CN106356545B - 燃料电池用带有树脂框的电解质膜-电极结构体 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池用带有树脂框的电解质膜‑电极结构体(10)，其具备阶梯MEA(10a)和树脂框构件(24)。在第二气体扩散层(22b)的外周端部(22be)与内侧鼓出部(24a)之间形成有间隙部(CL)。第二电极催化剂层(22a)具有配置于间隙部(CL)的框状外周缘部(22aR)，所述框状外周缘部(22aR)的裂纹(28)的裂纹密度为30个/mm2以下，且所述裂纹(28)彼此的间隔为0.06mm以上。

Description

燃料电池用带有树脂框的电解质膜-电极结构体
技术领域
本发明涉及一种燃料电池用带有树脂框的电解质膜-电极结构体，其具备将固体高分子电解质膜由平面尺寸不同的第一电极及第二电极夹着的阶梯MEA和环绕所述阶梯MEA的外周的树脂框构件。
背景技术
一般来说，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。燃料电池具备在固体高分子电解质膜的一侧的面上配设有阳极电极且在所述固体高分子电解质膜的另一侧的面上配设有阴极电极的电解质膜-电极结构体(MEA)。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(多孔碳)。
电解质膜-电极结构体通过由隔板(双极板)夹持而构成发电单元(单位燃料电池)。通过将该发电单元层叠规定数量，例如用作车载用燃料电池堆。
在电解质膜-电极结构体中，存在构成将一侧的气体扩散层设定为比固体高分子电解质膜小的平面尺寸、且将另一侧的气体扩散层设定为与所述固体高分子电解质膜相同的平面尺寸的所谓阶梯MEA的情况。此时，为了削减比较高价的固体高分子电解质膜的使用量并保护薄膜状且强度较低的所述固体高分子电解质膜，采用在外周装入了树脂框构件的带有树脂框的MEA。
作为带有树脂框的MEA，例如己知有在日本特开2007-66766号公报中公开的电解质膜-电极接合体。在该电解质膜-电极接合体中，在膜的一侧的面上配置有与所述膜具有相同外形尺寸的阳极催化剂层和阳极气体扩散层。在膜的另一侧的面上配置有外形尺寸比所述膜小的阴极催化剂层和阴极气体扩散层。由此，构成阶梯MEA。
阳极气体扩散层设定为比阴极气体扩散层大的面积，所述阴极气体扩散层侧的膜的外周部与垫片结构体经由粘接部位而接合。此时，阴极气体扩散层的外周端部与垫片结构体的内周端部相互对置而配置。
然而，在对膜与垫片结构体进行接合时，在阴极气体扩散层的外周端部与垫片结构体的内周端部之间容易产生间隙部(余隙)。因此，若在与膜相邻的阴极催化剂层上形成的裂纹(裂缝)配置于间隙部，则有时应力会集中于弹性模量比所述阴极催化剂层低的所述膜上。
因此，例如因燃料气体向阳极电极的供给压力与氧化剂气体向阴极电极的供给压力的压力差会使膜变形，从而可能引起所述膜的机械性劣化。尤其在燃料气体的压力大于氧化剂气体的压力的情况下，膜容易变形，可能引起所述膜的机械性劣化。另外，在膜上与其他的构件相比更容易因干湿条件而产生较大的尺寸变化，从而可能因应力集中而在所述膜上引起龟裂等。
另外，如上所述，在对膜与垫片结构体进行接合时，在阴极气体扩散层的外周端部与垫片结构体的内周端部之间容易产生间隙部(余隙)。因此，使配置于间隙部的膜的强度降低，例如因燃料气体向阳极电极的供给压力与氧化剂气体向阴极电极的供给压力的压力差而可能使所述膜变形。
发明内容
本发明用于解决这种问题，其目的在于提供一种燃料电池用带有树脂框的电解质膜-电极结构体，其通过简单的结构，就能够阻止因在树脂框构件的间隙部配置的电极催化剂层的裂纹而向固体高分子电解质膜的应力集中，且能够良好地抑制所述固体高分子电解质膜的变形。
另外，本发明的另一目的在于提供一种燃料电池用带有树脂框的电解质膜-电极结构体，其通过使在树脂框构件的间隙部配置的固体高分子电解质膜与电极催化剂层的密接力提高，从而能够以简单的结构良好地抑制所述固体高分子电解质膜的变形。
