CN115347213A - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够抑制应变应力的产生的燃料电池。该燃料电池的特征在于，其具备膜电极气体扩散层接合体、树脂框架、第1隔离件以及第2隔离件，上述树脂框架具有能够配置上述膜电极气体扩散层接合体的开口部、和包围该开口部的骨架部，上述第2隔离件在与上述树脂框架抵接的抵接部位并且与上述骨架部的内周缘部对置的区域的四角具备凸部，上述第2隔离件在上述凸部咬入于上述树脂框架的状态下与上述树脂框架抵接，或者上述第2隔离件在与上述树脂框架抵接的抵接部位并且与上述骨架部的内周缘部对置的区域的四角具备粘合剂，上述第2隔离件经由上述粘合剂与上述树脂框架接合。

Description

燃料电池
技术领域
本公开涉及燃料电池。
背景技术
燃料电池(FC)是由一个单电池(以下，存在记载为单元的情况)或者将多个单电池层叠而成的燃料电池组(以下，存在仅记载为电池堆的情况)构成并通过氢等燃料气体与氧等氧化剂气体的电化学反应而取出电能量的发电装置。此外，实际上向燃料电池供给的燃料气体和氧化剂气体是与无有助氧化·还原的气体的混合物的情况较多。特别是氧化剂气体是包含氧的空气的情况较多。
此外，以下，也存在不特别地区别燃料气体、氧化剂气体而简称为“反应气体”或者“气体”的情况。另外，存在将单电池和层叠单电池而成的燃料电池组都称为燃料电池的情况。
该燃料电池的单电池通常具备膜电极接合体(MEA：Membrane ElectrodeAssembly)。
膜电极接合体具有在固体高分子型电解质膜(以下，也简称为“电解质膜”或者“膜”)的两面分别依次形成有催化剂层和气体扩散层(GDL，以下存在仅记载为扩散层的情况)的构造。因此，膜电极接合体存在被称为膜电极气体扩散层接合体(MEGA)的情况。
单电池根据需要具有夹持该膜电极气体扩散层接合体的两面的两片隔离件。隔离件通常具有在与气体扩散层接触的面形成有作为反应气体的流路的槽的构造。此外，该隔离件具有电子传导性，也作为发电的电气的集电体发挥功能。
在燃料电池的燃料极(阳极)，作为从气体流路和气体扩散层供给的燃料气体的氢(H2)通过催化剂层的催化剂作用而质子化，通过电解质膜并向氧化剂极(阴极)移动。同时生成的电子通过外部电路而做功，并向阴极移动。作为向阴极供给的氧化剂气体的氧(O2)在阴极的催化剂层与质子及电子反应而生成水。生成的水对电解质膜给予适度的湿度，多余的水透过气体扩散层，并被向系统外排出。
在燃料电池中，为了防止燃料气体、氧化剂气体的泄漏，提出有将膜电极接合体与密封部件一体地形成的技术。
例如在专利文献1中公开有在燃料电池组中防止密封垫圈一体型MEA的电解质膜与密封部件的剥离的技术。
在专利文献2中公开有在使用粘合剂的燃料电池中减少粘合剂中的气泡的燃料电池。
在专利文献3中公开有兼备防止外部漏泄的优异的气体密封性、与优异的电绝缘性的燃料电池。
在专利文献4中公开有能够提高框部件中的与隔离件的缓冲部对置的部位的刚性并能够实现制造成本的低廉化的带框电解质膜·电极结构体的制造方法、带框电解质膜·电极结构体以及燃料电池。
专利文献1：日本特开2008-034156号公报
专利文献2：日本特开2018-073523号公报
专利文献3：日本特开2016-085892号公报
专利文献4：日本特开2020-119885号公报
为了搭载燃料电池的空间的方便，一般使燃料电池为立方体。
