Mea襯墊接合體及使用該接合體的高分子電解質型燃料電池的制作方法

專利名稱：Mea襯墊接合體及使用該接合體的高分子電解質型燃料電池的制作方法
技術領域：
本發明涉及MEA(Membrane-Electrode-Assembly)襯墊接合體以及高分子電解質型燃料電池，特別是涉及具有歧管(manifold)孔的MEA襯墊接合體以及使用該MEA襯墊接合體的高分子電解質型燃料電池。
背景技術：
圖16是將已有的高分子電解質型燃料電池的結構的一部分分解表示的立體圖。
如圖16所示，高分子電解質型燃料電池100是將電池單元10迭層構成的。
還有，在電池單元10的兩端的最外層安裝有集電板、絕緣板、端面板(未圖示)，電池單元10形成從兩端用插通螺桿孔4的緊固螺桿(未圖示)與螺帽緊固的結構。
電池單元10用一對陽極隔離層2和陰極隔離層(兩者總稱隔離層)3夾著MEA襯墊接合體1構成。
MEA襯墊接合體1用一對氟橡膠制造的襯墊60夾著向MEA5的周邊部擴展的高分子電解質膜構成。MEA5具有在高分子電解質膜的兩個主面上形成催化劑層以及氣體擴散層的5C的結構。這種MEA5的高分子電解質膜向催化劑層以及氣體擴散層5C的外側延伸，夾著該延伸的部分的高分子電解質膜接合襯墊60。從而形成在MEA襯墊接合體1的襯墊60的中央開口部的兩個面上露出氣體擴散層5C的結構。
而且在隔離層2、3以及MEA襯墊接合體1的周邊部，形成在組裝電池單元10的狀態下流通還原劑氣體和氧化劑氣體的各一對歧管，打通還原劑氣體孔歧管孔12、22、32以及氧化劑氣體歧管孔13、23、33。又，也打通形成水流通的一對歧管的水歧管孔14、24、34。
然后，在陽極隔離層2的內側主面上，連結于一對還原劑歧管孔22、22之間形成槽狀的還原劑氣體流路21。
在陰極隔離層3的內側主面上，連結于一對氧化劑歧管孔33、33之間形成槽狀的氧化劑氣體流路31。
又在隔離層2、3的外側主面、即背面上，與還原劑氣體流路21或氧化劑氣體流路31一樣，連接于一對水歧管孔24、34之間形成形成槽狀的水流路。
借助于這些手段，在電池單元10迭層時這些歧管孔分別迭層，形成氧化劑氣體、還原劑氣體、以及水的一對歧管。而且，氧化劑氣體、還原劑氣體以及水的流路分別形成一邊從一歧管、即供給側的歧管向形成于隔離層的流路21、31、水流路(未圖示)分叉，一邊流向各另一歧管、即排出側的歧管的結構。而且，在MEA襯墊接合體1的中央部露出的MEA分別利用還原劑氣體流路21或氧化劑氣體流路31將其一面曝露于氧化劑氣體，另一面曝露于還原劑氣體，從而引起電化學反應。又，由于在隔離層2、3的背面、即相鄰的電池單元10之間有水流通，利用水的傳熱能力能夠將高分子電解質型燃料電池100保持于適合電化學反應的規定溫度。
圖17是圖16的XVII-XVII線斷面的放大立體圖。如圖17所示，在MEA襯墊接合體1的還原劑氣體歧管孔12以及陽極隔離層2的還原劑氣體歧管孔22之間形成有通往還原劑氣體流路21的分叉部。而且如圖中的實線箭頭所示，形成還原劑氣體能夠流向還原劑氣體流路21的結構。在這里，還原劑氣體流路21的分叉部分的MEA襯墊接合體1只接合于陰極隔離層3，形成沒有來自陽極隔離層2一側的按壓的結構。而且MEA襯墊接合體1的周邊部由彈性物質襯墊60構成，因此MEA襯墊接合體1的周邊部容易變形。因此陰極隔離層3與MEA襯墊接合體1之間的密封性能差，所以還原劑氣體有可能如圖中的虛線箭頭所示，從該分叉部向陰極隔離層3與MEA襯墊接合體1之間侵入。或陰極隔離層3與MEA襯墊接合體1之間構成的氧化劑氣體流路31通過的氧化劑氣體有可能向該分叉部漏出來。這樣一來，就有可能發生氧化劑氣體與還原劑氣體混合的所謂交叉泄漏(cross leak)現象，使得高分子電解質型燃料電池100的性能下降，高分子電解質型燃料電池100的內部發生損傷。又，在通往陰極隔離層3的氧化劑氣體歧管孔33和MEA襯墊接合體1的氧化劑氣體歧管孔13之間形成的氧化劑氣體流路31的分叉部也相同(未圖示)。也就是說，陽極隔離層2與MEA襯墊接合體1之間的密封性能下降，因此氧化劑氣體侵入陽極隔離層2與MEA襯墊接合體1之間，或還原劑氣體泄漏，有可能發生氧化劑氣體與還原劑氣體交叉泄漏的現象。
因此，有專利文獻提出了或在隔離層2、3與MEA襯墊接合體1之間設置覆蓋構件(參照例如專利文獻1)，或在該部分利用通過隔離層2、3的體內的孔部構成隔離層2、3的氧化劑氣體流路31和還原劑氣體流路21(參照例如專利文獻2)，抑制這些分叉部中的交叉泄漏的燃料電池。
又，沿著襯墊60的內緣與氣體擴散層5C的外緣之間的高分子電解質膜5A上形成的環狀間隙、即氣體擴散層5C的外周側間隙，在一對還原劑氣體歧管孔22之間以及一對氧化劑氣體歧管孔33之間流通的還原劑氣體和氧化劑氣體流使氧化劑氣體和還原劑氣體的利用效率下降，導致高分子電解質型燃料電池100的效率下降。
專利文獻1日本特公平1-60899號公報專利文獻2日本特開2002-83614號公報發明內容但是，在專利文獻1的發明中，有必要在各電池單元中追加設置覆蓋構件。而在專利文獻2中有必要在各隔離層形成孔部。這些發明都要求對隔離層進行復雜的加工，在電池單元的迭層數目通常達到數十個到數百個的高分子電解質型燃料電池中，存在組裝工序復雜化、成本上升的問題，有改善的余地。
而且為了抑制氧化劑氣體和還原劑氣體的利用效率的下降，需要有能夠簡便地切斷氣體擴散層外圍的還原劑氣體和氧化劑氣體的氣流的結構。
因此，本發明是為了解決上述存在問題而作出的，其目的在于提供能夠利用簡便的結構一邊抑制隔離層加工的復雜化和零部件的增加，一邊抑制從歧管孔流向各隔離層內表面的流路的，分叉部的氧化劑氣體與還原劑氣體的交叉泄漏以及氣體擴散層外圍的還原劑氣體和氧化劑氣體的流動，以此進一步抑制高分子電解質型燃料電池的氣體利用效率的下降的MEA襯墊接合體及使用該接合體的高分子電解質型燃料電池。