本发明的第一方案涉及的燃料电池用带有树脂框的电解质膜-电极结构体具备阶梯MEA和树脂框构件。在阶梯MEA中，在固体高分子电解质膜的一侧的面上设有具备第一电极催化剂层及第一气体扩散层的第一电极，在所述固体高分子电解质膜的另一侧的面上设有具备第二催化剂层及第二气体扩散层的第二电极。第一电极的平面尺寸设定为比第二电极的平面尺寸大。树脂框构件环绕固体高分子电解质膜的外周而设置。
树脂框构件具有向第二电极侧鼓出的内侧鼓出部，在第二气体扩散层的外周端部与所述内侧鼓出部的内周端部之间形成有间隙部。第二电极催化剂层具有从第二气体扩散层的外周端部向外侧延伸而配置于间隙部的框状外周缘部。并，在框状外周缘部上形成的裂纹的裂纹密度为30个/mm2以下，且裂纹彼此的间隔为0.06mm以上。
根据本发明的第一方案，第二电极催化剂层具有配置于间隙部的框状外周缘部，在所述框状外周缘部上形成的裂纹的裂纹密度为30个/mm2以下，且所述裂纹彼此的间隔为0.06mm以上。因此，能够良好地抑制在固体高分子电解质膜上产生应力集中的情况，能够阻止所述固体高分子电解质膜的变形。
因此，在带有树脂框的电解质膜-电极结构体上施加有外部载荷时，通过简单的结构，能够阻止因在树脂框构件的间隙部上配置的电极催化剂层的裂纹引起的向固体高分子电解质膜的应力集中。由此，能够良好地抑制固体高分子电解质膜的变形，能够防止所述固体高分子电解质膜的机械性劣化。
本发明的第二方案涉及的燃料电池用带有树脂框的电解质膜-电极结构体具备阶梯MEA和树脂框构件。在阶梯MEA中，在固体高分子电解质膜的一侧的面上设有具备第一电极催化剂层及第一气体扩散层的第一电极，在所述固体高分子电解质膜的另一侧的面上设有具备第二催化剂层及第二气体扩散层的第二电极。第一电极的平面尺寸设定为比第二电极的平面尺寸大。树脂框构件环绕固体高分子电解质膜的外周而设置。
树脂框构件具有向第二电极侧鼓出的内侧鼓出部，在第二气体扩散层的外周端部与所述内侧鼓出部的内周端部之间形成有间隙部。第二电极催化剂层具有从第二气体扩散层的外周端部向外侧延伸而配置于间隙部的框状外周缘部。而且，在框状外周缘部上形成的裂纹的沿着树脂框构件的内周的边的长度设定为300μm以下。
根据本发明的第二方案，在配置于间隙部的框状外周缘部上形成裂纹，并且，所述裂纹的沿着树脂框构件的内周的边的长度设定为300μm以下。因此，能够良好地抑制在固体高分子电解质膜上产生应力集中的情况，能够阻止所述固体高分子电解质膜的变形。因此，在带有树脂框的电解质膜-电极结构体上施加有外部载荷时，通过简单的结构，就能够阻止因在树脂框构件的间隙部上配置的电极催化剂层的裂纹引起的向固体高分子电解质膜的应力集中。由此，能够良好地抑制同体高分子电解质膜的变形，能够防止所述固体高分子电解质膜的机械性劣化。
本发明的第三方案涉及的燃料电池用带有树脂框的电解质膜-电极结构体具备阶梯MEA和树脂框构件。在阶梯MEA中，在固体高分子电解质膜的一侧的面上设有具备第一电极催化剂层及第一气体扩散层的第一电极，在所述固体高分子电解质膜的另一侧的面上设有具备第二催化剂层及第二气体扩散层的第二电极。第一电极的平面尺寸设定为比第二电极的平面尺寸大。树脂框构件环绕固体高分子电解质膜的外周而设置。
树脂框构件具有向第二电极侧鼓出的内侧鼓出部，在第二气体扩散层的外周端部与所述内侧鼓出部的内周端部之间形成有间隙部。并且，沿着阶梯MEA的厚度方向而在第一电极的与间隙部对置的部位中，固体高分子电解质膜与第一电极催化剂层之间的密接力设定为0.2N/mm以上。
另外，优选的是，在间隙部的固体高分子电解质膜的厚度方向外侧设有第二电极催化剂层。
而且，优选的是，第一电极是供给燃料气体的阳极电极，另一方面，第二电极是供给氧化剂气体的阴极电极。此时，优选向第一电极供给的燃料气体的供给压力设定为比向第二电极供给的氧化剂气体的供给压力大。
根据本发明的第三方案，沿着阶梯MEA的厚度方向而在第一电极的与间隙部对置的部位中，固体高分子电解质膜与第一电极催化剂层之间的密接力设定为0.2N/mm以上。因此，通过简单的结构，使与间隙部对置的固体高分子电解质膜和第一电极催化剂层之间的密接力良好地提高。由此，在带有树脂框的电解质膜-电极结构体上施加有外部载荷时，能够可靠地阻止与间隙部对置的固体高分子电解质膜变形的情况，能够防止所述固体高分子电解质膜的机械性劣化。
