專利名稱：膜電極裝配體及其制造方法以及使用該膜電極裝配體的固體高分子型燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于固體高分子型燃料電池的膜電極裝配體。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，作為高效率的能量轉(zhuǎn)換裝置，燃料電池正受到注目。燃料電 池根據(jù)所使用的電解質(zhì)的種類可大致分為堿性型、固體高分子型、磷酸型 等低溫工作燃料電池和熔融碳酸鹽型、固體氧化物型等高溫工作燃料電池。 其中，使用具有離子傳導(dǎo)性的高分子電解質(zhì)膜作為電解質(zhì)的固體高分子型
燃料電池(PEFC)由于能以小巧的結(jié)構(gòu)獲得高功率密度、并且不使用液體作 為電解質(zhì)、可在低溫下運(yùn)轉(zhuǎn)等原因，因此能以簡(jiǎn)易的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，所以作為 固定用、車輛用、攜帶用等的電源受到注目。
固體高分子型燃料電池的基本原理是將高分子電解質(zhì)膜的一面暴露 于燃料氣體(氫等)，將其反面暴露于氧化劑氣體(空氣等)，介以高分子電 解質(zhì)膜通過(guò)化學(xué)反應(yīng)合成水，將由此產(chǎn)生的反應(yīng)能量以電能的形式取出。 表示以往的燃料電池的結(jié)構(gòu)的分解立體圖示于

圖1，其裝配體的橫截面圖示 于圖2。圖l及圖2中，經(jīng)形成于分離器的氣體流道導(dǎo)入的反應(yīng)氣體介以高 分子電解質(zhì)膜在多孔質(zhì)催化電極處發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，在此產(chǎn)生的能量通過(guò) 分離器被回收至外部。由該結(jié)構(gòu)可知，必須將高分子電解質(zhì)膜和多孔質(zhì)催 化電極物理性地接合。此外，通常將在高分子電解質(zhì)膜的兩面配置多孔質(zhì) 催化電極、用熱壓機(jī)等將其形成為一體的物體稱為膜電極接合體(MEA)。MEA 可獨(dú)立地操作，在MEA和分離器之間配置密封件，防止反應(yīng)氣體的外泄。 高分子電解質(zhì)膜具有離子傳導(dǎo)性，但沒(méi)有通氣性和電子傳導(dǎo)性，因此具有 將燃料極和氧極物理性且電子性地隔絕的作用。高分子電解質(zhì)膜的尺寸小 于多孔質(zhì)催化電極時(shí)，在MEA的內(nèi)側(cè)，多孔質(zhì)催化電極之間發(fā)生電短路，且氧化劑氣體和燃料氣體發(fā)生混合(交叉泄漏(cross leak)),因此喪失作 為電池的功能。因此，高分子電解質(zhì)膜的面積必須與多孔質(zhì)催化電極的面 積相等或在其之上。所以，通常通過(guò)使高分子電解質(zhì)膜延伸至超過(guò)多孔質(zhì) 催化電極的周緣部，用密封件和分離器將其夾住，從而構(gòu)成氣密及支撐結(jié) 構(gòu)。
另外，高分子電解質(zhì)膜是極薄的膜狀材料，因此其操作困難，在與電 極接合時(shí)或進(jìn)行將多個(gè)單電池層疊組合成電池堆(stack)的裝配作業(yè)時(shí)等 時(shí)候，在對(duì)于反應(yīng)氣體的密封很重要的其周緣部經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生褶皺。采用上 述產(chǎn)生了褶皺的狀態(tài)的高分子電解質(zhì)膜裝配成的單電池或電池堆中，反應(yīng) 氣體從產(chǎn)生了褶皺的部位泄漏的可能性高。此外，即使在完全沒(méi)有褶皺等 的狀態(tài)下，高分子電解質(zhì)膜也是構(gòu)成電池堆的所有構(gòu)成部件中機(jī)械強(qiáng)度最 低的部件，所以容易受到損傷。因此，為提高固體高分子型燃料電池的可 靠性、易保養(yǎng)性等，希望增強(qiáng)高分子電解質(zhì)膜部位。為防止如上所述在高 分子電解質(zhì)膜的周緣部發(fā)生的電短路，以往還制造了一種MEA，該MEA通過(guò) 將面積大于電極層面積的電解質(zhì)膜安裝于電極層、使高分子電解質(zhì)膜橫向 延伸至超過(guò)電極層的端部而制成。然而，制作電解質(zhì)膜和電極層的尺寸不 同的MEA時(shí)，必須將它們分別切取并定位，因此工序數(shù)增多，導(dǎo)致生產(chǎn)性 的下降。
已知如下方法用注射成形或壓縮成形等方法將熱塑性聚合物用于具
有與氣體擴(kuò)散電極相同尺寸或比氣體擴(kuò)散電極大的高分子電解質(zhì)膜的MEA
的周緣部，藉此，該熱塑性聚合物浸透至氣體擴(kuò)散支撐體的密封端部的內(nèi)
部，且將氣體擴(kuò)散支撐體的兩邊的周圍區(qū)域和高分子電解質(zhì)膜包住，由此 形成具有熱塑性聚合物的流體不浸透性密封的一體化的膜電極裝配體(日
本專利特表2005 — 516350號(hào)公報(bào))。
此外，為有效地加強(qiáng)高分子電解質(zhì)膜，大幅提高燃料電池結(jié)構(gòu)體的操 作作業(yè)性，已知將框架部件壓入固定于高分子電解質(zhì)膜兩面的多孔質(zhì)體的 外周緣部、牢固且確實(shí)地將多孔質(zhì)體和框架部件一體化的方法(日本專利特 開(kāi)平10—199551號(hào)公報(bào))。發(fā)明的揭示
在日本專利特表2005 — 516350號(hào)公報(bào)所記載的方法中，如果通過(guò)注射 成形將熱塑性聚合物用于具有比氣體擴(kuò)散電極大的高分子電解質(zhì)膜的MEA 的周緣部，則延伸至超過(guò)氣體擴(kuò)散電極的周緣部的電解質(zhì)膜可能會(huì)因注射 成形時(shí)的樹(shù)脂流動(dòng)而移動(dòng)，從而暴露在表面，或可能會(huì)因?yàn)閷?duì)氣體擴(kuò)散電 極的邊緣部分的電解質(zhì)膜部分施加負(fù)荷、使其發(fā)生破損等而引起氣體泄漏。 此外，在日本專利特表2005 — 516350號(hào)公報(bào)所記載的方法中，在通過(guò)注射 成形將熱塑性聚合物用于具有與氣體擴(kuò)散電極相同尺寸的高分子電解質(zhì)膜 的MEA的周緣部時(shí)，雖然不會(huì)發(fā)生上述問(wèn)題，但由于難以使熱塑性聚合物 充分地浸透至氣體擴(kuò)散電極中，因此熱塑性聚合物的密封部和氣體擴(kuò)散電 極的接合不充分。另外，由于也難以充分地進(jìn)行電解質(zhì)膜和熱塑性聚合物 的密封部的接合，因此可能會(huì)發(fā)生電極間的電短路、接合部的氣體泄漏、 電池的破損等問(wèn)題。
在日本專利特開(kāi)平10—199551號(hào)公報(bào)所記載的方法中，由于難以將框
