CN114976083A - 燃料电池单体的制造方法和燃料电池单体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料电池单体的制造方法和燃料电池单体。燃料电池单体的制造方法具有准备工序、配置工序和胶粘工序。在准备工序中，准备作为双层胶粘片的热塑性胶粘剂4，所述双层胶粘片具有第一接合层41和第二接合层42。在配置工序中，在使第一接合层41与膜电极组件21相对并且使第二接合层42与树脂框架3相对的状态下，将热塑性胶粘剂4配置在膜电极组件21与树脂框架3之间。在接合工序中，将热塑性胶粘剂4进行加热而使其增塑，进而使增塑后的热塑性胶粘剂4的温度降低而使其固化，由此经由热塑性胶粘剂4将膜电极组件21与树脂框架3胶粘。
Description
技术领域
本公开内容涉及燃料电池单体(燃料電池セル)的制造方法和燃料电池单体。
背景技术
以往以来，已知关于燃料电池单体的制造方法的发明(下述专利文献1)。在专利文献1中记载的燃料电池单体的制造方法包括胶粘剂涂布工序，其中通过丝网印刷将胶粘剂涂布在膜电极组件上。在该丝网印刷中使用的印刷版被形成为：与印刷上述膜电极组件的内侧的部分相比，印刷上述膜电极组件的外侧的部分的网眼直径更小(专利文献1的摘要、权利要求书1、第0006段等)。根据该以往的燃料电池堆的制造方法，能够防止在利用胶粘剂将膜电极组件与三层片胶粘时胶粘剂附着至载置台的情况(专利文献1的第0009段)。
现有技术文献
专利文献
[专利文献1]日本特开2020-149886号公报
发明内容
发明所要解决的问题
例如，为了避免胶粘剂的涂布斑、在胶粘剂中混入气泡等在如上述以往的燃料电池单体的制造方法那样的使用液态胶粘剂的情况下可能产生的不良情况，可以考虑使用片状的热塑性胶粘剂代替液态的胶粘剂。但是，经由片状的热塑性胶粘剂接合的膜电极组件和树脂框架的表面性状不同。因此，在使用片状的热塑性胶粘剂的情况下，存在难以对膜电极组件和树脂框架两者确保所需的接合强度的问题。
本公开内容提供能够对表面性状不同的膜电极组件和树脂框架两者确保所需的接合强度的燃料电池单体的制造方法和燃料电池单体。
用于解决问题的手段
本公开内容的一个方式为燃料电池单体的制造方法，在所述燃料电池单体中膜电极组件与树脂框架经由片状的热塑性胶粘剂而胶粘，其特征在于，所述燃料电池单体的制造方法具有：准备工序，其中，准备双层胶粘片作为所述热塑性胶粘剂，所述双层胶粘片具有第一接合层和第二接合层，所述第一接合层对所述膜电极组件的接合性比所述第一接合层对所述树脂框架的接合性更良好，所述第二接合层对所述树脂框架的接合性比所述第二接合层对所述膜电极组件的接合性更良好；配置工序，其中，在使所述第一接合层与所述膜电极组件相对并且使所述第二接合层与所述树脂框架相对的状态下，将所述双层胶粘片配置在所述膜电极组件与所述树脂框架之间；和胶粘工序，其中，将在所述配置工序中配置在所述膜电极组件与所述树脂框架之间的所述双层胶粘片进行加热而使其增塑，进而使增塑后的所述双层胶粘片的温度降低而使其固化，由此经由所述热塑性胶粘剂将所述膜电极组件与所述树脂框架胶粘。
在上述方式的燃料电池单体的制造方法中，所述配置工序可以包括：将所述双层胶粘片载置在所述膜电极组件上的工序和将所述树脂框架载置在已载置在所述膜电极组件上的所述双层胶粘片上的工序。
在上述方式的燃料电池单体的制造方法中，所述第一接合层可以由包含酰胺基的热塑性树脂构成，所述第二接合层可以由烯烃类的热塑性树脂构成。