為了實現這一目的，第1本發明的MEA襯墊接合體具備由高分子電解質膜、催化劑層、以及氣體擴散層形成的MEA、包圍著所述MEA地接合于所述MEA的周邊部的高分子電解質膜，而且形成多個流體歧管孔的板狀的框體、以及形成于所述框體的兩個面上的彈性體構成的環狀襯墊，形成于所述環狀襯墊的內緣與所述氣體擴散層的外緣之間的環狀間隙至少部分封閉。形成這樣的結構時，MEA襯墊接合體由于框體具有剛性，因此在電池單元組裝狀態時，即使是在從隔離層一側的歧管孔到各隔離層內表面的流路的分叉部，也利用框體產生的按壓力將環狀襯墊按壓于陰極隔離層和陽極隔離層上。從而，發生還原劑氣體或氧化劑氣體向陰極隔離層或陽極隔離層與MEA襯墊接合體的接合面之間的侵入的可能性，或發生陰極隔離層中形成的氧化劑氣體流路通過的氧化劑氣體或陽極隔離層中形成的還原劑氣體流路通過的還原劑氣體向該分叉部分的泄漏的可能性，也就是說，氧化劑氣體與還原劑氣體的混合，所謂交叉泄漏現象的可能性能夠得到抑制，而且能夠抑制隔離層加工的復雜化和零部件的增加，也就是說，能夠利用簡便的結構對其加以抑制。又由于環狀襯墊的內緣以及氣體擴散層的外緣之間形成的環狀間隙至少部分封閉，因此能夠利用簡便的結構抑制氣體擴散層外圍側間隙的還原劑氣體和氧化劑氣體的流動。從而，能夠抑制氧化劑氣體和還原劑氣體的利用效率的下降，能夠抑制高分子電解質型燃料電池的氣體利用效率的下降。
第2本發明的MEA襯墊接合體，所述環狀襯墊的內緣與所述氣體擴散層的外緣至少部分接觸，所述環狀間隙至少部分封閉。這樣構成時，不要增加零部件數目就能夠得到第1本發明的效果。
第3本發明的MEA襯墊接合體，具備配置于所述環狀襯墊與所述氣體擴散層之間的彈性體構成的環狀構件，該環狀構件的外緣至少部分與所述環狀襯墊的內緣接觸，而且該環狀構件的內緣至少部分與所述氣體擴散層的外緣接觸，所述環狀間隙至少部分封閉。這樣構成時，形成于氣體擴散層的外緣與環狀襯墊的內緣之間的環狀間隙借助于環狀構件縮小，因此氧化劑氣體或還原劑氣體向氣體擴散層外圍的泄漏能夠得到抑制，能夠進一步抑制高分子電解質型燃料電池的氣體利用效率的下降。而且環狀構件由于將形成于氣體擴散層的外緣與環狀襯墊的內緣的周圍的環狀間隙分割為兩個在相同的平面上的環狀間隙，因此在該分割的環狀間隙，能夠使環狀構件的外緣與環狀襯墊的內緣、以及環狀構件的內緣與氣體擴散層的外緣的部分接合容易進行。
第4本發明的MEA襯墊接合體，所述環狀襯墊的內緣被加熱熔化，熔入所述氣體擴散層的外緣。這樣構成時，環狀襯墊的內緣與氣體擴散層的外緣可靠接合，因此能夠更加可靠地得到第2本發明的效果。
第5本發明的MEA襯墊接合體，所述環狀構件的內緣被加熱熔化，熔入所述氣體擴散層的外緣，而且所述環狀構件的外緣與所述環狀襯墊的內緣部分熱熔敷。這樣構成時，環狀構件的內緣和氣體擴散層的外緣、以及環狀構件的外緣與環狀襯墊的內緣可靠接合，因此能夠更加可靠地得到第3本發明的效果。
第6本發明的MEA襯墊接合體，所述框體由熱可塑性樹脂構成，所述環狀襯墊由熱可塑性彈性物質構成，所述框體與所述環狀襯墊具有共同的可塑成分，所述環狀襯墊分別熱熔敷于所述框體的兩個面上。如果采用這樣的構成，在框體上成型形成環狀襯墊時，環狀襯墊熱粘接于框體上形成一體，因此不需要兩者接合用的特別結構，就能夠容易地得到接合結構。
第7本發明的MEA襯墊接合體，所述框體，其壓縮彈性模量為2000MPa以上，200000MPa以下，所述環狀襯墊，其壓縮彈性模量大于0MPa，200MPa以下。通過這樣選擇框體的剛性和環狀襯墊的彈性，能夠很好地抑制氧化劑氣體和還原劑氣體的利用效率的下降。還有，所謂壓縮彈性模量是指利用日本工業標準JIS-K7181規定的壓縮彈性模量測定方法測定的壓縮彈性模量。
第8本發明的高分子電解質型燃料電池，迭層一個以上的，具有第1～7發明的MEA襯墊接合體、以及夾著該MEA襯墊接合體配設的陽極隔離層及陰極隔離層的電池單元形成，所述陽極隔離層及陰極隔離層分別在與所述MEA襯墊接合體的各流體孔對應的位置上設置流體歧管孔，而且在陽極隔離層和陰極隔離層的內表面上形成流體流路槽，使其連結至少一對所述流體歧管孔。這樣構成時，MEA襯墊接合體由于框體具有剛性，所以即使是在從隔離層一側的歧管孔到各隔離層的內表面的流路的分叉部，由于框體產生的按壓力，環狀襯墊也被壓向陰極隔離層和陽極隔離層。從而，發生還原劑氣體或氧化劑氣體向陰極隔離層或陽極隔離層與MEA襯墊接合體的接合面之間的侵入的可能性，或發生陰極隔離層中形成的氧化劑氣體流路通過的氧化劑氣體或陽極隔離層中形成的還原劑氣體流路通過的還原劑氣體向該分叉部分的泄漏的可能性，也就是，氧化劑氣體與還原劑氣體的混合，所謂交叉泄漏現象發生的可能性能夠得到抑制，而且能夠抑制隔離層加工的復雜化和零部件的增加，也就是說，能夠利用簡便的結構對其加以抑制。又由于環狀襯墊的內緣以及氣體擴散層的外緣之間形成的環狀間隙至少部分封閉，因此能夠利用簡便的結構抑制氣體擴散層外圍側間隙的還原劑氣體和氧化劑氣體的流動。從而，能夠抑制氧化劑氣體和還原劑氣體的利用效率的下降，能夠抑制高分子電解質型燃料電池的氣體利用效率的下降。本發明的上述目的、特征、以及優點從參照附圖進行的下述最佳實施形態的說明中能夠更清楚了解。
如上所述，本發明的MEA襯墊接合體以及使用這種接合體的高分子電解質型燃料電池能夠得到這樣的效果，即能夠以簡單的結構一邊抑制隔離層加工的復雜化和零部件的增加，一邊抑制從歧管孔到各隔離層的內表面的流路的分叉部的氧化劑氣體和還原劑氣體的交叉泄漏和氣體擴散層外圍的還原劑氣體和氧化劑氣體的流動。


圖1表示實施形態1的MEA襯墊接合體的結構，(a)為平面圖(陰極隔離層一側)，(b)為表示I-I線斷面的剖面圖。
圖2是表示圖1的I-I線斷面的電池單元10的迭層斷面的剖面圖。
圖3表示圖1的MEA襯墊接合體的基本結構、即框體-高分子電解質膜接合體的結構，(a)為平面圖，(b)為III-III線斷面的剖面圖。
圖4是表示在圖3的IV-IV線剖面圖中框體-高分子電解質膜接合體的成型工序的概略情況的工序圖。