架部件充分地壓入多孔質(zhì)體的外周緣部并使其牢固地一體化，很難將框架 部件和MEA的邊界面確實(shí)地密封，因此可能會(huì)引起接合部的氣體泄漏、電 池的破損等問(wèn)題。
因此，本發(fā)明的目的是提高固體高分子型燃料電池中的密封的可靠性、 機(jī)械強(qiáng)度及操作性。本發(fā)明的另一個(gè)目的是通過(guò)縮小電解質(zhì)膜的所需面積 來(lái)削減固體高分子型燃料電池的制造成本。本發(fā)明的又另一個(gè)目的是通過(guò) 削減裝配工序數(shù)來(lái)提高固體高分子型燃料電池的生產(chǎn)效率。
本發(fā)明提供
(l)一種膜電極裝配體，該膜電極裝配體是固體高分子型燃料電池用的 膜電極裝配體，包括膜電極接合體和樹(shù)脂框架，所述膜電極接合體包括 高分子電解質(zhì)膜；
設(shè)置于該電解質(zhì)膜的一面?zhèn)鹊牡谝浑姌O層；
設(shè)置于該第一電極層的與該電解質(zhì)膜相反的一側(cè)的第一氣體擴(kuò)散層； 設(shè)置于該電解質(zhì)膜的另一面?zhèn)鹊牡诙姌O層；以及 設(shè)置于該第二電極層的與該電解質(zhì)膜相反的一側(cè)的第二氣體擴(kuò)散層，所述樹(shù)脂框架以包圍該電解質(zhì)膜的外周緣的全部以及該第一及第二氣 體擴(kuò)散層的外周緣的至少該電解質(zhì)膜側(cè)的部分的形態(tài)設(shè)置，該膜電極裝配 體的特征在于，
該第一氣體擴(kuò)散層及該第一電極層配置于該電解質(zhì)膜的表面上，使得 該第一氣體擴(kuò)散層的整個(gè)外周緣收納于該電解質(zhì)膜的外周緣的范圍內(nèi)，并 且在該第一電極層的整個(gè)外周緣的范圍內(nèi)、在該第一電極層的外周緣和該 電解質(zhì)膜的外周緣之間殘留有該電解質(zhì)膜的表面區(qū)域，
該第二氣體擴(kuò)散層延伸至該電解質(zhì)膜的整個(gè)外周緣范圍內(nèi)的與該表面
區(qū)域相反的一側(cè)的至少一部分，并且
該樹(shù)脂框架固定于該表面區(qū)域的至少一部分。 此外，本發(fā)明提供
(2) (1)中記載的膜電極裝配體，其中，該樹(shù)脂框架通過(guò)模具成形設(shè)置。 此外，本發(fā)明提供
(3) (2)中記載的膜電極裝配體，其中，該模具成形為注射成形、反應(yīng) 注射成形或傳遞成形。
此外，本發(fā)明提供
(4) (1) (3)中的任一項(xiàng)記載的膜電極裝配體，其中，該電解質(zhì)膜和該 第二氣體擴(kuò)散層具有相同的面積，且相互完全重合。
此外，本發(fā)明提供
(5) (1) (3)中的任一項(xiàng)記載的膜電極裝配體，其中，該電解質(zhì)膜由面 積不同的2張膜構(gòu)成，與該第一電極層相接的一側(cè)的電解質(zhì)膜和該第一氣 體擴(kuò)散層具有相同的面積，且相互完全重合，另外，與該第二電極層相接 的一側(cè)的電解質(zhì)膜和該第二氣體擴(kuò)散層具有相同的面積，且相互完全重合。
此外，本發(fā)明提供
(6) (5)中記載的膜電極裝配體，其中，該第一電極層及/或第二電極層 和對(duì)應(yīng)的該第一氣體擴(kuò)散層及/或該第二氣體擴(kuò)散層也具有相同的面積，且 相互完全重合。
此外，本發(fā)明提供
(7) (1) (6)中的任一項(xiàng)記載的膜電極裝配體，其中，該樹(shù)脂框架上設(shè)置有供反應(yīng)氣體流動(dòng)的流道。 此外，本發(fā)明提供
(8) (1) (6)中的任一項(xiàng)記載的膜電極裝配體，其中，該樹(shù)脂框架上設(shè) 置有密封用凹凸部。
此外，本發(fā)明提供
(9) (1) (6)中的任一項(xiàng)記載的膜電極裝配體，其中，該樹(shù)脂框架上設(shè) 置有插入的密封用部件。
此外，本發(fā)明提供
(10) (1) (6)中的任一項(xiàng)記載的膜電極裝配體，其中，該樹(shù)脂框架上 通過(guò)雙色成形設(shè)置有密封用部件。
此外，本發(fā)明提供
(11) (1) (6)中的任一項(xiàng)記載的膜電極裝配體，其中，該樹(shù)脂框架上 設(shè)置有用于將分離器定位的定位部件。
此外，本發(fā)明提供
(12) (1) (6)中的任一項(xiàng)記載的膜電極裝配體，其中，該樹(shù)脂框架的 內(nèi)部設(shè)置有增強(qiáng)材料。
此外，本發(fā)明提供
(13) (1) (6)中的任一項(xiàng)記載的膜電極裝配體，其中，該樹(shù)脂框架的 外部另外設(shè)置有密封用部件。
此外，本發(fā)明提供
(14) (1) (6)中的任一項(xiàng)記載的膜電極裝配體，其中，該樹(shù)脂框架的 外部另外設(shè)置有用于將分離器定位的定位部件。
此外，本發(fā)明提供
(15) —種固體高分子型燃料電池用的膜電極裝配體的制造方法，該方 法包括
準(zhǔn)備膜電極接合體的工序，該膜電極接合體包括高分子電解質(zhì)膜、
設(shè)置于該電解質(zhì)膜的一面?zhèn)鹊牡谝浑姌O層、設(shè)置于該第一電極層的與該電 解質(zhì)膜相反的一側(cè)的第一氣體擴(kuò)散層、設(shè)置于該電解質(zhì)膜的另一面?zhèn)鹊牡?二電極層、以及設(shè)置于該第二電極層的與該電解質(zhì)膜相反的一側(cè)的第二氣體擴(kuò)散層，該第一氣體擴(kuò)散層及該第一電極層配置于該電解質(zhì)膜的表面上， 使得該第一氣體擴(kuò)散層的整個(gè)外周緣收納于該電解質(zhì)膜的外周緣的范圍 內(nèi)，并且在該第一電極層的整個(gè)外周緣的范圍內(nèi)、在該第一電極層的外周 緣和該電解質(zhì)膜的外周緣之間殘留有該電解質(zhì)膜的表面區(qū)域，且該第二氣 體擴(kuò)散層延伸至該電解質(zhì)膜的整個(gè)外周緣范圍內(nèi)的與該表面區(qū)域相反的一 側(cè)的至少一部分；以及
通過(guò)模具成形來(lái)設(shè)置樹(shù)脂框架的工序，該樹(shù)脂框架將該電解質(zhì)膜的外 周緣的全部以及該第一及第二氣體擴(kuò)散層的外周緣的至少是該第一及第二 電極層的附近包圍，且固定于該表面區(qū)域的至少一部分。
此外，本發(fā)明提供
(16) (15)中記載的方法，其中，該模具成形為注射成形、反應(yīng)注射成 形或傳遞成形。
此外，本發(fā)明提供
(17) (16)中記載的方法，其中，向該表面區(qū)域?qū)朐摌?shù)脂框架的樹(shù)脂。 此外，本發(fā)明提供
(18) —種固體高分子型燃料電池用的膜電極裝配體的制造方法，該方 法包括
準(zhǔn)備膜電極接合前體片材的工序，該膜電極接合前體片材包括高分子
