CN101647140A - 燃料电池及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种燃料电池及其制造方法，该燃料电池具备在电解质膜(15a)的两面接合有作为一对电极的催化剂层(15b)的膜－电极接合体(15)、和配置在该膜－电极接合体(15)的两面的扩散层(16)，使这些膜－电极接合体(15)和扩散层(16)之间至少一部分不接合地层叠膜－电极接合体(15)和扩散层(16)。由此，容许催化剂层(15b)和扩散层(16)之间的滑动和分离。
Description
技术领域
本发明涉及在膜-电极接合体的两面具有扩散层的燃料电池及其制造方法。
背景技术
在燃料电池中存在如下燃料电池，即具备在电解质膜的两侧接合有作为一对电极的催化剂层的膜-电极接合体、和配置在该膜-电极接合体的两侧的扩散层。另外，在这样的燃料电池的制造方法中，存在如下技术：涂敷各溶液在未干燥的状态下对扩散层、催化剂层、电解质膜、催化剂层以及扩散层进行层叠，其后，使其干燥而使其一体化(例如参照特开2004-14202号公报)。
发明内容
但是，在上述技术中，通过所谓的热压来使膜-电极接合体与扩散层接合，并使其相互粘着，因此，例如由于发电时的水的生成或发热而在膜-电极接合体的电解质膜与扩散层之间产生含水膨胀量或热膨胀量的不同时，会对介于这些电解质膜和扩散层之间的催化剂层施加应力(stress)，有可能产生破损。
在此，本发明的目的在于提供一种能够减轻作用于催化剂层的应力的燃料电池及其制造方法。
为了达成上述目的，本发明的燃料电池具备在电解质膜的两面接合有作为一对电极的催化剂层的膜-电极接合体、和配置在该膜-电极接合体的两面的扩散层，在上述膜-电极接合体与上述扩散层的接触面中的沿面方向的面的至少一部分上具有非接合部。
根据上述结构，能够在非接合部中容许催化剂层与扩散层之间的滑动和分离。因此，即使例如因伴随发电的水的生成或发热而在膜-电极接合体的电解质膜与扩散层之间产生含水膨胀量或热膨胀量的不同，也能够减轻作用在介于电解质膜和扩散层之间的催化剂层的应力。
在该情况下，也可以在上述膜-电极接合体与上述扩散层的接触面的一部分上具有接合部，其余部分为上述非接合部。
根据上述结构，不是使膜-电极接合体和扩散层的整个接触面为非接合，而是接合接触面的一部分，因此，能够实现膜-电极接合体和扩散层的模块化，可以提高处理性。
另外，上述扩散层可以是在层叠前预先对其与上述膜-电极接合体的接触面进行了平滑化处理(例如夹压成形)的层。
根据上述结构，可以抑制由于扩散层的凹凸或绒毛状立起等导致的、对在两面层叠有该扩散层的膜-电极接合体的损伤(攻击性)。
另外，本发明的燃料电池的制造方法是具备在电解质膜的两面接合有作为一对电极的催化剂层的膜-电极接合体、和配置在该膜-电极接合体的两面的扩散层的燃料电池的制造方法，该燃料电池的制造方法包括层叠工序，该工序使上述膜-电极接合体和上述扩散层的接触面中的沿面方向的面的至少一部分不接合地使它们层叠。
根据上述结构，能够制造在非接合部中容许催化剂层和扩散层之间的滑动和分离的燃料电池。
在上述层叠工序中，也可以在上述膜-极接合体和上述扩散层的接触面的一部分上预先涂敷粘结剂。
根据上述结构，能够实现膜-电极接合体和扩散层的模块化，并可以提高燃料电池的制造过程中的处理性。
可以包括对上述扩散层的表面中的与上述膜-电极接合体的接触面预先进行平滑化处理的工序，在上述层叠工序中，将上述被平滑化处理后的扩散层层叠在上述膜-电极接合体的两面。
根据上述结构，能够制造抑制了由扩散层对膜-电极接合体所产生的损伤(攻击性)的燃料电池。
根据本发明，能够减轻作用于催化剂层的应力，可以提高催化剂层的耐久性，进而提高燃料电池的耐久性。
附图说明
图1是表示本发明燃料电池的第一实施方式的侧视图。
图2是表示构成图1的燃料电池的电池单元(cell)的侧面剖视图。
图3是表示构成图1的燃料电池的MEA的侧视图。
图4是表示构成图1的燃料电池的MEA和扩散层的侧视图。
