CN110224154B - 装备框架的膜电极组件及其生产方法，以及燃料电池 - Google Patents

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Abstract

装备框架的膜电极组件(10)包括膜电极组件(10a)和框架构件(24)。框架构件(24)包括第一框形板(24a)和第二框形板(24b)。所述第一框形板(24a)的内周部与所述膜电极组件(10a)的外周部连接。第一框形板(24a)的内周部(24an)设置在阳极(20)的外周部(20c)和阴极(22)的外周部(22c)之间。在第二框形板(24b)的内端(24be)和阴极(22)的外端(22e)之间形成间隙(G)。通过粘合剂层(24c)，第一框形板(24a)和第二框形板(24b)在整个周长上连接在一起。

Description

装备框架的膜电极组件及其生产方法，以及燃料电池
技术领域
本发明涉及一种装备框架的膜电极组件，所述装备框架的膜电极组件的生产方法，以及一种燃料电池。
背景技术
一般来说，固体聚合物电解质燃料电池采用固体聚合物电解质膜。固体聚合物电解质膜是聚合物离子交换膜。在燃料电池中，阳极设置在固体聚合物电解质膜的一个表面上，阴极则设置在固体聚合物电解质膜的另一个表面上，以分别形成膜电极组件(membraneelectrode assembly,MEA)。
膜电极组件被夹在隔板(双极板)之间以形成发电电池(单位燃料电池)。在使用中，预先确定数量的发电电池堆叠在一起形成燃料电池堆。例如，燃料电池堆被安装在车辆上以作为车内燃料电池堆。
在近年中，为了减小相对昂贵的固体聚合物电解质膜的使用量并保护具有低强度的薄固体聚合物电解质膜，采用了在其外周包括树脂框架构件的装备框架的MEA。
在美国专利号8,399,150的文件中，垫片或间隔件不是设置在膜的整个周边上，而是设置在单层树脂框架构件的一个表面的一部分上。在该结构中，当树脂框架构件中形成有孔和/或裂缝时，就无法实现所需的气密性能和/或电绝缘性能。此外，在阳极和阴极的压力差的作用下，树脂框架构件容易变形。
在日本特开专利公报No.2013-515348(PCT)中，树脂框架构件由两层板形成。由于电解质膜被插入板之间，所带来的高昂的生产成本是不利的。
发明内容
本发明将这些问题考虑在内，并且本发明的目的在于提供一种装备框架的膜电极组件，提供一种所述装备框架的膜电极组件的生产方法，以及提供一种具有改进耐久性以防止在框架构件中产生孔和/或裂缝的燃料电池，实现不易在阳极和阴极的压力差下变形的结构，并且实现生产成本的降低。
为了实现以上目的，本发明提供一种包括膜电极组件和框架构件的装备框架的膜电极组件。所述膜电极组件包括电解质膜，设置在所述电解质膜的一个表面上的第一电极，以及设置在所述电解质膜的另一个表面上的第二电极。所述第二电极的表面尺寸小于所述第一电极的表面尺寸。所述框架构件设置在所述膜电极组件的外周部的整个周长上。框架构件包括第一框形板和第二框形板。所述第一框形板的内周部与所述膜电极组件的外周部连接。第一框形板和第二框形板在厚度方向上连接在一起。所述第一框形板的内周部设置在所述第一电极的外周部和所述第二电极的外周部之间。在所述第二框形板的内端和所述第二电极的外端形成有间隙，所述第一框形板和所述第二框形板通过粘合剂层而在整个周长上直接连接在一起。
优选地，所述第一框形板的内周部包括在所述膜电极组件的厚度方向上观察时与所述第一电极的外周部重叠的重叠部。
优选地，所述粘合剂层设置在所述第一框形板的与所述第二框形板相邻的整个表面上，并且所述第一框形板的内周部和所述电解质膜的外周部被粘合剂层连接在一起。
优选地，所述第二框形板的内周部包括在所述膜电极组件的厚度方向上观察时与所述第一电极的外周部重叠的重叠部。
优选地，所述第二框形板的与所述第一框形板相邻的整个表面通过粘合剂层而与所述第一框形板直接在整个周长上连接。