電解質(zhì)膜、設(shè)置于該電解質(zhì)膜的一面?zhèn)鹊碾姌O層、以及設(shè)置于該電極層的
與該電解質(zhì)膜相反的一側(cè)的氣體擴(kuò)散層；從該膜電極接合前體片材上切取
面積不同的第一及第二膜電極接合前體單元的工序；以及在將該第一及第
二膜電極接合前體單元以使其電解質(zhì)膜彼此相對(duì)的形態(tài)接合、從而形成膜
電極接合體時(shí)，將一方的電解質(zhì)膜配置于另一方的電解質(zhì)膜的表面上，使
得該一方的電解質(zhì)膜的整個(gè)外周緣收納于該另一方的電解質(zhì)膜的外周緣的
范圍內(nèi)，并且在該一方的電解質(zhì)膜的整個(gè)外周緣的范圍內(nèi)、在該一方的電
解質(zhì)膜的外周緣和該另一方的電解質(zhì)膜的外周緣之間殘留有該另一方的電 解質(zhì)膜的表面區(qū)域的工序；以及
通過(guò)模具成形來(lái)設(shè)置樹(shù)脂框架的工序，該樹(shù)脂框架將該電解質(zhì)膜的外 周緣的全部以及該氣體擴(kuò)散層的外周緣的至少是該電極層的附近包圍，且固定于該表面區(qū)域的至少一部分。 此外，本發(fā)明提供
(19) 一種固體高分子型燃料電池用的膜電極裝配體的制造方法，該方 法包括
準(zhǔn)備電極接合前體片材和膜電極接合前體片材的工序，該電極接合前 體片材包括第一電極層和設(shè)置于該第一電極層的一面的第一氣體擴(kuò)散層， 該膜電極接合前體片材包括高分子電解質(zhì)膜、設(shè)置于該電解質(zhì)膜的一面?zhèn)?的第二電極層、以及設(shè)置于該第二電極層的與該電解質(zhì)膜相反的一側(cè)的第 二氣體擴(kuò)散層；從該電極接合前體片材上切取一定面積的電極接合前體單 元的工序；從該膜電極接合前體片材上切取面積大于該一定面積的膜電極 接合前體單元的工序；在將該電極接合前體單元的第一電極層和該膜電極
接合前體單元的電解質(zhì)膜接合時(shí)，將該第一氣體擴(kuò)散層及該第一電極層配 置于該電解質(zhì)膜的表面上，使得該第一氣體擴(kuò)散層的整個(gè)外周緣收納于該 電解質(zhì)膜的外周緣的范圍內(nèi)，并且在該第一電極層的整個(gè)外周緣的范圍內(nèi)、 在該第一電極層的外周緣和該電解質(zhì)膜的外周緣之間殘留有該電解質(zhì)膜的 表面區(qū)域的工序；以及
通過(guò)模具成形來(lái)設(shè)置樹(shù)脂框架的工序，該樹(shù)脂框架將該電解質(zhì)膜的外 周緣的全部以及該第一及第二氣體擴(kuò)散層的外周緣的至少是該第一及第二 電極層的附近包圍，且固定于該表面區(qū)域的至少一部分。
此外，本發(fā)明提供
(20) —種固體高分子型燃料電池，該燃料電池的特征在于，包括(D (14)中的任一項(xiàng)記載的膜電極裝配體。
利用本發(fā)明，可提高固體高分子型燃料電池中的密封的可靠性、機(jī)械 強(qiáng)度及操作性。而且，通過(guò)提高機(jī)械強(qiáng)度及操作性，能以高精度且簡(jiǎn)便地 裝配燃料電池堆。此外，利用本發(fā)明，可通過(guò)縮小電解質(zhì)膜的所需面積來(lái) 削減固體高分子型燃料電池的制造成本。利用本發(fā)明，還可通過(guò)削減裝配 工序數(shù)來(lái)提高固體高分子型燃料電池的生產(chǎn)效率。
附圖的簡(jiǎn)單說(shuō)明圖1是表示以往的燃料電池的結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)要分解立體圖。 圖2是表示以往的燃料電池的基本結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)要橫截面圖。 圖3是表示本發(fā)明的膜電極裝配體的簡(jiǎn)要橫截面圖。
圖4A是表示本發(fā)明的另一種形態(tài)的膜電極裝配體的簡(jiǎn)要橫截面圖。 圖4B是表示本發(fā)明的另一種形態(tài)的膜電極裝配體的簡(jiǎn)要橫截面圖。 圖4C是表示本發(fā)明的另一種形態(tài)的膜電極裝配體的簡(jiǎn)要橫截面圖。 圖4D是表示本發(fā)明的另一種形態(tài)的膜電極裝配體的簡(jiǎn)要橫截面圖。 圖4E是表示本發(fā)明的另一種形態(tài)的膜電極裝配體的簡(jiǎn)要橫截面圖。 圖5是表示本發(fā)明的另一種形態(tài)的膜電極裝配體的簡(jiǎn)要橫截面圖。 圖6是表示本發(fā)明的膜電極裝配體的安裝樹(shù)脂框架前的膜電極接合體 的簡(jiǎn)要橫截面圖(A)及俯視圖(B)。
圖7是表示本發(fā)明的膜電極裝配體的制造工序的一部分的簡(jiǎn)要橫截面圖。
圖8是表示設(shè)置于樹(shù)脂框架的追加的特征部的簡(jiǎn)要橫截面圖。 圖9是表示設(shè)置于樹(shù)脂框架的另一種追加的特征部的簡(jiǎn)要橫截面圖。 圖10是表示設(shè)置于樹(shù)脂框架的另一種追加的特征部的簡(jiǎn)要橫截面圖。 圖11是表示設(shè)置于樹(shù)脂框架的另一種追加的特征部的簡(jiǎn)要橫截面圖。 圖12是表示設(shè)置于樹(shù)脂框架的另一種追加的特征部的簡(jiǎn)要橫截面圖。 圖13是表示設(shè)置于樹(shù)脂框架的另一種追加的特征部的簡(jiǎn)要橫截面圖。
實(shí)施發(fā)明的最佳方式
下面參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。另外應(yīng)注意，各附圖是為了使 本發(fā)明更容易理解而示意地繪制的圖，圖示的各部件的尺寸的相對(duì)關(guān)系并 不準(zhǔn)確地表示實(shí)施方式中的實(shí)際的尺寸的關(guān)系。
圖3表示本發(fā)明的一種形態(tài)。本發(fā)明的固體高分子型燃料電池用的膜 電極裝配體100包括膜電極接合體和樹(shù)脂框架160，該膜電極接合體包括高 分子電解質(zhì)膜130、設(shè)置于該電解質(zhì)膜的一面?zhèn)鹊牡谝浑姌O層120、設(shè)置于 該第一電極層的與該電解質(zhì)膜相反的一側(cè)的第一氣體擴(kuò)散層110、設(shè)置于該 電解質(zhì)膜的另一面?zhèn)鹊牡诙姌O層140、以及設(shè)置于該第二電極層的與該電解質(zhì)膜相反的一側(cè)的第二氣體擴(kuò)散層150，該樹(shù)脂框架160以包圍該電解質(zhì)
膜的外周緣的全部以及該第一及第二氣體擴(kuò)散層的外周緣的至少該電解質(zhì)
