CN103531830A - 带有燃料电池用树脂框的电解质膜-电极结构体 - Google Patents

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CN103531830A CN201310238007.2A CN201310238007A CN103531830A CN 103531830 A CN103531830 A CN 103531830A CN 201310238007 A CN201310238007 A CN 201310238007A CN 103531830 A CN103531830 A CN 103531830A
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Abstract

本发明提供带有燃料电池用树脂框的电解质膜-电极结构体，其能以简单且经济的结构容易且正确地组装阶梯件MEA和树脂制框构件。带有燃料电池用树脂框的电解质膜-电极结构体(10)包括具有夹持固体高分子电解质膜(18)的阴极电极(20)及阳极电极(22)的电解质膜-电极结构体(10a)和环绕所述电解质膜-电极结构体(10a)地进行接合的树脂制框构件(24)。阳极电极(22)的第二气体扩散层(22b)的外周端面(22be)和内周突部(24a)的内侧端面(24ae)之间的第一间隔的尺寸与阴极电极(20)的第一气体扩散层(20b)的外周端面(20be)和内侧壁面(24b)之间的第二间隔的尺寸不同。

Description

带有燃料电池用树脂框的电解质膜-电极结构体
技术领域
本发明涉及包括阶梯件MEA和树脂制框构件的带有燃料电池用树脂框的电解质膜-电极结构体。
背景技术
一般而言，固体高分子型燃料电池采用由高分子离子交换膜构成的固体高分子电解质膜。该燃料电池利用隔板(双极板)来夹持电解质膜-电极结构体(MEA)，该电解质膜-电极结构体(MEA)在固体高分子电解质膜的两侧分别配设由催化剂层(电极催化剂层)和气体扩散层(多孔质碳)构成的阳极电极及阴极电极。将该燃料电池层叠规定数量而构成燃料电池组作为例如车载用燃料电池组使用。
在该种电解质膜-电极结构体中，存在构成设定为一方的气体扩散层的表面积小于固体高分子电解质膜的表面积、并且另一方的气体扩散层的表面积与所述固体高分子电解质膜的表面积相同的所谓的阶梯件MEA的情况。此时，削减了比较高价的固体高分子电解质膜的使用量，并且为了保护薄膜状且强度较低的所述固体高分子电解质膜而采用组装了树脂制框构件的带有框的MEA。
例如，公知有专利文献1公开的电解质膜-电极接合体。在该电解质膜-电极接合体中，如图7所示，在膜1的一侧配置有阳极催化剂层2a和阳极扩散层2b，并且在所述膜1的另一侧配置有阴极催化剂层3a和阴极扩散层3b，从而构成阶梯件MEA4。
阳极扩散层2b的面积设定为大于阴极扩散层3b的面积，所述阴极扩散层3b侧的膜1的外周部和衬垫结构体5通过粘接层6接合在一起。
专利文献
专利文献1：日本特开2007-66766号公报
但是，在上述专利文献1中，衬垫结构体5通过台阶部内表面5a设有薄壁部5b。而且，阳极扩散层2b的外周面与台阶部内表面5a相对配置，并且阴极扩散层3b的外周面与薄壁部5b的内侧端面5bb相对配置。
因此，在相互配置阶梯件MEA4和衬垫结构体5时，需要将阳极扩散层2b的外周面插入台阶部内表面5a，而将阴极扩散层3b的外周面插入薄壁部5b的内侧端面5bb。但是，难以正确且迅速地进行上述两者的插入作业。例如，有可能在阴极扩散层3b的外周面跃上衬垫结构体5的薄壁部5b的状态下接合在一起。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而做成的，其目的在于以简单且经济的结构提供能容易且正确地组装阶梯件MEA和树脂制框构件的带有燃料电池用树脂框的电解质膜-电极结构体。
