到各自具有的效果。
工业上的可利用性
本发明涉及的固体高分子电解质型燃料电池作为能够有效地抑制从高分子电解质膜与框体之间的间隙漏气的交叉泄漏现象，并且，能够使还原剂气体与氧化剂气体的各自的利用率提高，以及能够进一步改善高分子电解质型燃料电池的性能的燃料电池有用。
本发明参照附图与优选实施方式相关地充分的记述，但对于熟练该技术的人，各种变形和修改是清楚的。此种变形或修改只要不脱离由权利要求的范围限定的本发明的范围，均应理解为包含在其中。

Claims (17)

1.一种固体高分子电解质型燃料电池，其叠层单电池模块而构成，所述单电池模块被构成为，具备：
电极-膜-框接合体，其包括：电极部，该电极部由正极电极接合于高分子电解质膜的单侧的面，且负极电极接合于所述电解质膜的另一侧的面而构成；歧管形成用框体，该歧管形成用框体设置于所述电极部的周缘部，且具备分别向所述正极电极及所述负极电极供给燃料气体及氧化剂气体的气体供给部；一对隔板，其从正极侧及负极侧夹住所述电极部及所述电极-膜-框接合体，其中，
在所述电极部的外缘与所述框体的内缘之间设置弹性体，该弹性体与所述框体一体地接合，并且具有单电池模块组装后的所述电极-膜-框接合体与所述隔板的间隔尺寸以上的长度，在所述单电池模块组装后，所述弹性体在所述电极-膜-框接合体的厚度方向弹性变形，从而将所述电极-膜-框接合体与所述隔板之间密封。
2.根据权利要求1所述的固体高分子电解质型燃料电池，其中，
在所述弹性体上具备与所述隔板接触，并可弹性变形的多个短路防止用肋，在所述单电池模块组装后，所述肋在相对于所述电极-膜-框接合体的厚度方向交叉的方向上弹性变形。
3.根据权利要求2所述的固体高分子电解质型燃料电池，其中，
在所述多个肋之间具备所述肋的弹性变形的部分及所述弹性体的弹性变形的部分进入的凹部，并使所述弹性体的弹性变形的部分及所述肋的弹性变形的部分延伸到所述凹部内。
4.根据权利要求2所述的固体高分子电解质型燃料电池，其中，
所述弹性体在所述气体供给部附近，具有不足所述单电池模块组装后的所述电极-膜-框接合体与所述隔板的间隔尺寸的长度，且在所述弹性体与所述隔板之间形成气体供给用的空间。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的固体高分子电解质型燃料电池，其中，
所述弹性体仅配置于所述电极-膜-框接合体的所述正极侧或所述负极侧的一方侧，在所述电极-膜-框接合体的另一方侧具有延长部，该延长部将所述框体向内缘方向的中心侧延长而形成，承受隔板叠层时的所述弹性体的压缩压。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的固体高分子电解质型燃料电池，其中，
所述弹性体分别配置于所述电极-膜-框接合体的所述正极侧和所述负极侧，并且，将所述正极侧的所述弹性体的位置与所述负极侧的所述弹性体的位置交替错开地配置。
7.根据权利要求5所述的固体高分子电解质型燃料电池，其中，
所述弹性体分别配置于所述电极-膜-框接合体的所述正极侧和所述负极侧，并且，将所述正极侧的所述弹性体的位置与所述负极侧的所述弹性体的位置交替错开地配置。
8.根据权利要求6所述的固体高分子电解质型燃料电池，其中，
将接合于所述高分子电解质膜的一方的面的所述正极电极的外缘的位置与接合于所述高分子电解质膜的另一方的面的所述负极电极的外缘的位置交替错开地配置，由此，将所述正极侧的所述弹性体的位置与所述负极侧的所述弹性体的位置交替错开地配置。
9.根据权利要求7所述的固体高分子电解质型燃料电池，其中，
将接合于所述高分子电解质膜的一方的面的所述正极电极的外缘的位置与接合于所述高分子电解质膜的另一方的面的所述负极电极的外缘的位置交替错开地配置，由此，将所述正极侧的所述弹性体的位置与所述负极侧的所述弹性体的位置交替错开地配置。
10.根据权利要求1～4中任一项所述的固体高分子电解质型燃料电池，其中，
所述框体在所述负极电极所位于的一侧的表面即框体组装面上突出地形成衬垫，该衬垫包括氧化剂气体用歧管孔及氧化剂气体流路，且在所述负极电极中包围氧化剂气体通过的整个区域地形成氧化剂气体用歧管，并且所述框体的所述正极电极所位于的一侧的表面即另外的框体安装面上突出地形成衬垫，该衬垫包括燃料气体用歧管孔及燃料气体流路，且在所述正极电极中包围燃料气体通过的整个区域地形成燃料剂气体用歧管，在所述单电池模块组装后，所述各个衬垫在所述框体的厚度方向上弹性变形而将所述框体与所述隔板之间密封。