膜側(cè)的部分的形態(tài)設(shè)置。該第一氣體擴(kuò)散層IIO及該第一電極層120配置 于該電解質(zhì)膜的表面上，使得該第一氣體擴(kuò)散層110的整個(gè)外周緣收納于 該電解質(zhì)膜130的外周緣的范圍內(nèi)，并且在該第一電極層120的整個(gè)外周 緣的范圍內(nèi)、在該第一電極層120的外周緣和該電解質(zhì)膜130的外周緣之 間殘留有該電解質(zhì)膜130的表面區(qū)域。該第二氣體擴(kuò)散層150延伸至該電 解質(zhì)膜130的整個(gè)外周緣范圍內(nèi)的與該表面區(qū)域相反的一側(cè)的至少一部分， 而且該樹(shù)脂框架160固定于該表面區(qū)域的至少一部分。通過(guò)使第二氣體擴(kuò) 散層150延伸至該電解質(zhì)膜130的整個(gè)外周緣范圍內(nèi)的與該表面區(qū)域相反 的一側(cè)的至少一部分，可利用氣體擴(kuò)散層作為電解質(zhì)膜的襯里，從而提供 具有一定強(qiáng)度的平滑面，因此即使在通過(guò)注射成形法等模具成形來(lái)設(shè)置樹(shù) 脂框架時(shí)，電解質(zhì)膜也不會(huì)產(chǎn)生褶皺。此外，通過(guò)使樹(shù)脂框架160固定于 高分子電解質(zhì)膜130的表面區(qū)域，可確實(shí)地消除第一及第二電極層間的電 短路、接合部的氣體泄漏、電池的破損等問(wèn)題。圖3是表示樹(shù)脂框架160 的厚度比膜電極接合體(110+120 + 130+140+150)的厚度薄的形態(tài)的圖， 但樹(shù)脂框架160也可具有與膜電極接合體相等或在其之上的厚度。
圖4A 圖4E表示圖3所示的膜電極裝配體100的變形形態(tài)。圖4A所 示的膜電極裝配體100除第一氣體擴(kuò)散層110的整個(gè)外周緣收納于第一電 極層120的外周緣的范圍內(nèi)以外，與圖3所示的膜電極裝配體100相同。 圖4B所示的膜電極裝配體100除第一電極層120的整個(gè)外周緣收納于第一 氣體擴(kuò)散層110的外周緣的范圍內(nèi)以外，與圖3所示的膜電極裝配體100 相同。圖4C所示的膜電極裝配體IOO除第二電極層140的整個(gè)外周緣收納 于高分子電解質(zhì)膜130及第二氣體擴(kuò)散層150的外周緣的范圍內(nèi)以外，與 圖3所示的膜電極裝配體100相同。圖4D所示的膜電極裝配體100除高分 子電解質(zhì)膜130及第二電極層140的整個(gè)外周緣收納于第二氣體擴(kuò)散層150 的外周緣的范圍內(nèi)以外，與圖3所示的膜電極裝配體IOO相同。圖4E所示 的膜電極裝配體100除高分子電解質(zhì)膜130的整個(gè)外周緣收納于第二電極 層140的外周緣的范圍內(nèi)以外，與圖3所示的膜電極裝配體IOO相同。在圖4A 圖4E所示的任一變形形態(tài)中，與圖3所示的形態(tài)同樣地，第一電極 層120配置于該電解質(zhì)膜的表面上，使得在第一電極層120的整個(gè)外周緣 的范圍內(nèi)、在該第一電極層120的外周緣和該電解質(zhì)膜130的外周緣之間 殘留有該電解質(zhì)膜130的表面區(qū)域。而且，通過(guò)使第二氣體擴(kuò)散層150延 伸至高分子電解質(zhì)膜130的整個(gè)外周緣范圍內(nèi)的與該表面區(qū)域相反的一側(cè) 的至少一部分，可利用氣體擴(kuò)散層150作為電解質(zhì)膜130的襯里，從而提 供具有一定強(qiáng)度的平滑面，因此即使在通過(guò)注射成形法等模具成形來(lái)設(shè)置 樹(shù)脂框架時(shí)，電解質(zhì)膜也不會(huì)產(chǎn)生褶皺。此外，通過(guò)使樹(shù)脂框架160固定 于高分子電解質(zhì)膜130的表面區(qū)域，可確實(shí)地消除第一及第二電極層間的 電短路、接合部的氣體泄漏、電池的破損等問(wèn)題。圖4A 圖4E的任一個(gè)都 是表示樹(shù)脂框架160的厚度比膜電極接合體(110+120+130+140+150)的 厚度薄的形態(tài)的圖，但樹(shù)脂框架160也可具有與膜電極接合體相等或在其 之上的厚度。
圖5表示圖3所示的膜電極裝配體100的另一個(gè)變形形態(tài)。圖5所示 的膜電極裝配體100除高分子電解質(zhì)膜130由2層構(gòu)成、該電解質(zhì)膜的一 方的整個(gè)外周緣收納于該電解質(zhì)膜的另一方的外周緣的范圍內(nèi)以外，與圖3 所示的膜電極裝配體100相同。利用圖5所示的形態(tài)，與圖3所示的形態(tài) 同樣地，即使在通過(guò)注射成形法等模具成形來(lái)設(shè)置樹(shù)脂框架時(shí)，電解質(zhì)膜 也不會(huì)產(chǎn)生褶鈹，可確實(shí)地消除第一及第二電極層間的電短路、接合部的 氣體泄漏、電池的破損等問(wèn)題，除此之外，如參照?qǐng)D7的后文所述，有膜 電極裝配體100的生產(chǎn)效率提高的優(yōu)點(diǎn)。
圖6表示圖3所示的膜電極裝配體100的安裝樹(shù)脂框架160前的膜電 極接合體的橫截面圖(A)及俯視圖(B)。圖中的"IR"表示通過(guò)注射成形法等 模具成形來(lái)設(shè)置樹(shù)脂框架時(shí)的樹(shù)脂導(dǎo)入位置的一例。通過(guò)向以氣體擴(kuò)散層 150為襯里而具有一定強(qiáng)度的電解質(zhì)膜130的表面區(qū)域?qū)霕?shù)脂框架的樹(shù) 脂，可在電解質(zhì)膜130不產(chǎn)生褶皺的情況下設(shè)置樹(shù)脂框架。圖6(B)中，揭 示了 4處的樹(shù)脂導(dǎo)入位置IR，但導(dǎo)入位置及其數(shù)量均不限定于圖示的形態(tài)， 例如L位于電解質(zhì)膜130的各角部的形態(tài)、L少于或多于4處的形態(tài)等均 包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。圖7表示圖5所示的膜電極裝配體100的制造工序的一部分。首先， 準(zhǔn)備包括高分子電解質(zhì)膜130、電極層120、氣體擴(kuò)散層110的任意尺寸的 膜電極接合前體片材。接著，從該膜電極接合前體片材上切取面積不同的 第一及第二膜電極接合前體單元。此時(shí)，最好預(yù)先對(duì)膜電極接合前體單元 的角部實(shí)施切圓處理(R處理)。為了不影響高分子電解質(zhì)膜的有效面積，R 處理的曲率半徑最好盡可能地小，但如果小于0.5mm，則在操作膜電極接合 前體單元時(shí)角部處的接合可能會(huì)剝離，或者因模具成形時(shí)樹(shù)脂流動(dòng)的影響 而導(dǎo)致角部處的接合剝離或彎折。R處理的曲率半徑較好的是在0.5 2.0mm 的范圍內(nèi)，更好的是在0.7 1.5mm的范圍內(nèi)。然后，將第一及第二膜電極 接合前體單元以使其電解質(zhì)膜130彼此相對(duì)的形態(tài)接合，從而形成膜電極 接合體。