由此，膜电极接合体也成为四边形，在上述专利文献1中所具备的树脂框架也成为沿着膜电极接合体的外周的形状，因此成为有开口部的四边形。在燃料电池变为低温并且树脂框架暴露于低温后，因由热收缩引起的变形而在开口部的4角部分集中地产生应变应力，由此产生树脂框架开裂的课题。
发明内容
本公开是鉴于上述实际情况而完成的，其主要目的在于提供一种能够抑制应变应力的产生的燃料电池。
本公开的燃料电池的特征在于，
上述燃料电池具备膜电极气体扩散层接合体、树脂框架、第1隔离件以及第2隔离件，
上述膜电极气体扩散层接合体依次具有第1气体扩散层、第1催化剂层、电解质膜、第2催化剂层以及第2气体扩散层，
上述膜电极气体扩散层接合体是大致长方形，
上述树脂框架配置于上述膜电极气体扩散层接合体的外周，并且配置于上述第1隔离件与上述第2隔离件之间，
上述树脂框架具有能够配置上述膜电极气体扩散层接合体的开口部、和包围该开口部的骨架部，
上述第2隔离件在与上述树脂框架抵接的抵接部位并且与上述骨架部的内周缘部对置的区域的四角具备凸部，上述第2隔离件在上述凸部咬入于上述树脂框架的状态下与上述树脂框架抵接，或者
上述第2隔离件在与上述树脂框架抵接的抵接部位并且与上述骨架部的内周缘部对置的区域的四角具备粘合剂，上述第2隔离件经由上述粘合剂与上述树脂框架接合。
也可以构成为：在本公开的燃料电池的基础上，上述第2隔离件在与上述树脂框架抵接的抵接部位并且与上述骨架部的内周缘部对置的区域的四角具备凸部，并且
上述第2隔离件在与上述树脂框架抵接的抵接部位并且与上述骨架部的内周缘部对置的区域的四角具备粘合剂，
上述第2隔离件在上述凸部咬入于上述树脂框架的状态下与上述树脂框架抵接，并且上述第2隔离件经由上述粘合剂与上述树脂框架接合。
根据本公开的燃料电池，能够抑制应变应力的产生。
附图说明
图1是表示本公开的燃料电池的一个例子的示意图。
图2是表示本公开的燃料电池的一个例子的剖面示意图，并且是表示树脂框架的骨架部的内周缘部的4个角部中的1个角部的附近的一个例子的图。
附图标记说明
50…第1隔离件；51…膜电极气体扩散层接合体；52…树脂框架；53…第2隔离件；54…凸部(和/或粘合剂)；55…开口部；56…隅；100…燃料电池。
具体实施方式
本公开的燃料电池的特征在于，
上述燃料电池具备膜电极气体扩散层接合体、树脂框架、第1隔离件以及第2隔离件，
上述膜电极气体扩散层接合体依次具有第1气体扩散层、第1催化剂层、电解质膜、第2催化剂层以及第2气体扩散层，
上述膜电极气体扩散层接合体是大致长方形，
上述树脂框架配置于上述膜电极气体扩散层接合体的外周，并且配置于上述第1隔离件与上述第2隔离件之间，
上述树脂框架具有能够配置上述膜电极气体扩散层接合体的开口部和包围该开口部的骨架部，
上述第2隔离件在与上述树脂框架抵接的抵接部位并且与上述骨架部的内周缘部对置的区域的四角具备凸部，上述第2隔离件在上述凸部咬入于上述树脂框架的状态下与上述树脂框架抵接，或者
上述第2隔离件在与上述树脂框架抵接的抵接部位并且与上述骨架部的内周缘部对置的区域的四角具备粘合剂，上述第2隔离件经由上述粘合剂与上述树脂框架接合。
根据本公开，通过作为与该树脂框架抵接的部件的隔离件，利用(1)楔形效应、或者(2)粘合效果来约束树脂框架，减少由树脂框架本身的热收缩引起的变形。
根据本公开，利用(1)或者(2)，能够减少在树脂框架的骨架部的内周缘部的4角部分产生了应变应力时的应变变形。并且通过上述(1)和(2)的组合，能够进一步减少应变变形。
根据本公开，不贯通树脂框架而使隔离件局部嵌入于树脂框架，由此能够抑制电极间的交叉漏泄的产生并且抑制树脂框架本身的平面方向的活动。
