固体聚合物燃料电池用电解质膜，其制造方法及膜电极组合件的制作方法

专利名称：固体聚合物燃料电池用电解质膜，其制造方法及膜电极组合件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种固体聚合物燃料电池用电解质膜以及该电解质膜的制 造方法，并且还涉及包括该电解质膜的膜电极组合件和燃料电池。
背景技术：
固体聚合物型燃料电池是已知的燃料电池的一种形式。与其它形式的
燃料电池相比，固体聚合物型燃料电池工作温度低(约80'C至100。C )、 成本低JU殳计紧凑，因此净皮认为是期望的机动车辆动力源等。
如图8所示，在固体聚合物型燃料电池中，作为主要组成要素的膜电 极组合件(MEA) 50被具有燃料(氢)气体通道和空气气体通道的隔板 51、 51夹持，由此形成了被称作单元电池的一个燃料电池52。膜电极组合 件50具有这样的结构由在阳极侧上的催化剂层56a和气体扩散层57a 制成的阳极侧气体扩散电极58a堆叠在是离子交换膜的固体聚合物电解质 膜55的一侧上，以及由在阴极侧上的催化剂层56b和气体扩散层57b制 成的阴极侧气体扩散电极58b堆叠在固体聚合物电解质膜55的另一侧上。
在单元电池52中，需要确保气体扩散电极58a、 58b与隔板51之间的 气体通道并且防止气体泄漏到电池外部以及燃料气体与氧化气体混合。在 电解质膜55的表面上的气体扩散电极58a、 58b的堆叠在膜电极组合件中 形成了台阶表面。因此，当膜电极组合件50被隔板51夹持从而形成燃料 电池52时，由于台阶而形成的间隙需要被密封。因此，在通常情况下，密 封用树脂材料59被涂布到从气体扩散电极58a、 58b的端侧延伸出的电解 质膜55表面上，至树脂材料59到达隔板51这样的高度。然后，树脂材料 59通过加热被硬化从而形成密封部分，由此确保了密封性。
5日本专利申请公报No. JP-A-2006-4677中公开了另 一种密封由燃料电 池52中的上述台阶引起的间隙的技术。即，如图9所示，设置具有突起 59b的由橡皮状的弹性体等制成的密封部件59a，以^更覆盖电解质膜55的 从电解质膜55的气体扩散电极58a、 58b的端部侧向延伸的一部分55a。 当膜电极组合件50被隔板51夹持从而形成燃料电池52时，突起59b以受 压接触的方式ii^形成于隔板51中的凹部51a内。
顺便提及，在固体聚合物燃料电池中使用的电解质膜主要是全氟磺酸 聚合物的薄膜(美国杜邦公司的Nafion)，即，电解质树脂(离子交换树 脂)。此外，仅由电解质树脂制成的薄膜不能获得足够的强度。因此，日 本专利申请公报No. JP-A-9-194609中记载的技术使用了通过用被溶剂溶 解的聚合物(电解质树脂)浸渍多孔加强膜(例如通过延伸PTFE、聚烯 烃树脂等形成的薄膜)，然后在其干燥后在电解质聚合物中导入离子交换 基而形成的加强型电解质膜。
如上所述，为了密封由形成于膜电极组合件上的台阶所形成的电解质 膜与隔板之间的间隙，现有技术的燃料电池采用了将密封材料或部件，即， 单独的材料涂布到电解质膜的边缘部分上，或用由单独的材料制成的密封 部件覆盖电解质膜的边缘部分。在涂布密封材料并且通过加热硬化密封材 料的所述方法中，密封材料的不均匀涂布很可能产生泄漏，或者，需要长 时间的加热或通过加热硬化会导致膜电极组合件损坏。此外，密封材料的 不均匀加热硬化也会导致泄漏。
在设置了由橡皮状的弹性体等制成的密封部件以覆盖电解质膜的边缘 部分的密封手段的情况下，尽管由于密封部件与隔板侧的受压接触可以期 待较高的密封效果，但电解质膜的制造不会很容易。此外，存在密封部件 容易定位偏差的缺陷。
此外，在燃料电池任一种现有的密封技术中，不同于电解质膜的材料 被插入到电解质膜与隔板之间，因此在电解质膜与密封部件之间不可避免 地形成了分界面，且存在分界面导致密封被破坏的危险。

发明内容
本发明的一个目的是提供一种燃料电池用电解质膜以及该电解质膜的 制造方法，使得燃料电池中在形成膜电极组合件的电解质膜与隔板之间形 成的间隙可以更完全地被密封。本发明的另一个目的是提供一种包括该电 解质膜的膜电极组合件和燃料电池。
