CN105633428B - 燃料电池用带树脂框的电解质膜‑电极结构体 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够通过简单的结构将电解质膜‑电极结构体与树脂框构件牢固且良好地接合，并且能够尽可能地抑制在粘接剂的内部产生气泡的燃料电池用带树脂框的电解质膜‑电极结构体。在带树脂框的电解质膜‑电极结构体(10)中，将电解质膜‑电极结构体(10a)与树脂框构件(24)一体化。树脂框构件(24)具有从内周基端部(24s)向阴极电极(22)侧鼓出的内侧鼓出部(24a)。在内侧鼓出部(24a)上设有平坦面部(26b)，在该平坦面部(26b)与固体高分子电解质膜(18)的外周面部(18be)之间形成有粘接剂层(28)。平坦面部(26b)构成从内侧鼓出部(24a)的前端部(24ae)朝向内周基端部(24s)倾斜的锥面。

Description

燃料电池用带树脂框的电解质膜-电极结构体

技术领域

本发明涉及一种燃料电池用带树脂框的电解质膜-电极结构体，其具备由第一电极及第二电极夹着固体高分子电解质膜的所谓阶梯MEA、环绕所述阶梯MEA的外周而设置的树脂框构件。

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。燃料电池具备电解质膜-电极结构体(MEA)，其在固体高分子电解质膜的一侧配设有阳极电极，且在所述固体高分子电解质膜的另一侧配设有阴极电极。阳极电极及阴极电极分别具有催化剂层(电极催化剂层)和气体扩散层(多孔质碳)。

通过由隔板(双极板)夹持电解质膜-电极结构体，从而构成燃料电池。通过层叠规定的数量的该燃料电池，从而例如作为车载用燃料电池组使用。

在电解质膜-电极结构体中，存在构成所谓阶梯MEA的情况，该阶梯MEA中，一方的气体扩散层设定成比固体高分子电解质膜小的平面尺寸，并且，另一方的气体扩散层设定成与所述固体高分子电解质膜相同的平面尺寸。此时，为了削减比较高价的固体高分子电解质膜的使用量，且为了保护薄膜状且强度低的所述固体高分子电解质膜，而采用在外周装入树脂框构件的带树脂框的MEA。

作为带树脂框的MEA，例如，已知有专利文献1所公开的电解质膜-电极接合体。在该电解质膜-电极接合体中，如图8所示，在膜1的一侧配置具有与所述膜1相同的外形尺寸的阳极催化剂层2a和阳极气体扩散层2b。在膜1的另一侧配置具有比所述膜1小的外形尺寸的阴极催化剂层3a和阴极气体扩散层3b。由此，构成阶梯MEA4。

阳极气体扩散层2b设定成比阴极气体扩散层3b大的面积，所述阴极气体扩散层3b侧的膜1的外周部与填料片结构体5经由粘接部位6接合。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2007-66766号公报

发明要解决的课题

然而，在上述的专利文献1中，阴极气体扩散层3b侧的膜1的外周缘部(平面)与填料片结构体5的内周薄壁部5a的平面经由边框平面形状的粘接部位6而接合。

但是，在阶梯MEA4与填料片结构体5的粘接工序中，当在粘接部位6上过度地涂敷粘接剂或接合载荷不均时，所述粘接剂可能从所述粘接部位6露出。

并且，对于粘接部位6而言，形成密闭空间的情况较多，在该粘接部位6内使粘接剂扩展时，空气可能无法从所述粘接部位6逃离。由此，因粘接部位6内残留的空气而导致无法将粘接剂涂敷成均匀厚度，从而存在气体隔绝性、粘接耐久性等品质产生较大不均的问题。

发明内容

本发明用于解决此种问题，其目的在于提供一种能够通过简单的结构将电解质膜-电极结构体与树脂框构件牢固且良好地接合，并且能够尽可能地抑制在粘接剂的内部产生气泡的燃料电池用带树脂框的电解质膜-电极结构体。

用于解决课题的方案

在本发明的燃料电池用带树脂框的电解质膜-电极结构体中，具备阶梯状的电解质膜-电极结构体。在电解质膜-电极结构体中，在固体高分子电解质膜的一侧的面上设有第一电极，在所述固体高分子电解质膜的另一侧的面上设有第二电极。第一电极的平面尺寸设定成比第二电极的平面尺寸大的尺寸。在电解质膜-电极结构体上，环绕固体高分子电解质膜的外周而设有树脂框构件。