图5是表示构成本发明燃料电池的第二实施方式的MEA和扩散层的分解图。
图6是表示图5的MEA和扩散层的侧视图。
具体实施方式
以下，参照图1～图4对本发明燃料电池的第一实施方式进行说明。第一实施方式的燃料电池1是固体高分子型的燃料电池，如图1所示，具有层叠有多个作为基本单位的电池单元(cell)2的堆积主体3、和支撑堆积主体3的框架5。在沿电池单元2的层叠方向的堆积主体3的一端配置有终端板7，在其外侧配置有绝缘板8。在其更外侧配置有构成框架5的端板9a。
另外，在堆积主体3的另一端配置有终端板7，在其外侧配置有绝缘板8，在其更外侧配置有压板13。
在各终端板7设置有输出端子6。在压板13的外侧，将构成框架5的端板9b配置成从压板13分离，在压板13与端板9b之间夹装有弹力部件14。
在配置于堆积主体3的两侧的两块端板9a、9b之间，沿电池单元2的层叠方向架设有多个张力板(tension plate)11。各张力板11其两方端部由螺栓12分别固定于各端板9a、9b，并与两块端板9a、9b一起构成框架5。
在经由多个张力板11连结两块端板9a、9b时，将压缩力导入弹力部件14，使弹力部件14在电池单元2的层叠方向上对堆积主体3作用靠紧力。由该靠紧力缔结多个电池单元2。相对于弹力部件14的靠紧力的反作用力由张力板11承担，由此在张力板11上作用张力。
如图2所示，电池单元2具有：用作为一对电极的催化剂层15b夹着由固体高分子材料的离子交换膜形成的电解质膜15a的MEA(Membrane-Electrode Assembly：膜-电极接合体)15、夹着MEA15的一对扩散层16、和进一步夹着MEA15和一对扩散层16的一对隔板(separator)17。
电解质膜15a是由具有含水性的碳化氟类或碳化氢类等的高分子材料形成的质子传导性的离子交换膜，具体来说，由氟磺酸类的树脂(Nafion膜)形成。催化剂层15b被做成比电解质膜15a小一圈的大小，具有促进电化学反应的例如白金或白金合金等的催化剂。
扩散层16由具有透气性和电子传导性的部件构成，例如，由以碳纤维为主要成分的碳纸(carbon paper)形成。隔板17的基材为例如碳制，并做成通过在其上含浸预定量的预定的树脂而变成的不透气的碳基复合隔板，而且具有导电性。
虽然图示省略，但在各隔板17形成有：用于经由扩散层16向各催化剂层15b供给氧化气体(通常为空气)的氧化气体流路、用于供给氢气的氢气流路、和用于使冷媒(通常为水)流通的冷媒流路等。
供给到各电池单元2的氧化气体流入在一方的隔板17和与其邻接的扩散层16之间规定的氧化气体流路，经由该扩散层16与邻接于该扩散层16的一方的作为电极的催化剂层15b接触，供给到各电池单元2的氢气流入在另一方的隔板17和与其邻接的扩散层16之间规定的氢气流路，并经由该扩散层16与邻接于该扩散层16的另一方的作为电极的催化剂层15b接触。分别与双方的催化剂层15b接触的氧化气体和氢气在电解质膜15a中引起电化学反应，产生电动势、热和水。
能够从设置在终端板7上的输出端子6取出在各电池单元2中产生的电动势。由通过冷媒流路供给到各电池单元2的冷媒，回收在各电池单元2中产生的热。因氧化气体和氢气发生反应而生成的水，通过氧化气体流路与剩余的氧化气体一起被排出到系统外。
在第一实施方式中，按如下方式制造电池单元2。首先，如图3所示，在电解质膜15a上形成催化剂层15b来制作MEA15。例如，制作载有作为催化剂的白金或白金合金的碳粉，使载有该催化剂的碳粉分散到适当的有机溶剂中，适当添加Nafion溶液(例如Aldrich Chemical公司制Nafion溶液)，由此制作糊膏(paste)，用丝网印刷等方法将该糊膏涂敷在电解质膜15a上，从而形成催化剂层15b。
或者，对含有载有上述催化剂的碳粉的糊膏进行膜成形来制作薄片，将该薄片压附在电解质膜15a上，由此形成催化剂层15b。总之是将催化剂层15b粘着在电解质膜15a上。