此時(shí)，將一方的電解質(zhì)膜配置于另一方的電解質(zhì)膜的表面上，使 得該一方的電解質(zhì)膜的整個(gè)外周緣收納于該另一方的電解質(zhì)膜的外周緣的 范圍內(nèi)，并且在該一方的電解質(zhì)膜的整個(gè)外周緣的范圍內(nèi)、在該一方的電 解質(zhì)膜的外周緣和該另一方的電解質(zhì)膜的外周緣之間殘留有該另一方的電 解質(zhì)膜的表面區(qū)域。然后，通過(guò)模具成形來(lái)設(shè)置樹(shù)脂框架，使該樹(shù)脂框架 將該電解質(zhì)膜的外周緣的全部以及該氣體擴(kuò)散層的外周緣的至少是該電極 層的附近包圍，且固定于該表面區(qū)域的至少一部分(未圖示)，藉此得到圖5 所示的膜電極裝配體100。由此，通過(guò)使用包括高分子電解質(zhì)膜130、電極 層120、氣體擴(kuò)散層110的任意尺寸的膜電極接合前體片材，可省略將電解 質(zhì)膜130、電極層120及/或氣體擴(kuò)散層IIO個(gè)別地定位的工序，因此可提 高固體高分子型燃料電池的生產(chǎn)效率。
利用本發(fā)明，通過(guò)采用模具成形，可容易地在樹(shù)脂框架上設(shè)置追加的 特征部。例如可以如圖8所示，在樹(shù)脂框架160上設(shè)置通常設(shè)置在分離器 上的供反應(yīng)氣體流動(dòng)的流道200及/或歧管210。此外，也可以如圖9所示， 在樹(shù)脂框架160本身上形成對(duì)分離器(未圖示)進(jìn)行密封的密封部件300。還 可以如圖IO(A)所示，在模具成形時(shí)插入對(duì)分離器(未圖示)進(jìn)行密封的密封 部件400，或如圖10(B)所示，通過(guò)雙色成形連續(xù)地設(shè)置密封部件410。此 外，也可以如圖ll所示，在樹(shù)脂框架160本身上形成用于將分離器(未圖 示)定位的定位部件500。還可以如圖12所示，在樹(shù)脂框架160內(nèi)插入細(xì)線、網(wǎng)、纖維等增強(qiáng)材料600。此外，也可如圖13所示，將對(duì)分離器(未圖示) 進(jìn)行密封的密封部件及/或用于將其定位的定位部件700套設(shè)于樹(shù)脂框架 160。對(duì)于如上所述在樹(shù)脂框架上設(shè)置追加的特征部的具體方法、包括雙色 成形，只要是模具成形技術(shù)領(lǐng)域的從業(yè)者，就能容易地理解并實(shí)施。
本發(fā)明的膜電極裝配體中使用的高分子電解質(zhì)膜只要是質(zhì)子(H+)傳導(dǎo) 性高、呈電子絕緣性、且呈氣體不透過(guò)性的高分子電解質(zhì)膜即可，無(wú)特別 限制，可以是公知的高分子電解質(zhì)膜。作為代表例，可例舉以含氟高分子 為骨架、具有磺酸基、羧基、磷酸基、膦酸基等基團(tuán)的樹(shù)脂。為了不對(duì)電 阻造成大的影響，要求高分子電解質(zhì)膜的厚度在不影響電子絕緣性及氣體 不透過(guò)性的范圍內(nèi)更薄，具體而言，將高分子電解質(zhì)膜的厚度設(shè)定在5 50 Pra、較好為10 30ixm的范圍內(nèi)。作為高分子電解質(zhì)膜的代表例，可例舉 作為側(cè)鏈上具有磺酸基的全氟聚合物的Nafion(注冊(cè)商標(biāo))膜(杜邦公司制) 及Flemion(注冊(cè)商標(biāo))膜(旭硝子株式會(huì)社制)。此外，也可優(yōu)選使用作為使
離子交換樹(shù)脂浸透延伸多孔質(zhì)聚四氟乙烯膜而成的增強(qiáng)型高分子電解質(zhì)膜 的GORE — SELECT(注冊(cè)商標(biāo))(日本奧亞特克斯(Japan Gore-Tex)株式會(huì)社制)。
本發(fā)明的膜電極裝配體中使用的電極層只要是包括催化劑粒子和離子 交換樹(shù)脂的電極層即可，無(wú)特別限制，可使用已有公知的電極層。催化劑 通常由承載有催化劑粒子的導(dǎo)電材料構(gòu)成。作為催化劑粒子，只要是對(duì)氫 的氧化反應(yīng)或氧的還原反應(yīng)具有催化作用的催化劑即可，除鉑(Pt)及其它 貴金屬以外，可使用鐵、鉻、鎳等及它們的合金。作為導(dǎo)電材料，優(yōu)選碳 系粒子，例如炭黑、活性炭、石墨等，特優(yōu)選使用微粉狀粒子。代表性的 有將貴金屬粒子、例如Pt粒子或Pt與其它金屬的合金粒子承載于表面積 為20m7g以上的炭黑粒子而成的催化劑。特別是對(duì)于陽(yáng)極用催化劑，由于 Pt容易因一氧化碳(CO)而中毒，因此在使用甲醇等含CO的燃料時(shí)，最好使 用Pt與釕(Ru)的合金粒子。電極層中的離子交換樹(shù)脂是作為支持催化劑并 形成電極層的粘合劑的材料，具有形成供催化劑所產(chǎn)生的離子等移動(dòng)的通 路的作用。作為上述離子交換樹(shù)脂，可使用與之前關(guān)于高分子電解質(zhì)膜進(jìn) 行說(shuō)明時(shí)所述的樹(shù)脂相同的樹(shù)脂。為了使催化劑能在陽(yáng)極側(cè)與氫或甲醇等燃料氣體、在陰極側(cè)與氧或空氣等氧化劑氣體盡可能多地接觸，電極層最
好為多孔性。此外，電極層中含有的催化劑量較好的是在0.01 lmg/cm2 的范圍內(nèi)，更好的是在0. 1 0. 5mg/cm2的范圍內(nèi)。電極層的厚度一般在l 20ym的范圍內(nèi)，較好的是在5 15jxm的范圍內(nèi)。
本發(fā)明的膜電極裝配體中使用的氣體擴(kuò)散層是具有導(dǎo)電性及通氣性的 片狀材料。作為代表例，可例舉對(duì)碳紙、碳布、碳無(wú)紡布、碳?xì)值韧庑?導(dǎo)電性基材實(shí)施疏水處理而成的材料。此外，也可使用由碳系粒子和氟系 樹(shù)脂得到的多孔性片材。例如可使用以聚四氟乙烯為粘合劑將炭黑制成片 狀而得的多孔性片材。氣體擴(kuò)散層的厚度一般在50 500um的范圍內(nèi)，較 好的是在100 200um的范圍內(nèi)。
通過(guò)將電極層、氣體擴(kuò)散層和高分子電解質(zhì)膜接合來(lái)制作膜電極接合 體或膜電極接合前體片材。作為接合方法，只要是能在不損傷高分子電解 質(zhì)膜的情況下實(shí)現(xiàn)接觸電阻低的致密的接合的方法即可，可采用已有公知 的任一種方法。接合時(shí)，首先可將電極層和氣體擴(kuò)散層組合，形成陽(yáng)極電 極或陰極電極后，將它們與高分子電解質(zhì)膜接合。例如，可以用適當(dāng)?shù)娜?劑調(diào)制含有催化劑粒子和離子交換樹(shù)脂的電極層形成用涂布液，將其涂布 于氣體擴(kuò)散層用片材，藉此形成陽(yáng)極電極或陰極電極，通過(guò)熱壓將它們與 高分子電解質(zhì)膜接合。此外，可以在將電極層和高分子電解質(zhì)膜組合后將 氣體擴(kuò)散層組合于其電極層側(cè)。將電極層和高分子電解質(zhì)膜組合時(shí)，可采 用網(wǎng)版印刷法、噴涂法、貼花(decal)法等已有公知的方法。