本发明涉及带有燃料电池用树脂框的电解质膜-电极结构体，该带有燃料电池用树脂框的电解质膜-电极结构体包括：电解质膜-电极结构体，其在固体高分子电解质膜的一面上配设有具有第一催化剂层及第一气体扩散层的第一电极，且在所述固体高分子电解质膜的另一面上配设有具有第二催化剂层及第二气体扩散层的第二电极，并且，所述第一气体扩散层的平面尺寸大于所述第二气体扩散层的平面尺寸；树脂制框构件，其具有环绕所述固体高分子电解质膜的外周的框形状，且在该树脂制框构件上设有：通过台阶部形成为比外周部薄的薄壁状且向所述第二气体扩散层侧突出的内周突部、构成所述台阶部且与所述第一气体扩散层的外周端面相对的内侧壁面。
在该带有燃料电池用树脂框的电解质膜-电极结构体中，第二气体扩散层的外周端面和内周突部的内侧端面之间的间隙即第一间隔的尺寸与第一气体扩散层的外周端面和内侧壁面之间的间隙即第二间隔的尺寸不同。
另外，在该带有燃料电池用树脂框的电解质膜-电极结构体中，优选为，第一间隔的尺寸大于第二间隔的尺寸。
另外，在该带有燃料电池用树脂框的电解质膜-电极结构体中，优选为，台阶部的厚度尺寸与固体高分子电解质膜的厚度及第一电极的厚度的合计厚度尺寸相同。
发明效果
采用本发明，通过以第二气体扩散层的外周端面和内周突部的内侧端面之间的间隙为基准进行定位或以第一气体扩散层的外周端面和内侧壁面之间的间隙为基准进行定位，能进行电解质膜-电极结构体(阶梯件MEA)和树脂制框构件的安装作业。即，仅进行间隙较小的一方的定位，间隙较大的另一方就能追随上述一方的定位而定位。
由此，仅将各个间隙即第一间隔和第二间隔设定为不同的尺寸即可，能以简单且经济的结构容易且正确地组装电解质膜-电极结构体(阶梯件MEA)和树脂制框构件。
附图说明
图1是组装有本发明的实施方式的带有树脂框的电解质膜-电极结构体的固体高分子型燃料电池的主要部分分解立体说明图。
图2是所述燃料电池的图1中的II-II线剖面说明图。
图3是所述带有树脂框的电解质膜-电极结构体的阳极电极侧的主视说明图。
图4是所述带有树脂框的电解质膜-电极结构体的阴极电极侧的主视说明图。
图5是制造所述带有树脂框的电解质膜-电极结构体的方法的说明图。
图6是制造所述带有树脂框的电解质膜-电极结构体的方法的说明图。
图7是专利文献1公开的电解质膜-电极接合体的说明图。
符号说明
10、带有树脂框的电解质膜-电极结构体；10a、电解质膜-电极结构体；12、燃料电池；14、16、隔板；18、固体高分子电解质膜；20、阴极电极；20a、22a、电极催化剂层；20b、22b、气体扩散层；20be、22be、外周端面；22、阳极电极；24、树脂制框构件；24a、内周突部；24ae、内侧端面；24b、内侧壁面；26、粘接层；28、树脂浸渍部；28a、树脂突起部；30a、氧化剂气体入口连通孔；30b、氧化剂气体出口连通孔；32a、冷却介质入口连通孔；32b、冷却介质出口连通孔；34a、燃料气体入口连通孔；34b、燃料气体出口连通孔；36、氧化剂气体流路；38、燃料气体流路；40、冷却介质流路；42、44、密封构件
具体实施方式
如图1及图2所示，本发明的实施方式的带有树脂框的电解质膜-电极结构体10装入固体高分子型燃料电池12中。燃料电池12沿箭头A方向(例如水平方向)层叠多个，从而构成例如车载用燃料电池组。
燃料电池12利用第一隔板14及第二隔板16来夹持带有树脂框的电解质膜-电极结构体10。第一隔板14及第二隔板16例如由钢板、不锈钢板、铝板、镀敷处理钢板或在其金属表面实施了防腐蚀用的表面处理的金属板、碳构件等构成。