接着，如图4所示，在MEA15的两侧配置一对扩散层16。此时，使MEA15和一对扩散层16之间完全不接合地层叠MEA15和一对扩散层16。即，MEA15和一对扩散层16彼此完全没有粘着地仅是被层叠。其后，如图2所示，再用一对隔板17夹着两侧的扩散层16来制作电池单元2。
根据以上所述的第一实施方式，MEA15和一对扩散层16的整个接触面完全没有粘着(接合)，整个接触面被做成非接合部100，因此在该非接合部100中，容许这些MEA15和扩散层16之间的滑动和分离。由此，即使由于例如伴随发电的水的生成或发热而在MEA15的电解质膜15a和扩散层16产生含水膨胀量或热膨胀量的不同等，也可以减轻作用在催化剂层15b上的应力。
即，电解质膜15a不仅由于含有伴随发电生成的水而急剧膨胀，而且还由于伴随发电产生的热而产生急剧升温，从而导致热膨胀。另一方面，扩散层16没有含水膨胀，也几乎没有热膨胀，因此在双方产生膨胀量的不匹配。
在此，MEA15的电解质膜15a和催化剂层15b被接合而粘着，因此，当催化剂层15b和扩散层16被接合而粘着时，会需要由这些作为中间层的催化剂层15b吸收上述膨胀量的不匹配，但在低温起动时(特别是在冰点下起动时)，由于材料的硬化、冰冻而失去柔软性，因此，在作为最弱部位的催化剂层15b上作用过大应力而有可能导致破损。这样的倾向特别是在冰点下的反复起动的情况下变得明显。
对此，在第一实施方式的燃料电池1中，使MEA15与一对扩散层16之间不接合而仅是层叠，因此，在其非接合部100容许MEA15的催化剂层15b和扩散层16之间的面方向的滑动。因此，能够抑制在催化剂层15b产生的破损，能够提高作为燃料电池1的耐久性。
另外，由于向冰点下的冷却过程和冰点下起动时产生的生成水的冻结，有时会在电池单元2内在面垂直方向上霜柱状地形成冰，在这种情况下也是，当催化剂层15b和扩散层16接合粘着时，冰的上推力集中于作为最弱部件的催化剂层15b，仍然有可能产生破损，在第一实施方式中，使MEA15与扩散层16之间不接合而仅是层叠，因此，在其非接合部100容许MEA15的催化剂层15b和扩散层16之间的面垂直方向的分离，所以能够在该非接合部100形成容许上述霜柱状的冻结的空间。
因此，从该点出发也可抑制在催化剂层15b产生破损，可以提高作为燃料电池1的耐久性。需说明的是，在这种情况下，虽然由于MEA15的催化剂层15b与扩散层16之间的面垂直方向的分离而可能暂时产生导通不良，从而导致性能降低，但在突破冰点后会再次接触，因此能够得到与通常一样的发电特性。
而且，由于不对MEA15和扩散层16进行热压，因此，也可以减轻对MEA15的电解质膜15a的热损伤和机械损伤，谋求进一步提高耐久性。
接着，主要参照图5和图6以与第一实施方式的不同的部分为中心对本发明的燃料电池的第二实施方式进行说明。
在第一实施方式中，使MEA15和扩散层16之间整个面上都不接合而仅是层叠，但在第二实施方式中，使它们的接触面的一部分接合来做成粘着状态的接合部110(参照图6)，对于其余部分则做成不接合而仅层叠的非接合部100。
即，在MEA15中，如上述那样在电解质膜15a的两面粘着构成比其小一圈的催化剂层15b，但如图5和图6所示，将各扩散层16形成为比催化剂层15b大一圈，在各扩散层16的、与电解质膜15a相比于催化剂层15b突出到外侧的部分相对的面上，分别在数个部位、具体来说是各角部的内侧的4个部位点状涂敷粘结剂20。
由此，在MEA15的两面层叠扩散层16时，扩散层16通过粘结剂20与电解质膜15a接合，仅粘结剂20的部分成为粘着状态的接合部110。在此，作为使用的粘结剂20，使用可与构成催化剂层15b的材料同化的粘结剂，具体来说，点状涂敷上述催化剂层15b的制作时也使用的Nafion溶液。
需说明的是，粘结剂20的涂敷量和涂敷面积等涂敷条件能够以如下方式进行适当设定，即：在冷却粘着之后，能够容许MEA15的催化剂层15b和扩散层16之间的滑动和分离，能抑制催化剂层15b的破损，并且使MEA15和扩散层16之间的接合部110具有如下程度的较轻的粘接力，即该程度的粘接力为在电池单元2的组装或分解作业时、可以以层叠状态一体处理MEA15和扩散层16的程度的粘接力。