而且，树脂框构件具有从内周基端部向第二电极侧鼓出的薄壁状的内侧鼓出部。在内侧鼓出部上设有平坦面部，在所述平坦面部与至少从第二电极的端部向面方向外侧露出的固体高分子电解质膜的外周面部之间形成有粘接剂层。粘接剂层构成从内侧鼓出部的前端部朝向内周基端部而所述粘接剂层的厚度变厚的锥形状。

另外，在该燃料电池用带树脂框的电解质膜-电极结构体中，优选在构成树脂框构件的内侧鼓出部上设置锥形状部。

并且，在该燃料电池用带树脂框的电解质膜-电极结构体中，优选在内周基端部设有树脂突起部，所述树脂突起部通过熔融而浸渍于第一电极的外周缘部，从而形成树脂浸渍部。此时，优选在内侧鼓出部上设有凸状部，所述凸状部位于内周基端部的附近且与固体高分子电解质膜的外周面部抵接。优选凸状部的从内周基端部朝向前端部的宽度尺寸设定成比树脂浸渍部的宽度尺寸大的尺寸。

发明效果

根据本发明，在树脂框构件的内侧鼓出部上设有平坦面部，所述平坦面部上形成有粘接剂层。而且，粘接剂层构成从内侧鼓出部的前端部朝向内周基端部而所述粘接剂层的厚度变厚的锥形状。因此，在平坦面部上设置的粘接剂层朝向内周基端部延伸时，沿着锥形状移动。

此时，粘接剂层从内侧鼓出部的前端部朝向内周基端部而具有锥形状，且朝向所述内周基端部侧而容量(容积)增加。因此，粘接剂层内的空气能够沿着粘接剂的流动而向内周基端部侧可靠地移动。

由此，能够通过简单的结构将电解质膜-电极结构体与树脂框构件牢固且良好地接合，并且能够尽可能抑制在粘接剂的内部产生气泡的情况。

附图说明

图1是装入有本发明的实施方式的带树脂框的电解质膜-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II-II线剖视说明图。

图3是所述带树脂框的电解质膜-电极结构体的主要部分剖视说明图。

图4是构成所述带树脂框的电解质膜-电极结构体的树脂框构件的局部剖视立体说明图。

图5是制造所述带树脂框的电解质膜-电极结构体的方法的说明图。

图6是制造所述带树脂框的电解质膜-电极结构体的方法的说明图。

图7是制造所述带树脂框的电解质膜-电极结构体的方法的说明图。

图8是专利文献1所公开的电解质膜-电极接合体的说明图。

符号说明：

10 带树脂框的电解质膜-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

18be 外周面部

20 阳极电极

20a、22a 电极催化剂层

20b、22b 气体扩散层

20be、22be 外周端部

22 阴极电极

24 树脂框构件

24a 内侧鼓出部

24ae 前端部

24s 内周基端部

24t 树脂突起部

26a 凸状部

26b 平坦面部

28 粘接剂层

28a 树脂浸渍部

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树脂框的电解质膜-电极结构体10装入横长(或纵长)的长方形形状的固体高分子型燃料电池12。将多个燃料电池12例如沿箭头A方向(水平方向)或箭头C方向(重力方向)层叠而构成燃料电池组。燃料电池组例如作为车载用燃料电池组而搭载于燃料电池电动机动车(未图示)。

在燃料电池12中，通过第一隔板14及第二隔板16来夹持带树脂框的电解质膜-电极结构体10。第一隔板14及第二隔板16具有横长(或纵长)的长方形形状。第一隔板14及第二隔板16例如由钢板、不锈钢钢板、铝板、镀敷处理钢板、或在其金属表面实施了防蚀用的表面处理的金属板、碳构件等构成。

如图1～图3所示，长方形形状的带树脂框的电解质膜-电极结构体10具备作为阶梯MEA的电解质膜-电极结构体10a。电解质膜-电极结构体10a具有在例如全氟磺酸的薄膜中浸渍水而成的固体高分子电解质膜(阳离子交换膜)18。固体高分子电解质膜18由阳极电极(第一电极)20及阴极电极(第二电极)22夹持。固体高分子电解质膜18除氟系电解质以外，还可以使用HC(烃)系电解质。

阴极电极22具有比固体高分子电解质膜18及阳极电极20小的平面尺寸(平面的大小)(外形尺寸)。需要说明的是，也可以代替上述的结构，而将阳极电极20构成为具有比固体高分子电解质膜18及阴极电极22小的平面尺寸。在该情况下，阳极电极20成为第二电极，阴极电极22成为第一电极。

阳极电极20设有：与固体高分子电解质膜18的一侧的面18a接合的第一电极催化剂层20a；以及层叠在所述第一电极催化剂层20a上的第一气体扩散层20b。第一电极催化剂层20a及第一气体扩散层20b具有相同的平面尺寸，并且设定成与固体高分子电解质膜18相同(或者比其小)的平面尺寸。