上述的目的、特征及优点根据参照附图而进行说明的以下的实施方式的说明变得更加容易理解。
附图说明
图1是装入了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发电单元的主要部分分解立体说明图。
图2是所述发电单元的图1中的II-II线剖视说明图。
图3是所述带有树脂框的电解质膜-电极结构体的主要部分剖视说明图。
图4是构成所述带有树脂框的电解质膜-电极结构体的树脂框构件的局部剖视立体说明图。
图5是所述带有树脂框的电解质膜-电极结构体的主视说明图。
图6是在构成第二电极催化剂层的框状外周缘部的一侧的部分上形成的裂纹的局部放大说明图。
图7是在构成所述框状外周缘部的另一侧的部分上形成的裂纹的局部放大说明图。
图8是裂纹密度与作用于固体高分子电解质膜的应力增加率的关系图。
图9是裂纹间隔与作用于所述固体高分子电解质膜的应力增加率的关系图。
图10是裂纹长度与作用于固体高分子电解质膜的应力降低率的关系图。
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装入横长(或纵长)的长方形形状的固体高分子型发电单元12。将多个发电单元12例如沿箭头A方向(水平方向)或箭头C方向(重力方向)层叠来构成燃料电池堆。燃料电池堆例如作为车载用燃料电池堆而搭载于燃料电池电动车(未图示)。
发电单元12通过第一隔板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具有横长(或纵长)的长方形形状。第一隔板14和第二隔板16例如由钢板、不锈钢钢板、铝板、镀覆处理钢板或对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。
长方形形状的带有树脂框的电解质膜-电极结构体10具备阶梯MEA10a。如图2所示，阶梯MEA10a例如具有在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除了使用氟系电解质以外，还可使用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(外形尺寸)。需要说明的是，也可以取代上述的结构，而构成为阳极电极20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。此时，阳极电极20成为第二电极，阴极电极22成为第一电极。
如图2及图3所示，阳极电极20具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和在所述第一电极催化剂层20a上层叠的第一气体扩散层22b。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，并且设定为与固体高分子电解质膜18相同(或不到相同)的平面尺寸。
阴极电极22具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和在所述第二电极催化剂层22a上层叠的第二气体扩散层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，并且设定为比固体高分子电解质膜18小的平面尺寸。第二电极催化剂层22a设置在后述的间隙部CL的固体高分子电解质膜18的厚度方向外侧(参照图3)。在间隙部CL使固体高分子电解质膜18不露出，来保护所述固体高分子电解质膜18，还能够对该固体高分子电解质膜18进行加强。
第一电极催化剂层20a例如通过将在表面担载了铂合金的多孔碳粒子与离子导电性高分子粘合剂一起均匀涂布在固体高分子电解质膜18的一侧的面18a上而形成。第二电极催化剂层22a例如通过将在表面担载了铂合金的多孔碳粒子与离子导电性高分子粘合剂一起均匀涂布在固体高分子电解质膜18的另一侧的面18b上而形成。
