CN104995778B - 发电体 - Google Patents
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Abstract
一种发电体，使用于燃料电池，其具备：膜电极接合体，具备电解质膜、在电解质膜的一侧的面配置的第一催化剂层、在电解质膜的另一侧的面配置的第二催化剂层、在第一催化剂层的外侧配置的第一气体扩散层、及在第二催化剂层的外侧配置的第二气体扩散层；框架，配置于膜电极接合体的周缘；以及粘结剂，将膜电极接合体与框架粘结，第一气体扩散层形成为与电解质膜相同的大小，第二气体扩散层形成为比电解质膜小，并且框架具有与由电解质膜和第二气体扩散层形成的阶梯对应的阶梯部，阶梯部具备由与第一气体扩散层相对的面和与电解质膜或第二催化剂层相对的面构成的粘结面，粘结面比构成框架的面中的不与其他的构件粘结的非粘结面的亲水性高。
Description
技术领域
本发明涉及使用于燃料电池的发电体。
背景技术
在使用高分子电解质膜(以下，简称为“电解质膜”)作为电解质的燃料电池中，利用各种方法来制作膜电极接合体MEGA(Membrane Electrode and Gas Diffusion LayerAssembly)。例如，在由电解质膜和催化剂层构成的CCM(Catalyst Coated Membrane)的两面上层叠气体扩散层或者将由催化剂层和气体扩散层构成的气体扩散电极GDE(GasDiffusion Electrode)层叠在电解质膜的两面上来进行制作。
这样的结构的MEGA薄且容易弯曲，因此提出了将包围MEGA的周缘的框架利用粘结剂粘结于MEGA的周缘进行一体化后的带框架的膜电极接合体(以下，也称为“MEGA框架”)。在MEGA框架中，由于MEGA及框架的产品公差、将框架与MEGA一体化时的制造公差等，有时MEGA与框架之间的间隙会变大。
图4、5是表示以往的MEGA框架的结构的说明图。以往的MEGA框架100p利用粘结剂400将MEGA200与框架300p粘结来制造。如图4的A部分所示那样CCM202未由粘结剂覆盖而露出时，由于电解质膜的膨胀和收缩的反复而电解质膜有时会开裂。因此，使用这样CCM202露出的MEGA框架100p来构成燃料电池时，可能会产生反应气体的交叉泄漏。
另一方面，当为了避免CCM202露出而增加粘结剂400的量时，如图5所示，剩余的粘结剂400有时会从MEGA与框架的间隙溢出。在图5中，框架300p下表面的延长线由虚线H表示，如图所示，剩余的粘结剂溢出。这样，当剩余的粘结剂溢出时，存在剩余的粘结剂400附着于用具而生产率下降或流入流路而使压损上升的可能性。这对于将GDE重叠于电解质膜的两面而制作的MEGA也是共同的问题。因此，在日本特开2005-129343号公报中公开了具备形成有作为粘结剂积存处的空处的框架的MEGA框架。
发明内容
日本特开2005-129343号公报记载的MEGA框架是利用2个框架来夹持MEGA的结构，为了抑制粘结剂从在2个框架的粘结部位处形成的间隙溢出，而设置能积存剩余的粘结剂的空间。然而，如图4所示，在利用粘结剂将1个框架粘结于MEGA的情况下，即使设有能积存剩余的粘结剂的空间，也存在粘结剂未被导向该空间而溢出的问题。因此，期望能够降低粘结剂引起的生产率的下降、流路的压损上升的技术。此外，在以往的MEGA框架中，期望低成本化、省资源化、制造的容易化、性能的提高等。
用于解决课题的手段
本发明为了解决上述的课题的至少一部分而完成，可以作为以下的方式来实现。
第一方式提供一种使用于燃料电池的发电体。第一方式的使用于燃料电池的发电体可以具备：膜电极接合体，具备电解质膜、在所述电解质膜的一侧的面配置的第一催化剂层、在所述电解质膜的另一侧的面配置的第二催化剂层、在所述第一催化剂层的外侧配置的第一气体扩散层、及在所述第二催化剂层的外侧配置的第二气体扩散层；框架，配置于所述膜电极接合体的周缘；以及粘结剂，将所述膜电极接合体与所述框架粘结。所述框架可以具备与所述膜电极接合体粘结的粘结面，该粘结面具有比构成所述框架的面中的不与其他的构件粘结的非粘结面高的亲水性。
