專利名稱：膜電極接合體及固體高分子型燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及構(gòu)成固體高分子型燃料電池的膜電極接合體，以及使用了該接 合體的固體高分子型燃料電池。
背景技術(shù)：
燃料電池是通過使以氫為主成分的燃料氣體和空氣等氧化劑氣體進(jìn)行電 化學(xué)反應(yīng)而同時(shí)產(chǎn)生電力和熱的電池，作為不產(chǎn)生二氧化碳的發(fā)電系統(tǒng)受到注 目，目前在開發(fā)各種燃料電池。其中，使用了高分子電解質(zhì)膜的燃料電池(以 下稱為"固體高分子型燃料電池")與其它燃料電池相比，不僅起動(dòng)性良好， 且可獲得高功率密度，所以可實(shí)現(xiàn)小型化。因此，被期待作為電動(dòng)汽車或家庭 等的電源廣泛使用。
該固體高分子型燃料電池的構(gòu)成要素之一是選擇性透過質(zhì)子的高分子電 解質(zhì)膜和形成于高分子電解質(zhì)膜的兩面的一對(duì)催化電極。所述催化電極由形成 于高分子電解質(zhì)膜的兩面的催化劑層和形成于所述催化劑層的外面的兼具通 氣性和電子導(dǎo)電性的氣體擴(kuò)散層構(gòu)成，所述催化劑層以負(fù)載了鉑系金屬催化劑 的碳粉為主成分。由所述高分子電解質(zhì)膜和催化電極構(gòu)成的單元被稱為膜電極 接合體。
此外，為了不使所供給的燃料氣體及氧化劑氣體泄漏至電池的外側(cè)或互相 混合，在電極的周圍配置夾持高分子電解質(zhì)膜的氣密構(gòu)件或密封墊片。此外， 于其外側(cè)配置在將它們機(jī)械固定的同時(shí)，將鄰接的膜電極接合體互相通電串聯(lián) 的導(dǎo)電性隔板。該隔板具有向電極面供給反應(yīng)氣體、運(yùn)送生成氣體及剩余氣體 的氣體流路。氣體流路也可與隔板分別設(shè)置，但一般是在隔板的表面設(shè)置溝槽 形成為氣體流路的方式。
由于高分子電解質(zhì)型燃料電池的密封墊片在使隔板和電極接觸的同時(shí)還 起到氣密的作用，因此必須具備高尺寸精度、足夠的彈性和足夠的過盈量。所 以，以往采用由樹脂或橡膠等形成的片狀密封墊片或由橡膠形成的o型環(huán)等。例如，日本專利特開2004-303723號(hào)公報(bào)揭示了氣密構(gòu)件與從電極部以框 狀露出的電解質(zhì)膜部分相接的高分子型燃料電池。該氣密構(gòu)件的空氣極側(cè)以平 面狀與電解質(zhì)膜接觸，另一方面，燃料極側(cè)呈凸緣，以線狀接觸。以所述結(jié)構(gòu) 組裝該高分子型燃料電池時(shí)，通過對(duì)該氣密構(gòu)件施加壓力使其與電解質(zhì)膜密 合，增加氣密性。
但是，該氣密構(gòu)件是由聚酰亞胺等形成的樹脂膜、粘合劑層及橡膠層構(gòu)成 的構(gòu)件，零部件數(shù)較多。因此，組裝困難，零部件間易出現(xiàn)錯(cuò)位，因此可能存 在因組裝不良而導(dǎo)致的氣體泄漏等。另外，由于日本專利特開2004-303723號(hào) 公報(bào)的氣密構(gòu)件的一方形成為凸緣，因此如果為了減少氣體泄漏而施加壓力， 則會(huì)對(duì)電解質(zhì)膜產(chǎn)生局部的力。近年，為進(jìn)一步提高發(fā)電效率，嘗試電解質(zhì)膜 的薄膜化，但如果對(duì)較薄的電解質(zhì)膜施加局部的力，則可能會(huì)導(dǎo)致電解質(zhì)膜的 破損。