圖5是表示形成第1襯墊的，圖4的框體-高分子電解質膜接合體的結構的結構圖，(a)為平面圖，(b)為V-V線斷面的剖面圖。
圖6是表示在高分子電解質膜的兩個主面上形成催化劑層和氣體擴散層的，圖5的框體-高分子電解質膜接合體的結構的結構圖，(a)為平面圖，(b)為VI-VI線斷面的剖面圖。
圖7是表示第2襯墊與接合第2襯墊的MEA襯墊接合體的結構的平面圖。
圖8是與圖16相同的斷面的斷面放大表示的立體圖。
圖9表示壓力損失試驗結果。
圖10表示還原劑氣體利用率試驗結果。
圖11是表示實施形態2的MEA襯墊接合體的結構的(陽極隔離層一側的)平面圖。
圖12是表示實施形態3的陽極隔離層的結構的(MEA襯墊接合體一側的)平面圖。
圖13是表示實施形態3的陰極隔離層的結構的(MEA襯墊接合體一側的)平面圖。
圖14是表示圖11、圖12、圖13的XIV-XIV線斷面的，電池單元10的迭層結構的剖面圖。
圖15是表示實施形態4的MEA襯墊接合體的結構，(a)為平面圖(陰極隔離層一側)，(b)為XV-XV線斷面的剖面圖。
圖16是將已有的高分子電解質型燃料電池的結構的一部分分解表示的立體圖。
圖17是圖16的XVII-XVII線斷面的放大立體圖。
符號說明1MEA襯墊接合體2陽極隔離層3陰極隔離層4螺桿孔5MEA5A 高分子電解質膜5B 催化劑層5C 氣體擴散層6框體6A 接合用貫通孔6B 成型用貫通孔6C 第1成型構件6D 第2成型構件6E 凹坑部7第1襯墊7A 主體部7B 連結部7C 肋部8第2襯墊9密封構件10 電池單元11 接合部11A 外側接合部11B 內側接合部12、22、32 還原劑歧管孔13、23、33 氧化劑歧管孔14、24、34 水歧管孔21 還原劑氣體流路31 氧化劑氣體流路40 外側間隙41 內側間隙
60 襯墊100 高分子電解質型燃料電池ΔP 壓力損失Q 還原劑氣體流量R 還原劑氣體利用率V 平均電池單元電壓具體實施方式
下面參照附圖對實施本發明的最佳形態進行說明。
實施形態1圖1表示實施形態1的MEA襯墊接合體1的結構，(a)為平面圖(陰極隔離層一側)，(b)為表示I-I線斷面的剖面圖。
如圖1所示，實施形態1的MEA襯墊接合體1具有MEA5。MEA5在除高分子電介質膜5A的周邊部以外的部分(內側部分)的兩面上分別依序迭層催化劑層5B和氣體擴散層5C。
而且，夾著MEA5的高分子電解質膜5A的周邊部并且包圍著該高分子電解質膜5A的外緣配置環狀(在這里，是中空的大致為正方形的板狀)的框體6。框體6在這里用可塑性樹脂構成。又，框體6配置為使其內緣與MEA5的催化劑層5B以及氣體擴散層5C的外緣之間分別具有環狀的間隙。框體6的厚度在這里大致與形成MEA5的催化劑層5B以及氣體擴散層5C的部分的厚度相同。在框體6上形成多個歧管孔使其在厚度方向上貫通該框體6，在這里，是形成一對還原劑歧管孔12、一對氧化劑歧管孔13、以及兩對水歧管孔14。
而且在框體6上配設由彈性體構成的第1襯墊(環狀襯墊)7。第1襯墊7由覆蓋框體6的兩個主面的規定部分的一對板狀的主體部7A、7A以及將這一對主體部7A、7A相互連接的柱狀的連接部7B構成。各主體部7A圍著一對還原劑歧管孔12、一對氧化劑歧管孔13、兩對水歧管孔14在框體6的周長方向上環狀延伸形成。在這里，在主體部7A上沿著其延伸方向延伸地形成肋7C。借助于此，該肋7C在MEA襯墊接合體1與陽極隔離層2和陰極隔離層3接合的狀態下、即電磁單元組裝狀態下，與該陽極隔離層2和陰極隔離層3接觸，能夠更可靠地將各歧管孔12～14以及氣體擴散層5C密封。又，主體部7A形成為與框體6的內緣保持間隔。而且在框體6的以第1襯墊7的主體部7A覆蓋的部分的適當地方形成貫通厚度方向的連結孔6A，利用填埋該連結孔6A形成的連結部7B使一對主體部7A、7A相互連結。
然后，在MEA襯墊接合體1的兩個主面上，分別配設在氣體擴散層5C的外圍側間隙、在這里是第1襯墊7的主體部7A的內側露出的環狀的框體6、以及覆蓋露出于框體6的內緣與氣體擴散層5C的外緣之間的環狀的高分子電解質膜5A的兩面上形成的環狀間隙形成的一對第2襯墊(環狀構件)8、8。第2襯墊8在這里用彈性體構成。又，第2襯墊8形成為環狀(在這里是中空的大約為正方形的形狀)的板狀，而且配設得具有第1襯墊7的主體部7A的內緣側的環狀間隙(以下稱為外側間隙)40以及氣體擴散層5C的外緣側的環狀間隙(以下稱為內側間隙)41。借助于此，第1襯墊7與氣體擴散層5C之間的環狀間隙被第2襯墊8縮小并分割。
而且環狀的外側間隙40以及內側間隙41分別由外側接合部11A以及內側接合部11B部分封閉。外側接合部11A以及內側接合部11B通過使第2襯墊8部分熔化分別流入外側間隙40和內側間隙41形成。
這樣構成的MEA襯墊接合體1，框體6以及襯墊7存在的外側部分比MEA5的氣體擴散層5C存在的其內側部分厚得多。而且，MEA襯墊接合體1在這里具有大致正方形的平面形狀，分別在4個角上形成螺桿孔。
在這里，使用這種MEA襯墊接合體1的電池單元10與已有的高分子電解質型燃料電池一樣地(參照圖16)通過將MEA襯墊接合體1、陽極隔離層2、陰極隔離層3迭層構成。而且將電池單元10迭層構成高分子電解質型燃料電池。
圖2是表示圖1的I-I線斷面的電池單元10的迭層斷面的剖面圖。
陽極隔離層2和陰極隔離層3為平板狀，與MEA襯墊接合體1接觸的一側的面具有MEA襯墊接合體1的形狀，更具體地說，與框體6和MEA5的厚度不同造成的階梯相應，中央部具有臺狀的級差。陽極隔離層2和陰極隔離層3使用日本東海碳素(carbon)株式會社制造的Glassy Carbon(厚度3mm)。隔離層2、3的各種歧管孔22、23、24、32、33、34、螺桿孔4、槽狀的還原劑氣體流路21、槽狀的氧化劑氣體流路31等利用切削加工方法形成。
而且，電池單元10用60個迭層，利用插通螺桿孔4的螺桿和螺帽以10KN的緊固力緊固。