第一气体扩散层20b由具有多孔性及导电性的微孔层20b(m)和碳纸或碳布等碳层20b(c)形成。第二气体扩散层22b由微孔层22b(m)和碳纸或碳布等碳层22b(c)形成。第二气体扩散层22b的平面尺寸设定为比第一气体扩散层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形成在固体高分子电解质膜18的两面。微孔层20b(m)、22b(m)根据需要来使用即可，也可以不需要。
如图3所示，在阳极电极20中，设定第一电极催化剂层20a的厚度t1、微孔层20b(m)的厚度t2及碳层20b(c)的厚度t3。在阴极电极22中，设定第二电极催化剂层22a的厚度t4、微孔层22b(m)的厚度t5及碳层22b(c)的厚度t6。
上述厚度之间具有厚度t3或t6＞厚度t4≥厚度t2或t5＞厚度t1的关系。具体而言，厚度t1在2μm～10μm的范围内，t2及t5在10μm～40μm的范围内，厚度t3及t6在100μm～300μm的范围内，厚度t4在10μm～40μm的范围内。
对于弯曲弹性模量而言，具有碳层20b(c)或碳层22b(c)＞第二电极催化剂层22a≥微孔层20b(m)或微孔层22b(m)＞第一电极催化剂层20a的关系。
带有树脂框的电解质膜-电极结构体10具备树脂框构件24，该树脂框构件24环绕固体高分子电解质膜18的外周，并且与阳极电极20及阴极电极22接合。需要说明的是，也可以取代树脂框构件24而使用具有均匀厚度的树脂膜等。
树脂框构件24例如由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(液晶聚合物)、PVDF(聚偏氟乙烯)、硅酮树脂、氟树脂或m-PPE(改性聚苯醚树脂)等构成。树脂框构件24还可以由PET(聚对苯二甲酸乙二酯)、PBT(聚对苯二甲酸丁二酯)或改性聚烯烃等构成。
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具有形成为薄壁状的内侧鼓出部24a，该内侧鼓出部24a从内周基端部24s经由阶梯部向阴极电极22侧鼓出。内侧鼓出部24a从内周基端部24s向内侧具有规定长度地延伸，并配置成覆盖固体高分子电解质膜18的外周面部18be。内侧鼓出部24a具有在内侧角部设有倒角(弯曲面)的内周端面24ae(内周边24aB、24aC)。
如图1所示，在树脂框构件24上，与内周基端部24s(参照图2)相邻而一体设有树脂突起部24t。如后所述，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27(参照图2及图3)。
如图5所示，内周边24aB是沿树脂框构件24的长度方向(箭头B方向)延伸的内周的长边。内周边24aC是沿树脂框构件24的宽度方向(箭头C方向)延伸的内周的短边。
如图2所示，在内侧鼓出部24a与阶梯MEA10a之间设有填充室25，在所述填充室25中形成有粘接剂层26。在粘接剂层26上设有例如液状密封、热熔剂作为粘接剂。需要说明的是，作为粘接剂，并不限制为液体或固体、热可塑性或热固化性等。
如图5所示，在第二气体扩散层22b的外周端部22be与内侧鼓出部24a的内周边24aB、24aC(内周端面24ae)之间分别分离距离S而形成有间隙部CL。间隙部CL的宽度尺寸在内周边24aB、24aC处分别设定为相同距离S，但也可以分别设定为不同的宽度尺寸。第二电极催化剂层22a具有框状外周缘部22aR，该框状外周缘部22aR从第二气体扩散层22b的外周端部22be向外侧延伸而配置于间隙部CL(参照图2及图5)。框状外周缘部22aR与内侧鼓出部24a在从层叠方向观察时具有重叠部。框状外周缘部22aR在从层叠方向观察时具有与内侧鼓出部24a的内周部重叠的重叠部，并且，由固体高分子电解质膜18和粘接剂层26夹着。
在框状外周缘部22aR上，在第二电极催化剂层22a的制造过程中不可避免地形成有多个裂纹28(参照图5)。裂纹28的裂纹密度为规定值以下，并且，所述裂纹28彼此的间隔为规定间隔以上。裂纹密度是指规定面积内存在的裂纹28的个数，所述裂纹28彼此的间隔是该裂纹28之间的最短距离，不依赖于所述裂纹28的形状或大小。