另外，本公开内容的一个方式为一种燃料电池单体，其中膜电极组件和树脂框架经由片状的热塑性胶粘剂而胶粘，其特征在于，所述热塑性胶粘剂为双层胶粘片，所述双层胶粘片具有第一接合层和第二接合层，所述第一接合层对所述膜电极组件的接合性比所述第一接合层对所述树脂框架的接合性更良好，所述第二接合层对所述树脂框架的接合性比所述第二接合层对所述膜电极组件的接合性更良好，在所述膜电极组件与所述第一接合层接合并且所述树脂框架与所述第二接合层接合的状态下，所述膜电极组件与所述树脂框架经由所述双层胶粘片而胶粘。
发明效果
根据本公开内容的上述方式能够提供能够对表面性状不同的膜电极组件和树脂框架两者确保所需的接合强度的燃料电池单体的制造方法和燃料电池单体。
附图说明
图1为表示本公开内容涉及的燃料电池单体的一个实施方式的示意性俯视图。
图2为表示将图1的燃料电池单体的隔板拆下后的状态的俯视图。
图3为沿图1的III-III线的燃料电池单体的放大截面图。
图4为表示本公开内容涉及的燃料电池单体的制造方法的一个实施方式的流程图。
图5为表示图4的燃料电池单体的制造方法中的配置工序的详细情况的流程图。
符号说明
1 燃料电池单体
21 膜电极组件(MEA)
3 树脂框架
4 热塑性胶粘剂(双层胶粘片)
41 第一接合层
42 第二接合层
M 燃料电池单体的制造方法
P1 准备工序
P2 配置工序
P21 载置双层胶粘片的工序
P22 载置树脂框架的工序
P3 胶粘工序
具体实施方式
以下，参照附图对本公开内容涉及的燃料电池单体的制造方法和燃料电池单体的实施方式进行说明。以下，首先对本公开内容涉及的燃料电池单体的实施方式进行说明，接着，对该燃料电池单体的制造方法进行说明。
(燃料电池单体)
图1为表示本公开内容涉及的燃料电池单体1的一个实施方式的示意性俯视图。图2为表示将图1的燃料电池单体1的隔板5拆下后的状态的俯视图。图3为沿图1的III-III线的燃料电池单体1的放大截面图。
燃料电池单体1例如具有：膜电极气体扩散层组件(Membrane Electrode and GasDiffusion Layer Assembly：以下简称为“MEGA”)2、树脂框架3、热塑性胶粘剂4、阴极(カソード)侧隔板5和阳极(アノード)侧隔板6。虽然省略了图示，但通过将多个燃料电池单体1层叠而构成燃料电池堆，使用该燃料电池堆制造燃料电池。
MEGA2包含：膜电极组件(Membrane Electrode Assembly：以下，简称为“MEA”)21、阴极侧气体扩散层(Gas Diffusion Layer：以下，简称为“GDL”)22和阳极侧GDL23。
MEA21包含电解质膜21a、阴极侧催化剂层21b和阳极侧催化剂层21c。阴极侧催化剂层21b与电解质膜21a的一个面接合，阳极侧催化剂层21c与电解质膜21a的另一个面接合。
电解质膜21a例如为离子交换膜，所述离子交换膜由作为固体高分子材料(全氟磺酸(PFSA)离聚物等)的高分子电解质树脂形成，并且将具有离子传导性的高分子膜作为电解质。电解质膜21a阻止电子和气体的流通，并且具有使质子从阳极侧催化剂层21c向阴极侧催化剂层21b移动的功能。
阴极侧催化剂层21b利用胶粘剂与阴极侧GDL22胶粘。阴极侧催化剂层21b包含负载了铂、铂合金等催化剂的导电性的载体，例如包含电极催化剂层，所述电极催化剂层通过利用具有质子传导性的离聚物将负载催化剂的碳粒子等碳粒子包覆而形成。
离聚物包含高分子电解质树脂，所述高分子电解质树脂为与电解质膜21a同样性质的氟类树脂等固体高分子材料。离聚物通过具有离子交换基团而具有质子传导性。阴极侧催化剂层21b具有由质子、电子和氧生成水的功能。