阴极电极22设有：与固体高分子电解质膜18的面18b接合的第二电极催化剂层22a；以及层叠在所述第二电极催化剂层22a上的第二气体扩散层22b。第二电极催化剂层22a从第二气体扩散层22b的外周端部22be向外侧突出，具有比所述第二气体扩散层22b大的平面尺寸，并且设定成比固体高分子电解质膜18小的平面尺寸。需要说明的是，第二电极催化剂层22a与第二气体扩散层22b也可以设定成相同的平面尺寸。

第一电极催化剂层20a例如通过将表面担载有铂合金的多孔质碳粒子均匀地涂敷在第一气体扩散层20b的表面而形成。第二电极催化剂层22a例如通过将表面担载有铂合金的多孔质碳粒子均匀地涂敷在第二气体扩散层22b的表面而形成。第一气体扩散层20b及第二气体扩散层22b由碳素纸、碳布等构成，并且所述第二气体扩散层22b的平面尺寸设定成比所述第一气体扩散层20b的平面尺寸小。第一电极催化剂层20a及第二电极催化剂层22a例如形成在固体高分子电解质膜18的两面。

带树脂框的电解质膜-电极结构体10具备环绕固体高分子电解质膜18的外周且与阳极电极20及阴极电极22接合的树脂框构件24。树脂框构件24由例如PPS(聚苯硫醚)、PPA(聚邻苯二甲酰胺)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PES(聚醚砜)、LCP(液晶高分子聚合物)、PVDF(聚偏氯乙烯)、硅橡胶、氟橡胶、EPDM(乙烯丙烯橡胶)或m-PPE(改性聚苯醚树脂)等构成。

如图1及图4所示，树脂框构件24具有框形状。如图2及图3所示，树脂框构件24具有从内周基端部24s向阴极电极22侧鼓出的形成为薄壁状的内侧鼓出部24a。内侧鼓出部24a从内周基端部24s向内侧具有规定的长度而延伸，且覆盖固体高分子电解质膜18的外周面部18be而配置。

在内侧鼓出部24a上，凸状部26a与所述内侧鼓出部24a一体地设置，该凸状部26a位于内周基端部24s的附近，与从阴极电极22的前端部向面方向外侧露出的固体高分子电解质膜18的外周面部18be抵接。在凸状部26a的内侧端部上设有形成为比所述凸状部26a薄壁状的平坦面部26b，所述平坦面部26b从该凸状部26a延伸至内侧鼓出部24a的前端部24ae。在前端部24ae的内侧角部设有圆角(弯曲面)。

平坦面部26b构成从内侧鼓出部24a的前端部24ae朝向内周基端部24s而向从固体高分子电解质膜18的外周面部18be离开的方向(内侧鼓出部24a的厚度方向内侧)倾斜的锥面(锥形状部)。需要说明的是，也可以代替在平坦面部26b上设置锥面，而在构成电解质膜-电极结构体10a的固体高分子电解质膜18的面18b上设置锥面(锥形状部)。

如图3所示，平坦面部26b的前端部24ae附近与固体高分子电解质膜18的外周面部18be的间隔T1设定成比所述平坦面部26b的凸状部26a附近与所述固体高分子电解质膜18的所述外周面部18be的间隔T2小的尺寸(T1＜T2)。在平坦面部26b与至少固体高分子电解质膜18的外周面部18be之间形成有具有锥形状的粘接剂层28。粘接剂层28构成从前端部24ae朝向凸状部26a(内周基端部24s)而厚度逐渐变厚的锥形状。

粘接剂层28中，作为粘接剂28s，例如设置液状密封、热熔剂。需要说明的是，作为粘接剂28s，对液体或固体、热可塑性或热固化性等没有限制。粘接剂层28遍及固体高分子电解质膜18的外周面部18be的整周而形成为边框状。在树脂框构件24的前端部24ae与第二气体扩散层22b的外周端部22be之间形成有粘接剂层28。

在树脂框构件24上，与内周基端部24s相邻而一体地设有树脂突起部24t。如后述那样，树脂突起部24t熔融而浸渍于构成阳极电极20的第一气体扩散层20b的外周缘部，从而形成边框状的树脂浸渍部28a。树脂浸渍部28a的宽度尺寸L1设定成比构成内侧鼓出部24a的凸状部26a的宽度尺寸L2小的尺寸(L1＜L2)。