此外，本发明还提供一种包括装备框架的膜电极组件和分别堆叠在所述装备框架的膜电极组件的两侧的隔板的燃料电池。所述装备框架的膜电极组件包括膜电极组件和框架构件。所述膜电极组件包括电解质膜，设置在所述电解质膜的一个表面上的第一电极，以及设置在所述电解质膜的另一个表面上的第二电极。所述第二电极的表面尺寸小于所述第一电极的表面尺寸。所述框架构件设置在所述膜电极组件的外周部的整个周长上。框架构件包括第一框形板和第二框形板。所述第一框形板的内周部与所述膜电极组件的外周部连接。第一框形板和第二框形板在厚度方向上连接在一起。所述第一框形板的内周部设置在所述第一电极的外周部和所述第二电极的外周部之间。在所述第二框形板的内端和所述第二电极的外端之间形成有间隙，并且所述第一框形板和所述第二框形板通过粘合剂层而在整个周长上直接连接在一起。
优选地，所述第一电极，所述第一框形板和所述第二电极重叠在一起的重叠部被保持脊状物之间，所述脊状物的其中一个设置在其中一个隔板上并向所述第一电极突出，所述脊状物的另一个设置在另一隔板上并向所述第二电极突出。
优选地，胎圈密封件(bead seal)与每个隔板一体地形成以朝向所述框架构件突出，并且构造成防止反应气体的泄漏，而框架构件的第一框形板和第二框形板重叠在一起的重叠区域在厚度方向上从两侧被保持在其中一个隔板的胎圈密封件和另一个隔板的胎圈密封件之间。
优选地，设置用于每个隔板的由弹性构件制得的固体密封件(solid seal)，所述固体密封件构造成防止反应气体的泄漏，而框架构件的第一框形板和第二框形板重叠在一起的重叠区域在厚度方向上从两侧被保持在其中一个隔板的固体密封件和另一个隔板的固体密封件之间。
优选地,所述第一电极是阳极,而所述第二电极是阴极。
优选地,所述第一电极是阴极,而所述第二电极是阳极。
此外，本发明提供一种所述装备框架的膜电极组件的生产方法。所述装备框架的膜电极组件包括膜电极组件和框架构件。所述膜电极组件包括电解质膜，设置在所述电解质膜的一个表面上的第一电极，以及设置在所述电解质膜的另一个表面上的第二电极。所述第二电极的表面尺寸小于所述第一电极的表面尺寸。所述框架构件设置在所述膜电极组件的外周部的整个周长上。框架构件包括第一框形板和第二框形板，所述第一框形件的内周部与所述膜电极组件的外周部连接。第一框形板和第二框形板在厚度方向上连接在一起。方法包括以下步骤，通过提供粘合剂板来提供第一板作为被形成框形之前的所述第一框形板，所述粘合剂板具有在第一板的一整个表面上涂覆的粘合剂，通过提供作为第二板的第二框形板来提供第二板，以及通过粘合剂将所述粘合板和所述第二框形板在第二框形板的整个周长上进行连接来层压所述粘合板和第二框形板。
优选地，装备框架的膜电极组件的生产方法进一步包括以下步骤：通过在第二框形板的内端内侧的位置处在所述粘合剂板中形成开口来将第一板裁剪成框形；并通过将所述第一板的内周部设置在所述第一电极的外周部和所述第二电极的外周部之间，来在所述第二框形板的内端和所述第二电极的外端之间形成间隙的状态下连接膜电极组件MEA的部件，并将所述膜电极组件和框架构件连接在一起。
优选地，所述第一框形板的厚度和所述第二框形板的厚度是相同的。
优选地，所述第二框形板的厚度大于所述第一框形板的厚度。
结合附图，通过以下描述，本发明的上述和其它目的、特征和优点将变得更加明显，在附图中，通过说明性示例示出了本发明的优选实施例。
附图说明
图1示出根据本发明实施例的发电电池的主要部件的分解透视图；
图2为沿图1的II-II线截取的截面图；
图3是示出了装备框架的膜电极组件的第一板提供步骤，第二板提供步骤，以及层压步骤的示意图；
图4A示出了裁剪步骤的示意图；
图4B示出了MEA连接步骤的示意图；以及
图4C示出了所得的装备框架的膜电极组件的立体图。
具体实施方式
如图1和2所示，根据本发明的发电电池(燃料电池)12包括装备框架的膜电极组件10(以下称为“装备框架的MEA 10”)，以及分别设置在所述装备框架的MEA 10的两侧的第一隔板14和第二隔板16。例如，发电电池12是横向伸长(或纵向伸长)的长方形固体聚合物电解质燃料电池。多个发电电池12在以箭头A示出的水平方向上堆叠在一起，或在以箭头C示出的重力方向上堆叠在一起，以形成燃料电池堆11a。例如，所述燃料电池堆11a在燃料电池电动车(未示出)中被安装成车内燃料电池堆。
在发电电池12中，装备框架的MEA 10被夹在第一隔板14和第二隔板16之间。第一隔板14和第二隔板16均具有横向伸长(或纵向伸长)的长方形形状。例如，第一隔板14和第二隔板16均为钢板，不锈钢板，铝板，厚钢板，通过表面处理而具有抗腐蚀表面的金属板，碳构件等。