在本公开中，将燃料气体和氧化剂气体统称为反应气体。向阳极供给的反应气体是燃料气体，向阴极供给的反应气体是氧化剂气体。燃料气体是主要含有氢的气体，也可以是氢。氧化剂气体也可以是氧、空气、干燥空气等。
燃料电池通常具有单电池。
燃料电池可以仅具有一个单电池，也可以是作为将多个单电池层叠而成的层叠体的燃料电池组。
单电池的层叠数并不特别地限定，例如，可以是2～数百个，可以是2～600个，也可以是2～200个。
燃料电池组也可以在单电池的层叠方向的两端具备端板。
燃料电池的单电池具备膜电极气体扩散层接合体、树脂框架、第1隔离件以及第2隔离件。
膜电极气体扩散层接合体(MEGA)依次具有第1气体扩散层、第1催化剂层、电解质膜、第2催化剂层以及第2气体扩散层。
具体而言，膜电极气体扩散层接合体依次具有阳极侧气体扩散层、阳极催化剂层、电解质膜、阴极催化剂层以及阴极侧气体扩散层。
膜电极气体扩散层接合体是大致长方形。
第1催化剂层和第2催化剂层的一方是阴极催化剂层，另一方是阳极催化剂层。
阴极(氧化剂极)包括阴极催化剂层和阴极侧气体扩散层。
阳极(燃料极)包括阳极催化剂层和阳极侧气体扩散层。
将第1催化剂层和第2催化剂层统称为催化剂层。将阴极催化剂层和阳极催化剂层统称为催化剂层。
第1气体扩散层和第2气体扩散层的一方是阴极侧气体扩散层，另一方是阳极侧气体扩散层。
在第1催化剂层是阴极催化剂层的情况下，第1气体扩散层是阴极侧气体扩散层，在第1催化剂层是阳极催化剂层的情况下，第1气体扩散层是阳极侧气体扩散层。从减少成本的观点出发，第1气体扩散层也可以是阴极侧气体扩散层。
在第2催化剂层是阴极催化剂层的情况下，第2气体扩散层是阴极侧气体扩散层，在第2催化剂层是阳极催化剂层的情况下，第2气体扩散层是阳极侧气体扩散层。
将第1气体扩散层和第2气体扩散层统称为气体扩散层或者扩散层。将阴极侧气体扩散层和阳极侧气体扩散层统称为气体扩散层或者扩散层。
在膜电极气体扩散层接合体的俯视时，第1气体扩散层的周边部也可以配置于第1催化剂层、电解质膜、第2催化剂层的各周边部的外侧。即，第1气体扩散层的面积大于第1催化剂层、电解质膜、第2催化剂层的面积。第1气体扩散层的面积也可以与第2气体扩散层的面积相同，也可以大于第2气体扩散层的面积。
气体扩散层也可以是具有透气性的导电性部件等。
作为导电性部件，例如能够举出碳布和碳纸等碳多孔质体、和金属网及发泡金属等金属多孔质体等。
燃料电池也可以在催化剂层与气体扩散层之间具有微孔层(MPL)。微孔层也可以包含PTFE等疏水性树脂与炭黑等导电性材料的混合物。
电解质膜也可以是固体高分子电解质膜。作为固体高分子电解质膜，例如能够举出包含水分的全氟磺酸的薄膜等氟类电解质膜、和烃类电解质膜等。作为电解质膜，例如也可以是全氟磺酸膜(杜邦公司制)等。
树脂框架配置于膜电极气体扩散层接合体的外周，并且配置于第1隔离件与第2隔离件之间。
树脂框架具有能够配置膜电极气体扩散层接合体的开口部、和包围该开口部的骨架部。
骨架部是与膜电极气体扩散层接合体连接的树脂框架的主要部分。
在本公开中，骨架部也可以是树脂框架的开口部以外的区域
开口部是膜电极气体扩散层接合体的保持区域，是为了收纳膜电极气体扩散层接合体而将骨架部的一部分贯通的贯通孔。开口部只要在树脂框架中配置于在膜电极气体扩散层接合体的周围(外周部)配置骨架部的位置即可，也可以在树脂框架的中央具有开口部。
树脂框架的开口部的面积也可以是能够配置膜电极气体扩散层接合体的大小。
