(57)【要約】【課題】  モジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造の提供。【解決手段】  燃料電池の陽極板に環状凹部と延伸環状凹部が開設され、陰極板に環状凹部と連通する延伸環状凹部が設けられ、電池ユニット組立時に、陽極板と陰極板の周囲エリアの対応する環状凹部と延伸環状凹部の間に、先にシリコン樹脂を塗布し、並びにシリコン樹脂が未硬化の前の粘ちょう状の時に、陽極板、膜電極アセンブリと陰極板をアライメントさせて重合させ、並びに所定の圧力値で圧着し、陽極板の環状凹部のシリコン樹脂と陰極板の環状凹部の対応するシリコン樹脂を密着接合させ、これにより陽極板と陰極板の周囲エリアの間にシール環状面を形成し、また陽極板と陰極板の周縁エリアの対応する延伸環状凹部のシリコン樹脂も相互に対応させ、膜電極アセンブリ中のプロトン交換膜を中間位置に圧着、位置決めし、陽極板と陰極板の間の各貫通孔周囲にもシール環状面を形成させる。【選択図】        図６
2005174908.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造において、膜電極アセンブリ、陽極板、陰極板を具え、
該膜電極アセンブリは陽極側と陰極側を具え、該陽極側に陽極ガス拡散層が形成され、該陰極側に陰極ガス拡散層が形成され、プロトン交換膜が該陽極ガス拡散層と該陰極ガス拡散層の間に挟まれ、
該陽極板は、該膜電極アセンブリの陽極ガス拡散層の外側表面に位置し、該陽極板は第１表面、第２表面、中央エリア、周縁エリア、及び該周縁エリアに形成された複数の貫通孔を具え、その第１表面は該膜電極アセンブリの陽極ガス拡散層に対向し、且つ該第１表面の中央エリアに複数の陽極ガスチャネルが形成され、該第１表面の周縁エリアに環状凹部が開設され、且つ該環状凹部の該陽極板の各貫通孔の近隣の位置に連通する延伸環状凹部が形成され、
該陰極板は該膜電極アセンブリの陰極ガス拡散層の外側表面に位置し、該陰極板は第１表面、第２表面、中央エリア、周縁エリア、及び周縁エリアに形成された複数の貫通孔を具え、その第２表面は該膜電極アセンブリの陰極ガス拡散層に対向し、第２表面の中央エリアに複数の陰極ガスチャネルが形成され、第２表面の周縁エリアに環状凹部が開設され、且つ環状凹部の該陰極板の各貫通孔に近隣の位置に連通する延伸環状凹部が形成され、  電池ユニットを組み立てる時、該陽極板の第１表面及び陰極板の第２表面の周縁エリアの対応する環状凹部と延伸環状凹部の間にシリコン樹脂が塗布され、並びに該シリコン樹脂が未硬化で粘ちょう状を呈する時に、該陽極板、膜電極アセンブリと陰極板がアライメント並びに重合され、並びに所定圧力で圧着され、陽極板の環状凹部のシリコン樹脂と陰極板の環状凹部の対応するシリコン樹脂が密着し接合され、これにより陽極板と陰極板の周縁エリアにシール環状面が形成され、
これと同時に陽極板の第１表面及び陰極板の第２表面の周縁エリアの対応する延伸環状凹部のシリコン樹脂が相互に対応し膜電極アセンブリ中のプロトン交換膜に密着しその中間位置に圧着、位置決めし、該陽極板と陰極板間の各貫通孔の周縁もまたシール環状面を形成することを特徴とする、モジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造。
【請求項２】
請求項１記載のモジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造において、陰極板の第１表面に複数の冷却チャネルが形成されたことを特徴とする、モジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造。
【請求項３】
請求項１記載のモジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造において、陽極板の第２表面が平坦表面とされことを特徴とする、モジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造。
【請求項４】
プロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造において、複数の重合された燃料電池ユニットを具え、各燃料電池ユニットが膜電極アセンブリ、陽極板、陰極板を具え、
該膜電極アセンブリは陽極側と陰極側を具え、該陽極側に陽極ガス拡散層が形成され、該陰極側に陰極ガス拡散層が形成され、プロトン交換膜が該陽極ガス拡散層と該陰極ガス拡散層の間に挟まれ、
該陽極板は、該膜電極アセンブリの陽極ガス拡散層の外側表面に位置し、該陽極板は第１表面、第２表面、中央エリア、周縁エリア、及び該周縁エリアに形成された複数の貫通孔を具え、その第１表面は該膜電極アセンブリの陽極ガス拡散層に対向し、且つ該第１表面の中央エリアに複数の陽極ガスチャネルが形成され、該第１表面の周縁エリアに環状凹部が開設され、且つ該環状凹部の該陽極板の各貫通孔の近隣の位置に連通する延伸環状凹部が形成され、
該陰極板は該膜電極アセンブリの陰極ガス拡散層の外側表面に位置し、該陰極板は第１表面、第２表面、中央エリア、周縁エリア、及び周縁エリアに形成された複数の貫通孔を具え、その第２表面は該膜電極アセンブリの陰極ガス拡散層に対向し、第２表面の中央エリアに複数の陰極ガスチャネルが形成され、第２表面の周縁エリアに環状凹部が開設され、且つ環状凹部の該陰極板の各貫通孔に近隣の位置に連通する延伸環状凹部が形成され、  燃料電池を組み立てる時、該陽極板の第１表面及び陰極板の第２表面の周縁エリアの対応する環状凹部と延伸環状凹部の間にシリコン樹脂が塗布され、並びに該シリコン樹脂が未硬化で粘ちょう状を呈する時に、該陽極板、膜電極アセンブリと陰極板がアライメント並びに重合され、並びに所定圧力で圧着され、陽極板の環状凹部のシリコン樹脂と陰極板の環状凹部の対応するシリコン樹脂が密着し接合され、これにより陽極板と陰極板の周縁エリアにシール環状面が形成され、