装备长方形框架的MEA 10包括膜电极组件10a(下文也称“MEA 10a”)。MEA 10a包括电解质膜18，设置在所述电解质膜18的一个表面上的阳极(第一电极)20，以及设置在所述电解质膜18的另一个表面上的阴极(第二电极)22。
例如，电解质膜18是固体聚合物电解质膜(阳离子交换膜)。固体聚合物电解质膜例如通过用水浸渍全氟磺酸(perfluorosulfonic acid)薄膜形成。电解质膜18插入到阳极20和阴极22之间。氟基电解质可以用作电解质膜18。或者，可以使用基于HC(烃)的电解质作为电解质膜18。
阳极20的表面尺寸(外尺寸)大于电解质膜18和阴极22的表面尺寸。因此，阳极20的外端在整个周长上定位在电解质膜18的外端18e以及定位在阴极22的外端22e的外侧。替代于采用上述结构，阳极20的表面尺寸可以小于电解质膜18和阴极22的表面尺寸。
如图2所示，阳极20包括与所述电解质膜18的一个表面18a连接的第一电极催化剂层20a，以及堆叠在所述第一电极催化剂层20a之上的第一气体扩散层20b。第一电极催化剂层20a的表面尺寸和第一气体扩散层20b的表面尺寸是相同的，并且均大于电解质膜18和阴极22的表面尺寸。
阴极22的表面尺寸小于阳极20的表面尺寸。阴极22的外端22e和电解质膜18的外端18e在整个周长上均定位在阳极20的外端20e的内侧。
应当注意的是阴极22的表面尺寸可以大于阳极20的表面尺寸，阴极22的外端22e可以在整个周长上设置在阳极20的外侧20e的外侧。
阴极22包括与电解质膜18的表面18b连接的第二电极催化剂层22a，以及堆叠在第二电极催化剂22a层的第二气体扩散层22b。第二电极催化剂层22a的表面尺寸，第二气体扩散层22b的表面尺寸，和电解质膜18的表面尺寸是相同的。因此，在MEA 10a的厚度的方向上观察(由箭头A表示)，阴极22的外端22e和电解质膜18的外端18e在整个周长上处于同样的位置。
例如，通过和离子导体聚合物粘结剂一起均匀地沉积在第一气体扩散层20b上的多孔碳颗粒以及支承在多孔碳颗粒上的铂合金形成第一电极催化剂层20a。例如，通过和离子导体聚合物粘结剂一起均匀地沉积在第二气体扩散层22b上的多孔碳颗粒以及支承在多孔碳颗粒上的铂合金形成第二电极催化剂层22a。
第一气体扩散层20b和第二气体扩散层22b均包碳纸或碳布等。第二气体扩散层22b的表面尺寸小于第一气体扩散层20b的表面尺寸。第一电极催化剂层20a和第二电极催化剂层22a分别形成在电解质膜18的两个表面。
装备框架的MEA 10绕着电解质膜18的整个外周形成，并包括与阳极20和阴极22连接的长方形框架构件24。框架构件24包括两个框形板。特别地，框架构件24包括第一框形板24a和第二框形板24b。第一框形板24a包括与MEA 10a的外周部连接的内周部24an。第二框形板24b与第一框形板24a连接。
第一框形板24a和第二框形板24b通过由粘合剂24d制得的粘合剂层24c而在整个周长(在与第一框形板24a相邻的第二框形板24b的整个表面)上连接。通过将第二框形板24b连接到第一框形板24a的外周部，使得第一框形板24a和第二框形板24b连接在一起。在该结构中，所述框架构件24的外周部24g厚于所述框架构件24的内周部(所述第一框形板24a的内周部24an)。
第一框形板24a和第二框形板24b由树脂材料制得。第一框形板24a和第二框形板24b的材料的例子包括PPS(聚苯硫醚)，PPA(聚邻苯二甲酰胺)，PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)，PES(聚醚砜)，LCP(液晶聚合物)，PVDF(聚偏二氟乙烯)，有机硅树脂，氟树脂，m-PPE(改性聚苯醚)树脂，PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)，PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)或改性聚烯烃。
第一框形板24a的内周部24an设置在阳极20的外周部20c和阴极22的外周部22c之间。特别地，第一框形板24a的内周部24an插入阳极20的外周部20c和电解质膜18的外周部18c之间。第一框形板24a的内周部24an和电解质膜18的外周部18c通过粘合剂层24c连接在一起。
