燃料電池及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及具備階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體與樹(shù)脂框構(gòu)件相接合的帶框階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體的燃料電池及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]—般來(lái)說(shuō)，固體高分子型燃料電池中采用由高分子離子交換膜構(gòu)成的固體高分子電解質(zhì)膜。燃料電池具備電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體(MEA)，該電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體(MEA)在固體高分子電解質(zhì)膜的兩側(cè)，分別配設(shè)了由催化劑層(電極催化劑層)和氣體擴(kuò)散層(多孔碳)構(gòu)成的陽(yáng)極電極和陰極電極。電解質(zhì)膜?電極結(jié)構(gòu)體由隔板(雙極板)夾持。燃料電池層疊規(guī)定的數(shù)量而構(gòu)成燃料電池堆，并且例如作為車(chē)載用燃料電池堆使用。
[0003]在電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體中存在以下情況，即，一側(cè)的氣體擴(kuò)散層設(shè)定為比固體高分子電解質(zhì)膜小的表面積，另一側(cè)的氣體擴(kuò)散層設(shè)定為與所述固體高分子電解質(zhì)膜相同的表面積，構(gòu)成所謂的階梯差MEA。這時(shí)，為了削減比較高價(jià)的固體高分子電解質(zhì)膜的使用量，并且保護(hù)在薄膜狀下強(qiáng)度低的所述固體高分子電解質(zhì)膜，而采用配備有樹(shù)脂框構(gòu)件的帶框階梯差MEA。
[0004]例如，已知有特開(kāi)2007-66766號(hào)公報(bào)所公開(kāi)的電解質(zhì)膜-電極接合體。在該電解質(zhì)膜-電極接合體中，如圖20所示，在膜I的一側(cè)的面，配置有陽(yáng)極催化劑層2a和陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層2b。在膜I的另一側(cè)的面，配置有陰極催化劑層3a和陰極氣體擴(kuò)散層3b。由此形成階梯差MEA4。
[0005]陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層2b，設(shè)定為比陰極氣體擴(kuò)散層3b大的面積，所述陰極氣體擴(kuò)散層3b側(cè)的膜I的外周部和墊片結(jié)構(gòu)體5，經(jīng)由粘接部位6被接合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]可是，在上述的特開(kāi)2007-66766號(hào)公報(bào)中，陰極氣體擴(kuò)散層3b側(cè)的膜I的外周邊部(平面)和墊片結(jié)構(gòu)體5的內(nèi)周薄壁部5a的平面，經(jīng)由框緣平面形狀的粘接部位6接合。因此，階梯差MEA4和墊片結(jié)構(gòu)體5的粘接強(qiáng)度容易降低，會(huì)引起所述階梯差MEA4的端部剝落和破損。
[0007]本發(fā)明是用于解決這種問(wèn)題的方案，其目的在于，提供一種經(jīng)簡(jiǎn)單的構(gòu)成和工序就可以確實(shí)地接合階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體和樹(shù)脂框構(gòu)件的燃料電池及其制造方法。
[0008]本發(fā)明涉及具備階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體和樹(shù)脂框構(gòu)件相接合的帶框階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體的燃料電池及其制造方法。階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體中，在固體高分子電解質(zhì)膜的一側(cè)的面，配設(shè)有具有第一催化劑層和第一氣體擴(kuò)散層的第一電極，在所述固體高分子電解質(zhì)膜的另一側(cè)的面，配設(shè)有具有第二催化劑層和第二氣體擴(kuò)散層的第二電極。而且，第一氣體擴(kuò)散層的平面尺寸，設(shè)定為比第二氣體擴(kuò)散層的平面尺寸大的尺寸。
[0009]樹(shù)脂框構(gòu)件具有圍繞固體高分子電解質(zhì)膜的外周的框形狀，設(shè)有經(jīng)由階梯部形成為薄壁狀而向第二氣體擴(kuò)散層側(cè)突出的內(nèi)周突部。
[0010]該燃料電池中，在樹(shù)脂框構(gòu)件的內(nèi)周突部與階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體的外周邊部之間設(shè)有框形狀的粘接片。而且，粘接片的內(nèi)周邊部具有與第二氣體擴(kuò)散層的外周邊部的表面沿電極厚度方向重合的重疊部位。
[0011]另外，其制造方法具有如下工序:分別制作階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體和樹(shù)脂框構(gòu)件的工序；制作具有框形狀、內(nèi)周的開(kāi)口尺寸比第二氣體擴(kuò)散層的外形尺寸小的粘接片的工序。接著，具有通過(guò)粘接片粘接樹(shù)脂框構(gòu)件的內(nèi)周突部和階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體的外周邊部的工序。
[0012]此外，其制造方法具有如下工序:分別制作階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體和樹(shù)脂框構(gòu)件的工序；仿照所述階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體和所述樹(shù)脂框構(gòu)件的粘接部位的形狀，將具有框形狀的粘接片成形的工序。接著，具有通過(guò)所成形的粘接片粘接樹(shù)脂框構(gòu)件的內(nèi)周突部和階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體的外周邊部的工序。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，框形狀的粘接片介于樹(shù)脂框構(gòu)件的內(nèi)周突部與階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體的外周邊部之間，并且內(nèi)周邊部與第二氣體擴(kuò)散層的外周邊部的表面沿電極厚度方向重合。因此，樹(shù)脂框構(gòu)件和階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體經(jīng)由粘接片被牢固且確實(shí)地粘接。