具体而言，裂纹密度为30个/mm2以下，优选为20个/mm2以下，更优选为13个/mm2以下。裂纹28彼此的间隔为0.06mm以上，优选为0.07mm以上，更优选为0.08mm以上。
如图5所示，在框状外周缘部22aR上分别形成有多个裂纹28c、28b。多个裂纹28c形成在框状外周缘部22aR的沿箭头C方向延伸的短边部分22aRc上，另一方面，多个裂纹28b形成在所述框状外周缘部22aR的沿箭头B方向延伸的长边部分22aRb上。裂纹28b、28c在第二电极催化剂层22a的制造过程中形成。
如图6所示，在短边部分22aRc上，作为多个裂纹28c而分别形成有形状不同的裂纹28c1、28c2等。裂纹28c1具有沿着箭头B方向的长度Lb1及沿着箭头C方向的长度Lc1。裂纹28c2具有沿着箭头B方向的长度Lb2及沿着箭头C方向的长度Lc2。裂纹28c1、28c2的沿着树脂框构件24的内周边24aC的长度Lc1、Lc2设定为规定值以下。具体而言，规定值为300μm以下，优选为120μm以下。
如图7所示，在长边部分22aRb上，作为多个裂纹28b而分别形成有形状不同的裂纹28b1、28b2等。裂纹28b1具有沿着箭头B方向的长度Lb3及沿着箭头C方向的长度Lc3。裂纹28b2具有沿着箭头B方向的长度Lb4及沿着箭头C方向的长度Lc4。裂纹28b1、28b2的沿着树脂框构件24的内周边24aB的长度Lb3、Lb4设定为规定值以下。具体而言，规定值为300μm以下，优选为120μm以下。
在图2中，距离S设定为0.5mm～1.2mm的范围，优选设定为0.6mm～1.0mm。距离S为具有框形状的间隙部CL的宽度尺寸。
如图3所示，沿着阶梯MEA10a的厚度方向(箭头A方向)来设置阳极电极20的与间隙部CL对置的框形状的部位CLr。部位CLr具有包含具备距离S的间隙部CL的范围，部位CLr的宽度尺寸(箭头C方向)比该距离S宽，例如，比S大1.0mm～2.0mm的距离(宽度尺寸)。固体高分子电解质膜18与第一电极催化剂层20a之间的密接力设定为0.2N/mm以上。
具体而言，设定对固体高分子电解质膜18与第一电极催化剂层20a进行热压的载荷、该热压的温度。载荷越大，密接力越大，温度越高，密接力越大。另外，设定第一电极催化剂层20a中的相对于担载碳的离子交换成分的量。若离子交换成分的量增加，则密接力变大。
在部位CLr处设定固体高分子电解质膜18与第二电极催化剂层22a的接合位置P1、及所述固体高分子电解质膜18与第一电极催化剂层20a的接合位置P2。在部位CLr处，还设定第一电极催化剂层20a与微孔层20b(m)的接合位置P3、及所述微孔层20b(m)与碳层20b(c)的接合位置P4。接合强度具有接合位置P1＜接合位置P2＜接合位置P3＜接合位置P4的关系。
如图1所示，在发电单元12的箭头B方向(水平方向)的一端缘部，沿着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(垂直方向)排列而设置。
在发电单元12的箭头B方向的另一端缘部，沿着箭头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和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的朝向带有树脂框的电解质膜-电极结构体10的面16a上沿箭头B方向延伸而形成有氧化剂气体流路36，该氧化剂气体流路36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。
在第一隔板14的朝向带有树脂框的电解质膜-电极结构体10的面14a上沿箭头B方向延伸而形成有燃料气体流路38，该燃料气体流路38与燃料气体入口连通孔34a及燃料气体出口连通孔34b连通。在燃料气体流路38中流通的燃料气体的供给压力设定为比在氧化剂气体流路36中流通的氧化剂气体的供给压力大。在阶梯MEA10a中，在阳极电极20与阴极电极22之间引起因反应气体供给压力之差产生的压力差(极间压力差)。
