CN1536698B

CN1536698B - 燃料电池用电解质膜结构、mea结构及燃料电池

Info

Publication number: CN1536698B
Application number: CN2004100324331A
Authority: CN
Inventors: 小林晋; 松本敏宏; 富泽猛; 粉川胜藏; 神原辉寿
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-04-02
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2024-03-30
Also published as: JP2008293989A; JP5086200B2; US20040234831A1; EP1465272A3; CN1536698A; US7276310B2; EP1465272A2

Abstract

本发明提供了能够在隔离层之间、隔离层与高分子电解质膜之间可靠且方便地进行密封的燃料电池用电解质膜结构、燃料电池用MEA结构、以及燃料电池。本发明的高分子电解质型燃料电池，具备由一对电极层夹着高分子电解质膜构成的MEA、以及夹着所述MEA的，具有气体通道的一对隔离层，所述MEA的周边部与所述一对隔离层之间，设置用于密封所述高分子电解质膜与所述一对隔离层之间以及所述一对隔离层之间的密封结构，在这种燃料电池中，所述密封结构具备覆盖所述周边部将其夹持着的，杨氏模量为2000MPa以上2000000MPa以下的框体、以及在所述框体与所述一对隔离层之间配置的杨氏模量为0MPa以上200MPa以下的弹性体。

Description

燃料电池用电解质膜结构、MEA结构及燃料电池

技术领域

本发明特别是涉及在燃料电池用电解质膜的周边部配置的密封结构得到改良的燃料电池用电解质膜结构、燃料电池用电解质膜-电极接合体结构、以及具备该燃料电池用电解质膜-电极接合体结构的燃料电池。

背景技术

高分子电解质型燃料电池的基本原理是，作为燃料电池用电解质膜的离子交换膜的一个面暴露于燃料气体，另一个面暴露于空气等氧化剂气体，通过离子交换膜进行化学反应，以此合成水，以此发生的反应能量以电气的方式取出。

这样的燃料电池的基本发电元件由有选择地输送氢离子的高分子电解质膜、在高分子电解质膜的两面上形成，以担载铂族金属催化剂的碳粉为主成分的一对催化剂层(阳极催化剂层和阴极催化剂层)、以及夹着该一对催化剂层的一对配置的，同时具有通气性和电子传导性的，主要由碳素纤维形成的气体扩散电极构成。该基本发电元件被称为MEA(membrane-electode-assembly；电解质膜-电极接合体)。在电极的周围夹着高分子电解质膜配置密封垫，以防止提供给电极的燃料气体和氧化剂气体向外泄漏，或防止两种气体混合。该密封垫与MEA通常利用热压方法形成一体。

这样的燃料电池的基本结构是，利用设置燃料气体通道的阳极隔离层和设置空气通道的阴极隔离层，夹着密封垫和MEA形成的结构。

通常在隔离层上设置使燃料气体和氧化剂气体以及冷却水分别流到各隔离层，将其流动目的地直接与隔离板的槽连接用的各一对(根据情况有时是多对)贯通孔(分流器)。利用这种结构，如果是例如燃料气体，就从燃料气体供给分流器分流到阳极隔离层的燃料气体通道，在流过该燃料气体通道的过程中，随着在MEA发生的电池反应而被消耗。这时剩余的燃料气体被废弃于燃料气体排气分流器。这对于氧化剂气体也一样。

燃料电池在发电的同时也发热，因此为了将电池维持于良好的温度状态，有必要用冷却水等进行冷却。因此，通常每1～3个单元在隔离层背面设置冷却水通道作为冷却部。这些MEA、隔离板以及冷却部交叉重叠，通过集电板和绝缘板用端板夹着该叠层体，用系紧螺杆从两端固定，以此得到的是一般的叠层燃料电池的结构。这种叠层燃料电池通常简单地称为组件。

图1是表示已有的组件的结构的立体图。图2是图1的A-A线的向视图。在图1和图2中，为了说明方便将组件的叠层结构的一部分加以分解。又，图3是具备已有的组件的阴极隔离层的空气通道的形式的一个例子的平面图。图4是具备已有的组件的阳极隔离层的氢通道的形式的一个例子的平面图。而图5是适合于图3所示的阴极隔离层和图4所示的阳极隔离层的MEA和密封垫(gasket)的结构平面图。图6是图5的B-B线的向视图。

如图1和图2所示，在长方形的阳极隔离层1和阴极隔离层2的两端部形成氢分流器3、水分流器4、以及空气分流器5。这些阳极隔离层1和阴极隔离层2隔着O形环(水冷面密封构件)8压接。而且在阳极隔离层1的与阴极隔离层2连接的一侧、以及阴极隔离层2的与阳极隔离层1连接的一侧上分别形成冷却水通道9。又，在阳极隔离层1的与阴极隔离层2背离的一侧、形成空气通道10，在阴极隔离层2的与阳极隔离层1背离的一侧上形成氢通道11。还有，这些空气通道10和氢通道11的形式的一个例子分别示于图3和图4。

同时参照图5和图6，如上所述构成的阳极隔离层1和阴极隔离层2形成的叠层体之间，配置由离子交换膜12、在该离子交换膜12的两面上形成的阳极催化剂层13和阴极催化剂层14、以及夹着这些阳极催化剂层13和阴极催化剂层14设置的气体扩散电极7构成的MEA15。又，在气体扩散电极7的周围夹着离子交换膜12的外沿部设置密封垫6，以使提供给气体扩散电极7的氢气和空气不向外泄漏或互相混合。如上所述，这样的MEA15和密封垫6通过热压接方法形成一体。

如上所述的燃料电池中的密封垫的重要问题是，气体的交叉泄漏、也就是燃料气体与氧化剂气体由于密封不全而发生混合的现象，这样的现象与燃料电池的密封结构有密切的关系。如图3和图4所示，在通路直接连接于分流器的形态的情况下可以认为有这样的关系(参照例如专利文献1)。在这样的情况下，从该结构可知，位于MEA的外沿部的密封垫圈在该流入部分只从单侧的隔离层得到支持。从而，在气体的分流器的近旁，气体垫片垂入导电性隔离板的靠通道的一侧，因此，产生了两个泄漏路径。一个是形成单臂结构的密封垫弯入隔离层的通道内，结果与对面的隔离板之间形成间隙构成的泄漏通道。另一个是，通常密封垫与电解质膜贴在一起形成，但是，由于通常电解质膜是变性氟树脂材料构成，所以，两者的接合强度非常弱，所以，如上所述，密封垫发生变形的情况下，电解质膜与密封垫会发生剥离，因此，形成的泄漏路径。

这种交叉泄漏对于燃料电池的功能是极为有害的。例如，根据一个单元的分流器近旁形成的上述交叉泄漏途径，可以想像燃料气体泄漏到氧化剂气体分流器中的情况。在这种情况下，燃料电池在结构上形成密封垫在所有的单元共用的情况，因此，提供给所有的单元的氧化性气体含有燃料气体。其结果是在所有的单元中，电位大幅度下降是当然的，本来由于电池反应而消耗的气体在空气极一侧与氧化剂气体在催化剂作用下燃烧，给高分子电解质膜造成破坏。结果，最终是发生破坏最严重的具有电解质膜的单元中两极气体穿过膜混合在一起，以至于可能发生电池破坏的严重事态。

鉴于这种情况，迄今为止，一直在考虑各种交叉泄漏的防止方法，但是，这些方法专门在隔离层一方的形状上下工夫(例如参见专利文献2)。

图7是下了这样的工夫的已有例的阴极隔离层的结构的一部分的平面图。图8是图7的Z-Z线的向视图。如图7和图8所示，在阴极隔离层2的氢分流器3近旁的氢通道11上嵌入另一片桥式构件11a以此支持密封垫的方法是最简便的，得到广泛应用。

作为与其类似的想法，如图9和图10所示，有使用隔离层水冷面，从各单元的背面使气体通道上升，在分流器近旁，密封垫得到全面支持的形态、所谓水下方式(例如参见专利文献3)。

又，提出了很多像使用例如利用单一材料做成的密封垫圈密封结构，以防止交叉泄漏的方案(例如参见专利文献4、专利文献5、专利文献6)。

专利文献1：特许第2711018号公报

专利文献2：特开2002-203578号公报

专利文献3：特开2002-83614号公报

专利文献4：特表平7-501417号公报

专利文献5：特开平8-45517号公报

专利文献6：特表平8-507403号公报

发明内容

本发明想要解决的课题

但是，在参照图7和图8所说明的方法中，每一单元必须在燃料气体一侧和氧化剂气体一侧的各两个地方进行该处置。因此，需要数百个单元叠层的高分子电解质型燃料电池中，由于从组装精度的观点或组装本身的复杂性看来，这种方法作为大量生产的方法是不接受的。