如图2所示，带有树脂框的电解质膜-电极结构体10包括电解质膜-电极结构体10a。电解质膜-电极结构体10a例如具有水浸渍于全氟磺酸的薄膜中而得到的固体高分子电解质膜18和夹持所述固体高分子电解质膜18的阴极电极(第一电极)20及阳极电极(第二电极)22。固体高分子电解质膜18除了氟系电解质之外也可以使用HC(碳化氢)系电解质。
阳极电极22的平面尺寸(表面积)小于固体高分子电解质膜18的平面尺寸及阴极电极20的平面尺寸。另外，阴极电极20的平面尺寸(表面积)也可以小于阳极电极22的平面尺寸。
阴极电极20配置于固体高分子电解质膜18的一面18a上，并且，阳极电极22配置于所述固体高分子电解质膜18的另一面18b上。
阴极电极20具有接合于固体高分子电解质膜18的面18a的第一电极催化剂层(第一催化剂层)20a和层叠于所述第一电极催化剂层20a的第一气体扩散层20b。第一电极催化剂层20a和第一气体扩散层20b设定为平面尺寸相同。
阳极电极22具有接合于固体高分子电解质膜18的面18b的第二电极催化剂层(第二催化剂层)22a和层叠于所述第二电极催化剂层22a的第二气体扩散层22b。第二电极催化剂层22a和第二气体扩散层22b设定为平面尺寸相同。第一电极催化剂层20a的平面尺寸大于第二电极催化剂层22a的平面尺寸，但所述第一电极催化剂层20a与所述第二电极催化剂层22a设定为同一平面尺寸。
通过形成在炭黑上承载铂粒子而得到的催化剂粒子，并使用高分子电解质作为离子传导性粘结剂，将所述催化剂粒子均匀地混合于该高分子电解质的溶液中而制作成催化剂膏剂，并将该催化剂膏剂印刷、涂覆或转印于固体高分子电解质膜18的两侧的面18a、18b上，从而构成所述第一电极催化剂层20a及第二电极催化剂层22a。
第一气体扩散层20b及第二气体扩散层22b通过在复写纸上涂覆包含炭黑及PTFE(聚四氟乙烯)的粒子的基底层而形成。基底层设定为与复写纸的平面尺寸相同。另外，基底层根据需要设置即可。第一气体扩散层20b的平面尺寸设定为大于第二气体扩散层22b的平面尺寸。
如图1及图2所示，带有树脂框的电解质膜-电极结构体10包括环绕固体高分子电解质膜18的外周并且接合于阳极电极22及阴极电极20的树脂制框构件24。树脂制框构件24例如由PPS(聚苯硫醚)、PP(聚丙烯)、PPA(聚邻苯二甲酰胺)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PES(聚醚砜)、LCP(液晶聚合物)、PVDF(聚偏二氟乙烯)、硅酮橡胶、氟化橡胶或EPDM(乙烯-丙烯橡胶)等或它们的复合材料构成。
树脂制框构件24具有框形状，该树脂制框构件24具有内周突部24a，该内周突部24a通过台阶部形成为比外周部薄的薄壁状，该内周突部24a向阳极电极22的外周侧突出，与固体高分子电解质膜18的外周缘部18be相抵接。在内周突部24a的基端部设有构成台阶部、与第一气体扩散层20b的外周端面20be相对的内侧壁面24b。
内周突部24a的壁厚(厚度)L1的尺寸小于等于阳极电极22的壁厚L3的尺寸(L1≤L3)。另外，虽未图示，但阳极电极22的壁厚L3有时包含中间层等的多层结构。固体高分子电解质膜18及阴极电极20的合计的壁厚L4设定为树脂制框构件24的台阶部的壁厚(从树脂制框构件24整体的厚度中减去内周突部24a的壁厚L1的尺寸)L2以上的厚度(L2≤L4)。另外，虽未图示，但壁厚L4有时包含中间层等的多层构造。
树脂制框构件24的内周突部24a和固体高分子电解质膜18的外周缘部18be通过粘接层26粘接在一起。粘接层26例如使用硅系树脂、热熔粘接剂。树脂制框构件24和阴极电极20的第一气体扩散层20b通过树脂浸渍部28而一体化。