根据第一方式的发电体，由于比构成框架的面中的不与其他的构件粘结的非粘结面的亲水性高，因此在利用液状粘结剂将膜电极接合体与框架粘结的情况下，剩余的粘结剂沿着亲水性的粘结面流入。因此，能够减小剩余的粘结剂从膜电极接合体与框架的间隙溢出，而剩余粘结剂附着于用具而使生产率下降，或流入流路而使压损上升的可能性。在此，其他的构件不仅包括膜电极接合体，还包括在构成燃料电池时与框架粘结的隔板等不包含于发电体的构件。
在第一方式的发电体中，可以的是，所述膜电极接合体具有阶梯形状，所述框架的所述粘结面形成在与所述膜电极接合体的阶梯形状对应的位置。而且，可以的是，所述第一气体扩散层形成为与所述电解质膜相同的大小，所述第二气体扩散层形成为比所述电解质膜小，所述阶梯形状由所述电解质膜和所述第二气体扩散层形成，所述粘结面由与所述第一气体扩散层相对的面和与所述电解质膜或所述第二催化剂层相对的面构成。此外，可以的是，所述框架具有与所述阶梯形状对应的阶梯部，所述粘结面形成于所述阶梯部。在这些情况下，能够减小阶梯部及阶梯形状的粘结剂溢出而剩余粘结剂附着于用具造成的生产率的下降、及剩余粘结剂流入流路造成的压损的上升。
在第一方式的发电体中，所述粘结剂可以是UV固化型的液状粘结剂。这种情况下，能够缩短制造发电体的时间，能够提高生产率。而且，能够吸收构成发电体的各构件的偏差，使制造容易，并能够提高生产率。
而且，根据这样的方式，能够解决低成本化、省资源化、制造的容易化、性能的提高等各种课题的至少1个。
需要说明的是，本发明能够以各种方式实现。例如，能够以燃料电池、燃料电池系统、车辆、电力供给方法等各种方式实现。
附图说明
图1是表示使用了本发明的一实施方式的MEGA框架的燃料电池的结构的说明图。
图2是表示本实施方式的MEGA框架的结构的说明图。
图3是表示本实施方式的MEGA框架的制造工序的说明图。
图4是表示以往的MEGA框架的结构的说明图。
图5是表示以往的MEGA框架的结构的说明图。
具体实施方式
A.实施方式：
(A1)燃料电池的结构：
图1是表示使用了本发明的一实施方式的MEGA框架的燃料电池的结构的说明图。在图1中，图示出了燃料电池800的截面结构的一部分。燃料电池800具备多个由MEGA框架100、阳极侧隔板500、阴极侧隔板600构成的层叠体，具有将这多个层叠体层叠的结构。需要说明的是，在图1中，为了便于图示，仅表示1组层叠体。燃料电池800是所谓固体高分子型燃料电池，使用作为燃料气体而被供给的氢气和作为氧化剂气体而被供给的空气进行发电。而且，在燃料电池800内，作为冷却介质的水循环，燃料电池800内的温度被调整成适合于发电的温度。
在燃料电池800中，经由形成于阳极侧隔板500的流路向阳极侧供给氢气，经由形成于阴极侧隔板600的流路向阴极侧供给空气，水在由阳极侧隔板500和阴极侧隔板600形成的流路中循环。
图2是表示本实施方式的MEGA框架的结构的说明图。在图2中，图示出了MEGA框架100的截面结构的一部分。MEGA框架100通过利用粘结剂400将MEGA200与框架300粘结来制造。MEGA框架100形成为俯视矩形，框架300形成为将俯视呈矩形地形成的MEGA的周缘包围的框状。
如图2所示，MEGA200具备CCM202、阳极侧气体扩散层204、阴极侧气体扩散层206，CCM202具备电解质膜22、阳极侧催化剂层24、阴极侧催化剂层26。阳极侧气体扩散层204形成为与CCM202相同的大小(平面面积)的矩形形状，阴极侧气体扩散层206形成为比CCM202小一圈(平面面积)的矩形形状。因此，CCM202的周缘区域未由阴极侧气体扩散层206覆盖而露出。即，观察MEGA200的截面形状时，其端部具有阶梯形状，成为阶梯状。
电解质膜22是由固体高分子材料例如具备全氟磺酸的氟系树脂形成的具有质子传导性的离子交换膜，在湿润状态下表现出良好的导电性。阴极侧催化剂层26及阳极侧催化剂层24都包含载持有铂或铂合金等催化剂的催化剂载持碳。阴极侧气体扩散层206及阳极侧气体扩散层204都由多孔的扩散层用基材构成。作为这种扩散层用基材，可以使用例如碳纸、碳布、玻璃状碳等碳多孔体、或者金属网、发泡金属等金属多孔体。