本發(fā)明的膜電極裝配體中使用的樹(shù)脂框架所用的樹(shù)脂材料的前提條件 是在燃料電池的使用環(huán)境中具有足夠的穩(wěn)定性，具體是指表現(xiàn)出耐熱性、 耐酸性、耐水解性、耐蠕變性等。此外，該樹(shù)脂材料較好的是具備適合于 模具成形的特性，特好的是成形時(shí)的流動(dòng)性高。另外，在該樹(shù)脂材料為熱 塑性樹(shù)脂時(shí)，其成形收縮最好較小，在其為熱固性樹(shù)脂時(shí)，其固化收縮最 好較小。作為熱塑性樹(shù)脂的具體示例，可例舉液晶聚合物(LCP)、聚苯硫醚 (PPS)、聚醚砜(PES)、聚砜(PSF)、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亞胺(PI)、聚對(duì) 苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)、聚氨酯、聚烯烴等塑 料或彈性體。作為熱固性樹(shù)脂的具體示例，可例舉環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、二環(huán)戊二烯樹(shù)脂、有機(jī)硅橡膠、氟橡膠、三元乙丙橡膠(EPDM)等塑料或彈性體。
本發(fā)明的膜電極裝配體中使用的樹(shù)脂框架通過(guò)模具成形設(shè)置。模具成 形包括注射成形、反應(yīng)注射成形、傳遞成形、直壓成形、注塑成形等，只 要是從業(yè)者，就能根據(jù)所使用的樹(shù)脂的性狀適當(dāng)?shù)剡x擇成形法。要設(shè)置樹(shù)
脂框架的MEA的厚度在數(shù)百w m的水平，因此必須將用于成形樹(shù)脂框架的模 具制作成適合于此。此外，為防止強(qiáng)度較低的MEA在合模時(shí)碎裂，較好的 是在模具上設(shè)置嵌套結(jié)構(gòu)，調(diào)整MEA部分的厚度。另外，為使MEA在合模 時(shí)不偏移，較好的是在模具上設(shè)置固定MEA用的吸引機(jī)構(gòu)。特別是注射成 形、反應(yīng)注射成形及傳遞成形可全自動(dòng)地進(jìn)行插入物的配置、成形、成形 品的取出等一連串作業(yè)，因此有用。
通過(guò)將如上所述得到的膜電極裝配體按照已有公知的方法與分離器板 及冷卻部交互地層疊10 100個(gè)單體電池，使其陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)位于規(guī)定 的一側(cè)，可裝配成燃料電池堆。
實(shí)施例
下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更具體的說(shuō)明。 例1
膜電極接合體(MEA)的制作
在作為高分子電解質(zhì)膜的尺寸為15X15cm、厚度為15um的離子交換 膜GORE — SELECT(注冊(cè)商標(biāo))(日本奧亞特克斯株式會(huì)社制)的一面層疊作為 電極的尺寸為15X15cm、鉑承載量為0. 3mg/cra2的承載有鉑的碳催化劑層 PRIMEA5510(注冊(cè)商標(biāo))(日本奧亞特克斯株式會(huì)社制)。接著，在該電極上 層疊作為擴(kuò)散層的尺寸為15X15cm、厚度為150wra的氣體擴(kuò)散層 CARBEL(注冊(cè)商標(biāo))(日本奧亞特克斯株式會(huì)社制CNW10A)，由此形成膜電極 接合前體片材。接著，從該膜電極接合前體片材上切取52X52mm和56X 56mm兩種尺寸的膜電極接合前體單元。對(duì)52X52mm的膜電極接合前體單元 實(shí)施切圓處理(R處理)，使各角部的曲率半徑為l.Omm。將兩個(gè)膜電極接合 前體單元的中心對(duì)齊配置，使高分子電解質(zhì)膜彼此相對(duì)，用熱壓機(jī)施加熱 壓(160。C、 9.8X105Pa、 5分鐘)，進(jìn)行層疊。然后，對(duì)56X56mm的膜電極接合前體單元部分實(shí)施R處理，使各角部的曲率半徑為2.0mm，得到MEA。 模具的制作
制作用于在MEA周圍成形樹(shù)脂框架的模具。將模具調(diào)節(jié)成使型箱尺寸 為76X76謹(jǐn)、厚度為0.35mm。為使MEA不過(guò)度壓陷，在模具上設(shè)置有嵌套 結(jié)構(gòu)，使得能夠比較自由地調(diào)整MEA的厚度。為使MEA在合模時(shí)不偏移， 還在模具上設(shè)置了固定MEA用的吸引機(jī)構(gòu)。模具的模腔設(shè)置有4個(gè)澆口， 該4個(gè)澆口與圖6所示的4處樹(shù)脂導(dǎo)入位置L對(duì)應(yīng)。
樹(shù)脂框架的注射成形
將上述模具安裝于注射成形機(jī)(住友重工株式會(huì)社制，SE—100D)。用 熱風(fēng)干燥機(jī)將樹(shù)脂框架用樹(shù)脂(寶理塑料(Polyplastics)株式會(huì)社制， Vectra、 D408)在14(TC下干燥4小時(shí)。將干燥后的樹(shù)脂加入注射成形機(jī)的 料斗，將樹(shù)脂加熱至33(TC。在模具的溫度到達(dá)55。C后，用自動(dòng)移載機(jī)(有 信(U-Shin)精機(jī)株式會(huì)社制)將MEA配置于模具內(nèi)的規(guī)定位置，使4個(gè)澆口 與各樹(shù)脂導(dǎo)入位置匹配。使固定MEA用的吸引機(jī)構(gòu)工作，將模具內(nèi)的MEA 固定，然后直接合模。以250mm/秒的速度注射樹(shù)脂，冷卻后用上述自動(dòng)移 載機(jī)將帶樹(shù)脂框架的膜電極裝配體取出。
例2
除在制作模具時(shí)設(shè)置階差為0.005mm的凹凸以外，與例1相同地進(jìn)行 操作，制成設(shè)置有圖11所示的形狀的樹(shù)脂框架的膜電極裝配體。可以確認(rèn)， 即使是0.005ram這樣小的階差，也可通過(guò)本發(fā)明的方法賦予樹(shù)脂框架以凹 凸形狀。
例3(比較例)
在作為高分子電解質(zhì)膜的尺寸為7.6X7. 6cm、厚度為30um的離子交 換膜GORE — SELECT(注冊(cè)商標(biāo))(日本奧亞特克斯株式會(huì)社制)的兩面層疊作 為電極的尺寸為5X5cm、鉑承載量為0.3mg/cm2的承載有鉑的碳催化劑層 PRIMEA5510(注冊(cè)商標(biāo))(日本奧亞特克斯株式會(huì)社制)。接著，在其各電極 上層疊作為擴(kuò)散層的尺寸為5X5cm、厚度為150um的氣體擴(kuò)散層 CARBEL(注冊(cè)商標(biāo))(日本奧亞特克斯株式會(huì)社制CNW10A)，由此得到電解質(zhì) 膜尺寸為7.6X7. 6cm、電極尺寸為5X 5cra的MEA。然后，用例1中制作的模具與例1同樣地進(jìn)行樹(shù)脂框架的注射成形，得到帶樹(shù)脂框架的膜電極裝 配體。