树脂浸渍部28a的宽度尺寸L1为从阳极电极20的第一气体扩散层20b的外周端部20be向内侧分离的位置，是树脂突起部24t熔融而浸渍的区域。该区域配置于在层叠方向上设有凸状部26a的区域内。

如图1所示，在燃料电池12的箭头B方向(水平方向)的一端缘部，沿作为层叠方向的箭头A方向相互连通而设有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。氧化剂气体入口连通孔30a供给氧化剂气体、例如含氧气体，另一方面，冷却介质入口连通孔32a供给冷却介质。燃料气体出口连通孔34b排出燃料气体、例如含氢气体。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沿箭头C方向(铅垂方向)排列而设置。

在燃料电池12的箭头B方向的另一端缘部，沿箭头A方向相互连通而设有供给燃料气体的燃料气体入口连通孔34a、排出冷却介质的冷却介质出口连通孔32b、及排出氧化剂气体的氧化剂气体出口连通孔30b。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C方向排列而设置。

在第二隔板16的朝向带树脂框的电解质膜-电极结构体10的面16a上，沿箭头B方向延伸而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连通的氧化剂气体流路36。

在第一隔板14的朝向带树脂框的电解质膜-电极结构体10的面14a上，沿箭头B方向延伸而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连通的燃料气体流路38。在彼此相邻的第一隔板14的面14b与第二隔板16的面16b之间，沿箭头B方向延伸而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的外周端部而将第一密封构件42一体化。在第二隔板16的面16a、16b上，环绕该第二隔板16的外周端部而将第二密封构件44一体化。

如图2所示，第一密封构件42具有：与构成带树脂框的电解质膜-电极结构体10的树脂框构件24抵接的第一凸状密封42a；以及与第二隔板16的第二密封构件44抵接的第二凸状密封42b。第二密封构件44构成与第二凸状密封42b抵接的面沿着隔板面呈平面状延伸的平面密封。需要说明的是，也可以代替第二凸状密封42b，而在第二密封构件44上设置凸状密封(未图示)。

第一密封构件42及第二密封构件44例如使用EPDM、NBR、氟橡胶、硅橡胶、硅氟橡胶、丁基橡胶、天然橡胶、苯乙烯橡胶、氯丁二烯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。

接下来，以下，对制造带树脂框的电解质膜-电极结构体10的方法进行说明。

首先，制作作为阶梯MEA的电解质膜-电极结构体10a，另一方面，使用模具(未图示)将树脂框构件24注射模塑成形。如图4所示，树脂框构件24具有薄壁形状的内侧鼓出部24a。在内侧鼓出部24a上从内周基端部24s设有凸状部26a，并且，在所述凸状部26a的内侧端部设有形成为比所述凸状部26a薄壁状的平坦面部26b。在树脂框构件24上，与内周基端部24s相邻而一体地成形有树脂突起部24t。

接下来，如图5所示，在电解质膜-电极结构体10a上，沿着固体高分子电解质膜18的外周面部18be设置粘接剂28s。粘接剂28s例如可以使用热熔片，或者也可以借助未图示的分配器涂敷粘接剂28s。

将树脂框构件24的内周基端部24s与构成电解质膜-电极结构体10a的第一气体扩散层20b的外周端部20be对位。然后，将第一气体扩散层20b的外周端部20be重叠在内侧鼓出部24a的凸状部26a上。进而，如图6所示，在将树脂框构件24的内侧鼓出部24a与电解质膜-电极结构体10a的固体高分子电解质膜18相互定位了的状态下，将粘接剂28s加热熔融，并且沿厚度方向施加载荷(冲压等)。

由此，树脂框构件24的内侧鼓出部24a与固体高分子电解质膜18的外周面部18be经由粘接剂层28而粘接。并且，树脂框构件24的前端部24ae的内周面与第二气体扩散层22b的外周端部22be的前端面经由粘接剂层28而粘接。

接下来，如图7所示，将树脂框构件24的树脂突起部24t由其接触的模具(未图示)进行加热及加压。作为加热方式，采用激光加热、红外线加热、脉冲加热、加热器加热等。因此，树脂突起部24t被加热熔融，所述树脂突起部24t浸渍于构成阳极电极20的第一气体扩散层20b而设置树脂浸渍部28a。因此，制造出带树脂框的电解质膜-电极结构体10。

如图2所示，带树脂框的电解质膜-电极结构体10由第一隔板14及第二隔板16夹持。第二隔板16与树脂框构件24的内侧鼓出部24a抵接，且与第一隔板14一起对带树脂框的电解质膜-电极结构体10施加载荷。并且，通过层叠规定数量的燃料电池12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，对这样构成的燃料电池12的动作进行说明。