根据本发明的第一方面的电解质膜是一种固体聚合物燃料电池用电解 质膜，并且基本地其特征在于由电解质树脂或能与所述电解质膜成一体的 树脂制成的预定高度的密封肋与所述电解质膜一体地形成。所述电解质膜 可以是包括多孔加强膜的加强型电解质膜。所述密封肋的高度根据要与所 述电解质膜结合以形成膜电极组合件的气体扩散电极的厚度而设定。在膜 电极组合件用在普通固体聚合物型燃料电池中的情况下，高度的范围在
lOjim至500nm的范围内。
形成电解质膜的电解质树脂可以是在现有技术中使用的电解质树脂。 在釆用下文中描述的制造方法的情况下，电解质树脂可以是不会热劣化的 氟系电解质树脂。在那样的情况下，制造出的电解质膜,皮施加通过加水分 解处理等向电解质聚合物赋予离子交换特性的处理，从而获得电解质膜。
在根据本发明的第一方面的电解质膜中，密封肋与电解质膜主体形成 一体而没有分界面，因此能够确保它们之间牢固的密封性。
本发明的第二方面涉及一种膜电极组合件，所述膜电极组合件包括根 据第一方面的电解质膜，以及堆叠在所述电解质膜的两个表面上的气体扩 散电极。所述电解质膜形成为比所述气体扩散电极大，并且具有从所述气 体扩散电极的端部向侧方延伸的延伸部。预定高度的密封肋与电解质膜的 延伸部一体地形成，使得所述预定高度大于所述气体扩散电极的厚度。
本发明的第三方面涉及一种燃料电池，该燃料电池包括根据第二方面 的膜电极组合件，以及夹持所述膜电极组合件的隔板，该燃料电池的特征 在于与所述电解质膜一体地形成的所述密封肋的顶部与所述隔板接触。
在如上所述的膜电极组合件和燃料电池中，能够确保高密封性，因此合(气体交叉)。
本发明的第四方面涉及根据第 一方面的电解质膜的第 一种制造方法。
该电解质膜制造方法至少包括以下步骤通过使用在树脂排出口的两个侧 缘附近具有深度与所述密封肋的高度相对应的凹槽的模具，并且从所述模 具的所述树脂排出口挤压出热熔融的电解质树脂，在细长形电解质膜的两 个侧缘附近形成与所述细长形电解质膜成一体的由电解质树脂制成的预定
高度的所述密封肋。
在根据第四方面的第一种制造方法中，传统上公知的混炼(捏合，
kneading)挤出装置将热熔融的电解质树脂供给到模具，并且从模具的树 脂排出口连续地挤压出细长形薄膜形状的热熔融的电解质树脂。模具的树
脂排出口在其两个侧缘附近具有深度与在将要制造出的电解质膜上形成的 密封肋的高度相对应的凹槽。因此，在挤压出的熔融的电解质树脂的两侧 侧缘附近，突出的密封肋与电解质膜主体一体地形成。如上所述，在此制 造方法中，使用的电解质树脂可以是不会热劣化的氟系电解质树脂。在那 样的情况下，在挤出后，膜被施加通过冷却或加水分解处理等向电解质聚 合物赋予离子交换特性的处理，从而获得电解质膜。
本发明的第五方面涉及电解质膜的第二种制造方法。所述方法至少包 括使用具有膜通过路径、凹槽以及树脂排出口的模具的步骤，所述多孔 加强膜通过所述膜通过路径，所述凹槽形成于所述膜通过路径的出口部的 两侧缘附近，并且所述凹槽的深度对应于所述密封肋的高度，所述树脂排 出口位于通过所述膜通过路径的所述多孔加强膜的两个表面上；在所述多 孔加强膜正在通过所述膜通过路径的同时，从所述模具的所述树脂排出口 挤压出热熔融的电解质树脂，使得所述多孔加强膜被所述熔融的电解质树 脂浸渍的步骤；以及当被树脂浸渍的所述多孔加强膜通过所述膜通过路径 的所述出口部时，在所述多孔加强膜的两侧缘附近，与被树脂浸渍的所述 多孔加强膜一体地形成由电解质树脂制成的预定高度的所述密封肋，使得 所述多孔加强膜从所述模具中作为细长形加强型电解质膜被挤压出的步根据第五方面的第二种制造方法是用于制造所谓的加强型电解质膜的 方法。所使用的电解质树脂以及将热熔融的电解质树脂供应至模具的方法 可以与根据本发明第四方面的第 一种制造方法中相同。所使用的多孔加强
膜的例子包括通过在单轴方向或双轴方向上延伸PTFE (聚四氟乙烯)、 聚烯烃树脂等产生的多孔加强膜。其厚度可以为约5pm至约5(Him。