框架300在与MEGA200粘结的部分、即俯视下的内框部分形成有与在MEGA200的外周形成的阶梯形状对应的阶梯(图2)。框架300的阶梯具备与阳极侧气体扩散层204相对的第一面302和包含与CCM202粘结的面的第二面304。第一面302相对于CCM202和阳极侧气体扩散层204的端面而具有规定的角度的倾斜。在本实施方式中，在第一面302与CCM202和阳极侧气体扩散层204的端面平行的角度设为0度时，该角度为45度。在本实施方式中，第一面302和第二面304的亲水性比构成框架300的面中的不与其他的构件(阳极侧隔板500、阴极侧隔板600、MEGA200)粘结的非粘结面高。
框架300由热塑性的PP(polypropylene)形成。在本实施方式中，特别使用了在300nm以上的波长区域中表现出高透过率的PP。作为热塑性的树脂，此外，也可以使用例如酚醛树脂、环氧树脂、PE(polyethylene)、PET(Polyethylene terephthalate)等。而且，框架300也可以由热固性树脂形成。
在本实施方式中，框架300通过注塑成形来制作，但也可以利用熔融挤压成形来制作。在利用熔融挤压成形进行制作的情况下，在挤压后进行压缩成形等而形成阶梯部的斜面。框架300的第一面302和第二面304通过等离子处理而被赋予比框架300的非粘结面高的亲水性。需要说明的是，向框架300的亲水性的赋予没有限定为等离子处理，也可以通过UV(紫外线)处理、珩磨处理等周知的其他的方法来进行。
在本实施方式中，作为粘结剂400，可以使用UV(紫外线)固化型的液状粘结剂，即在300nm以上的波长区域能生成固化所需的游离基、阳离子、阴离子等的粘结剂。例如，作为树脂种类，可以使用环氧树脂、聚异丁烯、硅酮。如上所述，框架300由在300nm以上的波长区域表现出高透过率的PP制作，因此若使用这样的液状粘结剂，则即使从框架300的上方照射光(紫外线)也能够使粘结剂固化。
图3是表示本实施方式的MEGA框架100的制造工序的说明图。在制造MEGA框架100时，首先，准备MEGA200、框架300、液状粘结剂400。接着，如图3所示，在MEGA200的露出的CCM202上涂敷液状的粘结剂400，将框架300层叠。此时，框架300的第一面302和第二面304的亲水性比框架300的非粘结面高，因此如图2所示，剩余的粘结剂被沿着第二面304、第一面302引导，粘结剂向在框架300与阳极侧气体扩散层204之间形成的间隙流入。然后，从框架300的上方照射粘结剂400的固化所需的光(紫外线)，使粘结剂400固化。由此，制作图2所示的MEGA框架100。
根据本实施方式的MEGA框架100，第一面302和第二面304被赋予比框架300的框架300的非粘结面高的亲水性，因此在框架300与MEGA200的粘结时，液状的粘结剂400沿着第二面304、第一面302，向框架300与阳极侧气体扩散层204的间隙流入。因此，能抑制粘结剂400从该间隙的溢出，能够减小剩余粘结剂附着于用具引起的生产率的下降、及剩余粘结剂流入流路引起的压损的上升。
而且，在本实施方式中，由于使用了UV固化型的液状粘结剂，因此使粘结剂400固化所需的时间短。因此，与使用例如热固化型的粘结剂的情况相比，能够缩短制造MEGA框架的时间，能够提高生产率。而且，由于使用了UV固化型的液状粘结剂，因此能够抑制在MEGA框架的制造时因加热而框架发生变形的情况。而且，在本实施方式中，使用了在框架300的光透过率高的区域固化的粘结剂400，因此能够减少粘结剂400的固化所使用的光量，能够实现低成本化。而且，在MEGA框架100的制造时使用了液状的粘结剂400，因此在存在MEGA200或框架300的尺寸偏差的情况下，也能够吸收偏差，对CCM202进行加强。
B.变形例：
本发明没有局限于上述的实施方式、实施方式，在不脱离其主旨的范围内能够以各种方式实施，例如，与发明内容一栏记载的各方式中的技术特征对应的实施方式的技术特征为了解决上述的课题的一部分或全部，或者为了实现上述的效果的一部分或全部，可以适当进行替换、组合。而且，该技术特征只要在本说明书中没有作为必须的技术特征进行说明，就可以适当删除。例如能够进行如下的变形。
