CN113394436B - 燃料电池以及燃料电池的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池及燃料电池的制造方法，提供能抑制破损的技术。燃料电池具备：膜电极接合体，具有第1催化剂层、第2催化剂层、以及配置于第1催化剂层与第2催化剂层之间的电解质膜；支承框架，配置于膜电极接合体的周围；第1气体扩散层，与第1催化剂层接触配置，且至少一部分被设置为超过膜电极接合体的外缘；第2气体扩散层，与第2催化剂层接触配置；一对隔膜，夹持第1气体扩散层、第2气体扩散层以及支承框架；以及盖板，从第1气体扩散层与支承框架之间的第1区域起连续地设置至第1气体扩散层与电解质膜或第1催化剂层之间的第2区域，且不透过燃料电池的反应气体。盖板经由粘接层与支承框架以及电解质膜粘接为不使反应气体通过。

Description

燃料电池以及燃料电池的制造方法

技术领域

本公开涉及燃料电池以及燃料电池的制造方法。

背景技术

以往，存在一种具备膜电极构造体的固体高分子型燃料电池的技术(专利文献1)。在专利文献1的技术中，电解质膜/电极构造体具备固体高分子电解质膜、阳极侧电极以及阴极侧电极。阳极侧电极被配置于固体高分子电解质膜的一方的面。阴极侧电极被配置于固体高分子电解质膜的另一方的面。阴极侧电极使固体高分子电解质膜的外周部露出。电解质膜/电极构造体具备围绕固体高分子电解质膜的外周并且仅与阴极侧电极接合的树脂制框部件。树脂制框部件具有构成为使内周缘部含浸于阴极侧电极的气体扩散层的外周缘部的含浸部。

专利文献1：日本专利第5681792号

在上述的技术中，树脂制框部件与阴极侧电极的气体扩散层直接接合。因此，在将树脂制框部件与阴极侧电极的气体扩散层接合之后的燃料电池的制造工序中，或者在制造出的燃料电池运转时，存在因各构成要素的热膨胀差、被从外部施加的力而导致(i)与树脂制框部件的内侧接合的阴极侧电极的气体扩散层、(ii)与该气体扩散层接合的膜电极构造体破损的可能性。

发明内容

本公开是为了解决上述的课题而完成的，能够实现为以下的方式。

(1)根据本公开的一个方式，提供一种燃料电池。该燃料电池具备：膜电极接合体，具有第1催化剂层、第2催化剂层、以及配置于上述第1催化剂层与上述第2催化剂层之间的电解质膜；支承框架，被配置于上述膜电极接合体的周围；第1气体扩散层，被配置为与上述第1催化剂层接触，且至少一部分被设置为超过上述膜电极接合体的外缘；第2气体扩散层，被配置为与上述第2催化剂层接触；一对隔膜，夹持上述第1气体扩散层、上述第2气体扩散层以及上述支承框架；以及盖板，从上述第1气体扩散层与上述支承框架之间的第1区域起连续设置至上述第1气体扩散层与上述电解质膜或上述第1催化剂层之间的第2区域，且不透过上述燃料电池的反应气体，上述盖板经由粘接层与上述支承框架以及上述电解质膜粘接为不使上述反应气体通过。在该方式的燃料电池中，支承框架被配置于膜电极接合体的周围。而且，在支承框架与膜电极接合体经由粘接层粘接有盖板。因此，与支承框架与气体扩散层直接粘接的方式相比，在燃料电池的制造工序或者燃料电池的运转时，因各构成要素的热膨胀差、被从外部施加的力而导致气体扩散层、电解质膜破损的可能性低。因此，能够抑制燃料电池的劣化。另一方面，在该方式的燃料电池中，不透过反应气体的盖板经由粘接层与膜电极接合体的电解质膜以及支承框架粘接为不使反应气体通过。因此，能够抑制第1催化剂层侧的反应气体与第2催化剂层侧的反应气体混合。

(2)在上述方式的燃料电池中，上述第1催化剂层的外周缘部比上述电解质膜的外周缘部靠内侧，上述第2区域可以是上述第1气体扩散层与上述第1催化剂层之间的区域。根据该方式的燃料电池，支承框架、电解质膜以及第1催化剂层通过盖板粘接。因此，电解质膜中的未被第1催化剂层覆盖的部分被盖板覆盖。因此，能够抑制异物刺入至电解质膜，能够抑制膜电极接合体的断裂。因此，能够抑制燃料电池的劣化。

(3)在上述方式的燃料电池的制造方法中，可以具备如下工序：将具备上述第2气体扩散层、上述第2催化剂层、上述电解质膜以及上述第1催化剂层的接合体以上述第2气体扩散层在下的方式配置于台之上并将上述支承框架配置于上述台之上的上述接合体的周围的工序；在上述支承框架的配置之后向上述接合体的上表面以及上述支承框架的上表面涂覆粘接剂的工序；在上述粘接剂的涂覆之后向被配置于上述接合体上的粘接剂以及被配置于上述支承框架上的粘接剂之上连续地配置上述盖板的工序；在上述盖板的配置之后将上述台之上的上述接合体、上述支承框架以及上述盖板接合的工序。根据该方式的制造方法，向涂覆了粘接剂的接合体与支承框架配置盖板。因此，粘接剂的位置不被盖板相对于接合体以及支承框架的配置的精度左右。因此，与对盖板涂覆粘接剂的情况相比，能够减小涂覆粘接剂的区域，能够抑制粘接剂内包有气泡。