[0014]因此，通過(guò)簡(jiǎn)單的構(gòu)成和工序，就可以確實(shí)地抑制階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體與樹(shù)脂框構(gòu)件的剝落等。
[0015]另外，根據(jù)本發(fā)明，框形狀的粘接片預(yù)先仿照階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體和樹(shù)脂框構(gòu)件的粘接部位的形狀而被成形。因此，成形的粘接片介于樹(shù)脂框構(gòu)件的內(nèi)周突部與階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體的外周邊部之間的粘接部位時(shí)，在所述粘接部位不會(huì)發(fā)生因所述粘接片的成形不良造成的空隙部。
[0016]因此，能夠在所述粘接部位盡可能地抑制氣體、空氣的滯留，通過(guò)簡(jiǎn)單的工序，就可以使階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體與樹(shù)脂框構(gòu)件確實(shí)且牢固地接合。
[0017]對(duì)于上述的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)參照附圖進(jìn)行說(shuō)明的以下的實(shí)施方式的說(shuō)明會(huì)很容易地解釋。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是本發(fā)明的第一實(shí)施方式的固體高分子型燃料電池的主要部分分解立體說(shuō)明圖。
[0019]圖2是所述燃料電池的、圖1中的I1-1I線剖面說(shuō)明圖。
[0020]圖3是構(gòu)成所述燃料電池的帶框階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體的陽(yáng)極電極側(cè)的正視說(shuō)明圖。
[0021]圖4是制造所述帶框階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體的方法的說(shuō)明圖。
[0022]圖5是制造所述帶框階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體的方法的說(shuō)明圖。
[0023]圖6是制造所述帶框階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體的方法的說(shuō)明圖。
[0024]圖7是本發(fā)明的第二實(shí)施方式的固體高分子型燃料電池的主要部分剖面說(shuō)明圖。
[0025]圖8是本發(fā)明的第三實(shí)施方式的固體高分子型燃料電池的主要部分剖面說(shuō)明圖。
[0026]圖9是在本發(fā)明的第三實(shí)施方式的制造方法中，制造所述帶框階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體的方法的說(shuō)明圖。
[0027]圖10是以所述第三實(shí)施方式，制造所述帶框階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體的方法的說(shuō)明圖。
[0028]圖11是以所述第三實(shí)施方式，制造所述帶框階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體的方法的說(shuō)明圖。
[0029]圖12是以所述第三實(shí)施方式，制造所述帶框階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體的方法的說(shuō)明圖。
[0030]圖13是在本發(fā)明的第四實(shí)施方式的制造方法中，制造所述帶框階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體的方法的說(shuō)明圖。
[0031]圖14是以所述第四實(shí)施方式，制造所述帶框階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體的方法的說(shuō)明圖。
[0032]圖15是以所述第四實(shí)施方式，制造所述帶框階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體的方法的說(shuō)明圖。
[0033]圖16是在本發(fā)明的第五實(shí)施方式的制造方法中，制造所述帶框階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體的方法的說(shuō)明圖。
[0034]圖17是以所述第五實(shí)施方式，制造所述帶框階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體的方法的說(shuō)明圖。
[0035]圖18是以所述第五實(shí)施方式，制造所述帶框階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體的方法的說(shuō)明圖。
[0036]圖19是本發(fā)明的第六實(shí)施方式的燃料電池的制造方法所使用的金屬模具裝置的剖面說(shuō)明圖。
[0037]圖20日本特開(kāi)2007-66766號(hào)公報(bào)所公開(kāi)的電解質(zhì)膜_電極接合體的說(shuō)明圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]如圖1和圖2所示，本發(fā)明的第一實(shí)施方式的固體高分子型燃料電池10沿箭頭A方向(例如，水平方向)被多個(gè)層疊，由此能夠得到例如車(chē)載用燃料電池堆。
[0039]燃料電池10中，以第一隔板14和第二隔板16夾持帶框階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體12。第一隔板14和第二隔板16，例如由鋼板、不銹鋼板、鋁板、鍍覆處理鋼板或?qū)τ谠摻饘俦砻鎸?shí)施了防腐用的表面處理的金屬板、和碳構(gòu)件等形成。
[0040]如圖2所示，帶框階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體12具備階梯差MEA (階梯差電解質(zhì)膜.電極結(jié)構(gòu)體)12a。階梯差MEA12a例如具有:在全氟磺酸的薄膜中含浸有水的固體高分子電解質(zhì)膜(陽(yáng)離子交換膜)18、夾持所述固體高分子電解質(zhì)膜18的陰極電極(第一電極)20及陽(yáng)極電極(第二電極)22。固體高分子電解質(zhì)膜18除了使用氟系電解質(zhì)以外，還使用HC (烴)系電解質(zhì)。
[0041]陽(yáng)極電極22具有比固體高分子電解質(zhì)膜18和陰極電極20小的平面尺寸。還有，也可以使陽(yáng)極電極22與陰極電極20的配設(shè)位置顛倒，所述陰極電極20具有比固體高分子電解質(zhì)膜18和所述陽(yáng)極電極22小的平面尺寸。這時(shí)，陽(yáng)極電極22成為第一電極，而陰極電極20為第二電極。
[0042]陰極電極20配置在固體高分子電解質(zhì)膜18的一側(cè)的面18a，并且陽(yáng)極電極22配置在所述固體高分子電解質(zhì)膜18的另一側(cè)的面18b。
[0043]陰極電極20具有與固體高分子電