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方向延伸而形成有冷却介质流路40，该冷却介质流路40与冷却介质入口连通孔32a和冷却介质出口连通孔32b连通。
如图1和图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的外周端部而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的树脂框构件24抵接的第一凸状密封42a、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的与第二凸状密封42b抵接的面构成沿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、硅酮橡胶、氟硅橡胶、丁基橡胶、天然橡胶、苯乙烯橡胶、氯丁二烯或丙烯酸橡胶等的密封件、缓冲件、或填料等具有弹性的密封构件。
接着，以下，对制造带有树脂框的电解质膜-电极结构体10的方法进行说明。
首先，制作阶梯MEA10a，另一方面，使用模具(未图示)将树脂框构件24注射模塑成形。在阶梯MEA10a中，在碳纸的平坦面上涂布由碳黑与PTFE(聚四氟乙烯)粒子的混合物构成的浆料，并使其干燥而形成作为底层的微孔层20b(m)。
通过在微孔层20b(m)上接合碳层20b(c)来形成第一气体扩散层20b。同样地形成微孔层22b(m)，并通过在所述微孔层22b(m)上接合碳层22b(c)来形成第二气体扩散层22b。
另一方面，在电极催化剂中加入溶剂后，作为离子导电性高分子粘合剂溶液而例如添入全氟亚烷基磺酸高分子化合物的溶液。然后，添加溶剂至成为规定的墨液粘度，从而制作出阳极电极墨液及阴极电极墨液。
在此，将阳极电极墨液通过网板印刷而涂敷在PET膜上并进行加热干燥，由此形成设有第一电极催化剂层20a的阳极电极片。第一电极催化剂层20a设定为与固体高分子电解质膜18相同的平面尺寸。
同样，将阴极电极墨液通过网板印刷而涂敷在PET膜上并进行加热干燥，由此形成设有第二电极催化剂层22a的阴极电极片。第二电极催化剂层22a设定为比固体高分子电解质膜18小的平面尺寸。
接着，在将固体高分子电解质膜18夹持于阳极电极片及阴极电极片的状态下进行热压。然后，将PET膜剥离，由此形成接合体(CCM)(catalyst coated membrane)。进而，将CCM夹持于第一气体扩散层20b与第二气体扩散层22b，并进行热压而一体化来制作阶梯MEA10a。
然后，在固体高分子电解质膜18的外周面部18be上例如借助未图示的分配器来涂布粘接剂。固体高分子电解质膜18的外周面部18be与树脂框构件24的内侧鼓出部24a的接合部位在涂布了粘接剂的状态下被进行加热及加压处理。因此，粘接剂固化而得到粘接剂层26。
接着，树脂框构件24的树脂突起部24t通过进行接触的模具(未图示)进行加热及加压。作为加热方式，可以采用激光加热、红外线加热、脉冲加热或加热器加热等。因此，树脂突起部24t被加热熔融，所述树脂突起部24t浸渍到构成阳极电极20的第一气体扩散层20b而设置树脂浸渍部27。因此，制造出带有树脂框的电解质膜-电极结构体10。
如图2所示，带有树脂框的电解质膜-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，并与第一隔板14一起对带有树脂框的电解质膜-电极结构体10施加载荷。而且，发电单元12层叠规定数量而构成燃料电池堆，并且在未图示的端板之间施加有紧同载荷。
以下，对这样构成的发电单元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，并向燃料气体入口连通孔34a供给含氢气体等燃料气体。并且，向冷却介质入口连通孔32a供给纯水、乙二醇、油等冷却介质。
因此，氧化剂气体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方向移动而向阶梯MEA10a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导入第一隔板14的燃料气体流路38。燃料气体沿着燃料气体流路38向箭头B方向移动而向阶梯MEA10a的阳极电极20供给。