上述水下方式在根除交叉泄漏这个意义上来说，是极其优异的结构，但是，在组件的叠层结构上，每一单元一定需要一片水冷面，因此存在体积庞大(导致体积电力密度下降)的问题。又，具有如图所示的小贯通孔的形状的隔离层的形成技术是有难度的，不能使用廉价的成型隔离层，存在难以降低成本的问题。

从而，在使用最一般的形态的隔离层的情况下，密封垫本身必须兼备不容易发生弯曲的刚性和作为密封构件的充分的弹性。但是，密封性优异的弹性高的材料缺乏刚性，上述垂入的问题不能解决，又存在机械上的屈服强度差，容易发生蠕变的问题。反之，尺寸精度或机械性能优异的材料几乎不能够期待有好的密封性。也就是说，利用如上所述的单一材料的密封垫的密封结构中，为了满足两种相反的特性用的材料，在材料上受制约大，在实用中实施存在困难。

本发明是鉴于上面所述的情况而作出的，其目的是提供在隔离层之间以及隔离层与燃料电池用电解质膜之间能够可靠而且容易地加以密封的燃料电池用电解质膜结构、燃料电池用电解质膜-电极接合体结构、以及具备该燃料电池用电解质膜-电极接合体结构的燃料电池。

解决课题用的手段

为了解决上述课题，本发明的燃料电池用电解质膜结构具备由一对电极层夹着，构成燃料电池用电解质膜-电极接合体的燃料电池用电解质膜、以及覆盖所述燃料电池用电解质膜的周边部将其夹持着的，杨氏模量为2000MPa以上2000000MPa以下的框体，形成这样的结构，即所述燃料电池用电解质膜-电极接合体由具有气体通道的一对隔离层挟持，所述框体与所述一对隔离层之间配置杨氏模量为0MPa以上200MPa以下的弹性体，以此将所述燃料电池用电解质膜与所述一对隔离层之间以及所述一对隔离层之间加以密封。

又，本发明的燃料电池用电解质膜-电极接合体结构，具备由一对电极层夹着燃料电池用电解质膜构成，所述燃料电池用电解质膜-电极接合体由具有气体通道的一对隔离层挟持着构成的燃料电池用电解质膜-电极接合体、以及覆盖所述燃料电池用电解质膜的周边部将其夹持着的，杨氏模量为2000MPa以上2000000MPa以下的框体，形成这样的结构，即所述框体与所述一对隔离层之间配置杨氏模量为0MPa以上200MPa以下的弹性体，以此将所述燃料电池用电解质膜与所述一对隔离层之间以及所述一对隔离层之间加以密封。

又，本发明的燃料电池用电解质膜-电极接合体结构，具备由一对电极层夹着燃料电池用电解质膜构成，具有气体通道的一对隔离层挟持着构成的燃料电池用电解质膜-电极接合体、以及覆盖所述燃料电池用电解质膜的周边部将其夹持着的，杨氏模量为2000MPa以上2000000MPa以下的框体，在所述框体上设置杨氏模量为0MPa以上200MPa以下的弹性体，形成利用所述框体与所述弹性体将所述燃料电池用电解质膜与所述一对隔离层之间以及所述一对隔离层之间加以密封的结构。

上述发明的燃料电池用电解质膜-电极接合体结构中，最好是上述框体与上述弹性体形成一体。

又，上述发明的燃料电池用电解质膜-电极接合体结构中，最好是上述框体与上述弹性体热粘接在一起。

又，上述发明的燃料电池用电解质膜-电极接合体结构中，最好是上述弹性体覆盖着上述框体的全部表面而配置。

又，上述发明的燃料电池用电解质膜-电极接合体结构中，最好是所述框体利用所述弹性体固定。

又，所述本发明的燃料电池用电解质膜-电极接合体结构中，最好是在所述框体至少设置一个切槽(undercut)，在该切槽充填所述弹性体。

又，本发明的燃料电池，具备由一对电极层夹着燃料电池用电解质膜形成的燃料电池用电解质膜-电极接合体、以及挟持所述燃料电池用电解质膜-电极接合体的，具有气体通道的一对隔离层；在所述燃料电池用电解质膜-电极接合体的周边部与上述一对隔离层之间，设置将上述燃料电池用电解质膜与上述一对隔离层之间以及上述一对隔离层之间加以密封用的密封结构，其特征在于，上述密封结构具备覆盖所述周边部将其夹持的，杨氏模量为2000MPa以上2000000MPa以下的框体、以及在上述框体与上述一对隔离层之间配置的，杨氏模量为0MPa以上200MPa以下的弹性体。

上述本发明的燃料电池中，最好是上述隔离层与上述弹性体形成一体。

又，在上述本发明的燃料电池中，最好是上述弹性体与上述框体形成一体。

又，在上述本发明的燃料电池中，最好是上述弹性体与上述框体热粘接在一起。

又，在上述本发明的燃料电池中，最好是上述弹性体覆盖着上述框体的整个表面而配置。

又，在上述发明的燃料电池中，最好是上述框体利用所述弹性体固定。

又，在上述发明的燃料电池中，最好是在上述框体至少设置一个切槽(undercut)，在该切槽充填所述弹性体。

又，本发明的燃料电池，具备由一对电极层夹着燃料电池用电解质膜构成的燃料电池用电解质膜-电极接合体、以及挟持所述燃料电池用电解质膜-电极接合体的，具有气体通道的一对隔离层；在上述燃料电池用电解质膜-电极接合体的周边部与上述一对隔离层之间，形成将上述燃料电池用电解质膜与上述一对隔离层之间以及上述一对隔离层之间加以密封的结构，其特征在于，具备覆盖上述周边部将其挟持的，杨氏模量为2000MPa以上2000000MPa以下的框体，该框体由杨氏模量为0MPa以上200MPa以下的所述一对隔离层挟持。

还有，本发明的燃料电池，具备由一对电极层夹着燃料电池用电解质膜构成的燃料电池用电解质膜-电极接合体、以及挟持上述燃料电池用电解质膜-电极接合体的，具有气体通道的一对隔离层；在上述燃料电池用电解质膜-电极接合体的周边部与上述一对隔离层之间，设置将上述燃料电池用电解质膜与上述一对隔离层之间以及所述一对隔离层之间加以密封用的密封结构，其特征在于，上述密封结构具备杨氏模量为2000MPa以上2000000MPa以下的第1框体和第2框体、以及杨氏模量为0MPa以上200MPa以下的所述弹性体；上述第1框体和另一方上述隔离层之间、上述第2框体和另一上述隔离层之间、以及上述第1框体和上述第2框体之间配置上述弹性体，上述第1框体和上述第2框体之间配置的弹性体覆盖上述周边部并且将其挟持着。

在上述发明的燃料电池中，最好是上述弹性体覆盖着上述第1框体和上述第2框体的全部表面而配置。

发明效果

本发明的燃料电池用电解质膜结构、燃料电池用电解质膜-电极接合体结构、以及具备该燃料电池用电解质膜-电极接合体结构的燃料电池，容易可靠地将隔离层之间以及隔离层和燃料电池用电解质膜之间加以封闭。