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供给含氢气体等燃料气体。而且，向冷却介质入口连通孔32a供给纯水或乙二醇、油等冷却介质。

因此，氧化剂气体从氧化剂气体入口连通孔30a向第二隔板16的氧化剂气体流路36导入，沿箭头B方向移动而向电解质膜-电极结构体10a的阴极电极22供给。另一方面，燃料气体从燃料气体入口连通孔34a向第一隔板14的燃料气体流路38导入。燃料气体沿着燃料气体流路38而沿箭头B方向移动，向电解质膜-电极结构体10a的阳极电极20供给。

因此，在各电解质膜-电极结构体10a中，向阴极电极22供给的氧化剂气体和向阳极电极20供给的燃料气体在第二电极催化剂层22a及第一电极催化剂层20a内通过电化学反应而被消耗，进行发电。

接下来，向阴极电极22供给而被消耗了的氧化剂气体沿着氧化剂气体出口连通孔30b而向箭头A方向排出。同样，向阳极电极20供给而被消耗了的燃料气体沿着燃料气体出口连通孔34b而向箭头A方向排出。

另外，供给到冷却介质入口连通孔32a中的冷却介质在被导入第一隔板14与第二隔板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冷却后，从冷却介质出口连通孔32b排出。

在该情况下，在本实施方式中，如图2及图3所示，在树脂框构件24的内侧鼓出部24a上设有平坦面部26b，该平坦面部26b形成有具有锥形状的粘接剂层28。而且，平坦面部26b构成从内侧鼓出部24a的前端部24ae朝向内周基端部24s而向从固体高分子电解质膜18的外周面部18be离开的方向倾斜的锥面。

因此，如图5所示，在平坦面部26b上设置的粘接剂28s在朝向内周基端部24s延伸时，沿着构成所述平坦面部26b的锥面移动(参照图6)。此时，锥面朝向内周基端部24s而从固体高分子电解质膜18的外周面部18be离开，且朝向所述内周基端部24s侧而容量(容积)增加。因此，粘接剂层28内的空气能够沿着粘接剂28s的流动而向内周基端部24s侧可靠地移动。

由此，能够得到如下效果，即，能够通过简单的结构将电解质膜-电极结构体10a与树脂框构件24牢固且良好地接合，并且能够尽可能抑制在粘接剂层28的内部产生气泡。

并且，在本实施方式中，如图3所示，树脂浸渍部28a的宽度尺寸L1设定成比构成内侧鼓出部24a的凸状部26a的宽度尺寸L2小的尺寸。因此，如图7所示，在将树脂框构件24的树脂突起部24t加热及加压时，凸状部26a作为载荷承受部(背承部)而发挥功能。因此，能够可靠地对树脂突起部24t进行加压，能够良好且迅速地形成所期望的树脂浸渍部28a。

Claims (3)

1.一种燃料电池用带树脂框的电解质膜-电极结构体，其具备：

阶梯状的电解质膜-电极结构体，其在固体高分子电解质膜的一侧的面上设有第一电极，在所述固体高分子电解质膜的另一侧的面上设有第二电极，并且所述第一电极的平面尺寸设定成比所述第二电极的平面尺寸大的尺寸；以及

树脂框构件，其环绕所述固体高分子电解质膜的外周而设置，

所述燃料电池用带树脂框的电解质膜-电极结构体的特征在于，

所述树脂框构件具有从内周基端部向所述第二电极侧鼓出的薄壁状的内侧鼓出部，

在所述内侧鼓出部上设有平坦面部，在所述平坦面部与至少从所述第二电极的端部向所述第二电极的面方向外侧露出的所述固体高分子电解质膜的外周面部之间形成有粘接剂层，

并且，所述粘接剂层构成从所述内侧鼓出部的前端部朝向所述内周基端部而所述粘接剂层的厚度变厚的锥形状。

2.根据权利要求1所述的燃料电池用带树脂框的电解质膜-电极结构体，其特征在于，

在构成所述树脂框构件的所述内侧鼓出部上设置锥形状部。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池用带树脂框的电解质膜-电极结构体，其特征在于，

在所述内周基端部上设有树脂突起部，所述树脂突起部通过熔融而浸渍于所述第一电极的外周缘部，从而形成树脂浸渍部，

并且，在所述内侧鼓出部上设有凸状部，所述凸状部位于所述内周基端部的附近且与所述固体高分子电解质膜的所述外周面部抵接，

所述凸状部的从所述内周基端部朝向所述前端部的宽度尺寸设定成比所述树脂浸渍部的宽度尺寸大的尺寸。