另一方面，在日本專利特開平8-45517號(hào)公報(bào)中記載了以能夠減少零部件 數(shù)、準(zhǔn)確定位為目的的高分子型燃料電池用膜電極接合體。該技術(shù)即使在使用 薄膜化了的電解質(zhì)膜的情況下，也能夠提高機(jī)械強(qiáng)度。具體來講，用橡膠狀彈 性體或聚酰亞胺等硬質(zhì)高分子形成的密封構(gòu)件夾持電解質(zhì)膜、2個(gè)電極和2個(gè) 擴(kuò)散層形成的5層結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)一體化。
另外，在日本專利特開平6-333582號(hào)公報(bào)中揭示了為防止固體高分子型 燃料電池中對(duì)電解質(zhì)膜持續(xù)施加氣壓而造成的變形(蠕變)，在氣密構(gòu)件和電極 之間設(shè)置由特殊金屬、熱固性樹脂或具有耐熱性的熱塑性樹脂形成的間隔片的 技術(shù)。該間隔片的厚度被設(shè)定為比各電極薄，保護(hù)電解質(zhì)膜不被介以電極施加 于電解質(zhì)膜的擠壓破壞。
發(fā)明的揭示
如上所述，作為對(duì)近年將實(shí)現(xiàn)了薄膜化的固體高分子型燃料電池的電解質(zhì) 膜實(shí)施氣密的構(gòu)件，從提高強(qiáng)度的角度考慮，優(yōu)選與電解質(zhì)膜以平面狀接觸的 構(gòu)件。即，該氣密構(gòu)件還具有作為電解質(zhì)膜的補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)件的作用。這種情況下， 由于拉伸性大的橡膠等材質(zhì)在電解質(zhì)膜的補(bǔ)強(qiáng)性和與電解質(zhì)膜的密合性方面 較差，所以氣密構(gòu)件的材質(zhì)優(yōu)選樹脂。其中合適的是強(qiáng)度更佳的熱固性樹脂。
但是，由本發(fā)明者的研究可知，如果對(duì)被用于固體高分子型燃料電池的電 解質(zhì)膜熱壓接熱固性樹脂膜，則高分子電解質(zhì)膜會(huì)出現(xiàn)變質(zhì)。因此，本發(fā)明需完成的課題是提供具有在氣密性良好的同時(shí)可使電解質(zhì)膜 強(qiáng)度提高的構(gòu)件、不會(huì)出現(xiàn)高分子電解質(zhì)膜的變質(zhì)、且因零部件少而易組裝的 膜電極接合體，以及使用了該接合體的固體高分子型燃料電池。
本發(fā)明者為了完成上述課題，對(duì)于用熱固性樹脂片對(duì)固體高分子型燃料電 池的電解質(zhì)膜進(jìn)行氣密和補(bǔ)強(qiáng)時(shí)的電解質(zhì)膜的變質(zhì)的原因進(jìn)行了研究。其結(jié)果 是，明確B級(jí)的熱固性樹脂片熱壓接于電解質(zhì)膜后熱固化時(shí)的熱量和主劑及固 化劑等熱固性樹脂的成分的共同作用是導(dǎo)致該變質(zhì)的原因。因此，發(fā)現(xiàn)如果在
電解質(zhì)膜和熱固性樹脂片之間設(shè)置用于防止電解質(zhì)膜和熱固性樹脂的接觸的 保護(hù)層，則在進(jìn)一步提高氣密性的同時(shí)還可抑制電解質(zhì)膜的變質(zhì)，藉此完成本 發(fā)明。
本發(fā)明的固體高分子型燃料電池用膜電極接合體的特征在于，具有高分子 電解質(zhì)膜、在其各面分別設(shè)置的燃料極層及空氣極層、在燃料極層上及空氣極 層上分別設(shè)置的燃料極擴(kuò)散層及空氣極擴(kuò)散層，高分子電解質(zhì)膜的平面部面積 比燃料極層及空氣極層的平面部面積大一圈，在高分子電解質(zhì)膜的一面或兩面 的未形成燃料極層或空氣極層的部分上配置了由熱固性樹脂形成的補(bǔ)強(qiáng)框，在 高分子電解質(zhì)膜和補(bǔ)強(qiáng)框之間的至少一部分存在保護(hù)層。