附图说明

图1是表示已有的组件的结构的立体图。

图2是图1的A-A线的向视图。

图3是具备已有的组件的阴极隔离层的空气通道的形式形态的一个例子的平面图。

图4是具备已有的组件的阳极隔离层的氢通道的形式形态的一个例子的平面图。

图5是适合于图3所示的阴极隔离层和图4所示的阳极隔离层的MEA和密封垫(gasket)的结构平面图。

图6是图5的B-B线的向视图。

图7是作为已有例的阴极隔离层的结构的一部分的平面图。

图8是图7的Z-Z线的向视图。

图9是作为已有例的阴极隔离层的结构的一部分的平面图。

图10是图9的Z-Z线的向视图。

图11是本发明实施例1的高分子电解质型燃料电池具备的框体的阳极侧表面的结构的平面图。

图12是本发明实施例1的高分子电解质型燃料电池具备的框体的阴极侧表面的结构的平面图。

图13是本发明实施例1的高分子电解质型燃料电池具备的框体的阳极侧表面上压接阳极隔离层的结构的平面图。

图14是本发明实施例1的高分子电解质型燃料电池具备的框体的阴极侧表面上压接阴极隔离层的结构的平面图。

图15是本发明实施例1的高分子电解质型燃料电池具备的框体和阳极隔离层之间配置的橡胶片的结构的平面图。

图16是本发明实施例1的高分子电解质型燃料电池具备的框体和阴极隔离层之间配置的橡胶片的结构的平面图。

图17是本发明实施例1的高分子电解质型燃料电池的水分流器近旁的结构的部分剖面图。

图18是本发明实施例1的高分子电解质型燃料电池的空气分流器近旁的结构的部分剖面图。

图19是表示本发明实施例1的高分子电解质型燃料电池具备的框体的制作步骤的剖面图。

图20是本发明实施例2的高分子电解质型燃料电池的水分流器近旁的结构的部分剖面图。

图21是本发明实施例2的高分子电解质型燃料电池的空气分流器近旁的结构的部分剖面图。

图22是本发明实施例4的高分子电解质型燃料电池具备的框体的阳极侧表面结构的平面图。

图23是本发明实施例4的高分子电解质型燃料电池具备的框体的阴极侧表面结构的平面图。

图24是本发明实施例4的高分子电解质型燃料电池的水分流器近旁的结构的部分剖面图。

图25是本发明实施例4的高分子电解质型燃料电池的空气分流器近旁的结构的部分剖面图。

图26是本发明实施例5的高分子电解质型燃料电池具备的框体的结构的部分剖面图。

图27是本发明实施例6的高分子电解质型燃料电池具备的框体及弹性体的结构平面图。

图28是图27的Z-Z线的向视图。

图29是本发明实施例7的高分子电解质型燃料电池具备的框体及弹性体的结构的平面图。

图30是图29的Z-Z线的向视图。

图31是本发明实施例9的高分子电解质型燃料电池具备的框体及弹性体的结构的平面图。

图32是图31的Z-Z线的向视图，(a)、(b)是表示制作该结构的步骤的剖面图。

图33是本发明实施例10的高分子电解质型燃料电池具备的框体及弹性体的变形例的结构的平面图。

图34是图33的Z-Z线的向视图，(a)、(b)是表示制作该结构的步骤的剖面图。

图35是本发明实施例1的高分子电解质型燃料电池的水分流器近旁的结构的变形例的部分剖面图。

图36是本发明实施例3的高分子电解质型燃料电池具备的框体的阴极侧表面上压接的阴极隔离层的主要部结构的平面图。

图37是本发明实施例3的高分子电解质型燃料电池的水分流器近旁的结构的部分剖面图。

图38是本发明实施形态5的高分子电解质型燃料电池具备的框体的结构的部分剖面图。

图39是本发明实施形态5的高分子电解质型燃料电池具备的框体的结构的部分剖面图。

其中20为框体；20a、20b为框体；21为空气分流器；22为氢分流器；23为水分流器；24为螺栓孔；25为MEA；26为开口部；30为阳极隔离层；31为空气分流器；32为氢分流器；33为水分流器；34为螺栓孔；35为氢通道；36为阴极隔离层；37为空气分流器；38为氢分流器；39为水分流器；40为螺栓孔；41为空气通道；50为橡胶片；51为空气分流器；52为开口部；53为水分流器；54为螺栓孔；55为橡胶片；56为开口部；57为氢分流器；58为水分流器；59为螺栓孔；61为第1成型部；62为第2成型部；63为高分子电解质膜；64为凹部；70为催化剂层；71为气体扩散电极；81为弹性体；82为槽；84为槽；85为弹性体；86为槽；90为弹性体；90a、90b为弹性体；91为卷边(bead)；91a、91b为卷边(bead)；92a、92b为倾斜部；93a、93b为加强筋(rib)。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的实施形态进行详细说明。

实施形态1

本发明实施形态1的高分子电解质型燃料电池，是在高分子电解质膜的周边部形成夹着该周边部无接缝地将其覆盖的高刚性的框体，以此作为电解质膜结构，隔着弹性体用隔离层夹着该电解质膜结构形成片结构，从而能够防止气体交互泄漏的电池。还有，形成这样的高刚性的框体的最简便的方法是用高刚性的树脂封装覆盖高分子电解质膜的周边部。也就是说，通过将高分子电解质膜作为嵌镶零件的嵌镶成型，容易制成这样的框体。

在这里，为了以实用的系紧负荷组装组件，弹性体的杨氏模量最好是在200MPa以下。这是因为在高分子电解质型燃料电池的情况下，在这种平面结构上对各单元进行密封的密封线的总长度较长。例如家用固定式用(电极面积200平方厘米左右)的单元的情况下，密封线的总长大约2m左右，车用(电极面积1000平方厘米左右)的情况下，也和形状有关系，但大约有10m以上。这样，在密封线的总长较长的情况下，为了用包括加在电极上的负荷的数吨以下的系紧负荷组装组件，在密封线上被允许的线负荷大约应该在10N/mm以下。而且在这种程度的线负荷的情况下为了提供吸收隔离层等其他结构构件的厚度偏差的过盈量(大约0.2～0.3mm)，即使对密封部的形状下功夫，在采用杨氏模量大于200MPa的测量作为弹性体的情况下，是不能够组装成组件的。因此，如上所述在本实施形态中使用的弹性体的杨氏模量最好是在0MPa以上200MPa以下。

还有，杨氏模量200MPa相当于橡胶硬度的杜罗回跳式硬度计硬度D级50左右。因此，通常橡胶或作为弹性体使用的杜罗回跳式硬度计硬度A级的材料当然能够满足这个限制。另一方面，例如，作为密封材料一般使用的PTFE的情况下，杨氏模量为500MPa左右，因此作为在本实施形态中使用的弹性体不合适。

在本实施形态中，弹性体、框体以及隔离层是分别独立的构件，因此，弹性体的制造工艺不存在限制，而且弹性体可以取橡胶片、O型环、或其他合适的形状。而且，弹性体的杨氏模量越高，就要采取宽度越窄的密封线，因此，形状的限制就变得严格。

与如上所述的弹性体，连接的材料最好是采取如下所述的材料。这种框体为了与作为反应场所的高分子电解质膜连接必须具备不容易因吸水而引起尺寸变化和化学上的劣化的化学稳定性。而且，框体必须杨氏模量大、负荷挠曲温度高，以免在通道部下垂进去。又，通常的燃料电池用隔离层的通道宽度为1～2mm左右，框体允许的厚度大约为1mm以下为前提的情况下，受到上述线负荷(10N/mm)时，挠曲位移量最好抑制在上述过盈量的10％以内。从这样的观点出发，最好是框体的材料的杨氏模量至少在2000MPa以上。

又，考虑到电池的工作温度通常在90℃为止的情况下，框体的挠曲负荷温度最好是120℃以上。更具体地说，作为树脂材料，从化学稳定性的观点出发，最好不是非晶态树脂，而是结晶性树脂，即使在其中也是以机械强度大，耐热性高的所谓超级工程塑料级的树脂为合适。因此，例如聚苯硫醚(PPS)、聚醚酮醚(PEEK)、液晶聚合物(LCP)、聚醚腈(PEN)等具有数千到数万MPa的杨氏模量和150℃以上的挠曲负荷温度，是合适的材料。又，即使是通用的树脂，例如，充填玻璃填料的聚丙烯(GFPP)等，具有未充填的PP(杨氏模量1000～1500MPa)的数倍的杨氏模量，而且，具有接近150℃的高挠曲负荷温度，也是合适的材料。

又，如下所述，将杨氏模量比树脂大的金属等嵌入制造框体的方法是理想的方法，金属材料中，杨氏模量最高的钢铁，其杨氏模量高达2000000MPa左右。

根据上面所述，框体材料的杨氏模量最好在2000MPa以上，2000000MPa以下。

下面对本实施形态的实施例进行说明。

实施例1

图11是本发明实施例1的高分子电解质型燃料电池具备的框体的阳极侧表面的结构的平面图。而图12是该框体的阴极侧表面的结构的平面图。

如图11和图12所示，在框体20的中央部设置矩形的开口部26。比该开口部26大规定值的矩形的MEA25，如下所述被框体20所挟持。又，在框体20的周边部适当形成空气分流器21、氢分流器22、水分流器23、以及螺栓孔24。