在根据第五方面的第二种制造方法中，同样，包括从模具中挤压出的 多孔加强膜的电解质膜在其两个侧缘附近具有与电解质膜主体一体地形成 的突出的密封肋。如上所述，在此制造方法中，同样，所使用的电解质树 脂可以是不会热劣化的氟系电解质树脂。在那样的情况下，在挤压后，膜 被施加通过冷却或加水分解处理向电解质聚合物赋予离子交换特性的处 理，从而获得加强型电解质膜。
在上述任一种制造方法中，获得了在电解质膜的两个侧缘附近一体地
形成有密封肋的细长形电解质膜。
如果电解质膜实际上被用作燃料电池用电解质膜，则细长形电解质膜 被切断至预定宽度以提供矩形电解质膜。在那样的情况下，两个切断的侧 缘部不具有密封肋。关于这两个侧缘，可以采用日本专利申请公报No. JP-A-2006-4677或日本专利申请公报No. JP-A-9-194609中记载的密封技 术以形成燃料电池。然而，在那样的情况下，在整个边缘中确保均一的密 封性变得很难。
为了解决该问题，电解质膜制造方法还可以包括将制造出的细长形 的电解质膜切断为具有预定宽度的矩形电解质膜的步骤，制造出的细长形 的所述电解质膜设有在所述电解质膜的两侧缘附近与所述电解质膜一体地 形成的由电解质树脂制成的预定高度的所述密封肋；沿所述矩形电解质膜 的没有与所述电解质膜一体地形成密封肋的两侧缘形成重叠部的步骤，以 及通过将所述重叠部夹持在加热模具之间而至少将所述重叠部熔融，形成 与所述电解质膜成一体的由电解质树脂制成的预定高度的所述密封肋的步
因此，形成重叠部的步骤可以通过例如向后弯曲或巻曲不具有密封肋
9叠而厚度增加的部分的电解质树脂通过例 如将该部分夹持在加热模具之间而被熔融。结果，在形状上与在加热模具 上形成的凹槽相对应的密封肋与电解质膜主体一体地形成。然后，如果需 要，通过执行加水分解处理等，获得四个侧缘设有与电解质膜主体一体地 形成的由电解质树脂制成的密封肋的电解质膜。在加热模具上形成的凹槽 的形状根据侧缘所需的密封肋的形状而适当设定。
本发明的第六方面涉及电解质膜的另一种制造方法。所述制造方法至
少包括制作出不具有密封肋的电解质膜的步骤；向所述制作出的电解质 膜上欲要形成所述密封肋的位置喷射在熔融时能够与所述电解质膜成一体 的树脂颗粒或电解质树脂颗粒的步骤；以及通过热熔融喷射到所述电解质 膜上的所述树脂颗粒或所述电解质树脂颗粒，与所述电解质膜成一体地形 成由所述树脂颗粒或所述电解质树脂颗粒制成的预定高度的所述密封肋的 步骤。
在根据第六方面的制造方法中，原材料是传统上使用的不具有密封肋 的电解质膜。该电解质膜制造方法是任意的，并且不受限制。例如，电解 质膜可以是通过从模具挤压出熔融的电解质树脂而获得的扁平的电解质 膜。此外，电解质膜还可以是包括多孔加强膜的加强型电解质膜。
电解质树脂颗粒或当熔融时与电解质膜成一体的树脂颗粒被喷射到电 解质膜上欲要形成密封肋的位置处。当熔融时与电解质膜成一体的树脂颗 粒的例子包括氟系树脂的PFA、 FEP、 ETFE、 PVDF等。在树脂颗粒在 热熔融时能够与电解质膜主体成一体的前提下，待喷射的电解质树脂颗粒 可以是任意的电解质树脂颗粒。例如，电解质树脂颗粒可以是与形成电解 质膜主体的电解质树脂相同的树脂的颗粒。考虑到可操作性，树脂颗粒的 颗粒直径可以是10jim或更大。
喷射的树脂颗粒或喷射的电解质树脂颗粒通过例如将其夹持在加热模 具之间而被热熔融，预定高度的密封肋与电解质膜一体地形成。在这种情 况下，同样，密封肋的高度根据欲要与所述电解质膜结合以形成膜电极组 合件的气体扩散电极的厚度而设定。在膜电极组合件用在普通的固体聚合
10物燃料电池中的情况下，密封肋的高度在10pm至500nm的范围内。
顺便提及，此制造方法可以应用到单个膜的电解质膜上。在那样的情 况下，通过在设有与之一体地形成的密封肋的电解质膜上形成气体扩散电 极，形成了膜电极组合件。此外，此制造方法还可以被应用到从预先形成 的膜电极组合件的气体扩散电极的端部侧向延伸的电解质膜上。在任何情 况下，树脂颗粒被施加热熔融处理，因此，可以使用不会热劣化的氟系电 解质树脂颗粒。在那样的情况下，设有与之一体地形成的密封肋的电解质 膜(或膜电极组合件)被施加通过加水分解处理等向电解质聚合物赋予离 子交换特性的处理。