作為所述補(bǔ)強(qiáng)框，優(yōu)選纖維補(bǔ)強(qiáng)框。由于所述補(bǔ)強(qiáng)框的強(qiáng)度高，所以也能 夠提高膜電極接合體的強(qiáng)度，其處理也較容易。
所述膜電極接合體中，較好的是構(gòu)成補(bǔ)強(qiáng)框的熱固性樹脂侵入并固化于燃 料極擴(kuò)散層及/或空氣極擴(kuò)散層的外周部的至少一部分。這是因?yàn)檫@樣的膜電 極接合體的氣密性極佳。
所述膜電極接合體中，較好的是對(duì)補(bǔ)強(qiáng)框的平面部的至少外側(cè)，S卩，與密 封墊片接觸側(cè)的平面部進(jìn)行了平滑化處理。這是因?yàn)檫@樣的膜電極接合體與密 封墊片的密合性良好。
本發(fā)明的固體高分子型燃料電池具備所述膜電極接合體。
本發(fā)明的膜電極接合體即使在使用了發(fā)電效率良好但強(qiáng)度低的較薄的高 分子電解質(zhì)膜的情況下，由于補(bǔ)強(qiáng)框可提高強(qiáng)度，因此也容易處理。此外，以 往的膜電極接合體存在的由熱固性樹脂導(dǎo)致的高分子電解質(zhì)膜的變質(zhì)的問題， 也可以通過保護(hù)層得到抑制。另外，由于零部件數(shù)少，所以易組裝，組裝不良 的可能性也小。因此，本發(fā)明作為與將來被期待實(shí)用化的固體高分子型燃料電 池相關(guān)的發(fā)明在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域極其有用。附圖的簡單說明


圖1為表示本發(fā)明的膜電極接合體的截面的模式圖。圖中，l為高分子電
解質(zhì)膜，2為電極層，3為氣體擴(kuò)散層，4為保護(hù)層，5為補(bǔ)強(qiáng)框。此外，5，為 熱固性樹脂浸入固化的氣體擴(kuò)散層，構(gòu)成補(bǔ)強(qiáng)框的全部或一部分。
實(shí)施發(fā)明的最佳方式
本發(fā)明的固體高分子型燃料電池用膜電極接合體具有高分子電解質(zhì)膜、在 其各面分別設(shè)置的燃料極層及空氣極層、在燃料極層上及空氣極層上分別設(shè)置 的燃料極擴(kuò)散層及空氣極擴(kuò)散層，高分子電解質(zhì)膜的平面部面積比燃料極層及 空氣極層的平面部面積大一圈，在高分子電解質(zhì)膜的一面或兩面的未形成燃料 極層或空氣極層的部分上配置了由熱固性樹脂形成的補(bǔ)強(qiáng)框，在高分子電解質(zhì) 膜和補(bǔ)強(qiáng)框之間的至少一部分存在保護(hù)層。
本發(fā)明所用的高分子電解質(zhì)膜可以是通常被用于固體高分子型燃料電池 的膜。例如，可使用全氟系電解質(zhì)或烴系電解質(zhì)等，特好的是全氟系電解質(zhì)膜。 作為全氟系電解質(zhì)膜，可采用杜邦公司制Nafion(注冊(cè)商標(biāo))或日本奧亞特克斯 (GORE-TEX)股份有限公司制GORE-SELECT(注冊(cè)商標(biāo))等磺酸系電解質(zhì)膜。特好 的是日本奧亞特克斯股份有限公司制GORE- SELECT(注冊(cè)商標(biāo))等得到了拉伸多 孔質(zhì)聚四氟乙烯補(bǔ)強(qiáng)的全氟磺酸樹脂系電解質(zhì)膜。雖然高分子電解質(zhì)膜越薄發(fā) 電效率越好，但強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)地劣化。但是，如果是得到了拉伸多孔質(zhì)聚四氟乙 烯補(bǔ)強(qiáng)的膜，則強(qiáng)度良好。此外，考慮到發(fā)電效率和強(qiáng)度，高分子電解質(zhì)膜的 膜厚一般為10 30ura左右。