该框体20是以利用汤姆森模型冲成140mm见方的形状的高分子电解质膜(杜邦公司的Naphion117、50微米厚)作为嵌入构件，利用180吨高速注射成型机形成外形尺寸为200mm×180mm，开口部26的尺寸为124mm见方的构件。又，该框体20形成在0.8mm的基准壁厚部的两个面上有高0.2mm、顶角60°的两条下述卷边(密封加强筋)。

本实施例中，框体20的嵌入成型采用双重成型法。也就是说，如图19(a)所示，首先，只成型框体的一半(第1成型部61)，其后如图19(b)所示，嵌镶高分子电解质膜63。然后，如图19(c)所示，形成其余的一半(第2成型部62)。如图19a所示，在第1成型部61，预先在与嵌镶零件(高分子电解质膜63)连接的其余的整个一周上设置高度为0.2mm、宽度为0.5mm、间距为1mm的凹部64。在这种情况下，在将第2成型部62多层叠层时，作为嵌镶零件的高分子电解质膜63的周边部用用树脂热粘接密封，并且，而且由于注射厚度的关系，该高分子电解质膜63沿着第1成型部61的凹部64变形。因此，高分子电解质膜63不会滑向框体的内部脱出，能够牢固地支持于框体上。但是，在该图19以外的图中，为了方便起见，省略了高分子电解质膜63的周边部具有凹凸，采取了简化的记载。

如上所述，在本实施例中，在制作第1成型部61之后将该第1成型部61放入别的模具中进行嵌镶成型，但是从批量生产的观点看来也可以利用滑动模具或旋转模具，用一个金属模具连续成型。还有，框体20的材料采用添加玻璃添加剂的PPS(大日本墨水株式会社的DI C-PPS FZ1140-B2)，成型条件为注射温度310℃、模具温度135℃、注射压力140MPa、注射速度560mm，以此可以实现充分充填和良好成型。

还有，在本说明书和权利要求书的范围内，将具备这样得到的高分子电解质膜63和框体20的结构称为高分子电解质膜结构，将在构成该高分子电解质膜结构的高分子电解质膜63的两面上如下所述形成电极层的结构称为高分子电解质膜-电极接合体结构。

图11和图12所示的框体20的两面上分别配置隔离层。图13是具备本发明实施例1的高分子电解质型燃料电池的框体的阳极侧的面上压接的阳极隔离层的结构的平面图。又，图14是具备本发明实施例1的高分子电解质型燃料电池的框体的阴极侧面上压接的阴极隔离层的结构的平面图。

如图13所示，在阳极隔离层30的中央部以规定的形式形态形成氢通道35。又，在阳极隔离层30的周边部，分别形成有图11所示的框体20上的空气分流器21、氢分流器22、水分流器23以及与螺栓孔24对应的位置上的空气分流器31、氢分流器32、水分流器33以及螺栓孔34。

另一方面，如图14所示，在阴极隔离层36的中央部以规定的形式形态形成空气通道41。又，在阴极隔离层36的周边部，分别形成有图12所示的框体20上的空气分流器21、氢分流器22、水分流器23以及与螺栓孔24对应的位置上的空气分流器37、氢分流器38、水分流器39以及螺栓孔40。

这些阳极隔离层30以及阴极隔离层36，其材料使用东海碳株式会社的玻璃状碳(glassy carbon)(t＝3mm)，利用切削加工制作，还有，为了接纳下述橡胶片，对阳极隔离层30和阴极隔离层36的与橡胶片接触的区域进行0.7mm的锪孔加工。

上述框体20与阳极隔离层30和阴极隔离层36，通过作为弹性体的橡胶片分别压接。图15是本发明实施例1的高分子电解质型燃料电池所具备的框体与阳极隔离层之间配置的橡胶片的结构的平面图。又，图16是本发明实施例1的高分子电解质型燃料电池所具备的框体与阴极隔离层之间配置的橡胶片的结构的平面图。

如图15所示，在阳极侧的橡胶片50的中央部，形成图11所示的框体20上形成的矩形的开口部26以及与氢分流器22对应的区域上形成的开口部52。又，在橡胶片50的周边部，分别形成图11所示的框体20上形成的空气分流器21、水分流器23、以及与螺栓孔24对应的位置上形成的空气分流器51、水分流器53、以及螺栓孔54。

另一方面，如图16所示，在阴极侧的橡胶片55的中央部，形成图12所示的框体20上形成的矩形的开口部26以及与空气分流器21对应的区域上形成的开口部56。又，在橡胶片55的周边部，分别形成图12所示的框体20上形成的氢分流器22、水分流器23、以及与螺栓孔24对应的位置上形成的氢分流器57、水分流器58、以及螺栓孔59。

这些橡胶片50、55采用厚度0.6mm的Paiton橡胶片(橡胶硬度55度，藤仓橡胶株式会社制造)，参照图15和图16，冲出如上所述形状的孔，以便与框体20的阴极侧和阳极侧的面上分别形成的卷边(bead)部压接。

这样，在本实施例中，通过橡胶片将框体与隔离层固定，但是，也可以采用橡胶片以外的弹性体。这种弹性体，特别是从对成型的隔离层的低的面精度进行补偿的观点出发，要求在上述线负荷(10N/mm)下能够有大约0.2mm以上的位移，杨氏模量必须在0MPa以上，大约200MPa以下。

又，这种弹性体不与高分子电解质膜接触，但是通常经常暴露于70℃以上，90℃以下的加湿气体中，因此需要有耐热水性。又，对电池催化剂有不良影响的溶出物，特别是硫磺、卤素等会使催化剂中毒的物质不能出现，在使用加硫橡胶的情况下，对其加硫方法必须特别注意，因此，作为理想的材料是EPDM、氟橡胶等耐热水性高的橡胶材料，而且不是硫磺交联，不含如上所述的物质的过氧化物交联、或电子交联型的物质是合适的。又，可使用以上述材料为软片段(soft segment)、以热可塑性树脂材料作为硬片段(hard segment)的聚烯烃系弹性体(TPO)、含氟系弹性体等的TPE(THERMO-PLASTIC-ELASTOMER：热可塑性弹性体)。

图17是本发明实施例1的高分子电解质型燃料电池的水分流器近旁的结构的部分剖面图，图18是本发明实施例1的高分子电解质型燃料电池的空气分流器近旁的结构的部分剖面图。图17和18分别相当于图12的Z-Z线、Y-Y线的部位的组件的剖面图。还有，在图17和18中，为了说明的方便，省略了设置于阳极隔离层30和阴极隔离层36的冷却水流路和冷却水面的密封结构。这些冷却水流路和冷却水面的密封结构和已有技术一样。

下面说明MEA的结构如图17和图18所示，在高分子电解质膜63的两个面上形成催化剂层70。该催化剂层70如下所述形成。首先，使比表面积800m²/g、DBP吸油量360ml/100g的灶黑EC(kitchen black international公司制造的炉黑)以重量比1∶1的比例铂承载，接着，在10g该催化剂粉末中混合35g水和氢离子传导性高分子电解质的乙醇分散液(日本旭硝子株式会社制造，9％FSS)59g，用超声波搅拌机使其分散，制作催化剂层墨水。然后，将该催化剂层墨水涂布于聚丙烯膜(东丽株式会社制造的Torefan50-2500)上，使其干燥，以此形成催化剂层70。将得到的催化剂层70切断为120mm×120mm大小，上述成型品的高分子电解质膜63的露出部分，也就是即与框体20不接触的部分的两面上，以温度135℃、压力32kgf/cm²的条件复制。

如上所述，在高分子电解质膜63的两面上形成催化剂层70之后，在这些催化剂层70上配置123mm见方的气体扩散电极71(日本Goatex制造的Carpel CR400、厚度400微米)。

如图17和图18所示，挟持着高分子电解质膜63的框体20由阳极隔离层30、阴极隔离层36隔着橡胶片50、55挟持着。如上所述制造的12个通过系紧夹具以850kgf的系紧力系紧，以此组装12个单元组件。