第一框形板24a的内周部24an和电解质膜18的外周部18c通过粘合剂层24c连接在一起。第一框形板24a的内周部24an包括重叠部24ak，在MEA 10a的厚度方向上观察，所述重叠部24ak与阳极20的外周部20c重叠。在粘合剂层24c连接至电解质层18的表面18b的情况下(未示出)，第一框形板24a的内周部24an可以插入电解质膜18和阴极22之间。
在与第一框形板24a的内端24ae对应的位置处阳极20设置有台阶。更具体地，阳极20具有倾斜区域21c，所述倾斜区域21c在阳极20与第一框形板24a的内周部24an重叠的区域21a以及阳极20与电解质膜18重叠的区域21b之间，从电解质膜18处倾斜。
阴极22具有从与第一框形板24a的内周部24an重叠的区域23a至其与电解质膜18重叠的区域23b的平坦形状。替代于采用上述结构，阴极22可以在与第一框形板24a的内周部24an重叠的区域23a和与电解质膜18重叠的区域23b之间具有从电解质膜18倾斜的倾斜区域(在与倾斜区域21c相反的方向上倾斜的区域)。
替代于采用上述结构，阳极20具有从与第一框形板24a的内周部24an重叠的区域21a至与电解质膜18重叠的区域21b之间的平坦形状，而阴极22则可以具有在与第一框形板24a的内周部24an重叠的区域23a和与电解质膜18重叠的区域23b之间从电解质膜18倾斜的倾斜区域。
第二框形板24b连接至第一框形板24a的外周部。第二框形板24b的厚度T2大于第一框形板24a的厚度。应当注意的是，第二框形板24b和第一框形板24a的厚度可以是相同的。第二框形板24b的内端24be在整个周长上定位在第一框形板24a的内端24ae的外侧(在远离MEA 10a的方向上)。在整个周长上，在第二框形板24b的内端24be和阴极22的外端22e之间形成间隙G。
第二框形板24b的内端24be在整个周长上定位在阳极20的外端20e的内侧。在以箭头A示出的MEA 10a的厚度方向上，第二框形板24b的内周部具有在整个周长上与阳极20的外周部20c重叠的重叠区域24bk。第二框形板24b的内端24be定位在电解质膜18的外端18e的外侧。
粘合剂层24c设置在第一框形板24a的与第二框形板24b(阴极侧)相邻的整个表面24as上。粘合剂层24c将第一框形板24a的内周部24an和电解质膜18的外周部18c连接。第一框形板24a在间隙G处透过粘合剂层24c而暴露于间隙G。作为粘合剂层24c的粘合剂24d，例如可以采用液体粘合剂或热熔板。粘合剂不限于液体或固体粘合剂，也不限于热塑性或热固性，等等。
阳极20、第一框形板24a和阴极22均重叠在一起的重叠部K被保持在第一隔板14向阳极20突出的脊状物39和第二隔板16向阴极22突出的脊状物37之间。
如图1所示，在发电电池12的由箭头B表示的水平方向上的一端处，设置有含氧气体供应通道30a、冷却剂供应通道32a和燃料气体排出通道34b。含氧气体供应通道30a、冷却剂供应通道32a和燃料气体排出通道34b在由箭头A表示的堆叠方向上延伸穿过发电电池12。含氧气体通过含氧气体供应通道30a供应，而冷却剂通过冷却剂供应通道32a供应。诸如含氢气体的燃料气体通过燃料气体排出通道34b排出。含氧气体供应通道30a、冷却剂供应通道32a和燃料气体排出通道34b沿箭头C所示的竖直方向被布置。
在发电电池12的由箭头B表示的水平方向上的另一端处，设置有用于供应燃料气体的燃料气体供应通道34a，用于排出冷却剂的冷却剂排出通道32b，以及用于排出含氧气体的含氧气体排出通道30b。燃料气体供应通道34a、冷却剂排出通道32b和含氧气体排出通道30b在由箭头A表示的堆叠方向上延伸穿过发电电池12。燃料气体供应通道34a、冷却剂排出通道32b和含氧气体排出通道30b沿箭头C所示的竖直方向来被布置。
第一隔板14在其面对装备框架的MEA 10的表面14a上具有燃料气体流动区域38。燃料气体流动区域38连接燃料气体供应通道34a和燃料气体排出通道34b。特别地，燃料气体流动区域38形成在第一隔板14和装备框架的MEA 10之间。燃料气体流动区域38包括在由箭头B表示的方向上延伸的直流槽(或波浪形流动槽)。