これと同時に陽極板の第１表面及び陰極板の第２表面の周縁エリアの対応する延伸環状凹部のシリコン樹脂が相互に対応し膜電極アセンブリ中のプロトン交換膜に密着しその中間位置に圧着、位置決めし、該陽極板と陰極板間の各貫通孔の周縁もまたシール環状面を形成することを特徴とする、プロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造。
【請求項５】
請求項４記載のプロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造において、陰極板の第１表面の中央エリアに冷却チャネルが形成され、且つこの第１表面の周縁エリアに環状凹部と該陰極板の貫通孔を囲む延伸環状凹部が形成され、該環状凹部と該延伸環状凹部中に硬化したシリコン樹脂が形成されたことを特徴とする、プロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造。
【請求項６】
請求項４記載のプロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造において、陽極板の第２表面が平坦表面とされことを特徴とする、プロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造。
【請求項７】
プロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造において、第１膜電極アセンブリと第２膜電極アセンブリ、少なくとも一つの双極板、陽極板、及び陰極板を具え、
該第１膜電極アセンブリ及び該第２膜電極アセンブリがそれぞれ陽極側と陰極側を具え、該陽極側に陽極ガス拡散層が形成され、該陰極側に陰極ガス拡散層が形成され、プロトン交換膜が該陽極ガス拡散層と該陰極ガス拡散層の間に挟まれ、
該少なくとも一つの双極板は、膜電極アセンブリの間に取り付けられ、該双極板は第１表面、第２表面、中央エリア、周縁エリア、及び該周縁エリアに形成された複数の貫通孔を具え、その第１表面の中央エリアに複数の陰極ガスチャネル形成され、第２表面の中央エリアに複数の陽極ガスチャネルが形成され、
該陽極板は、該第２膜電極アセンブリの陽極ガス拡散層の外側表面に位置し、該陽極板は第１表面、第２表面、中央エリア、周縁エリア、及び該周縁エリアに形成された複数の貫通孔を具え、その第１表面は第２膜電極アセンブリの陽極ガス拡散層に対向し、且つ第１表面の中央エリアに複数の陽極ガスチャネルが形成され、第１表面の周縁エリアに環状凹部が開設され、該環状凹部の該陽極板の各貫通孔の近隣の位置に連通する延伸環状凹部が形成され、
該陰極板は、膜電極アセンブリの陰極ガス拡散層の外側表面に位置し、該陰極板は第１表面、第２表面、中央エリア、周縁エリア、及び該周縁エリアに形成された複数の貫通孔を具え、その第２表面は膜電極アセンブリの陰極ガス拡散層に対向し、且つ第２表面の中央エリアに複数の陰極ガスチャネルが形成され、第２表面の周縁エリアに環状凹部が開設され、該環状凹部の該陰極板の各貫通孔の近隣の位置に連通する延伸環状凹部が形成され、
燃料電池モジュールを組み立てる時、該陽極板及び双極板の第１表面及び陰極板及び双極板の第２表面の周縁エリアの環状凹部と延伸環状凹部と隣り合う双極板の周縁エリアの対応する環状凹部と延伸環状凹部の間に、先にシリコン樹脂が塗布され、並びに該シリコン樹脂が未硬化で粘ちょう状を呈する時に、該陽極板、双極板、膜電極アセンブリと陰極板がアライメント並びに重合され、並びに所定圧力で圧着され、陽極板の第１表面と双極板の第２表面の環状凹部の対応するシリコン樹脂が密着接合され、対応する延伸環状凹部のシリコン樹脂もまた相互に対応し第２膜電極アセンブリを中間位置に密着させ位置決めし、これにより陽極板と双極板の周縁エリアの間にシール環状面が形成され、また陽極板の第２表面及び双極板の周縁エリアの対応する延伸環状凹部のシリコン樹脂も相互に対応し、第１膜電極アセンブリ中のプロトン交換膜を中間位置に密着位置決めし、陰極板と双極板の間の各貫通孔周縁にもシール環状面を形成することを特徴とする、プロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造。
【請求項８】
請求項７記載のプロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造において、陰極板の第１表面の中央エリアが冷却チャネルとされたことを特徴とする、プロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造。
【請求項９】
請求項７記載のモジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造において、陽極板の第２表面が平坦表面とされことを特徴とする、プロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一種のプロトン交換膜燃料電池の構造設計に係り、特に、モジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の技術領域にあって、現在発展している燃料電池のタイプには、アルカリ燃料電池、リン酸型燃料電池、固体酸化物燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、及びプロトン交換膜等がある。各種の燃料電池はそれぞれその長所と欠点及び応用範囲を有しているが、そのうちプロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は最も商業利用価値を有している。
【０００３】