如上所述组装的12个单元组件供下述评价试验使用。

(1)常用交叉泄漏试验

是在上述12个单元组件的氢分流器上连接利用废热发电用燃料电池的常用压力的3倍的30kPa压力的氮气供给源，测量从阴极侧漏出的气体量的交叉泄漏试验

(2)极限交叉泄漏试验

是逐步增大对上述12个单元组件的氢分流器提供的气体压力，在从阴极侧泄漏出来的时刻测定供气源的压力的交叉泄漏试验。

常用交叉泄漏试验的结果是，从阴极侧泄漏出来的气体量为0ccm。而极限交叉泄漏试验的结果是，从阴极侧泄漏出来的时刻的供给源的压力为610kPa。

这样，在常用交叉泄漏试验中，没有观察到泄漏，而且电池开放电压(OCV)为0.99V左右，显示出良好的特性。又，极限交叉泄漏试验的结是用于了解气体供给系统的突发动作，例如相对于阀门的开关单元所发生的行为。上述试验结果表明该单元组件适用于供给压力高的用途(车用的供给源压力为180kPa左右。但是两极之间的压差最大也只是这个数目的几分之一)。

在本实施例中，隔离层和框体之间设置的弹性体采取片状，但是，并不限定于片状，例如，也可以是多个O型环、方型环等线状的材料。又在接受隔离层上设置的弹性体区域，其形状也可以采取合适的形状，例如，在使用O型环那样的情况下，采用与其适合的槽。图35表示采用O型环作为弹性体的情况下的要部剖面结构。在图35所示的例子中，在阳极隔离层30和阴极隔离层36上设置槽101，该槽101上配置O型环102。

还有，在例如，使用橡胶片作为弹性体那样的情况下，最好是在框体或隔离层表面上设置卷边(密封加强筋)等(在本实施例中设置在框体上)适合于确保密封性或减少吸紧力用的结构。

实施形态2

在实施形态1中，框体与隔离层之间配置弹性体。与此相对，实施形态2是使用有弹性的隔离层，因此不需要实施形态1中的橡胶片那样的弹性体的高分子电解质型燃料电池。具体地说，采用在膨胀石墨等中配合树脂压力成型的成型隔离层(杨氏模量为150MPa左右)，以此使隔离层本身具有弹性。在这种情况下，最好是框体使用高强度(最好是杨氏模量为10000MPa以上)材料，采用例如在框体上设置卷边(三角加强筋)形成咬住隔离层的结构，以此能够在组装时减少系紧力并且确保必要的位移量，在材料上和形状上下这类的工夫。

下面对适合本实施形态的实施例进行说明

实施例2

图20是本发明实施例2的高分子电解质型燃料电池的水分流器近旁的结构的部分剖面图。图21是本发明实施例2的高分子电解质型燃料电池的空气分流器近旁的结构的部分剖面图。图20和图21分别为实施形态1的图17和图18所示的情况相同的部位的组件的剖面图。又，在图20中，与图17相同，为了说明方便，省略了在阳极隔离层30和阴极隔离层36上设置的冷却水通道和冷却水面的密封结构的说明。

如图20和图21所示，挟持高分子电解质膜63的周边部的框体20用由膨胀石墨构成的阳极隔离层30、阴极隔离层36挟持着。例如，这样的阳极隔离层30和阴极隔离层36可以采用膨胀石墨中配合树脂压力成型的膨胀石墨成型隔离层(日立化成株式会社制造)等。

如图20和图21所示，与实施例1的情况相同，在框体20的两面上设置卷边(三角形加强筋)65，以此形成咬住具有弹性的阳极隔离层30、阴极隔离层36的结构。这样，即使是使用比较小的系紧力系紧，也能够实现充分的密封效果。而且，在这种情况下，框体20最好是用比较高强度(最好是杨氏模量为10000MPa以上)的材料构成。

这样制作的12个单元通过系紧夹具以1400kgf的系紧力系紧，以此，组装12个单元组件。

本发明人等对于这样组装的12个单元组件，与实施形态1一样进行了常用交叉泄漏试验和极限交叉泄漏试验。

常用交叉泄漏试验的结果是，阴极侧泄漏出来的气体量为0ccm。又，极限交叉泄漏试验的结果是，从阴极侧泄漏出的气体来的时刻的供应源的压力为465kPa。

如上面的试验结果所表明的那样，在隔离层本身为弹性体的情况下，没有必要特别在框体与隔离层之间夹入弹性体，能够得到实用上足够的密封性能，谋求结构的简化和组装的方便。

实施形态3

实施形态3是利用嵌镶成型将实施形态1所叙述的隔离层和弹性体形成一体得到的高分子电解质型燃料电池。

还有，以碳为主成分的隔离层基本上不与氟树脂、EPDM等弹性体接合。因此，为了防止成型之后发生的收缩引起的隔离层和弹性体玻璃的情况发生，有必要像设置如下所述的止动槽那样在形状上下工夫。

下面对适合本实施形态的实施例进行说明

实施例3

图36是本发明实施例3的高分子电解质型燃料电池具备的框体的阴极侧表面上压接的阴极隔离层的要部结构的平面图。图37是与实施形态1的图17所示的情况相同的部位的结构的部分剖面图。该图37是相当于图36的Z-Z线的部位的组件的剖面图。还有，在图37中，和图17相同，为了说明方便，对阳极隔离层30和阴极隔离层36上设置的冷却水通道和冷却水面的密封结构予以省略。

在实施例3，使用如图36所示的密封线槽上形成多个止动槽111的形态的，以碳粉和苯酚系热硬化树脂为主成分的热压成型隔离层(日清纺织株式会社试制品)。对于这种成型品，利用热转移成型方法，将以含氟弹性体(Pyton GDL，硬度55度，DuPont-DowElastomer公司制造)为主成分，含有微量的界面活性物质和交联剂的弹性体混合物热镦成型于两面上。这时的成型条件采用一次加硫180℃×5分钟，二次加硫195℃×8小时。

通过该热处理，弹性体(图36中的符号112)形成交联，具有弹性，但是与此同时体积缩小。因此，在没有形成止动槽的情况下，由于体积的缩小引起弹性体从隔离层上剥离下来，不能得到满意的成型品。与此相反，像实施例3的情况那样，形成止动槽111，即使在上述温度条件下也能够防止弹性体112从隔离层上剥离下来，因此，能够提高产品率，取得良好的成型产品。

转移制作的12个单元利用系紧夹具以1400kgf的系紧力系紧，以此组装12个单元组件。

本发明人等对如上所述组装的12个单元组件，与实施例1的情况相同地进行常用交叉泄漏试验和极限交叉泄漏试验。

常用交叉泄漏试验的结果是，从阴极侧泄漏出来的气体量为0ccm。又，极限交叉泄漏试验的结果是，从阴极侧泄漏出气体的时刻供给源的压力为428kPa。

实施形态4

实施形态4的高分子电解质型燃料电池是对实施形态1所述的框体与弹性体实施一体化得到的电池。也就是说，在实施形态1所述的以电解质膜为嵌镶零件的框体的嵌镶成型的后工序，以嵌镶电解质膜的框体为嵌镶零件对弹性体进行嵌镶成型。

还有，从实施形态4到实施形态6，都是以弹性体是热可塑性弹性体为前提的。从电解质膜和具有热可塑性的框体的耐热性的观点出发，使用需要二次加硫的热交联型弹性体是困难的。

与其相反，在实施形态4中，在防止剥离使可靠性和成品率得到提高这点上，还有，由于不使用使没有粘接性能的物质能够粘接用的界面活性剂而在化学上没有污染这点上，还有，从生产节拍短、生产效率高的优点上看来，能够取得最理想的实施形态。在本实施形态的情况下，作为嵌镶零件的框体和热可塑性弹性体具有共同的可塑性成分。而且，在成型时框体的界面通过加热使其熔融从而与热可塑性弹性体热粘接，冷却后两者粘接在一起。这种工作方法是狭义的双向成型工作方法。例如，在以GFPP作为框体材料的情况下，硬片段使用包含聚丙烯的TPO能够进行理想的双向成型。又，同样在以GFPA(添加玻璃添加剂的聚酰胺)为框体材料的情况下，适于使用聚酰胺系弹性体。

下面，对适合于本实施形态的实施例进行说明。

实施例4

图22是本发明实施例4的高分子电解质型燃料电池具备的框体的阳极侧表面结构的平面图。而图23是本发明实施例4的高分子电解质型燃料电池具备的框体的阴极侧表面结构的平面图。还有，在实施例4中，也与实施形态1的情况一样，设置各分流器、螺栓孔等，因此对其标以相同的符号并省略其说明。

在框体20，沿着空气分流器21、氢分流器22、水分流器23、螺栓孔24、以及开口部26形成槽82。如图22和图23所示，在该槽82中嵌入作为密封部起作用的弹性体81。还有，图中的符号83表示使该弹性体81滑入槽82时使用的门。