对于树脂框架而言，在树脂框架和膜电极气体扩散层接合体的俯视时，树脂框架的骨架部的内周缘部也可以配置于比第2气体扩散层的周边部靠外侧的位置。即，树脂框架的开口部的面积也可以大于第2气体扩散层的面积。
树脂框架的开口部的面积可以与第1气体扩散层的面积相同，可以小于第1气体扩散层的面积，也可以大于第1气体扩散层的面积。在树脂框架的开口部的面积小于第1气体扩散层的面积的情况下，膜电极气体扩散层接合体的第1气体扩散层的周边部也可以从开口部向面方向突出。
树脂框架也可以具有供给孔和排出孔。
供给孔和排出孔使反应气体和制冷剂等流体向单电池的层叠方向流通。树脂框架的供给孔也可以以与隔离件的供给孔连通的方式对位配置。树脂框架的排出孔也可以以与隔离件的排出孔连通的方式对位配置。
树脂框架也可以包括框状的芯层、设置于芯层的两面的框状的两个壳层、即、第1壳层和第2壳层。
第1壳层和第2壳层也可以与芯层相同地在芯层的两面设置为框状。
芯层只要是具有气体密封性、绝缘性的构造部件即可，也可以由即使在燃料电池的制造工序中的热压时的温度条件下构造也不变化的材料形成。具体而言，芯层的材料例如也可以是聚乙烯、聚丙烯、PC(聚碳酸酯)、PPS(聚苯硫醚)、PET(聚对苯二甲酸)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PA(聚酰胺)、PI(聚酰亚胺)、PS(聚苯乙烯)、PPE(聚苯醚)、PEEK(聚醚醚酮)、环烯烃、PES(聚醚砜)、PPSU(聚苯砜)、LCP(液晶聚合物)、环氧树脂等树脂等。芯层的材料也可以是EPDM(三元乙丙橡胶)、氟类橡胶、硅系橡胶等橡胶材料。
从担保绝缘性的观点出发，芯层的厚度可以是5μm以上，也可以是30μm以上，从减少单元厚度的观点出发，可以是100μm以下，也可以是90μm以下。
第1壳层和第2壳层为了将芯层与阳极侧隔离件及阴极侧隔离件粘合来确保密封性而具有与其他的物质的粘合性较高、在热压时的温度条件下软化、并且粘度和熔点比芯层低的性质。具体而言，第1壳层和第2壳层可以是聚酯系和改性烯烃系等热塑性树脂，也可以是作为改性环氧树脂的热固化性树脂。第1壳层和第2壳层也可以是与粘合剂层相同种类的树脂。
构成第1壳层的树脂与构成第2壳层的树脂可以是相同种类的树脂，也可以是不同种类的树脂。通过在芯层的两面设置壳层，从而树脂框架与两个隔离件之间的基于加热冲压的粘合变得容易。
从担保粘合性的观点出发，第1壳层与第2壳层的各自的壳层的厚度可以是5μm以上，也可以是30μm以上，从减少单元厚度的观点出发，可以是100μm以下，也可以是40μm以下。
在树脂框架，第1壳层和第2壳层可以分别仅设置于与阳极侧隔离件及阴极侧隔离件粘合的部分。设置于芯层的一个面的第1壳层也可以与阴极侧隔离件粘合。设置于芯层的另一面的第2壳层也可以与阳极侧隔离件粘合。而且，树脂框架也可以被一对隔离件夹持。
第1隔离件与第2隔离件的一方是阴极侧隔离件，另一方是阳极侧隔离件。
在第1催化剂层是阴极催化剂层的情况下，第1隔离件是阴极侧隔离件，在第1催化剂层是阳极催化剂层的情况下，第1隔离件是阳极侧隔离件。
在第2催化剂层是阴极催化剂层的情况下，第2隔离件是阴极侧隔离件，在第2催化剂层是阳极催化剂层的情况下，第2隔离件是阳极侧隔离件。
将第1隔离件和第2隔离件统称为隔离件。将阳极侧隔离件和阴极侧隔离件统称为隔离件。
膜电极气体扩散层接合体被第1隔离件和第2隔离件夹持。
隔离件也可以具有用于使反应气体和制冷剂等流体向单电池的层叠方向流通的供给孔和排出孔。作为制冷剂，为了防止低温时的冻结，例如能够使用乙二醇与水的混合溶液。
供给孔能够举出燃料气体供给孔、氧化剂气体供给孔以及制冷剂供给孔等。