本发明的第七方面涉及电解质膜的另 一种制造方法。所述方法至少包 括制作出不具有密封肋的电解质膜的步骤；以及在高于或等于所述电解 质膜的软化点的温度，挤压所述制作出的电解质膜的通过除去欲要制作出 所述密封肋的部分而获得的至少一部分的步骤。才艮据此制造方法，设有与 之一体地形成的预定高度的密封肋的电解质膜可以通过较简单的步骤获 得。将要受压的区域可以仅是当受压的电解质膜被用于形成膜电极组合件 时形成气体扩散电极的区域。在那样的情况下，可以通过按压电解质膜在 电解质膜的两个表面上形成凹部，使得凹部具有实质上等于气体扩散电极 的厚度的深度。
根据本发明，获得了当被用以形成燃料电池时能够改进电池密封性的 电解质膜和膜电极组合件。此外，获得了具有改进的密封性的燃料电池。


本发明的上述以及其它目的、特征和优点从参照附图对示例性实施例 的以下说明中将会变得显而易见，其中相同的符号用来表示相同的元件， 并且其中
图1A是示意性示出了根据本发明的电解质膜的实施例的视图； 图1B是沿图1A的线b-b的截面图1C是示意图示出了根据本发明的膜电极组合件的实施例的截面图；图ID是示出了根据本发明的燃料电池的实施例的制造过程的示意性
截面图1E是示意性示出了制造过程以后的燃料电池的截面图2A至2C是示意性示出了根据本发明的电解质膜的制造方法的第一 实施例的视图，图2A示出了电解质薄膜从模具中被挤压出从而具有细长 形形状的状态，图2B在截面图中示出了模具的树脂排出口，图2C是沿图 2A的线c-c的截面图，示出了挤压出的电解质薄膜；
图3A至3D示出了由图2A至2C所示的方法获得的电解质膜上执行 的处理，图3A示出了被切断为预定宽度的电解质膜，图3B示出了重叠部 形成于侧^彖部上的状态，图3C示出了在重叠部已通过加热而^皮熔融后电 解质膜的状态，图3D示出加工处理后的电解质膜；
图4A至4C是示意性示出了根据本发明的电解质膜的制造方法的第二 实施例的视图，图4A示出了加强型电解质薄膜以细长形形状从模具中被 挤压出的状态，图4B在截面图中示出了模具的膜通过路径出口部，图4C 在截面图中示出了被挤压出的电解质薄膜；
图5A至5D是示意性示出了根据本发明的电解质膜的制造方法的第三 实施例的视图，每个都示出了制造过程；
图6A至6D是示意性示出了根据本发明的电解质膜的制造方法的另一 实施例的视图，图6A至6C示出了制造过程，图6D示出了获得的电解质 膜；
图7A至7C是示意性示出了根据本发明的电解质膜的制造方法的另外 两个实施例的视图，图7A示意性地示出了采用热压机的实施例，图7C示 意性地示出了使用滚压的实施例；
图8是示出了现有技术的燃料电池的例子的示意性截面图9是示出了现有技术的燃料电池的另 一例子的示意性截面图。
具体实施例方式
在下文中将参照

本发明的实施例。图1A和1B是示意性示出
12了根据本发明的电解质膜的实施例的视图，图1C是示意性示出了根据本 发明的膜电极组合件的实施例的视图，图1D和1E是示意性示出了根据本 发明的燃料电池的实施例的横截面的视图。图2A至2C及图3A至3D是 示意性示出了根据本发明的电解质膜的制造方法的第一实施例的视图。图 4A至4D是示意性示出了根据本发明的电解质膜的制造方法的第二实施例 的视图。图5A至5D是示意性示出了根据本发明的电解质膜的制造方法的 第三实施例的视图。图6A至6D是及图7A至7C是示意性示出了根据本 发明的电解质膜的制造方法的另外的实施例的视图。
如图1A中的透视图和图1B中沿图lA的线b-b所作的截面图所示， 固体聚合物电解质膜10整体上是矩形的。在固体聚合物电解质膜10中， 由与形成电解质膜主体11的电解质树脂相同的电解质树脂制成的密封肋 12a至12d与电解质膜主体11的两个相对表面一体地形成，沿矩形电解质 膜主体ll的四个侧缘延伸。此外，在该实施例中，电解质膜10具有诸如 延伸的PTFE等之类的多孔加强膜13,并且因此设置成加强型电解质膜。 可以省略该多孔加强膜13。此外，密封肋12不需要沿所有的四个侧缘形 成。例如，可以允i午仅两个相对的侧緯二没有密封肋12a、 12b或密封肋12c、 12d。