在電池單元10的組裝狀態下，由于第2襯墊8是彈性體，借助于MEA襯墊接合體1和隔離層2、3的按壓，第2襯墊8在與框體6和隔離層2、3接觸的同時一邊發生變形，而且延伸，使外側間隙40和內側間隙41變得狹窄。
第1襯墊7被壓接于隔離層2、3，分別將水歧管孔14、24、34各自的周圍加以密封。在還原劑歧管孔12、22、32以及氧化劑歧管孔13、23、33也同樣，第1襯墊7分別將各歧管孔的周圍加以密封(未圖示)。
又，第1襯墊7和第2襯墊8將氣體擴散層5C的周圍密封。
在陽極隔離層2和陰極隔離層3的外表面上，在各種歧管孔的各孔的周圍配設耐熱材料構成的擠壓密封圈等一般的密封構件9。借助于此，能夠防止在相鄰的電池單元10之間發生從各種歧管孔的連接部分泄漏還原劑氣體、氧化劑氣體、以及水的情況發生下面對MEA襯墊接合體1的制造方法進行說明。
首先在高分子電解質膜5A的周邊部接合框體6。
圖3表示圖1的MEA襯墊接合體的基本結構、即框體-高分子電解質膜接合體的結構，(a)為平面圖，(b)為III-III線斷面的剖面圖。
框體6夾著高分子電解質膜5A的周邊部的兩面接合于高分子電解質膜5A。也就是說，框體6形成具有中央開口部的矩形平板狀的形態。而且在框體6上，貫通厚度方向分別形成一對還原劑歧管孔12、氧化劑氣體歧管孔13、兩對水歧管孔14、以及在框體6的角部近旁的4個螺桿孔。又，框體6上形成下述第1襯墊7成型使用的接合用貫通孔6A以及成型用貫通孔6B。在本實施形態中，框體6是外形尺寸為200mm×180mm、方形的開口部26的尺寸為124mm×124mm的矩形平板狀框體。又，框體6的厚度為0.8mm。
框體6使用在高分子電介質型燃料電池的運行溫度以下在化學上干凈而且穩定，具有合適的彈性模量和比較高的載荷撓曲溫度的材料。具體地說，隔離層2、3的還原劑氣體流路21和氧化劑氣體流路31的寬度為1～2mm左右，而且框體6的厚度大概為1mm以下為前提的情況下，最好是框體6的材料的壓縮彈性模量至少為2000MPa以上。在這里，所謂壓縮彈性模量是指利用日本工業標準JIS-K7181規定的壓縮彈性模量測定方法測定的壓縮彈性模量。又，高分子電解質型燃料電池的運行溫度通常在90℃以下，因此框體6的撓曲載荷溫度最好是120℃以上。更具體地說，在框體6使用樹脂材料的情況下，從化學穩定性的觀點出發，最好不采用非晶態樹脂，而采用結晶樹脂，其中也與機械強度大而且耐熱性高的材料為理想。例如所謂超工程塑料級的材料是合適的材料。例如PPS(聚苯撐硫醚)、PEEK(聚醚醚酮)、液晶聚合物(LCP)、PEN(聚醚腈)壓縮彈性模量有數千到數萬MPa，撓曲載荷溫度為150℃以上，是合適的材料。又，即使是通用的樹脂材料，例如充填玻璃填料的聚丙烯(GFPP)等，具有未充填的聚丙烯(壓縮彈性模量為1000～1500MPa左右)的數倍的彈性模量，而且具有接近150℃的撓曲載荷溫度，也是合適的材料。在本實施形態中，使用作為熱可塑性樹脂的添加玻璃填料的PPS(大日本油墨化學工業株式會社制造的DIC-PPSFZ1140-B2)。
高分子電解質膜5A使用外形尺寸為140mm見方、厚度50微米的全氟碳磺酸膜(DUPONT Nafionl17(注冊商標))。
圖4是表示在圖3的IV-IV線剖面圖中框體-高分子電解質膜接合體的成型工序的概略情況的工序圖。
框體6與高分子電解質膜5A的接合利用采用二重成型法的插入成型法進行。也就是如圖4所示，首先只形成框體6的厚度方向的一半(第1成型構件6C)。這時，如圖4所示，在第1成型構件6C，在開口部的周邊的整個周邊成型形成高度0.2mm、寬度0.5mm、間距1mm的凹坑部6E。
接著，如圖4所示，覆蓋著第1成型構件6C的開口部配置高分子電解質膜5A。這時，高分子電解質膜5A的周邊部覆蓋著凹坑部6E配置。
然后如圖4所示，注塑成型形成厚度方向的另一半(第2成型構件6D)。
這時，高分子電解質膜5A的周邊部利用第2成型構件6D的熱量熔敷于第2成型構件6D和第1成型構件6C的樹脂上，而且利用第2成型構件6D的注塑壓力，使高分子電解質膜5A沿著第1成型構件6C的凹坑部變形。以此將高分子電解質膜5A接合于框體6。還有，在圖4以外的附圖中，為了說明方便，省略高分子電解質膜5A與框體6的接合形態。
又，在本實施形態中，在第1成型構件6C成型后將第1成型構件6C移到另一模具上進行注塑成型。但是通過使用滑動模具或旋轉模具，能夠用一個模具連續進行第1成型構件6C和第2成型構件6D的成型。借助于此，可以簡化工序，提高MEA襯墊接合體1的批量生產效率。
接著在框體6的兩個主面上接合第1襯墊7。
第1襯墊7采用在高分子電解質型燃料電池的運行溫度以下，化學上穩定，特別是不發生加水分解等情況的具有高耐熱水性的材料。又，最好是第1襯墊7的壓縮彈性模量為200MPa以下。這樣可以確保在高分子電解質型燃料電池的緊固載荷下有良好的密封性能。在本實施形態中，采用熱可塑性彈性物質、具體地說，采用作為聚烯(烴)系熱可塑性彈性物質的santoprene 8101-55(Advanced Elasotomer System公司制造)。
在這里，框體6最好是其壓縮彈性模量為2000MPa以上，200000MPa以下，第1襯墊7其壓縮彈性模量為0MPa以上，200MPa以下。根據經驗，通過這樣構成框體6的剛性和第1襯墊7的彈性，能夠抑制氧化劑氣體與還原劑氣體混合、即所謂交叉泄漏現象。
在本實施形態中，采用第1襯墊7成型用的模具，在第1襯墊7的兩個主面上同時注塑成型形成一對第1襯墊7。如圖2所示，在成型形成第1襯墊7的部分的框體6的表面打多個接合用貫通孔6A。又打出4個成型用貫通孔6B。然后將框體6的成型用貫通孔6B作為成型時的門，通過適當調整注塑壓力、注塑速度、模具溫度等成型條件，充填無不足地，而且對框體6的主面的變形進行抑制地在框體6的兩個主面上成型形成一對第1襯墊7。
圖5是表示形成第1襯墊的，圖3的框體-高分子電解質膜接合體的結構的結構圖，(a)為平面圖，(b)為V-V線斷面的剖面圖。