排出孔能够举出燃料气体排出孔、氧化剂气体排出孔以及制冷剂排出孔等。
隔离件可以具有一个以上的燃料气体供给孔，可以具有一个以上的氧化剂气体供给孔，可以具有一个以上的制冷剂供给孔，可以具有一个以上的燃料气体排出孔，可以具有一个以上的氧化剂气体排出孔，也可以具有一个以上的制冷剂排出孔。
隔离件也可以在与气体扩散层接触的面具有反应气体流路。另外，隔离件也可以在和与气体扩散层接触的面相反的一侧的面具有用于将燃料电池的温度保持恒定的制冷剂流路。
在隔离件是阳极侧隔离件的情况下，可以具有一个以上的燃料气体供给孔，可以具有一个以上的氧化剂气体供给孔，可以具有一个以上的制冷剂供给孔，可以具有一个以上的燃料气体排出孔，可以具有一个以上的氧化剂气体排出孔，也可以具有一个以上的制冷剂排出孔，阳极侧隔离件可以在与阳极侧气体扩散层接触的面具有使燃料气体从燃料气体供给孔向燃料气体排出孔流动的燃料气体流路，也可以在和与阳极侧气体扩散层接触的面相反的一侧的面具有使制冷剂从制冷剂供给孔向制冷剂排出孔流动的制冷剂流路。
在隔离件是阴极侧隔离件的情况下，可以具有一个以上的燃料气体供给孔，可以具有一个以上的氧化剂气体供给孔，可以具有一个以上的制冷剂供给孔，可以具有一个以上的燃料气体排出孔，可以具有一个以上的氧化剂气体排出孔，也可以具有一个以上的制冷剂排出孔，阴极侧隔离件可以在与阴极侧气体扩散层接触的面具有使氧化剂气体从氧化剂气体供给孔向氧化剂气体排出孔流动的氧化剂气体流路，也可以在和与阴极侧气体扩散层接触的面相反的一侧的面具有使制冷剂从制冷剂供给孔向制冷剂排出孔流动的制冷剂流路。
隔离件也可以是不透气的导电性部件等。作为导电性部件，例如也可以是将碳压缩而成为不透气的致密质碳、和冲压成型的金属(例如，铁、铝以及不锈钢等)板等。另外，隔离件也可以具备集电功能。
燃料电池组也可以具有各供给孔连通的入口歧管、和各排出孔连通的出口歧管等歧管。
入口歧管能够举出阳极入口歧管、阴极入口歧管以及制冷剂入口歧管等。
出口歧管能够举出阳极出口歧管、阴极出口歧管以及制冷剂出口歧管等。
第2隔离件在与树脂框架抵接的抵接部位并且与树脂框架的骨架部的内周缘部对置的区域的四角具备凸部。第2隔离件在凸部咬入于树脂框架的状态下与该树脂框架抵接，或者第2隔离件在与树脂框架抵接的抵接部位并且与树脂框架的骨架部的内周缘部对置的区域的四角具备粘合剂，第2隔离件经由粘合剂与树脂框架接合即可。在该情况下，具体而言，也可以构成为：第2隔离件在凸部咬入于树脂框架的状态下与该树脂框架的骨架部的内周缘部的四角抵接，或者第2隔离件经由粘合剂与树脂框架的骨架部的内周缘部的四角接合。
在本公开中，树脂框架的骨架部的内周缘部是骨架部的区域，并且是指骨架部与开口部的边界附近的骨架部侧的区域。
凸部的材质可以与隔离件的材质相同，也可以不同。凸部可以是树脂，例如也可以是合成橡胶系树脂、氟橡胶系树脂等橡胶系树脂等。
对于粘合剂和凸部而言，粘合剂更容易制造燃料电池，能够降低燃料电池的成本，但凸部能够更稳固地固定树脂框架，能够进一步抑制应变应力的产生。
也可以构成为：第2隔离件在与树脂框架抵接的抵接部位并且与树脂框架的骨架部的内周缘部对置的区域的四角具备凸部，并且第2隔离件在与树脂框架抵接的抵接部位并且与树脂框架的骨架部的内周缘部对置的区域的四角具备粘合剂，第2隔离件在凸部咬入于树脂框架的状态下与该树脂框架抵接，并且第2隔离件经由粘合剂与树脂框架接合。在该情况下，具体而言，也可以构成为：第2隔离件在凸部咬入于树脂框架的状态下与该树脂框架的骨架部的内周缘部的四角抵接，并且第2隔离件经由粘合剂与树脂框架的骨架部的内周缘部的四角接合。