第二隔板16在其面对装备框架的MEA 10的表面16a上具有含氧气体流动区域36。含氧气体流动区域36连接含氧气体供应通道30a和含氧气体排出通道30b。特别地，含氧气体流动区域36形成在第二隔板16和装备框架的MEA 10之间。含氧气体流动区域36包括在由箭头B表示的方向上延伸的多个直流槽(或波浪形流动槽)。
冷却剂流动区域40形成在第一隔板14的表面14b和第二隔板16的表面16b之间。冷却剂流动区域40连接冷却剂供应通道32a和冷却剂排出通道32b。冷却剂流动区域40在由箭头B表示的方向上延伸。
如图2所示，形成燃料气体流动区域38的多个脊状物39设置在第一隔板14的表面14a(面对装备框架的MEA 10的表面)上。脊状物39向阳极20突出并与阳极20接触。形成含氧气体流动区域36的多个脊状物37设置在第二隔板16的表面16a(面对装备框架的MEA 10的表面)上。脊状物37向阴极22突出并与阴极22接触。MEA 10a被保持在脊状物37,39之间。
多个胎圈密封件42以围绕第一隔板14的外周部的方式设置在第一隔板14的表面14a上，用以防止燃料气体泄漏到外部。通过冲压成型来形成胎圈密封件42以使其朝向框架构件24膨胀。内侧的胎圈密封件42围绕燃料气体流动区域38、燃料气体供应通道34a和燃料气体排出通道34b而形成，同时允许燃料气体流动区域38与燃料气体供应通道34a和燃料气体排出通道34b连接。虽然在本实施例中设置有两个胎圈密封件42，但也可以仅设置一个胎圈密封件42。
通过印刷、涂覆等将树脂构件43(或橡胶构件)粘附在每个胎圈密封件42的脊状物的前端表面。胎圈密封件42以气密或液密的形式通过树脂构件43而与第一框形板24a(的与第二框形板24b重叠的区域)接触。树脂构件43可以粘附在第一框形板24a上。
替代于胎圈密封件42，可以设置用于第一隔板14的弹性固体密封件，所述弹性固体密封件例如是弹性橡胶并朝向框架构件24突出。
胎圈密封件44以围绕第二隔板16的外周部的方式设置在第二隔板14的表面16a上，用以防止含氧气体泄漏到外部。通过冲压成型来形成胎圈密封件44以使其朝向框架构件24膨胀。内侧的胎圈密封件44围绕含氧流动区域36、含氧气体供应通道30a和含氧气体排出通道30b而形成，同时允许含氧气体流动区域36与含氧气体供应通道30a和含氧气体排出通道30b连接。虽然在本实施例中设置有两个胎圈密封件44，但也可以仅设置一个胎圈密封件44。
通过印刷、涂覆等将树脂构件45(或橡胶构件)粘附在胎圈密封件44的脊状物的前端表面。胎圈密封件44以气密或液密的形式通过树脂构件45而与第二框形板24b(的与第一框形板24a重叠的区域)接触。树脂构件45可以粘附在第二框形板24b上。
替代于胎圈密封件44，可以设置用于第二隔板16的弹性固体密封件，所述弹性固体密封件例如是弹性橡胶并朝向框架构件24突出。
例如，聚酯纤维，硅树脂，EPDM(三元乙丙橡胶)，FKM(氟橡胶)等被用于树脂构件43,45。树脂构件43,45不是必须的,可以不设置(在这种情况下,胎圈密封件42直接与第一框形板24a接触，而胎圈密封件44直接与第二框形板24b接触)。
胎圈密封件42和胎圈密封件44透过框架构件24而彼此相对。框架构件24的外周部(即第一框形板24a和第二框形板24b彼此重叠的区域)被保持在第一隔板14的胎圈密封件42和第二隔板16的胎圈密封件44之间。在第一隔板14和第二隔板16均设置有上述固体密封件的情况下，框架构件24的外周部(即第一框形板24a和第二框形板24b彼此重叠的区域)被保持在第一隔板14的固体密封件和第二隔板16的固体密封件之间。
将在以下对包括具有上述结构的发电电池12的燃料电池堆11a的运行进行说明。
如图1所示，含氧气体被供应至含氧气体供应通道30a，而诸如氢气的燃料气体则被供应至燃料气体供应通道34a。此外，诸如纯水、乙二醇或油的冷却剂被供应至冷却剂供应通道32a。
因此，含氧气体从含氧气体供应通道30a流到第二隔板16的含氧气体流动区域36中，并由箭头B表示的方向上移动，然后含氧气体被供应至MEA 10a的阴极22。同时，燃料气体从燃料气体供应通道34a流动至第一隔板14的燃料气体流动区域38。燃料气体沿着燃料气体流动区域38而在由箭头B表示的方向上移动，然后燃料气体被供应至MEA 10a的阳极20。