作為催化電極層，可使用通常被用于固體高分子型燃料電池的電極層。例 如，可使用由表面負(fù)載有鉑或鉑與其它金屬的合金的微粒的炭黑等導(dǎo)電性碳微 粒和全氟磺酸樹脂乳液等高分子溶液在合適的溶劑中均一地混合而獲得的油 墨形成的電極層。作為與鉑合金化的金屬，可例舉Ru、 Rh、 Mo、 Cr、 Co、 Fe 等。作為催化劑成分的金屬微粒的平均粒徑較好為10nm左右以下，導(dǎo)電性碳 微粒的平均粒徑較好為20 100nm左右。所述油墨的溶劑可使用乙醇等。
燃料極層的鉑量換算為金屬鉑較好為0.03 0.5mg/cm2左右，空氣極層的 鉑量換算為金屬鉑較好為0. 1 0.8mg/cm2左右。燃料極層和空氣極層(以下有 時(shí)將它們統(tǒng)稱為"電極層")的厚度例如為3 30lini左右。
燃料極層和空氣極層上分別具有燃料極擴(kuò)散層和空氣極擴(kuò)散層(以下有時(shí)將它們統(tǒng)稱為"氣體擴(kuò)散層")。這些氣體擴(kuò)散層具有在使燃料氣體或氧化劑 氣體擴(kuò)散至電極層的同時(shí)將生成的水排出至隔離流路的作用。該氣體擴(kuò)散層的 材質(zhì)必須至少具有透氣性和導(dǎo)電性。作為該材料，常用的有由碳材料形成的織 布、通過使碳纖維交織而獲得的氈等非織造布、碳紙等紙類等。對(duì)氣體擴(kuò)散層
的厚度無特別限定，由于必須充分地使氣體擴(kuò)散，因此例如為100 500um。 也可根據(jù)需要用含氟樹脂等對(duì)氣體擴(kuò)散層進(jìn)行斥水處理。
高分子電解質(zhì)膜的平面部面積必須比燃料極層及空氣極層的平面部面積 大一圈。這是因?yàn)楸景l(fā)明中不是通過在高分子電解質(zhì)膜的兩面整面形成電極 層，而是通過對(duì)高分子電解質(zhì)膜的外周部進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)來提高強(qiáng)度。另外，氣體擴(kuò) 散層的平面部中，高分子電解質(zhì)膜側(cè)的面積必須比高分子電解質(zhì)膜的平面部面 積小一圈。即，高分子電解質(zhì)膜的平面部面積必須比氣體擴(kuò)散層的高分子電解 質(zhì)膜側(cè)的表面部面積大一圈。如果氣體擴(kuò)散層的高分子電解質(zhì)膜側(cè)的表面的一 部分從高分子電解質(zhì)膜露出，則燃料氣體和氧化劑氣體當(dāng)然會(huì)從該部分開始混 合。這里，高分子電解質(zhì)膜的平面部面積比燃料極層及空氣極層的平面部面積 大一圈的具體意思是指電極層的平面部面積比高分子電解質(zhì)膜的平面部面積 小，且按照電極層的外周不與高分子電解質(zhì)膜的外周連接的狀態(tài)在高分子電解 質(zhì)膜的各面上配置電極層。該定義對(duì)于氣體擴(kuò)散層的高分子電解質(zhì)膜側(cè)的表面 也是同樣的。
本發(fā)明的膜電極接合體中，在高分子電解質(zhì)膜的一面或兩面的未形成燃料 極層或空氣極層的部分上配置了由熱固性樹脂形成的補(bǔ)強(qiáng)框。該補(bǔ)強(qiáng)框在具有 補(bǔ)強(qiáng)高分子電解質(zhì)膜的作用的同時(shí)還起到防止燃料氣體和氧化劑氣體向外部 泄漏的氣密作用。因此，該補(bǔ)強(qiáng)框必須是至少與氣體擴(kuò)散層的周圍表面密合的 狀態(tài)，優(yōu)選在具有多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)的氣體擴(kuò)散層的外周部浸入固化了構(gòu)成補(bǔ)強(qiáng)框的 熱固性樹脂的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)顯現(xiàn)更佳的氣密性。