粘合剂的位置与凸部的位置可以相同，也可以不同。通过在凸部上或者其周边还配置粘合剂，从而能够使凸部咬入于树脂框架，并且通过粘合剂使隔离件与树脂框架粘合，因此能够更稳固地固定树脂框架，抑制应变应力的产生。
粘合剂例如能够使用一般的高分子系粘合剂。粘合剂例如能够举出硅系树脂、环氧类树脂、合成橡胶系树脂、氟橡胶系树脂、酚醛系树脂、丙烯酸系树脂、聚酯系树脂、改性醇酸系树脂等。
图1是表示本公开的燃料电池的一个例子的示意图。
图1所示的燃料电池100具备第1隔离件50、膜电极气体扩散层接合体51、树脂框架(骨架部)52以及第2隔离件53。
树脂框架52具有开口部55，膜电极气体扩散层接合体51配置于开口部55内。此外，膜电极气体扩散层接合体51的第1气体扩散层的周边部也可以从开口部55向面方向突出。
第2隔离件53在与树脂框架52的抵接部位并且与树脂框架52的骨架部的内周缘部对置的区域的角部具备凸部(和/或粘合剂)54。
凸部(和/或粘合剂)54咬入于树脂框架52的骨架部的内周缘部的角部56。此外，凸部(和/或粘合剂)54仅图示了3处，但在与第2隔离件53的树脂框架52的抵接部位并且与树脂框架52的骨架部的内周缘部对置的区域的四角具备凸部(和/或粘合剂)54。
图2是表示本公开的燃料电池的一个例子的剖面示意图，是表示树脂框架的骨架部的内周缘部的4个角部中的1个角部的附近的一个例子的图。在图2中，对于与图1相同的结构，省略其说明。
在图2所示的燃料电池100中，第2隔离件53在凸部54咬入于树脂框架52的状态下与该树脂框架52抵接。虽然未图示，但也可以代替凸部54而配置粘合剂，并且第2隔离件53经由粘合剂与树脂框架52接合。另外，虽然未图示，但也可以构成为：在凸部54上配置粘合剂，第2隔离件53在凸部54咬入于树脂框架52的骨架部的内周缘部的四角的状态下与该树脂框架52抵接，并且经由粘合剂与树脂框架52的骨架部的内周缘部的四角接合。

Claims (2)

1.一种燃料电池，其特征在于，
所述燃料电池具备膜电极气体扩散层接合体、树脂框架、第1隔离件以及第2隔离件，
所述膜电极气体扩散层接合体依次具有第1气体扩散层、第1催化剂层、电解质膜、第2催化剂层以及第2气体扩散层，
所述膜电极气体扩散层接合体是大致长方形，
所述树脂框架配置于所述膜电极气体扩散层接合体的外周，并且配置于所述第1隔离件与所述第2隔离件之间，
所述树脂框架具有能够配置所述膜电极气体扩散层接合体的开口部、和包围该开口部的骨架部，
所述第2隔离件在与所述树脂框架抵接的抵接部位并且与所述骨架部的内周缘部对置的区域的四角具备凸部，所述第2隔离件在所述凸部咬入于所述树脂框架的状态下与所述树脂框架抵接，或者
所述第2隔离件在与所述树脂框架抵接的抵接部位并且与所述骨架部的内周缘部对置的区域的四角具备粘合剂，所述第2隔离件经由所述粘合剂与所述树脂框架接合。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
所述第2隔离件在与所述树脂框架抵接的抵接部位并且与所述骨架部的内周缘部对置的区域的四角具备凸部，并且
所述第2隔离件在与所述树脂框架抵接的抵接部位并且与所述骨架部的内周缘部对置的区域的四角具备粘合剂，
所述第2隔离件在所述凸部咬入于所述树脂框架的状态下与所述树脂框架抵接，并且所述第2隔离件经由所述粘合剂与所述树脂框架接合。
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