树脂浸渍部28由一体成型于树脂制框构件24的树脂突起部28a构成。树脂浸渍部28在构成阴极电极20的第一气体扩散层20b的整周形成为边框状。
如图3所示，在第二气体扩散层22b的外周端面22be和内周突部24a的内侧端面24ae之间在整周上设有间隙即第一间隔Ca。外周端面22be的长边方向的尺寸和内侧端面24ae的长边方向的尺寸之差是第一间隔Ca。外周端面22be的短边方向尺寸和内侧端面24ae的短边方向的尺寸之差是第一间隔Ca。在图3中，示出了外周端面22be的各边从内侧端面24ae的各边均匀地各离开第一间隔Ca/2地配置的状态。
如图4所示，在第一气体扩散层20b的外周端面20be与内侧壁面24b之间在整周上设有间隙即第二间隔Cb。外周端面20be的长边方向的尺寸和内侧壁面24b的长边方向的尺寸之差是第二间隔Cb。外周端面20be的短边方向的尺寸和内侧壁面24b的短边方向的尺寸之差是第二间隔Cb。在图4中，示出了外周端面20be的各边从内侧壁面24b的各边均匀地各离开第二间隔Cb/2地配置的状态。
第一间隔Ca与第二间隔Cb具有不同的尺寸。在本实施方式中，第一间隔Ca设定为大于第二间隔Cb的尺寸(第一间隔Ca＞第二间隔Cb)。
如图1所示，在燃料电池12的箭头B方向(图1中水平方向)的一端缘部，沿箭头C方向(铅垂方向)排列设有用于供给氧化剂气体例如含氧气体的氧化剂气体入口连通孔30a、用于供给冷却介质的冷却介质入口连通孔32a及用于排出燃料气体例如含氢气体的燃料气体出口连通孔34b，该氧化剂气体入口连通孔30a、冷却介质入口连通孔32a及燃料气体出口连通孔34b沿层叠方向即箭头A方向相互连通。
在燃料电池12的箭头B方向的另一端缘部，沿箭头C方向排列地设有用于供给燃料气体的燃料气体入口连通孔34a、用于排出冷却介质的冷却介质出口连通孔32b及用于排出氧化剂气体的氧化剂气体出口连通孔30b，该燃料气体入口连通孔34a、冷却介质出口连通孔32b及氧化剂气体出口连通孔30b沿箭头A方向相互连通。
在第二隔板16的面向带有树脂框的电解质膜-电极结构体10的面16a上设有与氧化剂气体入口连通孔30a和氧化剂气体出口连通孔30b相连通的氧化剂气体流路36。
在第一隔板14的面向带有树脂框的电解质膜-电极结构体10的面14a上形成有与燃料气体入口连通孔34a和燃料气体出口连通孔34b相连通的燃料气体流路38。在第一隔板14的面14b与第二隔板16的面16b之间形成有与冷却介质入口连通孔32a和冷却介质出口连通孔32b相连通的冷却介质流路40。
如图1及图2所示，在第一隔板14的面14a、14b上，环绕该第一隔板14的外周端部地一体化有第一密封构件42。在第二隔板16的面16a、16b上，环绕该第二隔板16的外周端部地一体化有第二密封构件44。
如图2所示，第一密封构件42具有与构成带有树脂框的电解质膜-电极结构体10的树脂制框构件24的内周突部24a相抵接的第一凸状密封件42a和与第二隔板16的第二密封构件44相抵接的第二凸状密封件42b。第二密封构件44构成与第二凸状密封件42b相抵接的面具有平面的平面密封件。另外，代替第二凸状密封件42b，也可以在第二密封构件44上设置凸状密封件(未图示)。
第一密封构件42及第二密封构件44例如使用EPDM、NBR、氟化橡胶、硅酮橡胶、氟硅氧橡胶、丁基橡胶、天然橡胶、苯乙烯橡胶、氯丁二烯橡胶或丙烯酸橡胶等密封材料、缓冲材料或填密材料等具有弹性的密封构件。
如图1所示，在第一隔板14上形成有将燃料气体入口连通孔34a与燃料气体流路38相连通的供给孔部46和将所述燃料气体流路38与燃料气体出口连通孔34b相连通的排出孔部48。
接着，以下说明制造带有树脂框的电解质膜-电极结构体10的方法。