在框體6的兩個主面上，形成熱可塑性彈性物質構成的第1襯墊7與框體6接合的結構。具體地說，如圖5所示，第1襯墊7流入設置于框體的框體6的接合用貫通孔6A成型。借助于此，配設于框體6的兩個表面上的一對第1襯墊7在接合用貫通孔6A連接，因此第1襯墊7與框體6得以牢固連接。例如在本實施形態中，使用于第1襯墊7的彈性物質(santoprene 8101-55)的成型收縮率比較大，為20/1000，但是能夠實現牢固的接合。或是也可以第1襯墊7的物質具有與框體6的材料共同的可塑成分。在這種情況下，框體6與第1襯墊7熱熔敷，能夠得到牢固的接合，因此也可以沒有接合用貫通孔6A。
接著在高分子電解質膜5A的兩主面上形成催化劑層5B和氣體擴散層5C。
圖6是表示在高分子電解質膜5A的兩個主面上形成催化劑層5B和氣體擴散層5C的，圖5的框體-高分子電解質膜接合體的結構的結構圖，(a)為平面圖，(b)為VI-VI線斷面的剖面圖。
在本實施形態中，首先如下所述形成催化劑層5B。
使灶黑EC(KETJENBLACK INTERNATIONAL公司制造的爐黑，比表面積800m2/g，DBP吸油量360ml/100g)以重量比1∶1的比例承載白金。接著在10g的該催化劑粉末中混合35g水和氫離子導電性高分子電解質的乙醇分散液(旭硝子株式會社制造的9％FSS)59g，用超聲波攪拌機使其分散制作，制作催化劑層墨液。然后將該催化劑層墨液用噴射方法在高分子電解質膜5A的兩個主面上噴涂20微米的厚度，然后在115℃的溫度下進行20分鐘的熱處理，形成催化劑層5B。還有，在噴射涂布時，在高分子電解質膜5A上覆蓋具有120mm×120mm的開口部的掩模，然后進行噴射涂布。
接著，接合于催化劑層5B形成氣體擴散層5C。氣體擴散層5C利用具有許多孔的多孔質體構成。借助于此，氣體能夠侵入孔中，因此氣體容易擴散，達到催化劑層5B。在本實施形態中，將123mm見方的碳纖維布(JAPAN GORE-TEX株式會社制造的Carbel CL400、厚度400微米)覆蓋于涂布催化劑層5B的高分子電解質膜5A上。然后將該碳纖維布在壓力0.5MPa、135度、5分鐘的條件下熱壓，以使其接合于高分子電解質膜5A的兩個主面的催化劑層5B上，形成氣體擴散層5C。
接著，在氣體擴散層5C與框體6之間的高分子電解質膜5A的兩個主面上接合第2襯墊8。
圖7是表示第2襯墊與接合第2襯墊的MEA襯墊接合體的結構的平面圖。
第2襯墊8使用具有與第1襯墊7共同的可塑成分的熱可塑性樹脂或熱可塑性彈性物質。又可以使用包含與第1襯墊7同種熱可塑性彈性物質的熱可塑性樹脂。具體地說，在第1襯墊7使用聚烯(烴)系熱可塑性彈性物質的情況下，第2襯墊8可以使用包含聚乙烯的熱可塑性樹脂。因此，第2襯墊8與第1襯墊7具有共通的可塑成分，因此能夠使雙方熔敷。
在本實施形態中，第2襯墊8使用與第1襯墊7同種的熱可塑性彈性物質、即santoprene 8101-55(Advanced Elasotomer System公司制造)。
然后，第2襯墊8形成為與第1襯墊7和氣體擴散層5C之間的環狀間隙相應的形狀。在本實施形態中，將santoprene 8101-55的擠壓成型片(厚度0.32mm)沖孔形成。第2襯墊8的形狀是中央部具有123.5mm見方的開口部的環狀形狀。也就是說，123mm見方的氣體擴散層5C的外緣部與第2襯墊8的內緣部形成約0.25mm寬度的內側間隙41。而且第2襯墊8的外緣部形成在第1襯墊7的內周部空出約0.5mm寬度的外側間隙40的形狀。
然后，在第1襯墊7和氣體擴散層5C之間的高分子電解質膜5A的兩個主面上配置，第1襯墊7的內緣與第2襯墊8的外緣、以及第2襯墊8的內緣與氣體擴散層5C的外緣至少部分接合，也就是環狀的外側間隙是40以及內側間隙41分別部分封閉，制作MEA襯墊接合體MEA1。在本實施形態中，第2襯墊8的外緣部通過與第1襯墊7的內緣部熱熔敷，形成外側接合部11A。又，氣體擴散層5C由于是具有微孔的多孔質體，因此第2襯墊8的內緣部熔入氣體擴散層5C的外緣部的孔中。借助于此，形成內側接合部11B。具體地說，用釬焊烙鐵使第2襯墊8和第1襯墊7熔化。還有，第2襯墊8的熔化工序可以利用焊接機等自動設備進行。借助于此，使外側間隙40在外側接合部11A封閉，內側間隙41在內側接合部11B封閉。
如上所述進行，第1襯墊7的內緣與第2襯墊8的外緣、以及第2襯墊8的內緣與擴散層5C的外緣至少部分接觸，因此在電池單元10處于組裝狀態時，迂回通過還原劑氣體流路21，沿著第2襯墊8的周圍、即沿著在氣體擴散層5C的外圍形成的外側間隙40或內側間隙41，從一對還原劑氣體歧管22、22之間通過的還原劑氣體的氣流可以切斷。同樣進行，迂回通過氧化劑氣體流路31，沿著第2襯墊8的周圍、即沿著在氣體擴散層5C的外圍形成的外側間隙40或內側間隙41，從一對氧化劑歧管33、33之間通過的氧化劑氣體的氣流也可以切斷。利用這些手段，可以進一步抑制高分子電解質型燃料電池的氧化劑氣體或還原劑氣體的利用效率下降，可以進一步抑制高分子電解質型燃料電池的氣體利用效率的下降。
又，氣體擴散層5C與第1襯墊7之間的環狀間隙在MEA襯墊接合體1的厚度方向上變形，換句話說，形成立體結構，因此其封閉是不容易的。但是，通過配設第2襯墊8，在電池單元10處于組裝狀態時在氣體擴散層5C的外緣與第1襯墊(環狀襯墊)7的內緣之間形成的環狀間隙被第2襯墊(環狀構件)8縮小，因此氧化劑氣體或還原劑氣體向氣體擴散層5C外圍的泄漏得到抑制，能夠進一步抑制高分子電解質型燃料電池的氣體利用效率的下降。又，第2襯墊8將氣體擴散層5C的外緣與第1襯墊7的內緣的周圍形成的環狀間隙分割為兩個同一平面上的環狀間隙40、41，因此在該分割的環狀間隙40、41中，能夠容易地將第2襯墊8的外緣與第1襯墊7的內緣、以及第2襯墊8的內緣與氣體擴散層5C的外緣部分接合。也就是說，平面的而且是狹窄的外側間隙40以及內側間隙41借助于第2襯墊的熔化等能夠容易地實現部分接合。