燃料電池の作業原理は、水素ガスと酸素ガスを電気化学反応させて水を生成させると共に電気エネルギーを釈放させることにあり、基本的には水の電気分解の逆装置である。
【０００４】
燃料電池の効率表現の優劣は、陰極と陽極反応が完全であるか否かに依存し、言い換えると、各層間の材料選択と隔離が燃料電池の作動効率を決定する一大因子である。これにより、慎重な使用材料の選択のほか、いかに陽極と陰極の反応を確保できるようにするかが重要な課題となる。
【０００５】
通常燃料電池の制御が確実に行なえなくなる原因は二つあり、その一つは陽極板及び陰極板間のガス漏洩防止の措置の効果が明らかでないこと、もう一つは各電池ユニット層間の導電接触圧力が最良の状態に維持できないことである。
【０００６】
図１は周知のプロトン交換膜燃料電池ユニット組合せ構造の断面図である。それは、陽極板１０１及び陰極板１０２を具え、該陽極板１０１及び陰極板１０２の間にプロトン交換膜１０３、陽極ガス拡散層１０４、及び陰極ガス拡散層１０５が挟まれている。該プロトン交換膜１０３、陽極ガス拡散層１０４、及び陰極ガス拡散層１０５が膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を形成している。
【０００７】
該陽極板１０１の膜電極アセンブリに対向する表面に複数の陽極ガスチャネル１０１ａが設けられ、該陰極板１０２の膜電極アセンブリに対向する表面に複数の陰極ガスチャネル１０２ａが設けられている。陽極板１０１と陰極板１０２の外周にパッキング１０６、１０７が配設され、該陽極板１０１と陰極板１０２及び膜電極アセンブリがアライメントされ重合された後、該燃料電池ユニットの密封効果が達成される。
【０００８】
実際の応用時に、必要に応じて複数の燃料電池ユニットが重合されて燃料電池セット１００（図２参照）が形成され、更に該燃料電池セット１００に陰極ガス管線、陽極ガス管線、冷却液管線、上端板１０８ａ、下端板１０８ｂ、及び金属導電端子１０９ａ、１０９ｂが接続され、最後に複数のタイロッド１１０（ｔｉｅ  ｒｏｄｓ）で強固に結合される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
周知のプロトン交換膜燃料電池ユニット組合せ構造の欠点は以下のとおりである。
１．陽極板１０１のチャネル１０１ａに水素ガスが通入される時、パッキング１０６と陽極板１０１の間の空隙より漏出しやすく、陰極板１０２のチャネル１０２ａに酸素ガスを通入する時もパッキング１０７と陰極板１０２の間の空隙より極めて漏出しやすく、反応の進行に厳重な影響を与える。この欠点はパッキング１０６、１０７をある時間使用して老化現象が形成された後に特に明らかとなり、即ちパッキング１０６、１０７を一体成形で単一パッキングに形成してもこの問題を有効に解決することはできない。
２．パッキング１０６、１０７自身の材質の制限により、付近の圧力が不均一となりやすく、また老化速度が不均一となり、全体の電池ユニットの接触圧力が不均一となり、このためにガス拡散反応が平均して実行されなくなる原因である。全体の燃料電池セットは最後にタイロッド１１０による接触圧力制御を必要とし、燃料電池セット周縁と中央エリアに明らかな重合圧力の差が出現し、厳重に燃料電池の作業効率に影響を与える。
３．パッキング１０６、１０７を陽極板１０１と陰極板１０２間に採用する措置は、汚染隔離の効果があがらないばかりか、層の重合の位置決めの機能を発生できない。またその接触圧力は事前に最適な数値に制御しがたく、ゆえにこの措置は燃料電池セットを電池ユニットモジュール化の形式で事前に製造、ストックすることができず、また可能な形式の製品試験を行なうこともできない。このため現在のプロトン交換膜燃料電池は広く有効に運用できない。
【００１０】
ゆえに従来の技術の欠点を解決し、並びに性能を高め、量産でき、低コストで製造できるモジュール化燃料電池構造の提供が業界が共同で解決を図るべき課題となっている。
【００１１】
これにより、本発明の主要な目的は、一種のモジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造を提供し、そのモジュール化及びユニット化により、全体電池の製造及び施工を簡易化できるようにし、並びに事前に電池ユニットの性能を試験できるようにし、全体の燃料電池の品質を大幅に高め、製造コストを大幅に下降させ、これにより量産化の要求を達成できるようにすることにある。
【００１２】
本発明のもう一つの目的は、一種のモジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造を提供し、燃料電池の陽極板及び陰極板間の周縁エリアに必要量のシリコン樹脂材料を配設し、該陽極板及び陰極板及びその間に挟まれた膜電極アセンブリの積層を位置決めできるようにし、並びに事前に必要な重合及び接触圧力を制御できるようにし、更にシリコン樹脂の硬化過程を行ない、全体の製造完成した電池ユニット或いはユニットモジュールの品質及び効率を向上できるようにすることにある。
【００１３】
本発明の更にもう一つの目的は、一種のモジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造を提供し、陽極板と陰極板間の周縁区域に配設されたシリコン樹脂により、陽極板及び陰極板のガスチャネルの導入したガス及び冷却液を漏出させないようにすることにある。
【００１４】