對(duì)構(gòu)成本發(fā)明的補(bǔ)強(qiáng)框的熱固性樹脂的種類無特別限定，例如可例舉環(huán)氧 樹脂、三聚氰胺樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂等。另外，補(bǔ)強(qiáng)框最好是纖 維補(bǔ)強(qiáng)框，這是因?yàn)閺?qiáng)度更高。作為這里可使用的纖維，可采用有機(jī)纖維或玻 璃纖維的織布或非織造布。補(bǔ)強(qiáng)框的厚度可考慮電極層、擴(kuò)散層及后述的保護(hù) 層的厚度來決定。
該補(bǔ)強(qiáng)框也可以是使熱固性樹脂浸入固化于氣體擴(kuò)散層的補(bǔ)強(qiáng)框。即，本 發(fā)明的膜電極接合體中，通常電極層2和氣體擴(kuò)散層3的平面部面積比高分子電解質(zhì)膜1的平面部面積小一圈，在未形成電極層2的部分上配置補(bǔ)強(qiáng)框5(參 照?qǐng)D1(A))。但是，也可以如圖1(B)所示，使高分子電解質(zhì)膜l和氣體擴(kuò)散層 3的平面部面積相同，將兩者層疊，在氣體擴(kuò)散層3的外周部分，至少在高分 子電解質(zhì)膜側(cè)表面?zhèn)仁篃峁绦詷渲秩牍袒瑢⒃摬糠?'作為補(bǔ)強(qiáng)框。此外， 還可以使高分子電解質(zhì)膜1和氣體擴(kuò)散層3的平面部面積相同，將兩者層疊， 在該層疊體的外側(cè)設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)框5時(shí)，使熱固性樹脂侵入固化于氣體擴(kuò)散層的外 周部分的至少高分子電解質(zhì)膜側(cè)表面?zhèn)?參照?qǐng)Dl(C))。這種情況下，氣體擴(kuò)散 層中使熱固性樹脂浸入固化的部分5'也成為補(bǔ)強(qiáng)框的一部分。
最好對(duì)補(bǔ)強(qiáng)框的平面部的至少外側(cè)進(jìn)行平滑化處理。特別是纖維補(bǔ)強(qiáng)的熱 固性樹脂片的表面不一定平滑，因此，在組裝燃料電池時(shí)其與密封墊片的密合 變得困難。通過實(shí)施平滑化處理，可提高補(bǔ)強(qiáng)框和密封墊片的密合性。
本發(fā)明的膜電極接合體中，在高分子電解質(zhì)膜和補(bǔ)強(qiáng)框之間的至少一部分 存在保護(hù)層。該保護(hù)層具有防止高分子電解質(zhì)膜和補(bǔ)強(qiáng)框的接觸的作用，在使 構(gòu)成補(bǔ)強(qiáng)框的熱固性樹脂固化的高溫下，具有抑制作為熱固性樹脂的主劑和固 化劑成分造成的高分子電解質(zhì)膜的變質(zhì)的作用。此外，還有作為補(bǔ)強(qiáng)框使用事 先熱固化的補(bǔ)強(qiáng)框的情況。這種情況下，由于補(bǔ)強(qiáng)框和高分子電解質(zhì)膜直接接 觸，保護(hù)層可發(fā)揮減少補(bǔ)強(qiáng)框表面的凹凸或補(bǔ)強(qiáng)框的邊緣部分可能對(duì)高分子電 解質(zhì)膜造成的損傷的作用。此外，保護(hù)層通過防止顯示強(qiáng)酸性的高分子電解質(zhì) 膜和補(bǔ)強(qiáng)框的接觸，還有減少對(duì)補(bǔ)強(qiáng)框的損傷的作用。