阳极侧催化剂层21c由与阴极侧催化剂层21b相同的材料形成，但与阴极侧催化剂层21b不同，具有将氢气(H2)分解为质子和电子的功能。阳极侧催化剂层21c形成得比阴极侧催化剂层21b大，夹着电解质膜21a与树脂框架3相对地层叠。另外，阳极侧催化剂层21c隔着电解质膜21a和阴极侧催化剂层21b与阴极侧GDL22相对地层叠。
阴极侧GDL22由具有透气性和导电性的材料，例如碳纸等碳纤维、石墨纤维等多孔的纤维基材形成。阴极侧GDL22与阴极侧催化剂层21b的外侧接合，具有使作为氧化剂气体的空气扩散而变得均匀并遍布阴极侧催化剂层21b的功能。
阳极侧GDL23与阴极侧GDL22同样由具有透气性和导电性的材料，例如碳纸等碳纤维、石墨纤维等多孔的纤维基材形成。阳极侧GDL23与阳极侧催化剂层21c的外侧接合，具有使作为燃料气体的氢气扩散而变得均匀并遍布阳极侧催化剂层21c的功能。
树脂框架3例如如图2所示，形成为矩形框状，在中央具有矩形的开口部3a。树脂框架3例如如图3所示为具有芯材31、在芯材31的一个面上形成的胶粘层32、和在芯材31的另一个面上形成的胶粘层33的三层结构的三层片。
作为芯材31的材料，例如可以使用聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等热塑性的合成树脂。胶粘层32、33例如具有比电解质膜21a高的刚性、弹性和粘性。作为胶粘层32、33的材料，例如可以使用包含聚丙烯(PP)、环氧树脂的胶粘剂。
树脂框架3经由一个胶粘层32胶粘在阴极侧隔板5上，并经由另一个胶粘层33胶粘在阳极侧隔板6上。另外，树脂框架3经由热塑性胶粘剂4与在MEGA2的端部露出的MEA21胶粘。树脂框架3防止交叉泄漏、催化剂电极彼此的电短路。交叉泄漏为燃料电极的氢气(H2)、空气电极的氧气(O2)等微量的气体通过电解质膜21a而泄漏的现象。
热塑性胶粘剂4例如配置在MEA21与树脂框架3之间，将该MEA21与树脂框架3胶粘。热塑性胶粘剂4例如设置成与树脂框架3的开口部3a的形状对应的矩形框状或画框状。如图3所示，热塑性胶粘剂4的外缘部配置在树脂框架3的开口部3a的外侧的区域，热塑性胶粘剂4的内缘部配置在树脂框架3的开口部3a的内侧的区域。
热塑性胶粘剂4覆盖着在MEGA2的外缘部露出的MEA21。更详细而言，MEGA2的外缘部为配置在树脂框架3的开口部3a的内侧的MEGA2的发电部的外侧的部分。在MEGA2的外缘部，阴极侧GDL22被除去从而MEA21的阴极侧催化剂层21b露出。
热塑性胶粘剂4例如从(作为树脂框架3的开口部3a的内侧的区域的)MEGA2的发电部的内侧延伸至(作为在该发电部的外侧除去了阴极侧气体扩散层22而得的部分的)MEGA2的外缘部。由此，热塑性胶粘剂4覆盖着在树脂框架3的开口部3a的内侧在MEGA2的外缘部露出的膜电极组件21的阴极侧催化剂层21b的整个表面。
热塑性胶粘剂4例如为具有第一接合层41和第二接合层42的双层结构的双层胶粘片。热塑性胶粘剂4例如在被加热而增塑之前的状态下以片状形成。在将热塑性胶粘剂4配置在树脂框架3与膜电极组件21之间的状态下将其加热而使其增塑，然后降低温度而使其固化，由此经由热塑性胶粘剂4将树脂框架3与膜电极组件21加热熔接。
热塑性胶粘剂4的第一接合层41对MEA21的接合性比对树脂框架3的接合性更良好。更详细而言，第一接合层41例如对MEA21的阴极侧催化剂层21b的接合性比对树脂框架3的胶粘层33的接合性更良好。第一接合层41例如由包含容易与磺基结合的酰胺基的热塑性树脂构成。更具体而言，第一接合层41例如将聚酰胺类(尼龙类)的树脂材料作为主材料。