图1C示意性地示出了由电解质膜10和气体扩散电极23a、 23b制成 的膜电极組合件20的横截面。由阳极侧上的催化剂层21a和气体扩散层 22a制成的阳极侧气体扩散电极23a堆叠在电解质膜10的两个表面之一 上，且由阴极侧上的催化剂层21b和气体扩散层22b制成的阴极侧气体扩 散电极23b堆叠在固体聚合物电解质膜10的另一表面上。电解质膜10比 气体扩散电极23a、 23b大，并且从气体扩散电极23a、 23b的四个侧面端 部进一步侧向延伸。然后，密封肋12a至12d与电解质膜主体11的延伸部 一体地形成至比气体扩散电极23a、 23b的厚度大的高度。在普通的固体聚 合物燃料电池中，密封肋12a至12d的高度在10nm至SOOjim的范围内。
使用图1C所示的膜电极组合件20，形成了燃料电池30。如图1D所 示，每个都具有气体通道31的隔板32布置在膜电极组合件20的两个相对的表面上。根据需要，少量粘合剂被涂布到密封肋12a至12d上。通过膜 电极组合件20和隔板32在全面加压下的压力焊接，提供了如图1E所示 的燃料电池30。如上所述，其密封肋12a至12d由与电解质膜主体11相 同的电解质树脂形成为与电解质膜主体ll成一体的燃料电池30确保了较 高的密封性。此外，形成密封肋的树脂可以是任何树脂，只要该树脂在热 熔融时能够与电解质膜主体ll成一体即可，而不需要与形成电解质膜主体 ll的电解质树脂相同。树脂的例子包括PFA、 FEP、 ETFE、 PVDF等， 它们都是氟系树脂。
然后，将参照图2A至2C以及图3A至3D说明根据本发明的电解质 膜的制造方法的实施例。在该制造方法中，氟系电解质树脂被用作电解质 树脂。氟系电解质树脂颗粒^i文入通常公知的树脂混炼挤出装置(未示出)， 并且被加热和混炼。熔融的电解质树脂p由此被压力供给至如图2A中所 示的模具l。模具1具有树脂排出口2，其横截面形状在图2B中示出。电 解质树脂p从树脂排出口 2中挤压出。
如图2B所示，树脂排出口 2整体上具有扁平形状，其中横向宽度b 大于垂直宽度d。在树脂排出口 2的在横向宽度方向上的两个相对的侧缘 附近形成凹槽3a、 3a。因此，如图2A所示，供给到模具l中的熔融的电 解质树脂p从树脂排出口 2中挤压出，成为具有厚度d和横向宽度b的细 长形形状的电解质薄膜lla。如图2C中沿图2A的线c-c所作的截面图所 示，挤压出的电解质薄膜lla的两个表面的每个都具有与表面一体地形成 的脊llb、 lib,脊llb、 llb根据在树脂排出口 2中形成的凹槽3a、 3a的 形状沿电解质薄膜lla的两侧缘延伸。顺便提及，尽管凹槽3a、 3a在附图 中示出为具有半圆形的横截面形状，但其横截面可以具有诸如三角形、椭 圆形、矩形等任意形状。
冷却后，细长形的电解质薄膜lla被切断为如图3A所示的具有预定 的纵向长度c，成为矩形电解质膜10a。在电解质膜10a与如图1A和图1B 所示的电解质膜10之间的比较中，电解质薄膜lla对应于电解质膜主体 11，并且两个脊llb、 llb对应于密封肋12a、 12b。尽管电解质膜10a的
14两个被切断的侧14没有设有密封肋，但取决于燃料电池的结构，电解质膜 10a的该形状足够在燃料电池中使用。
为了获得如图1A和1B所示的电解质膜10中的沿四个侧缘具有密封 肋的电解质膜，电解质薄膜lla的两个被切断的侧14、 14例如向后巻起或 弯曲，从而形成重叠部15。然后，使用加热模具等，至少形成的重叠部15 被加热熔融。结果，如图3C所示，沿电解质膜主体11的两个被切断侧14、 14的密封肋16、 16在密封肋16、 16与电解质膜主体11成一体的状态下 被形成。因此，如图3D所示，获得了沿四个側面具有密封肋的电解质膜 10b。此外，电解质膜10b对应于图1A和1B所示的多孔加强膜13被除去 的电解质膜10，并且图3D中对应的部分由与图1A中相同的参考符号来 表示。