上述の目的を解決するための本発明の技術手段は、以下のとおりである。即ち、本発明は燃料電池の陽極板と陰極板の周縁エリアに環状凹部及び連通する延伸環状凹部を形成する。電池ユニットを組み立てる時、該陽極板と陰極板周縁エリアの対応する環状凹部と延伸環状凹部の間に、シリコン樹脂を塗布し、並びにシリコン樹脂が未硬化状態の粘ちょう状を呈する時に、該陽極板、膜電極アセンブリ及び陰極板をアライメントして重合させ、並びに所定の圧力で圧着し、該陽極板の環状凹部のシリコン樹脂と陰極板の環状凹部のシリコン樹脂を密着接合させ、これにより陽極板と陰極板の周縁エリアの間にシール環状面を形成し、また該陽極板と陰極板の周縁エリアの延伸環状凹部のシリコン樹脂も相互に対応させて膜電極アセンブリ中のプロトン交換膜を中間位置に圧着、位置決めし、これにより陽極板と陰極板間の各貫通孔周囲にも自然にシール環状面を形成させる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１の発明は、モジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造において、膜電極アセンブリ、陽極板、陰極板を具え、
該膜電極アセンブリは陽極側と陰極側を具え、該陽極側に陽極ガス拡散層が形成され、該陰極側に陰極ガス拡散層が形成され、プロトン交換膜が該陽極ガス拡散層と該陰極ガス拡散層の間に挟まれ、
該陽極板は、該膜電極アセンブリの陽極ガス拡散層の外側表面に位置し、該陽極板は第１表面、第２表面、中央エリア、周縁エリア、及び該周縁エリアに形成された複数の貫通孔を具え、その第１表面は該膜電極アセンブリの陽極ガス拡散層に対向し、且つ該第１表面の中央エリアに複数の陽極ガスチャネルが形成され、該第１表面の周縁エリアに環状凹部が開設され、且つ該環状凹部の該陽極板の各貫通孔の近隣の位置に連通する延伸環状凹部が形成され、
該陰極板は該膜電極アセンブリの陰極ガス拡散層の外側表面に位置し、該陰極板は第１表面、第２表面、中央エリア、周縁エリア、及び周縁エリアに形成された複数の貫通孔を具え、その第２表面は該膜電極アセンブリの陰極ガス拡散層に対向し、第２表面の中央エリアに複数の陰極ガスチャネルが形成され、第２表面の周縁エリアに環状凹部が開設され、且つ環状凹部の該陰極板の各貫通孔に近隣の位置に連通する延伸環状凹部が形成され、  電池ユニットを組み立てる時、該陽極板の第１表面及び陰極板の第２表面の周縁エリアの対応する環状凹部と延伸環状凹部の間にシリコン樹脂が塗布され、並びに該シリコン樹脂が未硬化で粘ちょう状を呈する時に、該陽極板、膜電極アセンブリと陰極板がアライメント並びに重合され、並びに所定圧力で圧着され、陽極板の環状凹部のシリコン樹脂と陰極板の環状凹部の対応するシリコン樹脂が密着し接合され、これにより陽極板と陰極板の周縁エリアにシール環状面が形成され、
これと同時に陽極板の第１表面及び陰極板の第２表面の周縁エリアの対応する延伸環状凹部のシリコン樹脂が相互に対応し膜電極アセンブリ中のプロトン交換膜に密着しその中間位置に圧着、位置決めし、該陽極板と陰極板間の各貫通孔の周縁もまたシール環状面を形成することを特徴とする、モジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造としている。
請求項２の発明は、請求項１記載のモジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造において、陰極板の第１表面に複数の冷却チャネルが形成されたことを特徴とする、モジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造としている。
請求項３の発明は、請求項１記載のモジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造において、陽極板の第２表面が平坦表面とされことを特徴とする、モジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造としている。
請求項４の発明は、プロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造において、複数の重合された燃料電池ユニットを具え、各燃料電池ユニットが膜電極アセンブリ、陽極板、陰極板を具え、
該膜電極アセンブリは陽極側と陰極側を具え、該陽極側に陽極ガス拡散層が形成され、該陰極側に陰極ガス拡散層が形成され、プロトン交換膜が該陽極ガス拡散層と該陰極ガス拡散層の間に挟まれ、
該陽極板は、該膜電極アセンブリの陽極ガス拡散層の外側表面に位置し、該陽極板は第１表面、第２表面、中央エリア、周縁エリア、及び該周縁エリアに形成された複数の貫通孔を具え、その第１表面は該膜電極アセンブリの陽極ガス拡散層に対向し、且つ該第１表面の中央エリアに複数の陽極ガスチャネルが形成され、該第１表面の周縁エリアに環状凹部が開設され、且つ該環状凹部の該陽極板の各貫通孔の近隣の位置に連通する延伸環状凹部が形成され、
該陰極板は該膜電極アセンブリの陰極ガス拡散層の外側表面に位置し、該陰極板は第１表面、第２表面、中央エリア、周縁エリア、及び周縁エリアに形成された複数の貫通孔を具え、その第２表面は該膜電極アセンブリの陰極ガス拡散層に対向し、第２表面の中央エリアに複数の陰極ガスチャネルが形成され、第２表面の周縁エリアに環状凹部が開設され、且つ環状凹部の該陰極板の各貫通孔に近隣の位置に連通する延伸環状凹部が形成され、  燃料電池を組み立てる時、該陽極板の第１表面及び陰極板の第２表面の周縁エリアの対応する環状凹部と延伸環状凹部の間にシリコン樹脂が塗布され、並びに該シリコン樹脂が未硬化で粘ちょう状を呈する時に、該陽極板、膜電極アセンブリと陰極板がアライメント並びに重合され、並びに所定圧力で圧着され、陽極板の環状凹部のシリコン樹脂と陰極板の環状凹部の対応するシリコン樹脂が密着し接合され、これにより陽極板と陰極板の周縁エリアにシール環状面が形成され、
これと同時に陽極板の第１表面及び陰極板の第２表面の周縁エリアの対応する延伸環状凹部のシリコン樹脂が相互に対応し膜電極アセンブリ中のプロトン交換膜に密着しその中間位置に圧着、位置決めし、該陽極板と陰極板間の各貫通孔の周縁もまたシール環状面を形成することを特徴とする、プロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造としている。