图24是本发明实施例4的高分子电解质型燃料电池的水分流器近旁的结构的部分剖面图。图25是本发明实施例4的高分子电解质型燃料电池的空气分流器近旁的结构的部分剖面图。图24和图25分别为与图23的Z-Z线、Y-Y线相当的部位的组件的剖面图。在图24和图25中，为了说明的方便，省略了阳极隔离层30和阴极隔离层36上设置的冷却水通道和冷却水面的密封结构。这些冷却水通道和冷却水面的密封结构和已有技术相同。

如图24和图25所示，在框体20的双面适当的位置上形成有槽82。又，在与阳极隔离层30和阴极隔离层36与框体20接合的面的与槽82对应的位置上，形成比槽82宽的槽84。在槽82和槽84之间形成的区域内配置弹性体81。

下面对如上所述构成的本实施例的燃料电池的制造方法进行说明。电池的平面尺寸、高分子电解质膜的材料、尺寸、使用的成型机以及嵌镶工作方法的概要、催化剂层的涂布方法、隔离层的材料以及加工方法等基本工艺与实施例1的情况相同，因此省略其说明。

在对高分子电解质膜63实施与实施例1的情况相同的加工之后，采用添加玻璃纤维的聚丙烯(出光石油化学株式会社制造，R250G)，在其两面形成具有宽度2.0mm、深度0.3mm的双向成型用流动槽、即槽82，基准壁厚为1.4mm的框体20。接着，在从模具中将其取出之后，转移到别的成型机中进行成型，形成单侧壁厚0.6mm的线状的聚烯烃弹性体构成的弹性体(材料是日本Santoplane株式会社制造的Santoplane 8101-55)81。还有，在这种情况下，利用分流器、螺栓孔，可以从一侧面在两面上进行成型。

这时，弹性体81的成型收缩率为15/1000，但是，第一种倾向(框体)与第二种倾向(弹性体)牢固地热粘接，没有观察到第二种倾向成型收缩引起的剥离等不良情况。

对不要的双向成型部分用汤姆森模具进行切除，与实施例1一样将12个单元组件加以组合。

本发明人等对如上所述组装的12个单元组件与实施例1的情况一样进行常用交叉泄漏试验和极限泄漏交叉试验。

常用交叉泄漏试验的结果是，阴极侧泄漏出来的气体量为0ccm。而极限交叉泄漏试验的结果是，从阴极侧泄漏出气体的时刻供给源的压力为380kPa。

实施例5

实施例5是利用与实施例4的情况不同的成型方法得到的高分子电解质型燃料电池。

图26是本发明实施例5的高分子电解质型燃料电池具备的框体的结构的部分剖面图。如图26所示，挟持高分子电解质膜63的周边部的框体20上形成有向着厚度方向的中央位置扩展开的斜坡状的槽86。换句话说，在框体20上形成切槽、即槽86。又，在实施例4中，参照图24与上述情况相同，在各隔离层的与框体20连接的面的与槽86对应的位置上形成比槽86宽的槽，在该槽与槽86之间形成的区域上配置弹性体(在图26中未图示)。也就是说，在作为切槽的槽86中充填弹性体。

在图26中为了方便，只表示出MEA中的高分子电解质膜63，省略了催化剂层和气体扩散电极。

下面对具有如上所述结构的本实施例的高分子电解质型燃料电池的制造方法进行说明。还有，电池的平面尺寸、高分子电解质膜的材料、尺寸、使用的成型机以及嵌镶工作方法的概要、催化剂层的涂布方法、隔离层的材料以及加工方法等基本工艺与实施例1的情况相同，因此省略其说明。

在对高分子电解质膜63实施与实施例1的情况相同的加工之后，采用添加EPDM的PPS(大日本油墨株式会社制造的DIC-PPS-Z230)，在其两面形成具有宽度2.0mm、深度0.3mm、拔模斜度为-3.5度(反向倾斜)的双向成型用流动槽、即槽86，基准壁厚为1.4mm的框体20。该材料稍有弹性，因此能够以上述拔模斜度毫无问题地脱模。接着，在从模具中将该框体20取出之后，转移到别的成型机中进行成型，形成单侧壁厚0.6mm的线状的聚烯烃弹性体构成的弹性体(材料是日本Santoplane株式会社制造的Santoplane 8121-64-W233)85。该材料通常是称为角落铸型级(corner mold grade)的TPE，是被使用为汽车窗框密封材料等，特别是与EPDM的粘着性良好的级别的材料。由PPS框体构成的框体20由于叠层，存在EPDM出现于其表层的倾向，因此上述拔模斜度也相辅相成，在本来不能期望有粘接性能的PPS和TPE也有不妨碍实用的剥离强度。

框体上使用有一些弹性的合金，特别是如上所述，将第一种倾向的成型品转移到别的模具中进行第二种倾向的工序中也具有优点。在对第一种成型品进行合模时的模具间隙(clearance)(嵌镶间隙)，在数十微米的程度上以模具对成型品进行压缩是理想的。但是在刚性高的成型品的情况下材料具有脆性，因此对第一种倾向的成型品的形成厚度以及第二种倾向的模具的嵌镶间隙要求特别严格的管理。但是，在框体使用合金的情况下，这一条件得到一些缓和，管理也就变得容易，因此，能够谋求提高成品率。

实施形态5

在实施形态4中，框体和弹性体基本上具有共同成分，以利用成型使两者热粘接为前提。但是，特别是随着电池的大面积化，需要与框体及弹性体相当的流动性的情况下，如果将化学稳定性及其他要求也考虑在内，如上所述的理想的材料选择有时候是不可能的。实施形态5是能够在这样的情况下也不发生框体与弹性体剥离的实施形态。

具体地说，在实施形态5中，首先用框体材料对高分子电解质膜进行嵌镶成型，其后，用弹性体材料将该框体-电解质膜复合体覆盖成型。这样，即使在框体材料和弹性体材料中没有能够热粘合的共同成分，也可以避免发生两者相互剥离的情况。

例如参照图27和图28在下面所述的那样，用弹性体覆盖框体的整个表面那样的结构，由于通过第二倾向的树脂成型收缩将整个框体系紧并加以保持，没有发生剥离的可能。又，为了防止剥离，如图38所示，在框体的相当于密封线的部分设置贯通孔121，将作为第二种倾向的弹性体90的表面和背面通过该贯通孔121连接的形态(系住)是有效的。

又，在实施例5中，与参照图26在上面所述的情况一样，也可以采取这样的办法，即在槽部设置反向锥度(切槽。拔模斜度为负)131，使第二种材料流入该槽内，以此防止第二种材料的剥离的方法等(参照图39)。

在框体20的最内圆周部分的支持电解质膜63的部分，不能像上面所述那样固定，因此，为了防止该部分的剥离，最好是设置这样的切槽(undercut)131。在图39所示那样的切槽131的情况下，使用倾斜销容易形成。

将如上所述的覆盖、固定、切槽适当组合，进行成型产品和模具的设计，以此能够利用形状效果将不能够热粘接的的两种材料形成不能剥离的成型构件。

下面对适用本实施形态的实施例进行说明。

实施例6

图27是本发明实施例6的高分子电解质型燃料电池具备的框体及弹性体的结构平面图。图28是图27的Z-Z线的向视图。还有，在实施例6中也是，在框体及弹性体上与实施例1一样设置各分流器、螺栓孔等，因此，对其标以相同的符号并省略其说明(为了方便，只对在框体上形成的各分流器、螺栓孔标以符号)。

如图27和图28所示，设置弹性体90使其覆盖挟持高分子电解质膜63的周边部的框体20的全部表面。在该弹性体90上形成与在实施例1的情况下形成于框体上的卷边一样的卷边91。还有，在图28中，为了方便，只表示出MEA25中的高分子电解质膜63，省略了催化剂层和气体扩散电极。

在本实施例中，形成框体20的第一种材料使用添加玻璃填料的PPS(大日本油墨株式会社的DIC-PPS FZ1140-B2)，形成弹性体90的第二种材料使用聚烯烃弹性体(日本Santoplane株式会社制造的Santoplane 8101-55)。在这里框体20的壁厚采用0.75mm弹性体，弹性体90的基准壁厚采用0.25mm。又，弹性体90的两面上设置的卷边91的高度采用0.2mm。

在成型时，采取与实施例2一样，从各分流器的中心，用副流路(sub-runner)，以分流器的端面为基点使其向两面流动的方法。图27和图28所示的是不要的部分切除之后的结果。