因此，在MEA 10a中，含氧气体被供应至阴极22，而被供应至阳极20的燃料气体部分地在第二电极催化剂层22a和第一电极催化剂层20a的中被电化学反应消耗以产生电能。
然后，在图1中，被供应至阴极22并在阴极22被部分消耗的含氧气体沿着含氧气体排出通道30b而在由箭头A表示的方向上被排出。同样的，被供应至阳极20并在阳极20被部分消耗的燃料气体沿着燃料气体排出通道34b而在由箭头A表示的方向上被排出。
此外，供应至冷却剂供应通道32a的冷却剂流动至第一隔板14和第二隔板16之间的冷却剂流动区域40，然后冷却剂在由箭头B表示的方向上流动。在冷却剂对MEA 10a进行冷却之后，冷却剂通过冷却剂排出通道32b排出。
接下来，将描述生产根据本发明实施例的装备框架的MEA 10的方法。
装备框架的MEA 10的生产方法包括第一板提供步骤，第二板提供步骤和层压步骤(图3)。此外，装备框架的MEA 10的生产方法包括裁剪(图4A)和MEA连接步骤(图4B)。
如图3(左下)所示，在第一板提供步骤中，提供了粘合剂板52，其具有涂覆在第一板50(在第一框形板24a形成框形之前的第一框形板24a)的整个表面50a上的粘合剂24d。尤其是，第一板50从第一卷54展开，并且粘合剂24d在整个板的宽度方向上涂覆在展开的第一板50的一个表面50a上。然后，在板的宽度方向上切割其上涂覆有粘合剂24d的第一板50，以获得矩形粘合剂板52。
如图3(左上)所示，在第二板提供步骤中，提供了第二框形板24b。特别地，第二板58(在第二框形板24b形成框形之前的第二框形板24b)从第二卷56展开，展开的第二板58在板的宽度方向上被切割并裁剪(进行初次裁剪)以在第二板58的中心处形成开口59。以这种方式，获得矩形的第二框形板24b。
然后，如图3(右侧)示出的，在层压步骤中，粘合剂板52和第二框形板24b通过粘合剂24d在第二框形板24b的整个表面上连接在一起。在这种情况下，通过热压将热和负荷施加到粘合剂板52和第二框形板24b，以使粘合剂板52和第二框形板24b连接。在得到的中间构件60中，粘合剂板24d通过第二框形板24b的开口59露出。
然后，如图4A所示，在裁剪步骤中，在粘合剂板52的中心处，在第二框形板24b的内端24be内部形成开口53(进行二次裁剪)。以这种方式，第一板50形成框形。此外，在该裁剪步骤中形成燃料气体供应通道34a，燃料气体排放通道34b，含氧气体供应通道30a，含氧气体排放通道30b，冷却剂供应通道32a和冷却剂排放通道32b。
然后，如图4B所示，在MEA连接步骤中，间隙G(参见图2)设置在第二框形板24b的内端24be与阴极22的(连接到电解质膜18的)外端22e之间。在这种状态下，第一框形板24a的内周部24an设置在阳极20的外周部20c和阴极22的外周部22c之间，用于连接这些部件。在这种情况下，热和负载被施加到阳极20、第一框形板24a、电解质膜18以及阴极22，以通过热压将这些部件连接在一起。然后，如图4C，框架构件24连接到MEA 10a的外周部，以形成装备框架的MEA 10。
根据本发明实施例的装备框架的MEA 10和发电电池12具有以下优点。
在装备框架的MEA中，第一框形板24a和第二框形板24b通过粘合剂层24c直接在第二框形板24b的整个表面上连接在一起。实现了防止形成框架构件24的孔和/或裂缝的可靠性的提高，并且可以实现在阳极和阴极之间存在压力差的情况下不容易发生变形的结构。也就是说，即使在框架构件24的第一层(第一框形板24a和第二框架形板24b中的一个)中形成孔和/或裂缝的情况下，也可以在第二层(第一框形片24a和第二框形片24b中的另一个)中保持所需的气体屏蔽性能和所需的电绝缘性能。此外，通过设置在第一框形板24a和第二框形板24b之间的整个表面上的粘合剂层24c，可以防止在其中一个板中形成的裂缝扩散到另一个板上。此外，由于在第一框形板24a和第二框架形板24b之间没有设置电解质膜18，因此可以降低生产成本。
粘合剂层24c设置在第一框形板24a的与第二框形板24b相邻的整个表面24as上。粘合剂层24c将第一框形板24a的内周部24an和电解质膜18的外周部18c连接。在该结构中，可以在第一框形板24a的整个表面上涂覆粘合剂层24c，以将第一框形板24a和第二框形板24b粘合在一起，并将第一框形板24a和电解质膜18粘合在一起。因此，实现了生产成本的降低。