首先，如图5所示，制作作为阶梯件MEA的电解质膜-电极结构体10a。具体而言，在催化剂和溶剂的混合物中投入粘结剂溶液，准备将混合至规定的墨液粘度的电极墨通过网版印刷涂覆于由PET膜构成的PET片上而成的电极片，将固体高分子电解质膜18夹持于一对所述电极片之间进行热压。然后，剥离PET片，从而在固体高分子电解质膜18的面18a及面18b上形成有第一电极催化剂层20a及第二电极催化剂层22a。
另外，在第一气体扩散层20b及第二气体扩散层22b的制造工序中，形成使包含炭黑及PTFE(聚四氟乙烯)粒子的混合物均匀地分散于乙二醇中而成的糊剂。通过将该糊剂涂覆于复写纸上使其干燥，从而制作成由所述复写纸和基底层构成的第一气体扩散层20b及第二气体扩散层22b。
因此，在固体高分子电解质膜18的面18a侧即第一电极催化剂层20a上配置有第一气体扩散层20b，并且在所述固体高分子电解质膜18的面18b上即第二电极催化剂层22a上配置有第二气体扩散层22b。将它们一体地层叠而进行热压处理，从而制作成电解质膜-电极结构体10a。
另一方面，树脂制框构件24通过使用模具(未图示)进行射出成型而预成形。树脂制框构件24具有薄壁形状的内周突部24a，并且在与所述内周突部24a相反侧的面上一体成形有沿厚度方向突出、用于形成树脂浸渍部28的树脂突起部28a。树脂制框构件24在树脂突起部28a朝向上方的姿势下载置于作业台(未图示)上。
接着，在树脂制框构件24的内周突部24a上涂覆了粘接层26之后，将电解质膜-电极结构体10a定位配置于所述树脂制框构件24上。具体而言，构成电解质膜-电极结构体10a的第一气体扩散层20b的外周端面20be与树脂制框构件24的内侧壁面24b相对配置，并且，构成所述电解质膜-电极结构体10a的第二气体扩散层22b的外周端面22be与构成所述树脂制框构件24的内周突部24a的内侧端面24ae相对配置。
在该情况下，在本实施方式中，在第二气体扩散层22b的外周端面22be与内周突部24a的内侧端面24ae之间，在一侧设有最大的第一间隔Ca，而在第一气体扩散层20b的外周端面20be与内侧壁面24b之间，在一侧设有最大的第二间隔Cb。而且，第一间隔Ca的尺寸大于第二间隔Cb的尺寸(第一间隔Ca＞第二间隔Cb)。
因此，如图5所示，在相对于树脂制框构件24安装电解质膜-电极结构体10a时，只要进行将间隙较小的一方即第一气体扩散层20b的外周端面20be与内侧壁面24b相对地定位的作业即可。此时，即使第一气体扩散层20b的端部卡于树脂制框构件24的内侧壁面24b的边缘，第二气体扩散层22b也不会上行到内周突部24a上。
因此，作业者能容易地持续进行将第一气体扩散层20b的外周端面20be插入内侧壁面24b内的作业。另外，在将第一气体扩散层20b的外周端面20be插入内侧壁面24b内时，第二气体扩散层22b的外周端面22be插入到内周突部24a的内侧端面24ae内。
由此，在本实施方式中，仅将各个间隙即第一间隔Ca和第二间隔Cb设定为不同的尺寸即可。因此，能够获得以简单且经济的结构容易且正确地组装电解质膜-电极结构体10a和树脂制框构件24的效果。
另外，在树脂制框构件24的台阶部的壁厚L2构成为比阴极电极20的壁厚L4薄时，可以将第一间隔Ca设定为小于第二间隔Cb的尺寸(第一间隔Ca＜第二间隔Cb)。这是为了：在将第一气体扩散层20b的外周端面20be插入内侧壁面24b内之前，将第二气体扩散层22b的外周端面22be插入内周突部24a的内侧端面24ae内。
接着，在将电解质膜-电极结构体10a安装于树脂制框构件24之后，对粘接层26进行加热，并且施加载荷(冲压等)。由此，树脂制框构件24的内周突部24a与固体高分子电解质膜18的外周缘部18be通过粘接层26粘接在一起。