例4(比較例)
在作為高分子電解質(zhì)膜的尺寸為8X8cm、厚度為30ym的離子交換膜 GORE — SELECT(注冊(cè)商標(biāo))(日本奧亞特克斯株式會(huì)社制)的兩面層疊作為電 極的尺寸為8X8cm、鉑承載量為0. 3mg/cn^的承載有鉑的碳催化劑層PRIMEA 5510(注冊(cè)商標(biāo))(日本奧亞特克斯株式會(huì)社制)。接著，在其各電極上層疊 作為擴(kuò)散層的尺寸為8X8cm、厚度為150um的氣體擴(kuò)散層CARBEL(注冊(cè)商 標(biāo))(日本奧亞特克斯株式會(huì)社制C麗10A)，由此形成電解質(zhì)膜尺寸及電極尺 寸為8X8cm的膜電極接合前體片材。接著，從該膜電極接合前體片材上切 取尺寸為52X52mra的MEA。對(duì)該MEA實(shí)施切圓處理(R處理)，使各角部的 曲率半徑為l.Oram。然后，用例1中制作的模具與例1同樣地進(jìn)行樹(shù)脂框架 的注射成形，得到帶樹(shù)脂框架的膜電極裝配體。
例5(比較例)
通過(guò)與例4相同的方法制作尺寸為52X52mm、且實(shí)施過(guò)切圓處理(R處 理)、使各角部的曲率半徑為l.Omra的MEA。
在厚度為0. 35mm、外形為76X76mm的樹(shù)脂膜(東麗(Toray)株式會(huì)社 制，Torelina)的中心部開(kāi)出外形為51.5X51.5mra的孔，制成樹(shù)脂框架。
將樹(shù)脂框架設(shè)置于上述MEA，使樹(shù)脂框架的內(nèi)周與上述MEA均等地重 疊，用熱壓機(jī)施加熱壓(20(TC、 9.8X105Pa、 3分鐘)，使樹(shù)脂框架和MEA 壓入一體化，得到帶樹(shù)脂框架的膜電極裝配體。
泄漏試驗(yàn)
為確認(rèn)各例中制作的膜電極裝配體的固體高分子型燃料電池中的密封 的可靠性，實(shí)施了泄漏試驗(yàn)。泄漏試驗(yàn)通過(guò)如下方法實(shí)施將各膜電極裝 配體設(shè)置于以電池單元為模型的夾具上，在將其整體浸在水中的狀態(tài)下向 膜電極裝配體的一側(cè)輸送壓縮空氣，確認(rèn)從相反側(cè)產(chǎn)生氣泡的情況。此時(shí)， 使壓縮空氣的壓力從OMPa開(kāi)始緩慢上升，將從相反側(cè)產(chǎn)生氣泡時(shí)的壓力作 為泄漏壓力記錄。
上述泄漏試驗(yàn)中，例1的膜電極裝配體記錄到0.3MPa以上的泄漏壓力。但例3(比較例)、例4(比較例)及例5(比較例)的膜電極裝配體在升壓后立
刻(施加壓力的瞬間)產(chǎn)生氣泡。 產(chǎn)業(yè)上利用的可能性
利用本發(fā)明，可提高固體高分子型燃料電池中的密封的可靠性、機(jī)械 強(qiáng)度及操作性。而且，通過(guò)提高機(jī)械強(qiáng)度及操作性，能以高精度且簡(jiǎn)便地 裝配燃料電池堆。此外，利用本發(fā)明，可通過(guò)縮小電解質(zhì)膜的所需面積來(lái) 削減固體高分子型燃料電池的制造成本。利用本發(fā)明，還可通過(guò)削減裝配 工序數(shù)來(lái)提高固體高分子型燃料電池的生產(chǎn)效率。
權(quán)利要求
1. 一種膜電極裝配體，該膜電極裝配體是固體高分子型燃料電池用的膜電極裝配體，包括膜電極接合體和樹(shù)脂框架，所述膜電極接合體包括高分子電解質(zhì)膜；設(shè)置于該電解質(zhì)膜的一面?zhèn)鹊牡谝浑姌O層；設(shè)置于該第一電極層的與該電解質(zhì)膜相反的一側(cè)的第一氣體擴(kuò)散層；設(shè)置于該電解質(zhì)膜的另一面?zhèn)鹊牡诙姌O層；以及設(shè)置于該第二電極層的與該電解質(zhì)膜相反的一側(cè)的第二氣體擴(kuò)散層，所述樹(shù)脂框架以包圍該電解質(zhì)膜的外周緣的全部以及該第一及第二氣體擴(kuò)散層的外周緣的至少該電解質(zhì)膜側(cè)的部分的形態(tài)設(shè)置，其特征在于，該第一氣體擴(kuò)散層及該第一電極層配置于該電解質(zhì)膜的表面上，使得該第一氣體擴(kuò)散層的整個(gè)外周緣收納于該電解質(zhì)膜的外周緣的范圍內(nèi)，并且在該第一電極層的整個(gè)外周緣的范圍內(nèi)、在該第一電極層的外周緣和該電解質(zhì)膜的外周緣之間殘留有該電解質(zhì)膜的表面區(qū)域，該第二氣體擴(kuò)散層延伸至該電解質(zhì)膜的整個(gè)外周緣范圍內(nèi)的與該表面區(qū)域相反的一側(cè)的至少一部分，并且該樹(shù)脂框架固定于該表面區(qū)域的至少一部分。
2. 如權(quán)利要求l所述的膜電極裝配體，其特征在于，該樹(shù)脂框架通過(guò) 模具成形設(shè)置。
3. 如權(quán)利要求2所述的膜電極裝配體，其特征在于，該模具成形為注 射成形、反應(yīng)注射成形或傳遞成形。
4. 如權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的膜電極裝配體，其特征在于，該 電解質(zhì)膜和該第二氣體擴(kuò)散層具有相同的面積，且相互完全重合。
5. 如權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的膜電極裝配體，其特征在于，該 電解質(zhì)膜由面積不同的2張膜構(gòu)成，與該第一電極層相接的一側(cè)的電解質(zhì) 膜和該第一氣體擴(kuò)散層具有相同的面積，且相互完全重合，另外，與該第 二電極層相接的一側(cè)的電解質(zhì)膜和該第二氣體擴(kuò)散層具有相同的面積，且 相互完全重合。
6. 如權(quán)利要求5所述的膜電極裝配體，其特征在于，該第一電極層及 /或第二電極層和對(duì)應(yīng)的該第一氣體擴(kuò)散層及/或該第二氣體擴(kuò)散層也具有 相同的面積，且相互完全重合。
7. 如權(quán)利要求1 6中任一項(xiàng)所述的膜電極裝配體， 樹(shù)脂框架上設(shè)置有供反應(yīng)氣體流動(dòng)的流道。
8. 如權(quán)利要求1 6中任一項(xiàng)所述的膜電極裝配體， 樹(shù)脂框架上設(shè)置有密封用凹凸部。
9. 如權(quán)利要求1 6中任一項(xiàng)所述的膜電極裝配體， 樹(shù)脂框架上設(shè)置有插入的密封用部件。
10. 如權(quán)利要求1 6中任一項(xiàng)所述的膜電極裝配體 樹(shù)脂框架上通過(guò)雙色成形設(shè)置有密封用部件。