而且，第1襯墊7的內緣與第2襯墊8的外緣、以及第2襯墊8的內緣與氣體擴散層5C的外緣分別利用熔敷可靠地焊接，因此能夠更可靠地得到本發明的效果。
下面對本實施形態的高分子電解質型燃料電池運行時的作用進行說明。
圖8是與圖17相同的斷面的斷面放大表示的立體圖。如圖8所示，提供給高分子電解質型燃料電池的還原劑氣體通過一方的還原劑歧管流通，從陽極隔離層2的還原劑歧管孔22向還原劑氣體流路21分流，曝露于MEA5，在還原劑氣體歧管孔22向另一還原劑氣體歧管排出，通過還原劑歧管流動，從高分子電解質型燃料電池排出。對于氧化劑氣體，也通過一方的氧化劑氣體歧管流動，同樣從另一氧化劑氣體歧管排出。
而且，在這一過程中，MEA襯墊接合體1由于框體6具有剛性，所以在從還原劑歧管孔22到還原劑氣體流路21的分歧部，也由于框體6產生的按壓力，將第1襯墊7向陰極隔離層3按壓。這樣能夠抑制還原劑氣體侵入陰極隔離層3與MEA襯墊接合體1之間、或陰極隔離層3與MEA襯墊接合體1之間形成的氧化劑氣體流路31通過的氧化劑氣體向該分歧部漏出，也就是能夠抑制氧化劑氣體與還原劑氣體的混合、即所謂交叉泄漏現象的發生可能性。又，對于通向陰極隔離層3與MEA襯墊接合體1之間形成的還原劑氣體流路21的分叉部也相同。也就是說，陽極隔離層2與MEA襯墊接合體1之間的密封性能得到維持，因此氧化劑氣體侵入或還原劑氣體泄露出陽極隔離層2與MEA襯墊接合體1之間的可能性得以抑制，發生氧化劑氣體與還原劑氣體的交叉泄漏現象的可能性得以抑制。
下面對使用本實施形態的高分子電解質型燃料電池的實施例進行說明。
實施例1用實施形態1的高分子電解質型燃料電池進行以下的性能試驗。
1.交叉泄漏耐壓試驗將實施形態1的高分子電解質型燃料電池的氧化劑氣體歧管的開口封閉，用干燥氮氣將還原劑氣體歧管加壓到0～200KPa，測定向氧化劑氣體歧管漏出的干燥氮氣的流量。
該結果表明，即使是將還原劑氣體歧管加壓到200KPa，也沒有檢測出干燥氮氣向氧化劑氣體歧管泄漏。
2.陽極壓力損失試驗使3～20NL的干燥氮氣流入實施形態1的高分子電解質型燃料電池的還原劑氣體歧管，測定壓力損失。
又，作為比較例1采用結構與實施形態1相同的，MEA襯墊接合體1采用以往的結構的MEA襯墊接合體的高分子電解質燃料電池。也就是說，使用以彈性體，在這里，是以氟橡膠構成的襯墊60，代替框架6，一對襯墊60夾著高分子電解質膜5A的周邊部兩面，與高分子電解質膜5A接合構成的MEA襯墊接合體(參照圖16)。
作為比較例2，采用比較例1的高分子電解質型燃料電池，而且是與高分子電解質膜5A的周邊部接合的襯墊的內緣與氣體擴散層5C之間形成的環狀間隙用含氟潤滑脂(大金工業株式會社制造的DEMNUM L200)封閉的高分子電解質型燃料電池。通過涂布這種含氟潤滑脂，切斷氧化劑氣體和還原劑氣體的交叉泄漏的泄漏路徑，同時也切斷氧化劑氣體和還原劑氣體的迂回流路，因此能夠謀求提高氧化劑氣體和還原劑氣體的利用效率。但是，含氟潤滑脂會熔化，因此這種效果不能夠持續到高分子電解質型燃料電池的使用年限。
對于比較例1和比較例2的高分子電解質型燃料電池也用同樣手段測定壓力損失。
圖9表示壓力損失試驗結果。如圖9所示，實施例1的壓力損失ΔP與比較例1相比高2成左右。又，實施例1與比較例2顯示出大致相同的壓力損失ΔP。這表示提供給還原劑歧管的氣體的流出、即從還原劑氣體歧管孔12、22、32以及還原劑氣體流路21來，向氧化劑氣體一側或外部泄漏的情況在實施例1中受到抑制。
3.燃料利用率試驗一邊使還原劑氣體利用率從50％變到95％一邊使實施形態1的高分子電解質型燃料電池運行，測定作為每一電池單元的平均電壓的平均電池單元電壓V。運行條件是，氧化劑氣體采用加濕到露點65℃的加濕空氣，提供給高分子電解質型燃料電池，使空氣利用率為40％。還原劑氣體采用摩爾比調整為氫∶二氧化碳＝4∶1，加濕到露點65℃的模擬重整氣體，將其對高分子電解質型燃料電池提供，使還原劑氣體利用率R為50％～95％。高分子電解質型燃料電池的溫度借助于通過水歧管的水調整為65℃。又，以電流密度0.2A/cm2運行。
對于比較例1也以同樣方法進行燃料利用率試驗。
圖10表示還原劑氣體利用率試驗結果。如圖10所示，比較例1在還原劑利用率R高的領域平均電池單元電壓V下降。這可推斷為是由于隨著使還原劑氣體利用率提高，還原劑氣體的流量減小，還原劑氣體流路21內的壓力損失下降，因此在還原劑氣體流路21內還原劑氣體推動結露的水分流動有困難，引起所謂溢流。與其相比，實施例1中，還原劑氣體利用率R即使達到95％左右，平均電池單元電壓V也不下降，能夠維持穩定的輸出。這被推斷為，實施例1與比較例1相比，還原劑氣體的泄漏以及還原劑氣體的利用效率的下降受到抑制，因此在還原劑氣體流路21中也能夠確保比比較例1高的壓力損失所以溢流現象得到抑制。
實施形態2實施形態2的高分子電解質型燃料電池除了MEA襯墊接合體1的框體的材料、MEA襯墊接合體1、陽極隔離層2及陰極隔離層3的主面的形狀和各種歧管孔的配置位置外，與實施形態1的高分子電解質型燃料電池相同。因此在實施形態2中，只說明與實施形態1不同的部分。
圖11是表示實施形態2的MEA襯墊接合體1的結構的(陽極隔離層一側的)平面圖。
框體6的材料采用添加玻璃纖維填料的聚丙烯(出光石油化學株式會社R350G)。而第1襯墊7與實施形態1一樣采用作為熱可塑性彈性物質的santoprene 8101-55(Advanced Elasotomer System公司制造)。這樣，由于第1襯墊7與框體6都將聚丙烯作為可塑成分共有，因此在第1襯墊7成型時，第1襯墊7與框架6熔敷形成一體(通常稱為二色成型)能夠得到接合結構。從而，在實施形態2中，不需要實施形態1的接合用貫通孔6A(參照圖3)，框體6成型時沒有形成接合用貫通孔6A(未圖示)。
又，框體6具有長方形的主面，主面周邊部上形成的還原劑歧管孔12、氧化劑歧管孔13以及水歧管孔14各一對形成于框體6主面長度方向的兩旁。