另外，如图6所示，在电解质膜-电极结构体10a和树脂制框构件24对位了的状态下施加载荷，并且对所述树脂制框构件24的树脂突起部28a进行加热。作为加热方式，采用激光熔敷、红外线熔敷、脉冲熔敷等。
因此，树脂突起部28a被加热熔融，所述树脂突起部28a浸渍于构成阴极电极20的第一气体扩散层20b。由此，制造成带有树脂框的电解质膜-电极结构体10。
带有树脂框的电解质膜-电极结构体10如图2所示地被第一隔板14及第二隔板16夹持。第一隔板14与树脂制框构件24的内周突部24a相抵接，对第二隔板16和带有树脂框的电解质膜-电极结构体10一起施加载荷。并且，将燃料电池12层叠规定数量而构成燃料电池组，并且对未图示的端板之间施加紧固载荷。
以下说明如此构成的燃料电池12的动作。
首先，如图1所示，向氧化剂气体入口连通孔30a供给含氧气体等的氧化剂气体，并且向燃料气体入口连通孔34a供给含氢气体等的燃料气体。并且，向冷却介质入口连通孔32a供给纯水、乙二醇、油等的冷却介质。
因此，氧化剂气体被从氧化剂气体入口连通孔30a导入第二隔板16的氧化剂气体流路36，沿箭头B方向移动而供给到电解质膜-电极结构体10a的阴极电极20。另一方面，燃料气体从燃料气体入口连通孔34a流过供给孔部46而被导入到第一隔板14的燃料气体流路38。燃料气体沿燃料气体流路38沿箭头B方向移动，被供给到电解质膜-电极结构体10a的阳极电极22。
因此，在各电解质膜-电极结构体10a中，被供给到阳极电极20的氧化剂气体和被供给到阴极电极22的燃料气体在第一电极催化剂层20a内及第二电极催化剂层22a内通过电化学反应被消耗而进行发电。
接着，被供给到阴极电极20而被消耗的氧化剂气体沿着氧化剂气体出口连通孔30b沿箭头A方向排出。同样地，被供给到阳极电极22而被消耗的燃料气体通过排出孔部48沿着燃料气体出口连通孔34b沿箭头A方向排出。
另外，被供给到冷却介质入口连通孔32a的冷却介质被导入到第一隔板14和第二隔板16之间的冷却介质流路40之后沿箭头B方向流通。该冷却介质将电解质膜-电极结构体10a冷却之后被从冷却介质出口连通孔32b排出。
另外，在本实施方式中，树脂浸渍部28由一体成形于树脂制框构件24的树脂突起部28a构成，但并不限定于此。例如，也可以准备与树脂制框构件24分别独立的树脂构件，将该树脂构件跨在所述树脂制框构件24和第一气体扩散层20b上而熔融，从而形成树脂浸渍部28。

Claims (3)

1.一种带有燃料电池用树脂框的电解质膜-电极结构体，其包括：
电解质膜-电极结构体，其在固体高分子电解质膜的一面上配设有具有第一催化剂层及第一气体扩散层的第一电极，且在所述固体高分子电解质膜的另一面上配设有具有第二催化剂层及第二气体扩散层的第二电极，并且，所述第一气体扩散层的平面尺寸大于所述第二气体扩散层的平面尺寸；
树脂制框构件，其具有环绕所述固体高分子电解质膜的外周的框形状，且在该树脂制框构件上设有：通过台阶部形成为比外周部薄的薄壁状且向所述第二气体扩散层侧突出的内周突部、构成所述台阶部且与所述第一气体扩散层的外周端面相对的内侧壁面，所述带有燃料电池用树脂框的电解质膜-电极结构体的特征在于，
所述第二气体扩散层的外周端面和所述内周突部的内侧端面之间的间隙即第一间隔的尺寸与所述第一气体扩散层的外周端面和所述内侧壁面之间的间隙即第二间隔的尺寸不同。
2.根据权利要求1所述的带有燃料电池用树脂框的电解质膜-电极结构体，其特征在于，
所述第一间隔的尺寸大于所述第二间隔的尺寸。
3.根据权利要求2所述的带有燃料电池用树脂框的电解质膜-电极结构体，其特征在于，
所述台阶部的厚度尺寸与所述固体高分子电解质膜的厚度及所述第一电极的厚度的合计厚度尺寸相同。
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