然后，将参照图4A至4C说明用于制造具有图1A和1B所示的多孔 加强膜13的电解质膜10的制造方法的例子。在该方法中，使用了具有如 图4A所示的形状的模具1A。模具1A具有供多孔加强膜13通过的膜通过 路径4，以及位于通过膜通过路径4的多孔加强膜13的两个相对表面处的 树脂排出口 5a、 5b。每个树脂排出口 5a、 5b与对应的一个树脂供给通道 6a、 6b相连通。树脂供给通道6a、 6b在预定压力下从电解质树脂用混炼 挤出装置供给热熔融的电解质树脂p,例如氟系电解质。膜通过路径4的 出口部7的形状与图2所示的模具1的树脂排出口 2的形状实质上相同， 并且具体地，具有整体上扁平的形状，其中如图4B所示垂直宽度d大于 横向宽度b，并且凹槽3a、 3a形成于在橫向宽度方向上的两个侧面端部附 近。
被供给至树脂供给通道6a、 6b的熔融的电解质树脂p在预定压力下 从树脂排出口 5a、 5b挤压出，并且从两个表面侧浸渍多孔加强膜13。由 于由树脂p的弹性产生的挤出力，浸渍有树脂p的多孔加强膜13从膜通 过路径4的出口部7挤出成细长形形状，作为电解质膜主体llc。如图4C 的横截面图所示，被挤出的加强型电解质薄膜llc具有厚度d和横向宽度 b，并且在其内部具有多孔加强膜13。此外，加强型电解质薄膜llc的两
15个表面中的每个都沿其两侧具有与其形成一体的脊llb、 llb。脊llb、 lib 具有与在出口部7中形成的凹槽3a、 3a的形状对应的形状。顺便提及，在 这种情况下，同样，凹槽3a、 3a的横截面形状可以具有诸如三角形、椭圆 形、矩形等的任意形状。尽管不再次说明，这样获得的细长形形状电解质 膜主体llc被实施了与以上参照图3A至3D所述的处理实质上相同的处 理，从而获得了如图1A所示的固体聚合物电解质膜10。
然后，将参照图5A至5D说明根据本发明的电解质膜的制造方法的第 三实施例。在该实施例中，不具有如上所述的密封肋的图5A所示的电解 质薄膜10s被用作原材料。电解质薄膜10s可以由任意的方法制造出，并 且尽管未示出但还可以具有多孔加强膜。如图5B的透视图和截面图所示， 在电解质薄膜ios上应当形成密封肋12的位置处，可以喷设颗粒尺寸优选 为10nm或更大的可热熔融树脂颗粒pa至预定厚度。在图5A至5D所示 的结构中，在电解质薄膜10s中形成了多个气体通过口 17，并且在该气体 通过口 17周围喷射可热熔融树脂颗粒pa。然而，可热熔融树脂颗粒pa可 以替代为如在上述电解质膜10、 10a中以沿着四个侧面的线性形状喷射。 在树脂颗粒在热熔融时与电解质薄膜10s成一体的前提下，待喷射的可热 熔融树脂颗粒pa可以是任意的可热熔融的树脂颗粒。树脂颗粒的例子包括 氟系树脂的PFA、 FEP、 ETFE、 PVDF等。可热熔融的树脂颗粒可以是 与形成电解质薄膜10s的电解质树脂相同的树脂的颗粒。
然后，如图5C所示，喷射的可热熔融树脂颗粒pa被加热模具9、 9 夹持，并且通过加热而被熔融，加热模具具有带有凹槽8的加热部9a、 9a。 因此，由与电解质薄膜10s成一体的熔融的树脂颗粒pa形成了预定高度的 密封肋12。因此，获得了如图5D所示的根据本发明的设有密封肋的电解 质膜10b。在这种情况下，同样，密封肋12的高度显然根据当欲要使用电 解质膜10b形成膜电极组合件时提供的气体扩散电极的厚度而设定。
尽管未示出，气体扩散电极23a、 23b堆叠在如图5D所示的电解质膜 10b上，以形成膜电极组合件30。此外，还可以允许形成气体扩散电极23a、 23b预先堆叠在电解质薄膜10s上的膜电极组合件20 (见图1)，向电解质膜10a上从气体扩散电极的端部侧向延伸的区域中所需的位置喷射电解 质树脂颗粒pa，并且执行热熔融处理。
图6A至6D示出了根据本发明的电解质膜制造方法的另一个实施例。 该实施例是已参照图2进行说明的电解质膜制造方法的第一实施例的改进 形式。具体地，在如图6A所示通过使用模具1将电解质薄膜lla挤出为 细长形形状的过程期间，重复在预定时刻如图6B所示将模具1的树脂排 出口 2扩大为预定宽度的处理，并且在预定时间后，模具l返回到向前的 开口宽度。结果，如图6C所示，在挤出的电解质薄膜lla的横向宽度方 向上形成了区域lld,该区域lld具有与树脂排出口 2的宽度扩大的持续 时间对应的增加的厚度。