胎圈密封件42与第一隔板14和第二隔板16中的每一个一体地形成。胎圈密封件42朝向框架构件24突出，以防止反应气体泄漏。第一隔板14的胎圈密封件42和第二隔板16的胎圈密封件44从两侧沿厚度方向保持框架构件24。在该结构中，相对厚的框架构件24的外周部保持在胎圈密封件42,44之间。因此，可以获得合适的密封表面压力，并可靠地实现合适的密封性能。此外，由于框架构件24的相对薄的内周部位于阳极20和阴极22之间，因此可以有效地抑制框架构件24和MEA 10a之间的连接部分的厚度。
本发明不限于上述实施例。在不脱离本发明的主旨的情况下，可以进行各种修改。

Claims (18)

1.一种装备框架的膜电极组件(10)，其包括：
膜电极组件(10a)，所述膜电极组件(10a)包括电解质膜(18)，设置在所述电解质膜(18)的一个表面上的第一电极(20)，以及设置在所述电解质膜(18)的另一表面上的第二电极(22)，所述第二电极(22)的表面尺寸小于所述第一电极(20)的表面尺寸，以及
设置在所述膜电极组件(10a)的外周部的整个周长上的框架构件(24)；
其中所述框架构件(24)包括第一框形板(24a)和第二框形板(24b)，所述第一框形板(24a)的内周部与所述膜电极组件(10a)的外周部连接，并且所述第一框形板(24a)在厚度方向上与所述第二框形板(24b)连接在一起；
所述第一框形板(24a)的内周部设置在所述第一电极(20)的外周部和所述第二电极(22)的外周部之间；
在第二框形板(24b)的内端和所述第二电极(22)的外端之间形成间隙；
通过粘合剂层(24c)，所述第一框形板(24a)和所述第二框形板(24b)在整个周长上直接连接在一起；
所述第一框形板(24a)的内周部被夹在所述电解质膜(18)的外周部和所述第一电极(20)的外周部之间；以及
所述第二电极(22)的外周部与所述电解质膜(18)的外周部在整个周长上对齐。
2.根据权利要求1所述的装备框架的膜电极组件(10)，其中所述第一框形板(24a)的内周部包括在所述膜电极组件(10a)的厚度方向上观察时与所述第一电极(20)的外周部重叠的重叠部(24ak)。
3.根据权利要求1所述的装备框架的膜电极组件(10)，其中所述粘合剂层(24c)设置在所述第一框形板(24a)的与所述第二框形板(24b)相邻的整个表面上；并且
所述第一框形板(24a)的内周部和所述电解质膜(18)的外周部通过所述粘合剂层(24c)连接在一起。
4.根据权利要求1所述的装备框架的膜电极组件(10)，其中所述第二框形板(24b)的内周部包括在所述膜电极组件(10a)的厚度方向上观察时与所述第一电极(20)的外周部重叠的重叠部(24bk)。
5.根据权利要求1所述的装备框架的膜电极组件(10)，其中所述第二框形板(24b)的与所述第一框形板(24a)相邻的整个表面通过所述粘合剂层(24c)而与所述第一框形板(24a)直接在整个周长上连接。
6.根据权利要求1所述的装备框架的膜电极组件(10)，其中所述第一框形板的厚度和所述第二框形板的厚度是相同的。
7.根据权利要求1所述的装备框架的膜电极组件(10)，其中所述第二框形板的厚度大于所述第一框形板的厚度。
8.一种燃料电池，包括：
装备框架的膜电极组件(10)；以及
隔板(14,16)，其分别堆叠在所述装备框架的膜电极组件(10)的两侧，
所述装备框架的膜电极组件(10)包括：
膜电极组件(10a)，所述膜电极组件(10a)包括电解质膜(18)，设置在所述电解质膜(18)的一个表面上的第一电极(20)，以及设置在所述电解质膜(18)的另一表面上的第二电极(22)，所述第二电极(22)的表面尺寸小于所述第一电极(20)的表面尺寸，以及
设置在所述膜电极组件(10a)的外周部的整个周长上的框架构件(24)；
其中所述框架构件(24)包括第一框形板(24a)和第二框形板(24b)，所述第一框形板(24a)的内周部与所述膜电极组件(10a)的外周部连接，并且所述第一框形板(24a)在厚度方向上与所述第二框形板(24b)连接在一起；
所述第一框形板(24a)的内周部设置在所述第一电极(20)的外周部和所述第二电极(22)的外周部之间；
在第二框形板(24b)的内端和所述第二电极(22)的外端之间形成间隙；