热塑性胶粘剂4的第二接合层42对树脂框架3的接合性比对膜电极组件21的接合性更良好。更详细而言，第二接合层42例如对树脂框架3的胶粘层33的接合性比对MEA21的阴极侧催化剂层21b的接合性更良好。第二接合层42例如由烯烃类热塑性树脂构成。更具体而言，第二接合层42例如将聚乙烯、聚丙烯等树脂材料作为主材料。需要说明的是，对第一接合层41与第二接合层42的接合方法没有特别限制。
阴极侧隔板5由钢板、不锈钢板和铝板等金属板形成。阴极侧隔板5与阴极侧GDL22和树脂框架3胶粘，形成使作为氧化剂气体的空气沿着阴极侧GDL22的表面流动的氧化剂气体流路。在阴极侧隔板5的表面上形成有钛(Ti)薄膜，在钛薄膜上形成有碳层。
阳极侧隔板6与阴极侧隔板5同样地由钢板、不锈钢板和铝板等金属板形成。阳极侧隔板6与阳极侧GDL23和树脂框架3接合，形成使作为燃料气体的氢气沿着阳极侧GDL23的表面流动的燃料气体流路。阳极侧隔板6与阴极侧隔板5同样地在表面上形成有钛(Ti)薄膜，在钛薄膜上形成有碳层。
(燃料电池单体的制造方法)
图4为表示本公开内容涉及的燃料电池单体的制造方法的一个实施方式的流程图。本实施方式的燃料电池单体的制造方法M是经由片状的热塑性胶粘剂4将MEA21和树脂框架3胶粘而得到的燃料电池单体1的制造方法。本实施方式的燃料电池单体的制造方法M具有准备工序P1、配置工序P2和胶粘工序P3。
准备工序P1为准备双层结构的双层胶粘片作为热塑性胶粘剂4的工序。如上所述，作为双层胶粘片的热塑性胶粘剂4具有第一接合层41和第二接合层42，所述第一接合层41对膜电极组件21的接合性比对树脂框架3的接合性更良好，所述第二接合层42对树脂框架3的接合性比对MEA21的接合性更良好。当热塑性胶粘剂4的准备完成从而准备工序P1结束时，实施配置工序P2。
配置工序P2为将作为双层胶粘片的热塑性胶粘剂4配置在MEA21与树脂框架3之间的工序。在该配置工序P2中，在使第一接合层41与MEA21相对并且使第二接合层42与树脂框架3相对的状态下，将热塑性胶粘剂4配置在膜电极组件21与树脂框架3之间。
图5为表示图4的燃料电池单体的制造方法M中的配置工序P2的一例的流程图。配置工序P2例如包括工序P21和工序P22，在所述工序P21中，将作为双层胶粘片的热塑性胶粘剂4载置在MEA21上；在工序P22中，将树脂框架3载置在已载置在MEA21上的作为双层胶粘片的热塑性胶粘剂4上。由此，将作为双层胶粘片的热塑性胶粘剂4配置在MEA21与树脂框架3之间。在配置工序P2结束后，实施胶粘工序P3。
胶粘工序P3为经由热塑性胶粘剂4将MEA21与树脂框架3胶粘的工序。在该胶粘工序P3中，将在配置工序P2中配置在MEA21与树脂框架3之间的作为双层胶粘片的热塑性胶粘剂4加热而使其增塑，进而使增塑后的双层胶粘片的温度降低而其固化。由此，经由热塑性胶粘剂4将MEA21和树脂框架3热熔接而使其胶粘。
然后，使经由热塑性胶粘剂4胶粘有树脂框架3的MEGA2的阴极侧GDL22与阴极侧隔板5相对，并且使MEGA2的阳极侧GDL23与阳极侧隔板6相对。然后，通过将MEGA2与阴极侧隔板5和阳极侧隔板6接合，制造燃料电池单体1。
以下，对本实施方式的燃料电池单体的制造方法M和燃料电池单体1的作用进行说明。
在上述专利文献1中记载的以往的燃料电池单体的制造方法中，使用液态的胶粘剂将膜电极组件与树脂框架胶粘。但是，液态的胶粘剂有可能产生涂布斑、混入气泡。另外，当在胶粘剂中产生涂布斑或混入气泡时，胶粘剂局部地缺损，有可能交叉泄漏、降低膜电极组件的耐久性。
为了解决这样的问题，可考虑使用片状的热塑性胶粘剂代替液态的胶粘剂。但是，经由片状的热塑性胶粘剂接合的膜电极组件和树脂框架的表面性状不同。因此，在使用片状的热塑性胶粘剂的情况下，对膜电极组件和树脂框架两者难以确保所需的接合强度。