根据以上所述的第二实施方式，用粘结剂20对MEA15和扩散层16进行一部分粘结，换句话说，通过夹着接合部110使MEA15和扩散层16模块化，因此，可以一体地对这些MEA15和扩散层16进行处理，可以提高组装作业、分解作业时的处理性。
另外，因为将与构成催化剂层15b的材料相同的Nafion溶液用作粘结剂20，所以可以抑制对电池单元2的性能产生的影响。当然，只要是可以抑制对电池单元2的性能的影响的粘结剂，也可以采用Nafion溶液以外的其他的粘结剂。
接着，以与第一实施方式不同的部分为中心对本发明的燃料电池的第三实施方式进行说明。
在第三实施方式中，与第一实施方式同样地，使MEA15和扩散层16之间整个面上不接合而仅对它们进行层叠，但是，在第三实施方式中，在层叠前，预先热压(平滑化处理)扩散层16。
即，扩散层16由以碳纤维为主要成分的碳纸形成，因此，在扩散层16的表面产生凹凸、或碳纤维从扩散层16的表面成绒毛状立起，若这样地进行层叠，则碳纤维会突刺入MEA15，对MEA15造成损伤，或会对MEA15产生锚效果，因此，为了抑制该不良情况，以通过压力机从两面呈面状地进行夹压的方式预先对扩散层16进行热压。
由此，可以平滑化扩散层16的表面中与MEA15的接触面。这样，在本实施方式中，将预先热压后的扩散层16层叠在MEA15上形成电池单元2。当然，与第一实施方式同样地，没有通过热压使扩散层16和MEA15接合。但是，也可以与第二实施方式同样地，使扩散层16和MEA15之间一部分粘着。
根据以上所述的第三实施方式，通过预先热压扩散层16来使其平滑化，因此，可以抑制由扩散层16的表面凹凸或绒毛状立起对MEA15所造成的损伤(攻击性)。
而且，可以抑制由扩散层16的表面的绒毛状立起突刺入MEA15所产生的锚效果，因此，可以良好地容许MEA15的催化剂层15b和扩散层16之间的滑动和分离。
需说明的是，平滑化处理只要是可以抑制扩散层16的凹凸和绒毛状立起，并不限定于面状的热压，也可以是冷压。而且，不限于面状的按压，也可以是夹在辊之间、使辊转动的辊压等。
Claims (8)
1.一种燃料电池，具备在电解质膜的两面接合有作为一对电极的催化剂层的膜-电极接合体、和配置在该膜-电极接合体的两面的扩散层，
在上述膜-电极接合体与上述扩散层的接触面中的沿面方向的面的至少一部分上具有非接合部。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，
在上述膜-电极接合体与上述扩散层的接触面的一部分上具有接合部，其余部分为上述非接合部。
3.根据权利要求1所述的燃料电池，其中，
上述扩散层是在层叠前预先对其与上述膜-电极接合体的接触面进行了平滑化处理的层。
4.根据权利要求2所述的燃料电池，其中，
上述扩散层是在层叠前预先对其与上述膜-电极接合体的接触面进行了平滑化处理的层。
5.一种燃料电池的制造方法，该燃料电池具备在电解质膜的两面接合有作为一对电极的催化剂层的膜-电极接合体、和配置在该膜-电极接合体的两面的扩散层，
该燃料电池的制造方法包括层叠工序，该工序使上述膜-电极接合体和上述扩散层的接触面中的沿面方向的面的至少一部分不接合地使它们层叠。
6.根据权利要求5所述的燃料电池的制造方法，其中，
在上述层叠工序中，在上述膜-极接合体和上述扩散层的接触面的一部分上预先涂敷粘结剂。
7.根据权利要求5所述的燃料电池的制造方法，其中，
包括对上述扩散层的表面中的与上述膜-电极接合体的接触面预先进行平滑化处理的工序，
在上述层叠工序中，将上述被平滑化处理后的扩散层层叠在上述膜-电极接合体的两面。
8.根据权利要求6所述的燃料电池的制造方法，其中，
包括对上述扩散层的表面中的与上述膜-电极接合体的接触面预先进行平滑化处理的工序，
在上述层叠工序中，将上述被平滑化处理后的扩散层层叠在上述膜-电极接合体的两面。
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