目卩，保護(hù)層中的"保護(hù)" 具有高分子電解質(zhì)膜的保護(hù)和補(bǔ)強(qiáng)框的保護(hù)這2層意思。此外，保護(hù)層還有提 高補(bǔ)強(qiáng)框和電解質(zhì)膜的密合性、提高氣密性的作用效果。另外，即使在作為電 池的工作氣氛的70 10(TC左右的高溫和100%RH的多濕環(huán)境中，由于用耐性 高的材料構(gòu)成保護(hù)層，所以還可提高燃料電池的耐久性。
如果考慮到所述作用效果，則保護(hù)層必須在電解質(zhì)膜的露出部以包圍電極 層和擴(kuò)散層的框狀存在，以使補(bǔ)強(qiáng)框和高分子電解質(zhì)膜不接觸。更好的是在補(bǔ) 強(qiáng)框和高分子電解質(zhì)膜之間的所有部分配置保護(hù)層。
構(gòu)成保護(hù)層的樹脂只要是在例如120 200。C這樣的高溫下的耐熱水性和 耐酸性良好的樹脂，對(duì)其種類無特別限定。例如，可使用聚對(duì)苯二甲酸乙二酯 等聚酯，聚丙烯等聚烯烴，聚四氟乙烯、全氟烷氧基含氟樹脂、聚偏氟乙烯等 含氟樹脂，聚醚砜，聚醚醚酮，聚砜等熱塑性樹脂。
保護(hù)層的厚度只要足夠防止補(bǔ)強(qiáng)框和電解質(zhì)膜的反應(yīng)即可，例如可以是5 50um，更好為20um以下。以下，對(duì)本發(fā)明的膜電極接合體的制造方法的例子進(jìn)行說明，但制造方法 并不限于此。以下的編號(hào)表示圖1中的數(shù)字。首先，在高分子電解質(zhì)膜1的兩面形成燃料極層和空氣極層(電極層2)。 常用的方法是在全氟磺酸樹脂溶液等高分子電解質(zhì)膜用高分子溶液或聚四氟 乙烯分散液等混合而成的材料中，在作為燃料極層用時(shí)添加負(fù)載有Pt-Ru等貴 金屬催化劑的碳，在作為空氣極層用時(shí)添加負(fù)載有Pt等貴金屬催化劑的碳， 調(diào)制成漿料。通過涂覆法、噴涂法、轉(zhuǎn)印法等在高分子電解質(zhì)膜上涂布該漿料， 干燥后形成3層體。此時(shí)，形成的電極必須比高分子電解質(zhì)膜小一圈。然后，在形成的電極的周邊部，§卩，高分子電解質(zhì)膜中未形成燃料極層或 空氣極層的部分上形成保護(hù)層4。在兩面形成補(bǔ)強(qiáng)框時(shí)，也必須在兩面形成保 護(hù)層，但僅在一面形成補(bǔ)強(qiáng)框時(shí)，僅在一面形成保護(hù)層即可。對(duì)保護(hù)層的具體 形成方法無特別限定。例如，可以按照電解質(zhì)膜的露出部分的形狀成形所述的 熱塑性樹脂的膜，將其壓接或熱壓接?；蛘?，還可以在電解質(zhì)膜露出部分涂布 熱塑性樹脂的溶融物或溶液后使其冷卻固化或干燥。此外，該保護(hù)層也可以形成于如上所述由高分子電解質(zhì)膜和電極層構(gòu)成的 3層體上，還可以在形成有氣體擴(kuò)散層的5層體的電解質(zhì)膜露出部分上形成該 保護(hù)層。在由高分子電解質(zhì)膜1、電極層2形成的3層體或該3層體上形成有保護(hù) 層的層疊體的電極層上形成燃料極擴(kuò)散層和空氣極擴(kuò)散層(氣體擴(kuò)散層3)構(gòu)成 5層體。具體來講，例如利用粘合劑粘接或熱壓接由多孔質(zhì)碳形成的布或紙即可。所述制法中在形成電極層后形成氣體擴(kuò)散層，但也可以預(yù)先通過熱壓接等 將電極層和氣體擴(kuò)散層一體化，再將其粘接或熱壓接于高分子電解質(zhì)膜。然后，在所得的5層體的保護(hù)層4上，g卩，高分子電解質(zhì)膜的露出部分上 設(shè)置由熱固性樹脂形成的補(bǔ)強(qiáng)框5。