根据该方法，基于在模具1中形成的凹槽3a、 3a的两个突起的脊llb、 lib与细长形形状的电解质薄膜lla的两个表面中的每个一体地形成，在 电解质薄膜lla的纵向方向上延伸。同时，可以在预定的间隔处形成在电 解质lla的宽度方向上延伸并且具有与模具1的扩大的开口宽度和扩大时 间对应的高度和宽度的变厚的区域lld。因此，仅仅通过在预定的位置切 断获得的细长形形状的电解质薄膜lla，可以获得具有如图6D所示的形状 的电解质膜10b。此外，图6D中与图1A中对应的部件由与图1A中相同 的参考符号表示。
图7A至7C进一步示出了根据本发明的电解质膜制造方法的另外两个 实施例。在这些实施例中，通过通常公知的方法作为预成形制成了在整个 膜上具有实质上均一的膜厚度的电解质膜，并且除了应当形成有密封肋的 部分外电解质膜的一部分在高于或等于电解质膜的软化点的温度下被热 压，使得膜厚度减少了约与气体扩散电极厚度对应的量。在电解质膜的膜 厚度已经减少的区域上，形成气体扩散电极。电解质膜的具有相对较大厚 度并且在厚度较少的区域周围的部分起密封肋的作用。
具体地，例如，具有实质上均一的约为10jim至约为100jim的膜厚度 并且不设有密封肋的电解质薄膜(预成形体)10s例如由侧链末端基-S02F 型电解质前躯体树脂形成。然后，如图7A所示，使用具有上下加热板41、
1741的热压机40，电解质薄膜10s除周围部外在高于或等于电解质树脂的软 化点温度下被热压。因此,如图7B所示，获得了电解质膜IO，其中被热 压部分形成了薄壁的电解质膜主体部分ll,并且周围部形成了具有保持的 厚度的密封肋12。
电解质膜主体部分11被实施水解处理，由此侧链末端基由-S02F替代 为-S02H。在电解质膜主体ll的区域中，形成了气体扩散电极(未示出)， 从而形成了膜电极组合件。由于周围的密封肋12的区域相对较厚并且保持 由以前的树脂制成，因此获得了足够经得住可能在电极周围集中的应力的 具有较大强度的电解质膜。
图7C示出了成形方法的另一实施例。在该方法中，预先准备了其厚 度实质上均一的带状电解质薄膜10s作为预成形体，并且预成形体在设有 具有电极形状的突出部43的一对上下加热辊44、 44之间通过。当上下加 热辊44、 44转动时，通过在带状的电解质薄膜(预成形体)10s的正反两 侧上滚动而连续地形成了较小厚度的区域(薄壁的电解质膜主体部分11)， 并且周围部被留下作为厚度保持不变的密封肋12。通过将电解质薄膜10s 切断为预定尺寸，获得了如图7B所示的电解质膜。
顺{更提及，在图7A至7C所示的制造方法的实施例中，也可以使用设 有多孔加强膜的电解质膜作为电解质薄膜(预成形体)10s。
尽管参照示例性实施例说明了本发明，但应当理解本发明并不限于所 说明的实施例或结构。相反地，本发明旨在覆盖各种修改和等同的布置。 此外，尽管以各种组合和结构示出了示例性实施例的各个要素，但是包括 更多或更少或仅仅一个要素的其它的组合和结构也在本发明的精神和范围 之内。
权利要求
1. 一种固体聚合物燃料电池用电解质膜，其特征在于由在熔融时能够与所述电解质膜成一体的树脂制成的预定高度的密封肋与所述电解质膜一体地形成。
2. —种固体聚合物燃料电池用电解质膜，其特征在于 由电解质树脂制成的预定高度的密封肋与所述电解质膜一体地形成。
3. 根据权利要求1或2所述的电解质膜，其中 所述电解质膜包括作为成一体的部分的多孔加强膜。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的电解质膜，其中 所述密封肋的高度在10 nm至500 ftm的范围内。
5. —种膜电极组合件，包括权利要求1至4中的任一项中所述的电解质膜，以及 堆叠在所述电解质膜的两个表面上的气体扩散电极，其特征在于 所述电解质膜形成为比所述气体扩散电极大，并且具有从所述气体扩散电极的端部向侧方延伸的延伸部，以及预定高度的所述密封肋与所述电解质膜的所述延伸部一体地形成，使得所述预定高度大于所述气体扩散电极的厚度。