請求項５の発明は、請求項４記載のプロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造において、陰極板の第１表面の中央エリアに冷却チャネルが形成され、且つこの第１表面の周縁エリアに環状凹部と該陰極板の貫通孔を囲む延伸環状凹部が形成され、該環状凹部と該延伸環状凹部中に硬化したシリコン樹脂が形成されたことを特徴とする、プロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造としている。
請求項６の発明は、請求項４記載のプロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造において、陽極板の第２表面が平坦表面とされことを特徴とする、プロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造としている。
請求項７の発明は、プロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造において、第１膜電極アセンブリと第２膜電極アセンブリ、少なくとも一つの双極板、陽極板、及び陰極板を具え、
該第１膜電極アセンブリ及び該第２膜電極アセンブリがそれぞれ陽極側と陰極側を具え、該陽極側に陽極ガス拡散層が形成され、該陰極側に陰極ガス拡散層が形成され、プロトン交換膜が該陽極ガス拡散層と該陰極ガス拡散層の間に挟まれ、
該少なくとも一つの双極板は、膜電極アセンブリの間に取り付けられ、該双極板は第１表面、第２表面、中央エリア、周縁エリア、及び該周縁エリアに形成された複数の貫通孔を具え、その第１表面の中央エリアに複数の陰極ガスチャネル形成され、第２表面の中央エリアに複数の陽極ガスチャネルが形成され、
該陽極板は、該第２膜電極アセンブリの陽極ガス拡散層の外側表面に位置し、該陽極板は第１表面、第２表面、中央エリア、周縁エリア、及び該周縁エリアに形成された複数の貫通孔を具え、その第１表面は第２膜電極アセンブリの陽極ガス拡散層に対向し、且つ第１表面の中央エリアに複数の陽極ガスチャネルが形成され、第１表面の周縁エリアに環状凹部が開設され、該環状凹部の該陽極板の各貫通孔の近隣の位置に連通する延伸環状凹部が形成され、
該陰極板は、膜電極アセンブリの陰極ガス拡散層の外側表面に位置し、該陰極板は第１表面、第２表面、中央エリア、周縁エリア、及び該周縁エリアに形成された複数の貫通孔を具え、その第２表面は膜電極アセンブリの陰極ガス拡散層に対向し、且つ第２表面の中央エリアに複数の陰極ガスチャネルが形成され、第２表面の周縁エリアに環状凹部が開設され、該環状凹部の該陰極板の各貫通孔の近隣の位置に連通する延伸環状凹部が形成され、
燃料電池モジュールを組み立てる時、該陽極板及び双極板の第１表面及び陰極板及び双極板の第２表面の周縁エリアの環状凹部と延伸環状凹部と隣り合う双極板の周縁エリアの対応する環状凹部と延伸環状凹部の間に、先にシリコン樹脂が塗布され、並びに該シリコン樹脂が未硬化で粘ちょう状を呈する時に、該陽極板、双極板、膜電極アセンブリと陰極板がアライメント並びに重合され、並びに所定圧力で圧着され、陽極板の第１表面と双極板の第２表面の環状凹部の対応するシリコン樹脂が密着接合され、対応する延伸環状凹部のシリコン樹脂もまた相互に対応し第２膜電極アセンブリを中間位置に密着させ位置決めし、これにより陽極板と双極板の周縁エリアの間にシール環状面が形成され、また陽極板の第２表面及び双極板の周縁エリアの対応する延伸環状凹部のシリコン樹脂も相互に対応し、第１膜電極アセンブリ中のプロトン交換膜を中間位置に密着位置決めし、陰極板と双極板の間の各貫通孔周縁にもシール環状面を形成することを特徴とする、プロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造としている。
請求項８の発明は、請求項７記載のプロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造において、陰極板の第１表面の中央エリアが冷却チャネルとされたことを特徴とする、プロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造としている。
請求項９の発明は、請求項７記載のモジュール化プロトン交換膜燃料電池の密封構造において、陽極板の第２表面が平坦表面とされことを特徴とする、プロトン交換膜燃料電池モジュールの密封構造としている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の採用する技術手段により、プロトン交換膜燃料電池がモジュール化及びユニット化され、全体の電池の製造と施工が簡易化され、並びに事前に電池ユニットの性能を試験可能となり、全体の燃料電池の品質を大幅に向上させられ、全体の製造コストを大幅に下げて量産化の要求を達成できる。更に、燃料電池の陽極板と陰極板間の周縁エリアにシリコン樹脂材料が配設され、陽極板及び陰極板及びその間に挟まれた膜電極アセンブリが重合、位置決めされ、並びに事前に必要な重合及び接触圧力を制御でき、更にシリコン樹脂の硬化過程を行なうことで、全体の製造完成した電池ユニット或いはユニットモジュールの品質及び効率に不良品を発生させない。更に、配設したシリコン樹脂により陽極板と陰極板のガスチャネルの導入するガス及び冷却液の漏洩の心配がなくなり、燃料電池セットの機能性と安全性が増す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図３は本発明の第１実施例のプロトン交換膜燃料電池のモジュール化燃料電池ユニットの立体図、図４は図３中の各部品の分離時の立体分解図である。
【００１８】