因此，在各阶梯MEA10a中，供给到阴极电极22的氧化剂气体与供给到阳极电极20的燃料气体在第二电极催化剂层22a和第一电极催化剂层20a内通过电化学反应被消耗而进行发电。
接着，供给到阴极电极22而被消耗了的氧化剂气体沿着氧化剂气体出口连通孔30b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向箭头A方向排出。
另外，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与第二隔板16之间的冷却介质流路40之后，向箭头B方向流通。该冷却介质在冷却了阶梯MEA10a之后，从冷却介质出口连通孔32b排出。
这种情况下，本实施方式中，裂纹28的裂纹密度为30个/mm2以下，优选为20个/mm2以下，更优选为13个/mm2以下。在此，在图8中示出裂纹密度与固体高分子电解质膜18的应力增加率的关系。若裂纹密度超过30个/mm2，则应力增加率急剧变大，在固体高分子电解质膜18上引起应力集中。在裂纹密度为20个/mm2以下时，应力增加率变化微小，而且，在裂纹密度为13个/mm2以下时，所述应力增加率大致成为恒定值。应力增加率不依赖于第一电极催化剂层20a及第二电极催化剂层22a的材料特性。
而且，本实施方式中，裂纹28彼此的间隔为0.06mm以上，优选为0.07mm以上，更优选为0.08mm以上。在图9中示出裂纹间隔与固体高分子电解质膜18的应力增加率的关系。若裂纹28彼此的间隔小于0.06mm，则应力增加率急剧变大，在固体高分子电解质膜18上引起应力集中。若裂纹间隔为0.07mm以上，则应力增加率变化微小，而且，在裂纹间隔为0.08mm以上时，所述应力增加率大致成为恒定值。应力增加率不依赖于第一电极催化剂层20a及第二电极催化剂层22a的材料特性。
这样，在本实施方式中，将裂纹密度设定得小，另一方面，将裂纹间隔设定得大。与此相对，若将裂纹密度设定得大，另一方面，将裂纹间隔设定得小，则与间隙部CL对应的第二电极催化剂层22a(框状外周缘部22aR)作为支承体的功能下降。因此，可能在固体高分子电解质膜18上产生应力集中。
由此，在本实施方式中能够得到如下这样的效果，即，良好地抑制弹性模量较低的固体高分子电解质膜18的变形，能够防止所述固体高分子电解质膜18的机械性劣化。另外，能够抑制因固体高分子电解质膜18的膨润或收缩引起的所述固体高分子电解质膜18的变形。
另外，本实施方式中，如图6所示，裂纹28c1、28c2的沿着树脂框构件24的短边的内周边24aC的长度Lc1、Lc2设定为规定值以下。具体而言，规定值为300μm以下，优选为120μm以下。另一方面，如图7所示，裂纹28b1、28b2的沿着树脂框构件24的长边的内周边24aB的长度Lb3、Lb4设定为规定值以下。具体而言，规定值为300μm以下，优选为120μm以下。
在此，在图10中示出了裂纹长度与作用于固体高分子电解质膜18上的应力的降低率(应力降低率)的关系。裂纹长度越短，应力的降低越大(降低率越小)，当所述裂纹长度成为300μm以下时，出现应力降低。而且，当裂纹长度成为120μm以下时，应力的降低显著。
如图2所示，在阶梯MEA10a中，与间隙部CL对应而从阳极电极20朝向阴极电极22施加有极间压力差引起的载荷。另外，固体高分子电解质膜18因膨润或收缩而与其他的构件相比更容易变形。
尤其是在本实施方式中，裂纹28c1、28c2的沿着树脂框构件24的内周边24aC的长度Lc1、Lc2设定为300μm以下(参照图6)。另一方面，裂纹28b1、28b2的沿着树脂框构件24的内周边24aB的长度Lb3、Lb4设定为300μm以下(参照图7)。
因此，长度Lb1、Lb2、Lc3及Lc4对应力的降低率带来的影响小，仅限制长度Lc1、Lc2、Lb3及Lb4的值即可。对于长度Lc1、Lc2、Lb3及Lb4而言，是因为固体高分子电解质膜18的变形量大，因此影响度大。