6. —种燃料电池，包括权利要求5中所述的膜电极组合件，以及 夹持所述膜电极组合件的隔板，其特征在于 与所述电解质膜一体地形成的所述密封肋的顶部与所述隔板接触。
7. —种制造固体聚合物燃料电池用电解质膜的方法，所述电解质膜具 有与所述电解质膜一体地形成的由电解质树脂制成的预定高度的密封肋， 所述方法的特征在于包括通过使用在树脂排出口的两个侧缘附近具有深度与所述密封肋的高度 相对应的凹槽的模具，并且从所述模具的所述树脂排出口挤压出热熔融的 电解质树脂，在细长形电解质膜的两个侧缘附近形成与所述细长形电解质膜成一体的由电解质树脂制成的预定高度的所述密封肋。
8. —种制造固体聚合物燃料电池用电解质膜的方法，所述电解质膜设 有与所述电解质膜一体地形成的由电解质树脂制成的预定高度的密封肋并 且包括作为成一体的部分的多孔加强膜，所述方法的特征在于使用了具有膜通过路径、凹槽以及树脂排出口的模具，所述多孔加强 膜通过所述膜通过路径，所述凹槽形成于所述膜通过路径的出口部的两侧 缘附近，并且所述凹槽的深度对应于所述密封肋的高度，所述树脂排出口 位于通过所述膜通过路径的所述多孔加强膜的两个表面上，以及在所述多孔加强膜正在通过所述膜通过路径的同时，从所述模具的所 述树脂排出口挤压出热熔融的电解质树脂，使得所述多孔加强膜被所述熔 融的电解质树脂浸渍，以及当被树脂浸渍的所述多孔加强膜通过所述膜通过路径的所述出口部 时，在所述多孔加强膜的两侧缘附近，与^皮树脂浸渍的所述多孔加强膜一 起形成由电解质树脂制成的预定高度的所述密封肋，使得所述多孔加强膜 从所述模具中作为细长形加强型电解质膜被挤压出。
9. 根据权利要求7或8所述的电解质膜的制造方法，其特征在于还包括将制造出的细长形的所述电解质膜切断为具有预定宽度的矩形电解质 膜，制造出的细长形的所述电解质膜设有在所述电解质膜的两侧缘附近与 所述电解质膜一体地形成的由电解质树脂制成的预定高度的所述密封肋；沿所述矩形电解质膜的没有与所述电解质膜一体地形成密封肋的两侧缘形成重叠部；以及通过将所述重叠部夹持在加热^=莫具之间而至少将所述重叠部熔融，形 成与所述电解质膜成一体的由电解质树脂制成的预定高度的所述密封肋。
10. —种固体聚合物燃料电池用电解质膜的制造方法，在所述电解质 膜中由电解质树脂或在熔融时能够与电解质膜成一体的树脂制成的预定高 度的密封肋与所述电解质膜一体地形成，所述制造方法的特征在于包括制作出不具有密封肋的电解质膜，以及向所述制作出的电解质膜上欲要形成所述密封肋的位置喷射电解质树 脂颗粒或在熔融时能够与所述电解质膜成一体的树脂颗粒，以及通过热熔融喷射到所述电解质膜上的所述电解质树脂颗粒或所述树脂 颗粒，形成与所述电解质膜成一体的由所述电解质树脂颗粒或所述树脂颗 粒制成的预定高度的所述密封肋。
11. 根据权利要求10所述的电解质膜的制造方法，其中，喷射的所述电解质树脂颗粒或在熔融时能够与所述电解质膜成一体的所述树脂颗粒的颗氺立直径为10 nm或更大。
12. —种固体聚合物燃料电池用电解质膜的制造方法，所述电解质膜 设有与所述电解质膜一体地形成的由电解质树脂制成的预定高度的密封 肋，所述制造方法的特征在于包括制作出不具有密封肋的电解质膜，以及在高于或等于所述电解质膜的软化点的温度，挤压所述制作出的电解 质膜的通过除去欲要制作出所述密封肋的部分而获得的至少一部分。
全文摘要
一种固体聚合物燃料电池用电解质膜(10)中，由电解质膜树脂制成的预定高度的密封肋(12)与所述电解质膜(10)一体地形成。使用该电解质膜，形成膜电极组合件(20)，进一步被处理为燃料电池(30)。因此，获得了当结合到燃料电池中时能够改进密封性的电解质膜和膜电极组合件。此外，获得了改进了密封性的燃料电池。
文档编号H01M8/10GK101512805SQ200780031876
公开日2009年8月19日 申请日期2007年8月29日 优先权日2006年8月31日
发明者木野喜隆, 铃木弘 申请人:丰田自动车株式会社