PPS和聚烯烃(polyolefine)是不能够热粘接的材料。因此在流入实施例2中框体使用通常的PPS的情况下，不能够避免第2种材料的剥离。但是在本实施例的情况下，由于是框体利用弹性体覆盖的结构，没有观察到框体与弹性体剥离等其他不良情况。

在本实施例中，也和实施例1一样，将12个单元组件加以组装。然后，本发明人等对该12个单元组件与实施例1一样实施常用交叉泄漏试验和极限交叉泄漏试验。

常用交叉泄漏试验的结果是，从阴极侧泄漏出来的气体量为0ccm。而极限交叉泄漏试验的结果是，从阴极侧泄漏出来的时刻的供给源的压力为475kPa。这样，也确认在本实施例中具有高密封效果。

实施形态6

实施形态6与实施形态4、5不同，是在不是同一块的一对框体中挟持高分子电解质膜，以此作为嵌镶零件，用弹性体材料汇总进行嵌镶成型得到的。这种方法在能够使用为框体材料的树脂材料的双重成型性能差的情况下，或在必要的模具温度超过高分子电解质膜的嵌镶成型(通常在模具温度130度以下进行)的允许范围，利用框体材料的高分子电解质膜的嵌镶成型有困难等情况下是有效的。即，比如要壁薄成形，提高模具温度时，或者要采用容易引起后收缩的材料(通常温度越高此程度越小)时有效。通过使用这种方法，材料的选择范围变大，因此是理想的。又，在使用这种方法的情况下，框体材料不限于树脂材料，可以使用金属板、陶瓷板等。从而，随着电池的大型化，框体也大面积化，因而壁薄成型有困难等情况下，也能够采用这种方法实施本发明。

下面对适用本实施形态的实施例进行说明。

实施例7

图29是本发明实施例7的高分子电解质型燃料电池具备的框体及弹性体的结构的平面图。图30是图29的Z-Z线的向视图。还有，在实施例7中，框体和弹性体上也和实施例1的情况下一样设置各分流器、螺杆孔等，因此标以相同的符号并且省略其说明(为了方便，只标出框体上形成的各分流器、螺杆孔的符号)。

如图29和图30所示，框体20由框体20a和压接于该框体20a的下表面的框体20b构成。而且利用该框体20a和框体20b挟持高分子电解质膜63的周边部。

如图30所示，在框体20a的内部、即挟持高分子电介质膜63的周边部的一侧的端部设置有向上方展开规定角度(在图30中为30°)的倾斜部92a。同样，在框体20b的内部、即挟持高分子电介质膜63的周边部的一侧的端部设置有向下方展开规定角度(在图30中为30°)的倾斜部92b。

与实施例6的情况相同，覆盖着框体20的全部表面设置弹性体90，在该弹性体90上形成卷边91。还有，在图30中，为了方便，只表示出MEA25中的高分子电介质膜63，催化剂层和气体扩散电极被省略。

在本实施例中，作为框体20(框体20a和20b)的第1种材料，采用添加玻璃填料的液晶聚合物(聚合塑料株式会社制造，VECTRA A130，杨氏模量为15000MPa)，作为弹性体90的第2种材料采用聚烯烃弹性体(材料是日本Santoplane株式会社制造的Santoplane 8101-55)。在这里，框体20a和20b的壁厚采用0.25mm(即框体的壁厚为0.5mm)，弹性体90的基准壁厚采用0.25mm。又，在弹性体的两面设置的卷边的高度采用0.2mm。

如上所述，在框体20a和20b分别设置倾斜部92a和92b，利用该切槽能够完全防止进行两种材料的成型时弹性体90与框体20的剥离。

还有，在成型时，采取与实施例2一样，从各分流器的中心，用副流路(sub-runner)，以分流器的端面为基点使其向两面流动的方法。图29和图30所示的是不要的部分切除之后的结果。

常用交叉泄漏试验的结果是，从阴极侧泄漏出来的气体量为0ccm。而极限交叉泄漏试验的结果是，从阴极侧气体泄漏出来的时刻的供给源的压力为322kPa。这样，也确认在本实施例中具有高密封效果。

实施例8

在实施例7中，如上所述，作为框体20的第1种材料采用添加剥离填料的液晶聚合物，但是也可以采用其他材料。在这里，作为实施例8，对取代液晶聚合物，采用冲压后进行涂氟处理的厚度为0.25mm的SUS316金属板的情况，也进行常用交叉泄漏试验和极限交叉泄漏试验。

常用交叉泄漏试验的结果是，从阴极侧泄漏出来的气体量为0ccm。而极限交叉泄漏试验的结果是，从阴极侧泄漏出气体来的时刻的供给源的压力为785kPa。这样，也确认在本实施例中具有高密封效果。

实施形态7

在实施例7和实施例8中，在弹性体的成型中，有时选定的材料的成型需要的模具温度处于可能造成对高分子电解质膜造成破坏的温度区域。在实施形态7中，对这样的情况加以考虑。具体地说，以对分块型的框体的表面和背面部分贯通或覆盖整个表面等样式形成弹性体，以该一对弹性体挟持高分子电解质膜的周边部，利用单元的系紧力进行高分子电解质膜的周围和隔离层/密封垫粘接的密封。因此，在一框体和隔离层之间、其他框体和隔离层之间、以及一框体和其他框体之间分别配置弹性体。作为需要本实施形态的结构的情况，有例如制作与车用情况相比需要长期运行的利用废热发电用组件的情况，从密封材料的长期稳定性的观点出发，有时想要选择含氟弹性体(其理想的模具温度通常为150度以上)。在这种情况下，从防止弹性体垂入其中的观点出发，框体材料有必要尽量选择机械强度大的(特别是杨氏模量大的)材料，加入剥离填料(GF)的超级工程塑料等是很理想的。

下面对适用本实施形态的实施例进行说明。

实施例9

图31是本发明实施例9的高分子电解质型燃料电池具备的框体及弹性体的结构的平面图。又，图32是图31的Z-Z线的向视图，(a)、(b)是表示制作该结构的步骤的剖面图。还有，在实施例9中，也与实施形态1的情况一样，在框体和弹性体上设置各分流器、螺杆孔等，因此标以相同的符号并且省略其说明(为了方便，只标出框体上形成的各分流器、螺杆孔的符号)。

如图32(a)和(b)所示，本实施例的框体和弹性体挟持双层结构。也就是说，框体20a和覆盖该框体20a的全部表面设置的弹性体90a、以及框体20b和覆盖该框体20b的全部表面设置的弹性体90b叠层构成。在这些弹性体90a和90b上分别形成与实施形态1的情况下形成于框体上的卷边相同的卷边91a和91b。而且利用弹性体90a和90b挟持高分子电解质膜63的周边部。还有，在图32(a)和(b)中，为了方便，只表示出MEA25中的高分子电解质膜63，省略了催化剂层和气体扩散电极。

在本实施例中，作为框体20a和20b的第1种材料，采用添加玻璃填料的液晶聚合物(聚合塑料株式会社制造，VECTRA B130，杨氏模量为20000MPa)，使用热化塑性树脂用挤压成型机制作。然后将该框体20a和20b作为嵌镶零件，用热化塑性树脂用挤压成型机，将作为第2种材料(弹性体90a和90b)的含氟弹性体(日本DupontDow Elastomers株式会社制，Python AP，橡胶硬度55度)加以成型。这里，框体20a和20b的壁厚采用0.25mm，弹性体90a和90b的基准壁厚采用0.25mm(即弹性体90的基准壁厚为0.5mm)。又，在弹性体90a和90b上分别设置的卷边91a和91b的高度采用0.2mm。

在这里，第2种材料的一次加硫的条件是温度170℃、时间4分钟，二次加硫采用温度180℃、时间8小时，在该条件下没有发现框体20a和20b出现因热变形的情况。

用这样制作的密封构件挟持热压过的MEA(日本Goatex Primair)，将其系紧与实施例1一样组装12个单元组件。然后，本发明人等对该12个单元组件与实施例1一样实施常用交叉泄漏试验和极限交叉泄漏试验。

常用交叉泄漏试验的结果是，从阴极侧泄漏出来的气体量为0ccm。而极限交叉泄漏试验的结果是，从阴极侧气体泄漏出来的时刻的供给源的压力为268kPa。这样，也确认在本实施形态中具有高密封效果。