与此相对，本实施方式的燃料电池单体的制造方法M如上所述是经由片状的热塑性胶粘剂4将膜电极组件21与树脂框架3胶粘而得到的燃料电池单体1的制造方法。燃料电池单体的制造方法M如上所述具有准备工序P1、配置工序P2和胶粘工序P3。准备工序P1为准备双层胶粘片作为热塑性胶粘剂4的工序，所述双层胶粘片具有第一接合层41和第二接合层42，所述第一接合层41对膜电极组件21的接合性比对树脂框架3的接合性更良好；所述第二接合层42对树脂框架3的接合性比对膜电极组件21的接合性更良好。配置工序P2为在使第一接合层41与膜电极组件21相对并且使第二接合层42与树脂框架3相对的状态下，将热塑性胶粘剂4配置在膜电极组件21与树脂框架3之间的工序。胶粘工序P3为将在配置工序P2中配置在膜电极组件21与树脂框架3之间的热塑性胶粘剂4加热而使其增塑，进而降低增塑后的热塑性胶粘剂4的温度而使其固化，由此经由热塑性胶粘剂4将膜电极组件21与树脂框架3胶粘的工序。
根据本实施方式的燃料电池单体的制造方法M，经由片状的热塑性胶粘剂4将膜电极组件21与树脂框架3热熔接而接合，由此能够防止在使用液态的胶粘剂的情况下可能产生的胶粘剂的缺损。因此，根据本实施方式的燃料电池单体的制造方法M，与在膜电极组件21与树脂框架3的接合中使用液态的胶粘剂的情况相比，能够更可靠地防止交叉泄漏，从而提高膜电极组件21的耐久性。
此外，根据本实施方式的燃料电池单体的制造方法M，如上所述，使用双层胶粘片作为热塑性胶粘剂4，所述双层胶粘片具有第一接合层41和第二接合层42，所述第一接合层41对膜电极组件21的接合性良好；所述第二接合层42对树脂框架3的接合性良好。由此，热塑性胶粘剂4能够对表面性状不同的膜电极组件21和树脂框架3两者确保所需的接合强度。因此，根据本实施方式的燃料电池单体的制造方法M，能够使热塑性胶粘剂4与膜电极组件21和树脂框架3两者密合接合，提供具有电绝缘性的密封。
另外，在本实施方式的燃料电池单体的制造方法M中，配置工序P2包括工序P21和工序P22，在工序P21中，将作为双层胶粘片的热塑性胶粘剂4载置在膜电极组件21上；在工序P22中，将树脂框架3载置在已载置在膜电极组件21上的热塑性胶粘剂4上。通过这样的构成，在使热塑性胶粘剂4的第一接合层41与膜电极组件21相对并且使热塑性胶粘剂4的第二接合层42与树脂框架3相对的状态下，容易将热塑性胶粘剂4配置在膜电极组件21与树脂框架3之间。
另外，在本实施方式的燃料电池单体的制造方法M中，热塑性胶粘剂4的第一接合层41由包含酰胺基的热塑性树脂构成，热塑性胶粘剂4的第二接合层42由烯烃类的热塑性树脂构成。通过这样的构成，能够将热塑性胶粘剂4的第一接合层41牢固地接合在膜电极组件21上，并且将热塑性胶粘剂4的第二接合层42牢固地接合在树脂框架3上。因此，根据本实施方式的燃料电池单体的制造方法M能够防止树脂框架3与膜电极组件21剥离。
另外，本实施方式的燃料电池单体1经由片状的热塑性胶粘剂4将膜电极组件21与树脂框架3胶粘。热塑性胶粘剂4为具有第一接合层41和第二接合层42的双层胶粘片，所述第一接合层41对膜电极组件21的接合性比所述第一接合层41对树脂框架3的接合性更良好；所述第二接合层42对树脂框架3的接合性比所述第二接合层42对膜电极组件21的接合性更良好。在燃料电池单体1中，在膜电极组件21与第一接合层41接合并且树脂框架3与第二接合层42接合的状态下，膜电极组件21与树脂框架3经由作为双层胶粘片的热塑性胶粘剂4而胶粘。