11.根据权利要求5所述的固体高分子电解质型燃料电池，其中，
所述框体在所述负极电极所位于的一侧的表面即框体组装面上突出地形成衬垫，该衬垫包括氧化剂气体用歧管孔及氧化剂气体流路，且在所述负极电极中包围氧化剂气体通过的整个区域地形成氧化剂气体用歧管，并且在所述框体的所述正极电极所位于的一侧的表面即另外的框体安装面上突出地形成衬垫，该衬垫包括燃料气体用歧管孔及燃料气体流路，且在所述正极电极中包围燃料气体通过的整个区域地形成燃料剂气体用歧管，在所述单电池模块组装后，所述各个衬垫在所述框体的厚度方向上弹性变形而将所述框体与所述隔板之间密封。
12.根据权利要求6所述的固体高分子电解质型燃料电池，其中，
所述框体在所述负极电极所位于的一侧的表面即框体组装面上突出地形成衬垫，该衬垫包括氧化剂气体用歧管孔及氧化剂气体流路，且在所述负极电极中包围氧化剂气体通过的整个区域地形成氧化剂气体用歧管，并且在所述框体的所述正极电极所位于的一侧的表面即另外的框体安装面上突出地形成衬垫，该衬垫包括燃料气体用歧管孔及燃料气体流路，且在所述正极电极中包围燃料气体通过的整个区域地形成燃料剂气体用歧管，在所述单电池模块组装后，所述各个衬垫在所述框体的厚度方向上弹性变形而将所述框体与所述隔板之间密封。
13.根据权利要求7所述的固体高分子电解质型燃料电池，其中，
所述框体在所述负极电极所位于的一侧的表面即框体组装面上突出地形成衬垫，该衬垫包括氧化剂气体用歧管孔及氧化剂气体流路，且在所述负极电极中包围氧化剂气体通过的整个区域地形成氧化剂气体用歧管，并且在所述框体的所述正极电极所位于的一侧的表面即另外的框体安装面上突出地形成衬垫，该衬垫包括燃料气体用歧管孔及燃料气体流路，且在所述正极电极中包围燃料气体通过的整个区域地形成燃料剂气体用歧管，在所述单电池模块组装后，所述各个衬垫在所述框体的厚度方向上弹性变形而将所述框体与所述隔板之间密封。
14.根据权利要求8所述的固体高分子电解质型燃料电池，其中，
所述框体在所述负极电极所位于的一侧的表面即框体组装面上突出地形成衬垫，该衬垫包括氧化剂气体用歧管孔及氧化剂气体流路，且在所述负极电极中包围氧化剂气体通过的整个区域地形成氧化剂气体用歧管，并且在所述框体的所述正极电极所位于的一侧的表面即另外的框体安装面上突出地形成衬垫，该衬垫包括燃料气体用歧管孔及燃料气体流路，且在所述正极电极中包围燃料气体通过的整个区域地形成燃料剂气体用歧管，在所述单电池模块组装后，所述各个衬垫在所述框体的厚度方向上弹性变形而将所述框体与所述隔板之间密封。
15.根据权利要求9所述的固体高分子电解质型燃料电池，其中，
所述框体在所述负极电极所位于的一侧的表面即框体组装面上突出地形成衬垫，该衬垫包括氧化剂气体用歧管孔及氧化剂气体流路，且在所述负极电极中包围氧化剂气体通过的整个区域地形成氧化剂气体用歧管，并且在所述框体的所述正极电极所位于的一侧的表面即另外的框体安装面上突出地形成衬垫，该衬垫包括燃料气体用歧管孔及燃料气体流路，且在所述正极电极中包围燃料气体通过的整个区域地形成燃料剂气体用歧管，在所述单电池模块组装后，所述各个衬垫在所述框体的厚度方向上弹性变形而将所述框体与所述隔板之间密封。
16.一种固体高分子型燃料电池，其包括：
高分子电解质膜；
第一电极及第二电极，其夹住所述高分子电解质膜且至少具备气体扩散层；
第一隔板，其具有用于向所述第一电极供给并排出反应气体的流路；
第二隔板，其具有用于向所述第二电极供给并排出反应气体的流路；
框体，其具有配置于所述第一电极及所述第二电极的周缘部的矩形的开口部，其中，
在所述第一电极的外缘与所述框体的第一电极侧的内缘之间设有第一弹性体，
所述第一电极的所述气体扩散层的外缘的至少一部分被配置为，从对置的所述第二电极的所述气体扩散层的外缘向外侧延伸，
所述第一电极的所述气体扩散层的外缘的至少一部分与所述框体的所述第二电极侧的内缘的至少一部分相互相对地配置。
17.根据权利要求16所述的固体高分子型燃料电池，其中，
在所述第二电极的外缘与所述框体的第一电极侧的内缘之间进一步设置第二弹性体。
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