实施例10

作为本实施形态的密封结构，也考虑图33和图34所示的结构。图33是本发明实施例10的高分子电解质型燃料电池具备的框体及弹性体的变形例的结构的平面图。图34是图33的Z-Z线的向视图，(a)、(b)是表示制作该结构的步骤的剖面图。

如图33和图34所示，利用框体20a和20b，覆盖弹性体90a和90b。然后在弹性体90a上形成贯通框体20a向上方突出的加强筋(rib)93a，该加强筋(rib)93a上形成卷边91a。同样，在弹性体90b上形成贯通框体20b向下方突出的加强筋93b，该加强筋(rib)93b上形成卷边91b。

在该变形例中，作为框体20a和20b的第一种材料添加玻璃填料的液晶聚合物(聚合塑料株式会社制造，VECTRA B130，杨氏模量为20000MPa)，作为弹性体90A和90B的第2种材料采用含氟弹性体(日本Dupont Dow Elastomers株式会社制，PythonAP，橡胶硬度55度)。这里，框体20a和20b的壁厚采用0.25mm，弹性体90a和90b的与高分子电解质膜63连接的一侧的壁厚采用0.25mm。又，加强筋93a、93b的宽度采用2.0mm，高度采用0.15mm，卷边91a和91b的高度采用0.2mm。

在这里，第2种材料的一次加硫的条件是温度170℃、时间4分钟，二次加硫采用温度180℃、时间8小时。用这样制作的密封构件挟持热压过的MEA(日本GoatexPrimair)，将其系紧与实施例1一样组装12个单元组件。然后，本发明人等对该12个单元组件与实施例1一样实施常用交叉泄漏试验和极限交叉泄漏试验。

常用交叉泄漏试验的结果是，从阴极侧泄漏出来的气体量为0ccm。而极限交叉泄漏试验的结果是，从阴极侧气体泄漏出来的时刻的供给源的压力为332kPa。这样，也确认在本实施形态中具有高密封效果。

在本实施例中，与实施例9相比，昂贵的含氟弹性体的使用量大约减少一半，能够实现低成本化。

上述各实施形态中说明的高分子电解质型燃料电池，可以根据制作的电池的尺寸、树脂的流动性和成型收缩率、总工艺成本、电池的工作条件(特别是通道的压力损失和两极间的差压)、允许的单元间距和可能的成品厚度等进行适当的选择。

含有，在上述各实施形态中，对高分子电解质型燃料电池进行了记述，但是本发明不限于这样的高分子电解质型燃料电池。当前正在开发例如玻璃、陶瓷等高分子以外的材料作为电解质工作的低温(100℃以下)燃料电池。如果基本上在上述温度以下，则作为热可塑性塑料的框体以及在高温下压缩畸变变大的弹性体两者都有合适的选择方向。因此，将本发明使用于这样的燃料电池是可能的。

工业应用性

本发明的燃料电池用电解质膜结构、燃料电池用电解质膜-电极接合体结构、以及具备该燃料电池用电解质膜-电极接合体结构的燃料电池能够在隔离层之间以及隔离层与燃料电池用电解质膜之间可靠而且容易地加以密封，能够用于高精度的高分子电解质型燃料电池。

Claims

1.一种燃料电池用电解质膜结构，其特征在于，

具备由一对电极层夹着，构成燃料电池用电解质膜-电极接合体的燃料电池用电解质膜、以及无接缝地封装覆盖所述燃料电池用电解质膜的周边部将其夹持着的，杨氏模量为2000MPa以上及2000000MPa以下的由树脂制成的框体，其中所述燃料电池用电解质膜作为嵌镶零件成型于所述框体中，

形成这样的结构，即所述燃料电池用电解质膜-电极接合体由具有气体通道的一对隔离层夹持，所述框体与所述一对隔离层之间配置杨氏模量为0MPa以上200MPa以下的弹性体，以此将所述燃料电池用电解质膜与所述一对隔离层之间以及所述一对隔离层之间加以密封。

2.如权利要求1所述的燃料电池用电解质膜结构，其特征在于，所述框体覆盖着夹持所述燃料电池用电解质膜的周边部的整个面。

3.一种燃料电池用电解质膜-电极接合体结构，其特征在于，

具备由一对电极层夹着燃料电池用电解质膜构成，所述燃料电池用电解质膜-电极接合体由具有气体通道的一对隔离层挟持着构成的燃料电池用电解质膜-电极接合体、以及无接缝地封装覆盖所述燃料电池用电解质膜的周边部将其夹持着的，杨氏模量为2000MPa以上及2000000MPa以下的由树脂制成的框体，其中所述燃料电池用电解质膜作为嵌镶零件成型于所述框体中，

形成这样的结构，即所述框体与所述一对隔离层之间配置杨氏模量为0MPa以上200MPa以下的弹性体，以此将所述燃料电池用电解质膜与所述一对隔离层之间以及所述一对隔离层之间加以密封。

4.如权利要求3所述的燃料电池用电解质膜-电极接合体结构，其特征在于，所述框体覆盖着夹持所述燃料电池用电解质膜的周边部的整个面。

5.如权利要求3所述的燃料电池用电解质膜-电极接合体结构，其特征在于，所述弹性体设置在所述框体上。

6.如权利要求5所述的燃料电池用电解质膜-电极接合体结构，其特征在于，所述框体覆盖着夹持所述燃料电池用电解质膜的周边部的整个面。

7.根据权利要求5所述的燃料电池用电解质膜-电极接合体结构，其特征在于，所述框体与所述弹性体形成一体。

8.根据权利要求7所述的燃料电池用电解质膜-电极接合体结构，其特征在于，所述框体与所述弹性体热粘接在一起。

9.根据权利要求7所述的燃料电池用电解质膜-电极接合体结构，其特征在于，所述弹性体覆盖着所述框体的全部表面配置。

10.根据权利要求7所述的燃料电池用电解质膜-电极接合体结构，其特征在于，所述框体利用所述弹性体固定。

11.根据权利要求7所述的燃料电池用电解质膜-电极接合体结构，其特征在于，在所述框体至少设置一个切槽，在该切槽充填所述弹性体。

12.一种燃料电池，具备由一对电极层夹着燃料电池用电解质膜形成的燃料电池用电解质膜-电极接合体、以及挟持所述燃料电池用电解质膜-电极接合体的，具有气体通道的一对隔离层，在所述燃料电池用电解质膜-电极接合体的周边部与所述一对隔离层之间，设置将所述燃料电池用电解质膜与所述一对隔离层之间以及所述一对隔离层之间加以密封用的密封结构，其特征在于，

所述密封结构具备无接缝地封装覆盖所述周边部将其夹持着的，杨氏模量为2000MPa以上及2000000MPa以下的由树脂制成的框体、以及在所述框体与所述一对隔离层之间配置的，杨氏模量为0MPa以上200MPa以下的弹性体，

其中所述燃料电池用电解质膜作为嵌镶零件成型于所述框体中。

13.如权利要求12所述的燃料电池，其特征在于，所述框体覆盖着夹持所述周边部的整个面。

14.根据权利要求12所述的燃料电池，其特征在于，所述隔离层与所述弹性体形成一体。

15.根据权利要求12所述的燃料电池，其特征在于，所述弹性体与所述框体形成一体。

16.根据权利要求15所述的燃料电池，其特征在于，所述弹性体与所述框体热粘接在一起。

17.根据权利要求15所述的燃料电池，其特征在于，所述弹性体覆盖着所述框体的整个表面配置。

18.根据权利要求15所述的燃料电池，其特征在于，所述框体利用所述弹性体固定。

19.根据权利要求15所述的燃料电池，其特征在于，在所述框体至少设置一个切槽，在该切槽充填所述弹性体。

20.一种燃料电池，具备由一对电极层夹着燃料电池用电解质膜构成的燃料电池用电解质膜-电极接合体、以及夹着所述燃料电池用电解质膜-电极接合体的，具有气体通道的一对隔离层；在所述燃料电池用电解质膜-电极接合体的周边部与所述一对隔离层之间，形成将所述燃料电池用电解质膜与所述一对隔离层之间以及所述一对隔离层之间加以密封的结构，其特征在于，

具备无接缝地封装覆盖所述周边部将其夹持的，杨氏模量为2000MPa以上及2000000MPa以下的由树脂制成的框体，

其中所述燃料电池用电解质膜作为嵌镶零件成型于所述框体中，

所述框体由杨氏模量为0MPa以上200MPa以下的所述一对隔离层挟持。

21.如权利要求20所述的燃料电池，其特征在于，所述框体覆盖着夹持所述周边部的整个面。