根据本实施方式的燃料电池单体1，膜电极组件21和树脂框架3经由片状的热塑性胶粘剂4通过热熔接而接合，因此能够防止在使用液态的胶粘剂的情况下可能产生的胶粘剂的缺损。因此，根据本实施方式的燃料电池单体1，与在膜电极组件21与树脂框架3的接合中使用液态的胶粘剂的情况相比，能够更可靠地防止交叉泄漏来提高膜电极组件21的耐久性。
此外，根据本实施方式的燃料电池单体1，如上所述，使用具有第一接合层41和第二接合层42的双层胶粘片作为热塑性胶粘剂4，所述第一接合层41对膜电极组件21的接合性良好；所述第二接合层42对树脂框架3的接合性良好。由此，热塑性胶粘剂4能够对表面性状不同的膜电极组件21和树脂框架3两者确保所需的接合强度。因此，根据本实施方式的燃料电池单体1，能够使热塑性胶粘剂4与膜电极组件21和树脂框架3两者密合接合，提供具有电绝缘性的密封。
另外，在本实施方式的燃料电池单体1中，膜电极组件21的阴极侧催化剂层21b在MEGA2的外缘部露出，该露出的阴极侧催化剂层21b被热塑性胶粘剂4覆盖。像这样，通过利用热塑性胶粘剂4覆盖更多的生成水的阴极侧催化剂层21b，抑制了酰胺键的水解，并且抑制了膜电极组件21的溶胀，MEGA2的耐久性提高。
如以上说明的那样，根据本实施方式，能够提供能够对表面性状不同的膜电极组件21和树脂框架3两者确保所需的接合强度的燃料电池单体的制造方法M和燃料电池单体1。
以上，使用附图对本公开内容涉及的燃料电池单体的制造方法和燃料电池单体的实施方式详细进行了说明，但具体的构成不限于该实施方式，即使有不脱离本公开内容的主旨的范围内的设计变更等，这些也包括在本公开内容中。
Claims (4)
1.一种燃料电池单体的制造方法，在所述燃料电池单体中膜电极组件与树脂框架经由片状的热塑性胶粘剂而胶粘，其特征在于，所述制造方法具有：
准备工序，其中，准备双层胶粘片作为所述热塑性胶粘剂，所述双层胶粘片具有第一接合层和第二接合层，所述第一接合层对所述膜电极组件的接合性比所述第一接合层对所述树脂框架的接合性更良好，所述第二接合层对所述树脂框架的接合性比所述第二接合层对所述膜电极组件的接合性更良好；
配置工序，其中，在使所述第一接合层与所述膜电极组件相对并且使所述第二接合层与所述树脂框架相对的状态下，将所述双层胶粘片配置在所述膜电极组件与所述树脂框架之间；和
胶粘工序，其中，将在所述配置工序中配置在所述膜电极组件与所述树脂框架之间的所述双层胶粘片进行加热而使其增塑，进而使增塑后的所述双层胶粘片的温度降低而使其固化，由此经由所述热塑性胶粘剂将所述膜电极组件与所述树脂框架胶粘。
2.权利要求书1所述的燃料电池单体的制造方法，其特征在于，所述配置工序包括：将所述双层胶粘片载置在所述膜电极组件上的工序和将所述树脂框架载置在已载置在所述膜电极组件上的所述双层胶粘片上的工序。
3.如权利要求书1所述的燃料电池单体的制造方法，其特征在于，所述第一接合层由包含酰胺基的热塑性树脂构成，
所述第二接合层由烯烃类的热塑性树脂构成。
4.一种燃料电池单体，其中膜电极组件和树脂框架经由片状的热塑性胶粘剂而胶粘，其特征在于，
所述热塑性胶粘剂为双层胶粘片，所述双层胶粘片具有第一接合层和第二接合层，所述第一接合层对所述膜电极组件的接合性比所述第一接合层对所述树脂框架的接合性更良好；所述第二接合层对所述树脂框架的接合性比所述第二接合层对所述膜电极组件的接合性更良好，
在所述膜电极组件与所述第一接合层接合并且所述树脂框架与所述第二接合层接合的状态下，所述膜电极组件与所述树脂框架经由所述双层胶粘片而胶粘。
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