對(duì)該方法無特別限定，可以將熱固性樹脂 片按照高分子電解質(zhì)膜的露出部分的形狀成形為框狀接合于保護(hù)層上，在用保 護(hù)層覆蓋高分子電解質(zhì)膜的全部露出部分時(shí)，可以將熱塑性樹脂涂布于保護(hù)層 上后使其干燥?；蛘撸煽紤]在保護(hù)層上，即在高分子電解質(zhì)膜的露出部分上層疊B級(jí)的 環(huán)氧樹脂片，然后將其放入模具，使其加熱固化，脫模后通過沖切形成規(guī)定尺寸的方法；將5層體置于模具后注入液狀的環(huán)氧樹脂使其加熱固化，脫模后通 過沖切形成規(guī)定尺寸的方法等。此外，預(yù)先將燃料極擴(kuò)散層或空氣極擴(kuò)散層與補(bǔ)強(qiáng)框一體化，再將它們熱 壓于電極層2及其外周部設(shè)置了保護(hù)層4的高分子電解質(zhì)膜1，這樣也能夠獲得作為目的物的膜電極接合體。本發(fā)明的膜電極接合體可與密封墊片或隔板等一起構(gòu)成電池組(cellstack)，作為固體高分子型燃料電池使用。利用上述方法等制造的本發(fā)明的膜電極接合體的高分子電解質(zhì)膜的露出 部分，g卩，未形成燃料極層及空氣極層的部分由于被密合性良好的保護(hù)層和強(qiáng) 度良好的補(bǔ)強(qiáng)框覆蓋，因此強(qiáng)度和氣密性良好。此外，由于零部件數(shù)少，所以 以組裝。高分子電解質(zhì)和由熱固性樹脂形成的氣密構(gòu)件或補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)件直接接觸的 現(xiàn)有的膜電極接合體所造成的電解質(zhì)膜的變質(zhì)在具有保護(hù)層的本發(fā)明的膜電 極接合體不會(huì)發(fā)生。因此，本發(fā)明的膜電極接合體作為高品質(zhì)的固體高分子型 燃料電池的構(gòu)成要素具有非常高的利用價(jià)值。實(shí)施例以下，例舉實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更具體的說明，當(dāng)然本發(fā)明不受下述實(shí)施 例的限定，可在能夠符合前后所述的技術(shù)內(nèi)容的范圍內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)變化后實(shí)施， 這些變化例都包括在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)。實(shí)施例1在市售的膜電極接合體(日本奧亞特克斯股份有限公司制，PRIMEA5510)的 兩面，在電極層周圍的電解質(zhì)膜露出部分壓接厚25y m的聚萘二甲酸乙二酯膜 作為保護(hù)層。電解質(zhì)膜的尺寸為80X80mm，在其中央的兩面設(shè)置有50X50mm 的電極層。壓接保護(hù)層后，在電極層上熱壓接52X52mm的擴(kuò)散層(日本奧亞特 克斯股份有限公司制，Carbel-CNW10A)。另外，將市售的B級(jí)的玻璃-環(huán)氧樹脂片(三菱瓦斯化學(xué)株式會(huì)社制， GEPL-170)加工成100X 100mm的尺寸，用刀片在其中央部開出52X52mm的開口 部。在壓接了保護(hù)層的膜電極接合體的兩面配置玻璃-環(huán)氧樹脂片，于16(TC、 30kgf/ cm2(約2.9MPa)進(jìn)行5分鐘的熱壓接， 一體化。再將其在設(shè)定為160°C 的爐子中加熱l小時(shí)，將環(huán)氧樹脂完全熱固化。