図示されるモジュール化燃料電池ユニット１０は、陽極板１（Ａｎｏｄｅ  Ｐｌａｔｅ）と陰極板２（Ｃａｔｈｏｄｅ  Ｐｌａｔｅ）を具え、そのうち、陽極板１は第１表面１１、第２表面１２、中央エリア１３及び周縁エリア１４を具え、該第１表面１１の中央エリア１３に複数の陽極ガスチャネル１５が開設されて水素ガスの流通に供される。該陽極板１の周縁エリア１４には水素ガス進入貫通孔１６ａと水素ガス送出貫通孔１６ｂ、空気進入貫通孔１６ｃ、空気送出貫通孔１６ｄ、冷却液進入貫通孔１６ｅ、冷却液送出貫通孔１６ｆが開設されている。この実施例中の陽極板１の第２表面１２は平坦表面の構造とされる。
【００１９】
同様に、該陰極板２も第１表面２１、第２表面２２、中央エリア２３及び周縁エリア２４を具え、該第２表面２２の中央エリア２３に複数の陰極ガスチャネル２５が開設されて空気の流通に供される。該陰極板２の周縁エリア２４に水素ガス進入貫通孔２６ａと水素ガス送出貫通孔２６ｂ、空気進入貫通孔２６ｃ、空気送出貫通孔２６ｄ、冷却液進入貫通孔２６ｅ、冷却液送出貫通孔２６ｆが開設されている。
【００２０】
陽極板１と陰極板２が上下に相互にアライメントされ重合された後、その周縁エリア１４、２４は対応する水素ガス貫通孔、空気貫通孔、冷却液貫通孔を形成し、それぞれ水素ガス、空気、冷却液の進出管路とされる。
【００２１】
膜電極アセンブリ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ；ＭＥＡ）３は該陽極板１と陰極板２の間に挟まれる。該膜電極アセンブリ３は陽極板１と陰極板２の対応する中央エリア１３、２３の間に順に重合されたプロトン交換膜３１（ＰＥＭ）、陽極ガス拡散層３２（Ａｎｏｄｅ  Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ）、陰極ガス拡散層３３（Ｃａｔｈｏｄｅ  Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ）を具えている。そのうち、陽極ガス拡散層３２とプロトン交換膜３１の間を一層の陽極触媒層（図示せず）が被覆し、該プロトン交換膜３１と該陰極ガス拡散層３３の間を陰極触媒層（図示せず）が被覆し、それぞれ陽極板１の陽極ガスチャネル１５及び陰極板２の陰極ガスチャネル２５より導入された水素ガス及び酸素ガスに適切に陽極と陰極の水の電気分解の逆反応を行なわせる。
【００２２】
本発明の陽極板１の第１表面１１の周縁エリア１４には環状凹部１７が開設され、且つ該環状凹部１７の、該陽極板１の各貫通孔（即ち水素ガス進入貫通孔１６ａと水素ガス送出貫通孔１６ｂ、空気進入貫通孔１６ｃ、空気送出貫通孔１６ｄ、冷却液進入貫通孔１６ｅ、冷却液送出貫通孔１６ｆ）の近隣の位置に、連通する延伸環状凹部１７ａが形成されている。
【００２３】
同様に、本発明の陰極板２の第２表面２２（即ち陽極板１の方向に向いた表面）の周縁エリア２４に環状凹部２７が開設され、且つ環状凹部２７の該陰極板２の各貫通孔（即ち水素ガス進入貫通孔２６ａと水素ガス送出貫通孔２６ｂ、空気進入貫通孔２６ｃ、空気送出貫通孔２６ｄ、冷却液進入貫通孔２６ｅ、冷却液送出貫通孔２６ｆ）の近隣の位置に、連通する延伸環状凹部２７ａが形成されている。
【００２４】
本実施例にあって、該陰極板２の第１表面２１の中央エリア２３には複数の冷却チャネル２８が設けられ、冷却液の流通に供される。該陰極板２の第１表面２１の周縁エリア２４には環状凹部２９が開設され、且つ該環状凹部２９の該陰極板２の各貫通孔（即ち水素ガス進入貫通孔２６ａと水素ガス送出貫通孔２６ｂ、空気進入貫通孔２６ｃ、空気送出貫通孔２６ｄ、冷却液進入貫通孔２６ｅ、冷却液送出貫通孔２６ｆ）の近隣の位置に、連通する延伸環状凹部２９ａが形成されている。
【００２５】
該モジュール化燃料電池ユニット１０を組み立てる時は、まず該陰極板２の第１表面２１の周縁エリア２４の環状凹部２９と延伸環状凹部２９ａにシリコン樹脂４、４ａを塗布し、並びにシリコン樹脂４、４ａを硬化させる（図６参照）。
【００２６】
その後、陽極板１の第１表面１１の周縁エリア１４に開設された環状凹部１７と延伸環状凹部１７ａにそれぞれシリコン樹脂５、５ａを塗布し、並びに陰極板２の第２表面２２の周縁エリア２４に開設された環状凹部２７と延伸環状凹部２７ａにそれぞれシリコン樹脂６、６ａを塗布し（図７）、並びに該シリコン樹脂５、５ａ、６、６ａが未硬化で粘ちょう状態の時に、該陽極板１、膜電極アセンブリ３と陰極板２をアライメントし重合させ、並びに所定の圧力で圧着し（図８）、該陽極板１の第１表面１１の環状凹部１７のシリコン樹脂５と陰極板２の第２表面２２の環状凹部２７のシリコン樹脂６を対応させ密着接合させ、これにより陽極板１と陰極板２の周縁エリア１４、２４の間にシール環状面を形成する。
【００２７】
同時に、該陽極板１の第１表面１１の延伸環状凹部１７ａのシリコン樹脂５ａと陰極板２の第２表面２２の延伸環状凹部２７ａのシリコン樹脂６ａも相互に対応して膜電極アセンブリ３中のプロトン交換膜３１に密着圧接してプロトン交換膜３１を両者の中間位置に位置決めし、該陽極板１と陰極板２の間の各貫通孔周縁にもそれぞれシール環状面を形成させ、シリコン樹脂乾燥硬化後に、全体のモジュール化燃料電池ユニット１０を得る。
【００２８】
本発明の上述の技術により完成したモジュール化燃料電池ユニット１０は該モジュール化燃料電池ユニット１０の周縁に密封構造が形成されているほか、各隣り合う陽極板、陰極板、膜電極アセンブリの間が強固に結合、位置決めされている。各陽極板と陰極板の各貫通孔の周縁も相互に隔離する構造形態を形成し、有効に水素ガス、酸素ガス、冷却液の密封効果を達成する。
【００２９】
前述の実施例中、シリコン樹脂がモジュール化燃料電池ユニット１０の密封材料とされている。シリコン樹脂材料として、耐電気腐蝕グレード（Ｎｏｎ−Ｃｏｒｒｏｓｉｖｅ