(B1)变形例1：
在上述实施方式中，框架300的第一面302相对于CCM202和阳极侧气体扩散层204的端面而具有45度的倾斜，但是没有限定为该角度，可以在0度以上且小于90度的范围内进行变更。例如，在角度为0度的情况下，框架的形状成为图4所示的形状。这样的情况下，与阳极侧气体扩散层204相对的第一面302和包括与CCM202粘结的面的第二面304制作成亲水性比框架300的非粘结面高，由此能够减少剩余的粘结剂的溢出。
(B2)变形例2：
在上述实施方式中，作为MEGA200，例示了在CCM202的外侧层叠有阳极侧气体扩散层204和阴极侧气体扩散层206的结构，但也可以是在电解质膜的两面层叠GDE的结构，还可以是将电解质膜、催化剂层、气体扩散层分别依次层叠的结构。在电解质膜的两面层叠GDE的结构的情况下，电解质膜露出，在电解质膜上涂敷液状的粘结剂，而与框架一体化即可。这样也能够得到与上述实施方式同样的效果。
(B3)变形例3：
在上述实施方式中，例示了阴极侧气体扩散层206形成为比阳极侧气体扩散层204小一圈的情况，但是反之，也可以阳极侧气体扩散层204形成为比阴极侧气体扩散层206小一圈。这样也能够得到与上述实施方式同样的效果。
(B4)变形例4：
在上述实施方式中，例示了向MEGA200涂敷粘结剂400而将框架300与MEGA200粘结的方法，但也可以涂敷于框架300。而且，可以在制作MEGA200之前向CCM202涂敷粘结剂400，将阳极侧气体扩散层204、阴极侧气体扩散层206、框架300同时层叠并接合。同样，也可以向电解质膜涂敷粘结剂，将GDE、框架同时层叠并接合。这样也能够得到与上述实施方式同样的效果。
(B5)变形例5：
在上述实施方式中，使用了UV固化型的液状粘结剂作为粘结剂400，但也可以使用热固化型、湿气固化型、反应型热熔型、热熔型等各种周知的液状粘结剂。这样也能够减少剩余的粘结剂的溢出。
(B6)变形例6：
在上述实施方式中，利用相同的PP来制造框架300整体，并使用在框架300的光透过率高的区域固化的粘结剂400，但是只要至少框架300的与MEGA200接合的部分能够透过使粘结剂400固化的光即可。
本申请主张基于在2013年12月10日提出申请的发明名称为“发电体”的日本国专利申请(申请编号2013-254849)的优先权，其全部的公开通过参照而引入。
Claims (6)
1.一种发电体，使用于燃料电池，具备：
膜电极接合体，具备电解质膜、在所述电解质膜的一侧的面配置的第一催化剂层、在所述电解质膜的另一侧的面配置的第二催化剂层、在所述第一催化剂层的外侧配置的第一气体扩散层、及在所述第二催化剂层的外侧配置的第二气体扩散层；
框架，配置于所述膜电极接合体的周缘；以及
粘结剂，将所述膜电极接合体与所述框架粘结，
所述框架具备与所述膜电极接合体粘结的粘结面，该粘结面具有比构成所述框架的面中的不与其他的构件粘结的非粘结面高的亲水性。
2.根据权利要求1所述的发电体，其中，
所述膜电极接合体具有阶梯形状，
所述框架的所述粘结面形成在与所述膜电极接合体的阶梯形状对应的位置。
3.根据权利要求2所述的发电体，其中，
所述第一气体扩散层形成为与所述电解质膜相同的大小，所述第二气体扩散层形成为比所述电解质膜小，所述阶梯形状由所述电解质膜和所述第二气体扩散层形成，
所述粘结面由与所述第一气体扩散层相对的面和与所述电解质膜或所述第二催化剂层相对的面构成。
4.根据权利要求2或3所述的发电体，其中，
所述框架具有与所述阶梯形状对应的阶梯部，所述粘结面形成于所述阶梯部。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的发电体，其中，
所述粘结剂是UV固化型的液状粘结剂。
6.根据权利要求4所述的发电体，其中，
所述粘结剂是UV固化型的液状粘结剂。
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