用刀具將所得膜電極接合體沖裁成80X80mm。觀察電解質(zhì)膜、保護(hù)層和補(bǔ) 強(qiáng)框，完全未見成分的變質(zhì)而導(dǎo)致的變色。 比較例1除了未使用作為保護(hù)層的聚萘二甲酸乙二酯膜以外，其它操作與上述實(shí)施 例1同樣，獲得膜電極接合體。觀察截面部后發(fā)現(xiàn)，高分子電解質(zhì)膜變色為茶 褐色。這是因?yàn)樵摫容^例中電解質(zhì)膜和環(huán)氧樹脂片直接接觸，置于160'C的高 溫下，所以兩者間引發(fā)反應(yīng)，導(dǎo)致電解質(zhì)膜變質(zhì)的緣故。
權(quán)利要求
1.膜電極接合體，它是固體高分子型燃料電池用膜電極接合體，其特征在于，具有高分子電解質(zhì)膜、在其各面分別設(shè)置的燃料極層及空氣極層、在燃料極層上及空氣極層上分別設(shè)置的燃料極擴(kuò)散層及空氣極擴(kuò)散層，高分子電解質(zhì)膜的平面部面積比燃料極層及空氣極層的平面部面積大一圈，在高分子電解質(zhì)膜的一面或兩面的未形成燃料極層或空氣極層的部分上配置了由熱固性樹脂形成的補(bǔ)強(qiáng)框，在高分子電解質(zhì)膜和補(bǔ)強(qiáng)框之間的至少一部分存在保護(hù)層。
2. 如權(quán)利要求1所述的固體高分子型燃料電池用膜電極接合體，其特征 在于，補(bǔ)強(qiáng)框?yàn)槔w維補(bǔ)強(qiáng)框。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的膜電極接合體，其特征在于，構(gòu)成補(bǔ)強(qiáng)框的 熱固性樹脂侵入并固化于燃料極擴(kuò)散層及/或空氣極擴(kuò)散層的外周部的至少一 部分。
4. 如權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的膜電極接合體，其特征在于，對(duì)補(bǔ)強(qiáng) 框的平面部的至少外側(cè)進(jìn)行了平滑化處理。
5. 固體高分子型燃料電池，其特征在于，具備權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所 述的膜電極接合體。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供具有氣密性良好且能夠提高電解質(zhì)膜強(qiáng)度的構(gòu)件、不發(fā)生電解質(zhì)膜的變質(zhì)、因零部件數(shù)少而易于組裝的膜電極接合體，以及使用了該接合體的固體高分子型燃料電池。本發(fā)明的固體高分子型燃料電池用膜電極接合體的特征在于，具有高分子電解質(zhì)膜、在其各面分別設(shè)置的燃料極層及空氣極層、在燃料極層上及空氣極層上分別設(shè)置的燃料極擴(kuò)散層及空氣極擴(kuò)散層，高分子電解質(zhì)膜的平面部面積比燃料極層及空氣極層的平面部面積大一圈，在高分子電解質(zhì)膜的一面或兩面的未形成燃料極層或空氣極層的部分上配置了由熱固性樹脂形成的補(bǔ)強(qiáng)框，在高分子電解質(zhì)膜和補(bǔ)強(qiáng)框之間的至少一部分存在保護(hù)層。
文檔編號(hào)H01M8/02GK101288196SQ20068003831
公開日2008年10月15日 申請(qǐng)日期2006年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月14日
發(fā)明者藤本浩良, 鈴木陽一 申請(qǐng)人:日本奧亞特克斯股份有限公司