而且與MEA襯墊接合體1的形狀對應，形成陽極隔離層2和陰極隔離層3，形成各種歧管孔(未圖示)。
使用實施形態2的高分子電解質型燃料電池，與實施例1一樣進行性能試驗，與實施例1相同，得到比比較例1優異的試驗結果。可知在實施形態2中，也與實施形態1一樣，高分子電解質型燃料電池的性能得到提高。
實施形態3實施形態3的高分子電解質型燃料電池，除了隔離層2、3的材料是金屬這一點外，與實施形態2的高分子電解質型燃料電池一樣。因此在實施形態3中，只說明與實施形態2不同的部分。
圖12是表示實施形態3的陽極隔離層的結構的(MEA襯墊接合體一側的)平面圖。又，圖13是表示實施形態3的陰極隔離層的結構的(MEA襯墊接合體一側的)平面圖。
這些隔離層2、3是將SUS復合材料(住友金屬工業株式會社試制產品)沖壓加工成型制成的。如這些附圖所示，在隔離層2、3利用沖壓加工方法形成還原劑氣體流路21和氧化劑氣體流路31。
圖14是表示圖11、圖12、圖13的XIV-XIV線斷面的，電池單元10的迭層結構的剖面圖。如圖14所示，電池單元10是隔離層2、3夾著MEA襯墊接合體1構成的。
采用實施形態3的高分子電解質型燃料電池與實施例1一樣進行性能試驗，與實施例1相同，得到比比較例1優異的試驗結果。可知在實施形態3中，也與實施形態1一樣，高分子電解質型燃料電池的性能得到提高。
如實施形態1～實施形態3所示，本發明的MEA襯墊接合體1具有在作為剛性體的框架6的表面配設具有密封功能的第1襯墊7的結構，因此，MEA襯墊接合體1本身不容易變形，能夠抑制從歧管孔12、13周圍泄漏氣體、即所謂交叉泄漏現象的發生。
又，配設于框體6表面的第1襯墊7的內緣與氣體擴散層5C的外緣之間的環狀間隙由于第2襯墊8而減小，因此還原劑氣體和氧化劑氣體向氣體擴散層5C內部、還原劑氣體流路21、以及氧化劑氣體流路31的泄漏得到抑制。
而且，由于第1襯墊7的內緣與第2襯墊8的外緣、以及第2襯墊8的內緣與氣體擴散層5C的外緣至少部分接合，因此迂回還原劑氣體流路21和氧化劑氣體流路31，沿著第2襯墊8的周圍、即沿著氣體擴散層5C外圍形成的外側間隙40或內側間隙41，流過一對還原劑氣體歧管22、22之間的還原劑氣體的流動以及流過一對氧化劑氣體歧管33、33之間的氧化劑氣體的流動被切斷，進一步抑制了氧化劑氣體和還原劑氣體的利用效率。根據以上所述，本實施形態的發明能夠抑制交叉泄漏現象，提高還原劑氣體和氧化劑氣體的利用效率，以此能夠改善高分子電解質型燃料電池的性能。
實施形態4實施形態4的高分子電解質型燃料電池除了在MEA襯墊接合體1中省略第2襯墊和框體6的材料不同這兩點以外，其他與實施形態1的高分子電解質型燃料電池相同。因此對于實施形態4只說明其不同于實施形態1、2的不同部分。
圖15是表示實施形態4的MEA襯墊接合體的結構，(a)為平面圖(陰極隔離層一側)，(b)為XV-XV線斷面的剖面圖。框體6的材料采用添加玻璃纖維填料的聚丙烯(出光石油化學株式會社R350G)。而第1襯墊7與實施形態1一樣采用作為熱可塑性彈性物質的santoprene 8101-55(Advanced Elasotomer System公司制造)。這樣，由于第1襯墊7與框體6都將聚丙烯作為可塑成分共有，因此在第1襯墊7成型時，第1襯墊7與框架6熔敷形成一體(通常稱為二色成型)能夠得到接合結構。從而，與實施形態2一樣，在實施形態4中，不需要實施形態1的接合用貫通孔6A(參照圖3)，框體6成型時沒有形成接合用貫通孔6A(未圖示)。
又，形成第1襯墊7的內緣，使其在氣體擴散層5C的外緣的整個一周上與其接觸。這樣，氣體擴散層外圍側間隙被完全封閉，因此能夠抑制還原劑氣體和氧化劑氣體從氣體擴散層5C外緣向其外圍泄漏，因此利用比實施形態1～3更簡單的結構能夠進一步抑制還原劑氣體和氧化劑氣體的利用效率的下降。
而且第1襯墊7的內緣在氣體擴散層5C的整個一周上熔入氣體擴散層5C的外緣部形成接合部11。借助于此，第1襯墊7的內緣在氣體擴散層5C的整個一周上與氣體擴散層5C的外緣部接合，因此能夠更可靠地抑制還原劑氣體和氧化劑氣體從氣體擴散層5C的外緣漏出。
還有，在這里，是在氣體擴散層5C的整個一周上接合第1襯墊7，但是也可以第1襯墊7的內緣至少部分與氣體擴散層5C接觸，形成熔入其外緣的結構。這樣能夠與實施形態1和2一樣抑制高分子電解質型燃料電池的氧化劑氣體或還原劑氣體的利用效率的下降。如上所述進行，在實施形態4中，與實施形態1一樣，不需要對隔離層進行復雜的加工，也不需要追加第2襯墊8、即不需要增加零部件，就能夠抑制還原劑氣體或氧化劑氣體侵入隔離層2、3與MEA襯墊接合體1的接合面之間，或發生交叉泄漏現象的可能性。又，形成于第1襯墊7的內緣和氣體擴散層5C的外緣之間的環狀間隙由于至少部分封閉，能夠利用簡便的結構抑制氣體擴散層5C的外圍的還原劑氣體和氧化劑氣體的流動。
在這里，在實施形態4中，在形成氣體擴散層5C后形成第1襯墊7并使其與氣體擴散層5C接觸的制造工序中有其特征。通常，在氣體擴散層5C形成后，形成第1襯墊7，使其與氣體擴散層5C接觸這樣的方法在所謂本行業的普通技術人員中被認為是困難的。也就是說，由于第1襯墊7進行成型工作時使用的模具與氣體擴散層5C接觸，擴散層5C的損傷不可避免這一點、在框體6的內緣與氣體擴散層5C的外緣之間的環狀間隙中露出的高分子電解質膜在進行第1襯墊7的成型工作時發生破損這一點、以及成型時的通風、所謂排氣變得不充分，在第1襯墊7的內緣與氣體擴散層5C的外緣之間殘留間隙這一點至少被認為是存在問題。本發明者著眼于氣體擴散層5C具有多孔性結構，MEA5對厚度方向來的壓縮力具有某種程度的復原力這一點以及如果利用氣體擴散層5C的通氣性，就能夠充分排氣這一點，銳意進行研究實現了本發明。下面對實施形態4的MEA襯墊接合體1的制造方法進行說明。