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｇｒａｄｅ）の加湿硬化（Ｍｏｉｓｔｕｒｅ  Ｃｕｒｅｄ）材料或いは加熱硬化（Ｈｅａｔ  Ｃｕｒｅｄ）材料が最も好ましい選択である。当然その他の類似特性を有する材料を密封材料とすることもできる。
【００３０】
実験及び使用経験によると、一般にプロトン交換膜燃料電池ユニットにおいてシリコン樹脂に熱硬化材料を採用して製造すると、その熱硬化温度は実質上、摂氏１００度から１４０度の間で、燃料電池の作業温度（摂氏１００度より低い）より高くなり、最も安定した効果後の効果を得られる。このほか、シリコン樹脂１９に粘性が１５０，０００センチポイズ（Ｃｅｎｔｉ−ｐｏｉｓｅ）より大きいものを採用すると、最良の粘着と位置決め効果を得られる。シリコン樹脂に誘電強度（Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｓｔｒｅｎｇｈｔ）が１５−２０Ｖ／ｍｉｌの間のものを選択すれば十分に有効に一般の耐電性能を発揮できる。ただし上述のデータ範囲は僅かにこの技術に習熟する者が好ましい実施例の材料選択を理解できるように提示したものであり、この範囲以外の材料のパラメータでは予期された機能を発揮できないことを代表するものではない。
【００３１】
実際の製品化応用時には複数の同じモジュール化燃料電池ユニットが重合されて燃料電池モジュールを構成することで必要な出力パワーを得ることができる。
【００３２】
図９は本発明の第２実施例を示し、二つの図８に示されるモジュール化燃料電池ユニットが上下に重合されて燃料電池モジュールを形成する側面図である。その具体的な方法は以下のとおりである。本発明の技術により形成された同じ構造の二つのモジュール化燃料電池ユニット１０、１０ａが上下に重合され、第２のモジュール化燃料電池ユニット１０ａの底面の陽極板１が第１のモジュール化燃料電池ユニット１０の陰極板２の上面に置かれる（図１０）。この時、第２のモジュール化燃料電池ユニット１０ａの陽極板の第２表面（即ち底面）の平坦表面は第１のモジュール化燃料電池ユニット１０の陰極板２の第１表面２１の各冷却チャネル２８と冷却液が流通するチャネル構造を形成し、並びに該モジュール化燃料電池ユニット１０の陰極板２の第１表面２１のシリコン樹脂４、４ａが緊密に第２のモジュール化燃料電池ユニット１０ａの陽極板の底面に圧着され、こうして水密効果を有する冷却チャネル２８が形成される。
【００３３】
図１１は本発明の第３実施例の各関係部品分離時の側面断面図である。本実施例中の燃料電池モジュールは複数の膜電極アセンブリ（二つを例としている）、複数の双極板（一つを例としている）、一つの陽極板、一つの陰極板を具えている。対比のため、以下の説明では、図５から図８中のものと同じ部品には同じ参照番号を使用する。
【００３４】
本実施例中の燃料電池モジュール１０ｂの内部には陽極板１、双極板７、第１膜電極アセンブリ３ａがある。該陽極板１は第１表面１１、第２表面１２、中央エリア１３、周縁エリア１４、陽極ガスチャネル１５、環状凹部１７、延伸環状凹部１７ａ、及び各貫通孔を具えている。該双極板７は、第１表面７１、第２表面７２、中央エリア７３、周縁エリア７４、陰極ガスチャネル７５、環状凹部７７、延伸環状凹部７７ａ、環状凹部７９、延伸環状凹部７９ａ、及び各貫通孔を具えている。更に、該双極板７の第１表面７１の中央エリア７３に複数の陽極ガスチャネル７８が形成されて陽極ガスの流通に供される。第１膜電極アセンブリ３ａはプロトン交換膜３１ａ、陽極ガス拡散層３２ａ、陰極ガス拡散層３３ａを具えている。
【００３５】
該双極板７の第１表面７１の上面に第２膜電極アセンブリ３ｂが重合され、それはプロトン交換膜３１ｂ、陽極ガス拡散層３２ｂ、陰極ガス拡散層３３ｂを具え、そのうち、該陽極ガス拡散層３２ｂは双極板７の第１表面７１の中央エリア７３に位置する。第２膜電極アセンブリ３ｂの陰極ガス拡散層３３ｂの上面に更に第２双極板８が重合されている。
【００３６】
第２双極板８の構造は、第１表面８１、第２表面８２、中央エリア８３、周縁エリア８４、陰極ガスチャネル８５、環状凹部８７、延伸環状凹部８７ａ、及び各貫通孔を具えている。更に、該第２双極板８の第１表面８１の中央エリア８３に複数の冷却チャネル８８が形成されて冷却液の流通に供される。
【００３７】
該燃料電池モジュール１０ｂを組み立てる時は、まず第２双極板８の第１表面８１の周縁エリア８４の環状凹部８９と延伸環状凹部８９ａにシリコン樹脂９１、９１ａを塗布し、並びに該シリコン樹脂９１、９１ａを硬化させる（図１２）。
【００３８】
その後、該陽極板１の環状凹部７１と延伸環状凹部７１ａにそれぞれシリコン樹脂９２、９２ａを塗布し、双極板７の環状凹部７７と延伸環状凹部７７ａにそれぞれシリコン樹脂９３、９３ａを塗布し、双極板７の環状凹部７９と延伸環状凹部７９ａにそれぞれシリコン樹脂９４、９４ａを塗布し、第２双極板８の環状凹部８７と延伸環状凹部８７ａにそれぞれシリコン樹脂９５、９５ａを塗布し（図１３）、並びにそれぞれ塗布されたシリコン樹脂９２、９２ａ、９３、９３ａ、９４、９４ａ、９５、９５ａが未硬化の粘ちょう状態の時に、該陽極板１、第１膜電極アセンブリ３ａ、双極板７、第２膜電極アセンブリ３ｂ、第２双極板８をアライメントし重合させ、並びに所定圧力で圧着し（図１４）、対応するシリコン樹脂９２、９３、９４、９５を密着接合させ、こうして陽極板１、双極板７、第２双極板８の周縁エリアにシール環状面を形成させる。また、各対応するシリコン樹脂９２ａ、９３ａ、９４ａ、９５ａも第１膜電極アセンブリ３ａ中のプロトン交換膜３１ａと第２膜電極アセンブリ３ｂのプロトン交換膜３１ｂにそれぞれ密着するよう圧接して位置決めし、これにより陽極板１、双極板７、第２双極板８間の各貫通孔周縁にもシール環状面を形成し、こうして全体の燃料電池モジュール１０ｂを形成する。
【００３９】