因此，通过限制在框状外周缘部22aR上形成的裂纹28c、28b的裂纹长度，从而在带有树脂框的电解质膜-电极结构体10上施加有外部载荷时，能够阻止在固体高分子电解质膜18上产生应力集中的情况。
由此，能够得到如下效果，即，良好地抑制弹性模量较低的固体高分子电解质膜18的变形，能够防止所述固体高分子电解质膜18的机械性劣化。另外，能够抑制因固体高分子电解质膜18的膨润或收缩引起的所述固体高分子电解质膜18的变形。
本实施方式中，如图3所示，在构成树脂框构件24的内侧鼓出部24a的内周端面24ae与第二气体扩散层22b的外周端部22be之间形成有间隙部CL。因此，通过在间隙部CL上形成粘接剂层26，由此能够将阶梯MEA10a与树脂框构件24牢固且良好地接合。
而且，沿着阶梯MEA10a的厚度方向而在阳极电极20的与间隙部CL对置的部位CLr中，固体高分子电解质膜18与第一电极催化剂层20a之间的密接力设定为0.2N/mm以上。
本实施方式中，向阳极电极20供给的燃料气体的供给压力被设定为比向阴极电极22供给的氧化剂气体的供给压力大的压力(例如最大200kPa左右的较大压力)。因此，在阶梯MEA10a中，在与间隙部CL对置的部位CLr，从阳极电极20朝向阴极电极22而容易施加由极间压力差引起的载荷F。另外，固体高分子电解质膜18因膨润或收缩而容易变形。
此时，在部位CLr处，固体高分子电解质膜18与第一电极催化剂层20a之间的密接力设定为0.2N/mm以上，因此所述固体高分子电解质膜18与所述第一电极催化剂层20a被牢固地固定。由此，通过简单的结构，使与间隙部CL对置的固体高分子电解质膜18和第一电极催化剂层20a之间的密接力良好地提高。
因此，在带有树脂框的电解质膜-电极结构体10上施加有载荷F时，能够可靠阻止与间隙部CL对置的固体高分子电解质膜18变形的情况。因此，能够得到可防止固体高分子电解质膜18的机械性劣化这样的效果。另外，能够抑制因固体高分子电解质膜18膨润或收缩引起的所述固体高分子电解质膜18的变形。

Claims (2)

1.一种燃料电池用带有树脂框的电解质膜-电极结构体，其具备：
阶梯MEA，其在固体高分子电解质膜的一侧的面上设有具备第一电极催化剂层及第一气体扩散层的第一电极，在所述固体高分子电解质膜的另一侧的面上设有具备第二电极催化剂层及第二气体扩散层的第二电极，并且所述第一电极的平面尺寸设定为比所述第二电极的平面尺寸大；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，
所述燃料电池用带有树脂框的电解质膜-电极结构体的特征在于，
所述树脂框构件具有向所述第二电极侧鼓出的内侧鼓出部，
在所述第二气体扩散层的外周端部与所述内侧鼓出部的内周端部之间形成有间隙部，并且，所述第二电极催化剂层具有从所述第二气体扩散层的所述外周端部向外侧延伸而配置于所述间隙部的框状外周缘部，
在所述框状外周缘部上形成的裂纹的裂纹密度为30个/mm2以下，且裂纹彼此的间隔为0.06mm以上。
2.一种燃料电池用带有树脂框的电解质膜-电极结构体，其具备：
阶梯MEA，其在固体高分子电解质膜的一侧的面上设有具备第一电极催化剂层及第一气体扩散层的第一电极，在所述固体高分子电解质膜的另一侧的面上设有具备第二电极催化剂层及第二气体扩散层的第二电极，并且所述第一电极的平面尺寸设定为比所述第二电极的平面尺寸大；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，
所述燃料电池用带有树脂框的电解质膜-电极结构体的特征在于，
所述树脂框构件具有向所述第二电极侧鼓出的内侧鼓出部，
在所述第二气体扩散层的外周端部与所述内侧鼓出部的内周端部之间形成有间隙部，并且，所述第二电极催化剂层具有从所述第二气体扩散层的所述外周端部向外侧延伸而配置于所述间隙部的框状外周缘部，
在所述框状外周缘部上形成的裂纹的沿着所述树脂框构件的内周的边的长度设定为300μm以下。
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