首先，在高分子電解質膜5A的中央部形成催化劑層5B，再形成氣體擴散層5C，制作MEA5。在這里，采用日本戈爾特斯株式會社制造的「PRIMEA」(注冊商標)，也就是說，氣體擴散層5C以碳布為基體的厚度400微米、MEA5的厚度為約850微米的材料。而且，形成框體6，使其與MEA5的周邊部的高分子電解質膜5A接合。在這里，將MEA5的外緣部的高分子電解質膜1A切為規定形狀后，利用添加玻璃纖維填料的聚丙烯(出光石油化學株式會社制造的R350G)在MEA5的外緣部形成框體6。接著，在框體6的內緣與氣體擴散層5C之間的環狀間隙上形成第1襯墊7。作為第1襯墊7，與實施形態1一樣，用santoprene 8101-55(Advanced Elasotomer System公司制造)，利用注塑成型方法形成。
在這里，本發明人對在環狀間隙中露出的高分子電解質膜1A的注塑成型作業時的壓力造成破損的機制進行銳意研究，根據結果推斷來自高分子電解質膜1A的一個面的成型壓力比另一面大的狀況是破損發生的原因。而且發現，通過使高分子電解質膜1A的表面和背面在注塑成型時的射出物體的流動速度一致，能夠防止損傷發生。具體地說，第1襯墊7注塑成型時使用的模具采用射出物容易脫離的模具結構。也就是說，利用一般的模具加工技術，形成第1襯墊7的框架6一側、即外圍側被充填后，射出物體能夠向高分子電解質膜5A、即內周側流入的模具結構。
又，在該模具上，在與氣體擴散層5C的中央部相對的位置上設置排氣孔(通風孔)。借助于此，在進行成型時由于射出物體的侵入而被推出的模具內的氣體通過多孔性的氣體擴散層5C從通氣孔向外部排出，因此射出物體能夠一直推進到氣體擴散層5C的外緣部。
而且，該模具形成為在氣體擴散層5C的外緣部的整個一周的2mm左右的寬度上約100微米左右的厚度被壓碎。借助于此，阻礙射出物體在氣體擴散層5C外緣部侵入氣體擴散層5C中央部，而且在氣體擴散層5C外緣部的整個一周上形成接合部11。氣體擴散層5C由于具有多孔質結構，在成型結束后會使厚度有某種程度上的恢復，而且在電池單元處于組裝狀態時形成被隔離層2、3壓碎的狀態，因此在該注塑成型時氣體擴散層5C的按壓不會招致燃料電池性能下降。根據以上所述，在框體6的兩個主面上與實施例1一樣接合第1襯墊7。而且第1襯墊7的內緣熱熔融于氣體擴散層5C的外緣，熔入氣體擴散層5C的外緣。
使用實施形態4的高分子電解質型燃料電池，與實施例1一樣進行性能試驗時，得到與實施例1相同，比比較例1優異的試驗結果。可知在實施形態4中，也與實施形態1一樣，高分子電解質型燃料電池的性能得到提高。
根據上面說明中，本行業的普通技術人員能夠了解本發明的許多改良和其他實施形態。從而，上述說明只應該作為例示解釋，是為執行本發明而將最佳實施形態向本行業的普通技術人員示教而提供的。在不脫離本發明的精神的情況下，能夠在實質上對其結構以及/或功能進行變更。
工業應用性本發明的MEA襯墊接合體以及高分子電解質型燃料電池作為既能夠抑制隔離層的加工的復雜化和零部件的增加，又能夠利用簡便的結構抑制從分歧孔到隔離層內表面的流路的分歧部的氧化劑氣體和還原劑氣體的交叉泄漏和襯墊以及氣體擴散層外圍的還原劑氣體和氧化劑氣體的流動的MEA襯墊接合體以及使用該接合體的高分子電解質型燃料電池是有用的。
權利要求
1.一種MEA襯墊接合體，其特征在于，具備由高分子電解質膜、催化劑層、以及氣體擴散層形成的MEA、包圍著所述MEA地接合于所述MEA的周邊部的高分子電解質膜，而且形成多個流體歧管孔的板狀的框體、以及形成于所述框體的兩個面上的彈性體構成的環狀襯墊，形成于所述環狀襯墊的內緣與所述氣體擴散層的外緣之間的環狀間隙至少部分封閉。
2.根據權利要求1所述的MEA襯墊接合體，其特征在于，所述環狀襯墊的內緣與所述氣體擴散層的外緣至少部分接觸，所述環狀間隙至少部分封閉。
3.根據權利要求1所述的MEA襯墊接合體，其特征在于，所述MEA襯墊接合體具備配置于所述環狀襯墊與所述氣體擴散層之間的彈性體構成的環狀構件，該環狀構件的外緣至少部分與所述環狀襯墊的內緣接觸，而且該環狀構件的內緣至少部分與所述氣體擴散層的外緣接觸，所述環狀間隙至少部分封閉。
4.根據權利要求2所述的MEA襯墊接合體，其特征在于，所述環狀襯墊的內緣被加熱熔化，熔入所述氣體擴散層的外緣。
5.根據權利要求3所述的MEA襯墊接合體，其特征在于，所述環狀構件的內緣被加熱熔化，熔入所述氣體擴散層的外緣，而且所述環狀構件的外緣與所述環狀襯墊的內緣部分熱熔敷。
6.根據權利要求1～5中的任一項所述的MEA襯墊接合體，其特征在于，所述框體由熱可塑性樹脂構成，所述環狀襯墊由熱可塑性彈性物質構成，所述框體與所述環狀襯墊具有共同的可塑成分，所述環狀襯墊分別熱熔敷于所述框體的兩個面上。
7.根據權利要求1～6中的任一項所述的MEA襯墊接合體，其特征在于，所述框體，其壓縮彈性模量為2000MPa以上，200000MPa以下，所述環狀襯墊，其壓縮彈性模量大于0MPa，在200MPa以下。
8.一種高分子電解質型燃料電池，其特征在于，迭層一個以上的，具有權利要求1～7中的任一項所述的MEA襯墊接合體、以及夾著該MEA襯墊接合體配設的陽極隔離層及陰極隔離層的電池單元形成，所述陽極隔離層及陰極隔離層分別在與所述MEA襯墊接合體的各流體孔對應的位置上設置流體歧管孔，而且在陽極隔離層和陰極隔離層的內表面上形成流體流路槽，使其連結至少一對所述流體歧管孔。
全文摘要
本發明的MEA襯墊接合體(1)具備高分子電解質膜(5A)、催化劑層以及氣體擴散層(5C)形成的MEA(5)、包圍著MEA(5)地接合于MEA(5)的周邊部的高分子電解質膜(5A)，而且形成多個流體歧管孔(12、13、14)的板狀的框體(6)、以及形成于框體(6)的兩個面上的環狀襯墊(7)，形成于環狀襯墊(7)的內緣與氣體擴散層(5C)的外緣之間的環狀間隙至少部分封閉。
文檔編號H01M8/10GK1977412SQ20058002203
公開日2007年6月6日 申請日期2005年10月6日 優先權日2004年10月8日
發明者小林晉, 關安宏 申請人:松下電器產業株式會社