図１５は本発明の第２実施例中、二つの図１４に示される燃料電池モジュール１０ｂを上下に重合して形成した燃料電池セットの側面図である。その具体的な方法は以下のとおりである。本発明の技術で製造した同じ構造の二つの燃料電池モジュール１０ｂ、１０ｃを上下に重合し、第２の燃料電池モジュール１０ｃの底面の陽極板を第１の燃料電池モジュール１０ｂの陰極板の上面に重合する（図１６）。この時、第２の燃料電池モジュール１０ｃの陽極板の第２表面（即ち底面）の平坦表面が第１の燃料電池モジュール１０ｂの第２双極板８の上面の各冷却チャネル８８と冷却液が流通するチャネル構造を形成し、並びに第１の燃料電池モジュール１０ｂの第２双極板８の上面のシリコン樹脂９１、９１ａが緊密に第２のモジュール化燃料電池ユニット１０ｃの陽極板の底面に圧着され、並びに燃料電池モジュール１０ｂ、１０ｃに対して所定の圧力が印加されて、水密効果を有する冷却チャネルが形成される。
【００４０】
以上の実施例から分かるように、本発明は確実に高度の産業上の利用価値を有する。ただし、以上の実施例の説明は本発明の範囲を限定するものではなく、上述の実施例に基づきなしうる細部の修飾或いは改変は、いずれも本発明の請求範囲に属するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】周知のプロトン交換膜燃料電池ユニット組合せ構造の断面図である。
【図２】周知の燃料電池セットの組合せ立体図である。
【図３】本発明の第１実施例のプロトン交換膜燃料電池のモジュール化燃料電池ユニットの立体図である。
【図４】図３中の各部品の分離時の立体分解図である。
【図５】本発明の第１実施例の組立側面表示図である。
【図６】本発明の第１実施例の組立側面表示図である。
【図７】本発明の第１実施例の組立側面表示図である。
【図８】本発明の第１実施例の組立側面表示図である。
【図９】本発明の第２実施例中、図８中のモジュール化燃料電池ユニットを上下に重合して形成する燃料電池モジュールの側面図である。
【図１０】本発明の第２実施例中、図８中のモジュール化燃料電池ユニットを上下に重合して形成する燃料電池モジュールの側面図である。
【図１１】本発明の第３実施例の組立側面図である。
【図１２】本発明の第３実施例の組立側面図である。
【図１３】本発明の第３実施例の組立側面図である。
【図１４】本発明の第３実施例の組立側面図である。
【図１５】本発明の第４実施例中、二つの図１４中のモジュール化燃料電池ユニットを上下に重合して形成した燃料電池セットの表示図である。
【図１６】本発明の第４実施例中、二つの図１４中のモジュール化燃料電池ユニットを上下に重合して形成した燃料電池セットの表示図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０、１０ａ  燃料電池ユニット
１０ｂ、１０ｃ  燃料電池モジュール
１  陽極板
１１  第１表面
１２  第２表面
１３  中央エリア
１４  周縁エリア
１５  陽極ガスチャネル
１６ａ  水素ガス進入貫通孔
１６ｂ  水素ガス送出貫通孔
１６ｃ  空気進入貫通孔
１６ｄ  空気送出貫通孔
１６ｅ  冷却液進入貫通孔
１６ｆ  冷却液送出貫通孔
１７  環状凹部
１７ａ  延伸環状凹部
２  陰極板
２１  第１表面
２２  第２表面
２３  中央エリア
２４  周縁エリア
２５  陰極ガスチャネル
２６ａ  水素ガス進入貫通孔
２６ｂ  水素ガス送出貫通孔
２６ｃ  空気進入貫通孔
２６ｄ  空気送出貫通孔
２６ｅ  冷却液進入貫通孔
２６ｆ  冷却液送出貫通孔
２７  環状凹部
２７ａ  延伸環状凹部
２８  冷却チャネル
２９  環状凹部
２９ａ  延伸環状凹部
３、３ａ、３ｂ  膜電極アセンブリ
３１、３１ａ、３１ｂ  プロトン交換膜
３２、３２ａ、３２ｂ  陽極ガス拡散層
３３、３３ａ、３３ｂ  陰極ガス拡散層
４、４ａ  シリコン樹脂
５、５ａ  シリコン樹脂
６、６ａ  シリコン樹脂
７  双極板
７１  第１表面
７２  第２表面
７３  中央エリア
７４  周縁エリア
７５  陰極ガスチャネル
７７  環状凹部
７７ａ  延伸環状凹部
７８  陽極ガスチャネル
７９  環状凹部
７９ａ  延伸環状凹部
８  第２双極板
８１  第１表面
８２  第２表面
８３  中央エリア
８４  周縁エリア
８５  陰極ガスチャネル
８７  環状凹部
８７ａ  延伸環状凹部
８８  冷却チャネル
８９  環状凹部
８９ａ  延伸環状凹部
９１、９１ａ  シリコン樹脂
９２、９２ａ  シリコン樹脂
９３、９３ａ  シリコン樹脂
９４、９４ａ  シリコン樹脂
９５、９５ａ  シリコン樹脂
１００  燃料電池セット
１０１  陽極板
１０１ａ  陽極ガスチャネル
１０２  陰極板
１０２ａ  陰極ガスチャネル
１０３  プロトン交換膜
１０４  陽極ガス拡散層
１０５  陰極ガス拡散層
１０６、１０７  パッキング
１０８ａ  上端板
１０８ｂ  下端板
１０９ａ、１０９ｂ  金属導電端子
１１０  タイロッド
【図１】
2005174908.tif 000003
【図２】
2005174908.tif 000004
【図３】
2005174908.tif 000005
【図４】
2005174908.tif 000006
【図５】
2005174908.tif 000007
【図６】
2005174908.tif 000008
【図７】
2005174908.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2005174908.tif 000012
【図１１】
2005174908.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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