11. 如權(quán)利要求1 6中任一項(xiàng)所述的膜電極裝配體 樹(shù)脂框架上設(shè)置有用于將分離器定位的定位部件。
12. 如權(quán)利要求1 6中任一項(xiàng)所述的膜電極裝配體 樹(shù)脂框架的內(nèi)部設(shè)置有增強(qiáng)材料。
13. 如權(quán)利要求1 6中任一項(xiàng)所述的膜電極裝配體 樹(shù)脂框架的外部另外設(shè)置有密封用部件。
14. 如權(quán)利要求1 6中任一項(xiàng)所述的膜電極裝配體 樹(shù)脂框架的外部另外設(shè)置有用于將分離器定位的定位部件。
15. —種固體高分子型燃料電池的膜電極裝配體的制造方法，其特征 在于，包括準(zhǔn)備膜電極接合體的工序，該膜電極接合體包括高分子電解質(zhì)膜、 設(shè)置于該電解質(zhì)膜的一面?zhèn)鹊牡谝浑姌O層、設(shè)置于該第一電極層的與該電 解質(zhì)膜相反的一側(cè)的第一氣體擴(kuò)散層、設(shè)置于該電解質(zhì)膜的另一面?zhèn)鹊牡?二電極層、以及設(shè)置于該第二電極層的與該電解質(zhì)膜相反的一側(cè)的第二氣 體擴(kuò)散層，該第一氣體擴(kuò)散層及該第一電極層配置于該電解質(zhì)膜的表面上， 使得該第一氣體擴(kuò)散層的整個(gè)外周緣收納于該電解質(zhì)膜的外周緣的范圍 內(nèi)，并且在該第一電極層的整個(gè)外周緣的范圍內(nèi)、在該第一電極層的外周 緣和該電解質(zhì)膜的外周緣之間殘留有該電解質(zhì)膜的表面區(qū)域，且該第二氣其特征在于，該 其特征在于，該 其特征在于，該 ，其特征在于，該 ，其特征在于，該 ，其特征在于，該 ，其特征在于，該 ，其特征在于，該體擴(kuò)散層延伸至該電解質(zhì)膜的整個(gè)外周緣范圍內(nèi)的與該表面區(qū)域相反的一 側(cè)的至少一部分；以及通過(guò)模具成形來(lái)設(shè)置樹(shù)脂框架的工序，該樹(shù)脂框架將該電解質(zhì)膜的外周緣的全部以及該第一及第二氣體擴(kuò)散層的外周緣的至少是該第一及第二 電極層的附近包圍，且固定于該表面區(qū)域的至少一部分。
16. 如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，該模具成形為注射成形、 反應(yīng)注射成形或傳遞成形。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，向該表面區(qū)域?qū)朐摌?shù) 脂框架的樹(shù)脂。
18. —種固體高分子型燃料電池的膜電極裝配體的制造方法，其特征 在于，包括準(zhǔn)備膜電極接合前體片材的工序，該膜電極接合前體片材包括高分子 電解質(zhì)膜、設(shè)置于該電解質(zhì)膜的一面?zhèn)鹊碾姌O層、以及設(shè)置于該電極層的 與該電解質(zhì)膜相反的一側(cè)的氣體擴(kuò)散層；從該膜電極接合前體片材上切取 面積不同的第一及第二膜電極接合前體單元的工序；以及在將該第一及第 二膜電極接合前體單元以使其電解質(zhì)膜彼此相對(duì)的形態(tài)接合、從而形成膜 電極接合體時(shí)，將一方的電解質(zhì)膜配置于另一方的電解質(zhì)膜的表面上，使 得該一方的電解質(zhì)膜的整個(gè)外周緣收納于該另一方的電解質(zhì)膜的外周緣的 范圍內(nèi)，并且在該一方的電解質(zhì)膜的整個(gè)外周緣的范圍內(nèi)、在該一方的電 解質(zhì)膜的外周緣和該另一方的電解質(zhì)膜的外周緣之間殘留有該另一方的電 解質(zhì)膜的表面區(qū)域的工序；以及通過(guò)模具成形來(lái)設(shè)置樹(shù)脂框架的工序，該樹(shù)脂框架將該電解質(zhì)膜的外 周緣的全部以及該氣體擴(kuò)散層的外周緣的至少是該電極層的附近包圍，且 固定于該表面區(qū)域的至少一部分。
19. 一種固體高分子型燃料電池的膜電極裝配體的制造方法，其特征 在于，包括準(zhǔn)備電極接合前體片材和膜電極接合前體片材的工序，該電極接合前 體片材包括第一電極層和設(shè)置于該第一電極層的一面的第一氣體擴(kuò)散層， 該膜電極接合前體片材包括高分子電解質(zhì)膜、設(shè)置于該電解質(zhì)膜的一面?zhèn)鹊牡诙姌O層、以及設(shè)置于該第二電極層的與該電解質(zhì)膜相反的一側(cè)的第 二氣體擴(kuò)散層；從該電極接合前體片材上切取一定面積的電極接合前體單 元的工序；從該膜電極接合前體片材上切取面積大于該一定面積的膜電極 接合前體單元的工序；在將該電極接合前體單元的第一電極層和該膜電極 接合前體單元的電解質(zhì)膜接合時(shí)，將該第一氣體擴(kuò)散層及該第一電極層配置于該電解質(zhì)膜的表面上，使得該第一氣體擴(kuò)散層的整個(gè)外周緣收納于該 電解質(zhì)膜的外周緣的范圍內(nèi)，并且在該第一電極層的整個(gè)外周緣的范圍內(nèi)、 在該第一電極層的外周緣和該電解質(zhì)膜的外周緣之間殘留有該電解質(zhì)膜的 表面區(qū)域的工序；以及通過(guò)模具成形來(lái)設(shè)置樹(shù)脂框架的工序，該樹(shù)脂框架將該電解質(zhì)膜的外周緣的全部以及該第一及第二氣體擴(kuò)散層的外周緣的至少是該第一及第二 電極層的附近包圍，且固定于該表面區(qū)域的至少一部分。
20.--種固體高分子型燃料電池，其特征在于，包括權(quán)利要求1 14 中任一項(xiàng)所述的膜電極裝配體。
全文摘要
本發(fā)明提供使固體高分子型燃料電池中的密封的可靠性、機(jī)械強(qiáng)度及操作性提高的膜電極裝配體。本發(fā)明的膜電極裝配體包括在高分子電解質(zhì)膜的兩面設(shè)置電極層及氣體擴(kuò)散層而成的膜電極接合體，以及以包圍電解質(zhì)膜的外周緣的全部以及氣體擴(kuò)散層的外周緣的至少該電解質(zhì)膜側(cè)的部分的形態(tài)設(shè)置的樹(shù)脂框架。一面?zhèn)鹊臍怏w擴(kuò)散層及電極層以殘留有電解質(zhì)膜的表面區(qū)域的形態(tài)配置于電解質(zhì)膜的表面上。反面?zhèn)鹊臍怏w擴(kuò)散層在電解質(zhì)膜的整個(gè)外周緣的范圍內(nèi)延伸。樹(shù)脂框架固定于該表面區(qū)域的至少一部分。
文檔編號(hào)H01M8/02GK101523647SQ20078003697
公開(kāi)日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2007年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月3日
發(fā)明者山田英希, 藤本浩良, 鈴木陽(yáng)一 申請(qǐng)人:日本奧亞特克斯股份有限公司