通过粘合剂层(24c)，所述第一框形板(24a)和所述第二框形板(24b)在整个周长上直接连接在一起；
所述第一框形板(24a)的内周部被夹在所述电解质膜(18)的外周部和所述第一电极(20)的外周部之间；以及
所述第二电极(22)的外周部与所述电解质膜(18)的外周部在整个周长上对齐。
9.根据权利要求8所述的燃料电池，其中所述第一电极，所述第一框形板和所述第二电极重叠在一起的重叠部被保持在脊状物之间，所述脊状物的其中一个设置在其中一个隔板上并向所述第一电极突出，所述脊状物的另一个设置在另一隔板上并向所述第二电极突出。
10.根据权利要求8所述的燃料电池，其中胎圈密封件(42,44)与每个所述隔板(14,16)一体形成以朝向所述框架构件(24)突出，并且构造成防止反应气体的泄漏；并且
所述框架构件(24)的所述第一框形板(24a)和所述第二框形板(24b)重叠在一起的重叠区域从两侧在厚度方向上被保持在其中一个隔板(14)的胎圈密封件(42)和另一个隔板(16)的胎圈密封件(44)之间。
11.根据权利要求8所述的燃料电池，其中由弹性构件制得的固体密封件设置用于每个所述隔板(14,16)并且构造成防止反应气体的泄漏；并且
所述框架构件(24)的所述第一框形板(24a)和所述第二框形板(24b)重叠在一起的重叠区域从两侧在厚度方向上被保持在其中一个隔板(14)的固体密封件和另一个隔板(16)的固体密封件之间。
12.根据权利要求8所述的燃料电池，其中所述第一电极(20)是阳极；并且
所述第二电极(22)是阴极。
13.根据权利要求8所述的燃料电池，其中所述第一电极(20)是阴极；并且
所述第二电极(22)是阳极。
14.根据权利要求8所述的燃料电池，其中所述第一框形板的厚度和所述第二框形板的厚度是相同的。
15.根据权利要求8所述的燃料电池，其中所述第二框形板的厚度大于所述第一框形板的厚度。
16.一种装备框架的膜电极组件(10)的生产方法，所述装备框架的膜电极组件(10)包括：
膜电极组件(10a)，所述膜电极组件(10a)包括电解质膜(18)，设置在所述电解质膜(18)的一个表面上的第一电极(20)，以及设置在所述电解质膜(18)的另一表面上的第二电极(22)，所述第二电极(22)的表面尺寸小于所述第一电极(20)的表面尺寸，以及
设置在所述膜电极组件(10a)的外周部的整个周长上的框架构件(24)；
其中所述框架构件(24)包括第一框形板(24a)和第二框形板(24b)，第一框形板(24a)的内周部与膜电极组件(10a)的外周部连接；以及
所述第一框形板(24a)和所述第二框形板(24b)在厚度方向上连接在一起，
所述方法包括以下步骤：
通过提供粘合剂板(52)来提供第一板作为被形成框形之前的所述第一框形板(24a)，所述粘合剂板(52)具有在第一板(50)的一整个表面上涂覆的粘合剂(24d)；
通过提供作为第二板的所述第二框形板(24b)来提供第二板；
通过所述粘合剂(24d)将所述粘合剂板(52)和所述第二框形板(24b)在所述第二框形板(24b)的整个周长上进行连接来层压所述粘合剂板(52)和所述第二框形板(24b)；
通过在所述第二框形板(24b)的内端内侧的位置处在所述粘合剂板(52)中形成开口(53)来将所述第一板(50)裁剪成框形；
通过将所述第一板(50)的内周部设置在所述第一电极(20)的外周部和所述第二电极的外周部(22)之间，来在所述第二框形板(24b)的内端与所述第二电极(22)的外端和所述电解质膜(18)的外端之间形成间隙(G)的状态下连接膜电极组件的部件，并将所述膜电极组件(10a)和所述框架构件(24)连接在一起，
其中，所述连接膜电极组件的部件的步骤包括：
将所述第一框形板(24a)的内周部夹在所述电解质膜(18)的外周部和所述第一电极(20)的外周部之间，以及
将所述第二电极(22)的外周部布置成与所述电解质膜(18)的外周部在整个周长上对齐。
17.根据权利要求16所述的装备框架的膜电极组件(10)的生产方法，其中所述第一框形板的厚度和所述第二框形板的厚度是相同的。
18.根据权利要求16所述的装备框架的膜电极组件(10)的生产方法，其中所述第二框形板的厚度大于所述第一框形板的厚度。
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