(4)在上述方式的制造方法中，上述台是能够对被配置于上述台之上的结构进行吸引的吸附台，上述盖板的接合可以通过利用上述吸附台吸附上述接合体、上述支承框架以及上述盖板来将上述接合体、上述支承框架以及上述盖板接合。根据该方式的制造方法，通过吸附台吸附接合体、支承框架以及盖板来进行接合。因此，不使夹具与盖板、第1气体扩散层接触而按压它们就能够将接合体、支承框架以及盖板接合。

此外，本公开能够以各种方式实现，例如能够以层叠了多个燃料电池单元的燃料电池组等方式实现。

附图说明

图1是表示燃料电池的简要构造的剖视图。

图2是图1的放大图。

图3是表示燃料电池的制造方法的一个例子的工序图。

图4是涂覆工序的说明图。

图5是配置工序的说明图。

图6是夹持工序的说明图。

图7是表示第2实施方式中的燃料电池的简要构造的剖视图。

图8是第2实施方式中的燃料电池的制造方法的工序图。

图9是第2实施方式中的涂覆工序的说明图。

图10是第2实施方式中的第2配置工序的说明图。

图11是第2实施方式中的夹持工序的说明图。

图12是其他实施方式中的燃料电池的说明图。

图13是参考例中的燃料电池的说明图。

附图标记说明：

10…膜电极接合体，11…电解质膜，12a…第1催化剂层，12b…第2催化剂层，20…膜电极构造体，22…第1气体扩散层，23…第2气体扩散层，24…接合体，30…第1隔膜，40…第2隔膜，50…支承框架，60、60a、60c…粘接层，70、70b…盖板，100、100A、100B、100C…燃料电池，200…吸附台，A1、A11…第1区域，A2…第2区域，A3、A33…第3区域，G1、G2…间隙。

具体实施方式

A.第1实施方式：

图1是表示本发明的一个实施方式中的燃料电池100的简要构造的剖视图。图2是图1的放大图。燃料电池100是接受氢与氧的供给作为反应气体来进行发电的固体高分子型燃料电池。燃料电池100具备膜电极接合体10、一对气体扩散层22、23、一对隔膜30、40、支承框架50、粘接层60以及盖板70。

膜电极接合体10具有第1催化剂层12a、第2催化剂层12b、以及配置于第1催化剂层12a与第2催化剂层12b之间的电解质膜11。电解质膜11是在湿润状态下表现出良好的质子传导性的固体高分子薄膜。电解质膜11由氟类树脂的离子交换膜构成。第1催化剂层12a以及第2催化剂层12b具备促进氢与氧的化学反应的催化剂和担载催化剂的碳粒子。在本实施方式中，当沿着与燃料电池100的厚度方向垂直的方向观察的情况下，第1催化剂层12a的外周缘部位于比上述电解质膜11的外周缘部靠内侧。

气体扩散层22、23与膜电极接合体10的两面分别邻接设置。更具体而言，第1气体扩散层22与第1催化剂层12a接触配置，当沿着与燃料电池100的厚度方向垂直的方向观察的情况下，至少一部分超过膜电极接合体10的外缘而设置。另外，第2气体扩散层23与第2催化剂层12b接触配置。气体扩散层22、23是使在电极反应中使用的反应气体沿着电解质膜11的面方向扩散的层，由多孔的扩散层用基材构成。作为扩散层用基材，能够使用碳纤维基材、石墨纤维基材、发泡金属等具有导电性以及气体扩散性的多孔的基材。亦将膜电极接合体10、第1气体扩散层22以及第2气体扩散层23一并称为膜电极构造体20。

隔膜30、40夹持膜电极构造体20与支承框架50。更具体而言，第1隔膜30与第1气体扩散层22的和膜电极接合体10侧相反一侧的面接触配置。另外，第2隔膜40与第2气体扩散层23的和膜电极接合体10侧相反一侧的面邻接配置。隔膜30、40例如通过对由不锈钢、钛或它们的合金构成的金属板、碳树脂复合件进行冲压成型而形成。

支承框架50被配置于膜电极接合体10周围。在本实施方式中，支承框架50被配置为与膜电极接合体10以及第2气体扩散层23具有规定的间隙G1。作为支承框架50，例如能够使用由聚丙烯、聚苯硫醚、聚萘二甲酸乙二醇酯等树脂构成的绝缘性的薄膜状的部件。支承框架50起到作为密封部件的作用以使反应气体不向燃料电池100外部漏出。

盖板70从第1区域A1起连续地设置至第2区域A2。第1区域A1是燃料电池100的厚度方向上的第1气体扩散层22与支承框架50之间的、沿面方向扩展的区域。第2区域A2是燃料电池100的厚度方向上的第1气体扩散层22与第1催化剂层12a之间的、沿面方向扩展的区域。在本实施方式中，第1催化剂层12a的外周缘部位于比上述电解质膜11的外周缘部靠内侧。因此，盖板70被设置为还覆盖第3区域A3。第3区域A3是指燃料电池100的厚度方向上的气体扩散层22与电解质膜11之间的、沿面方向扩展的区域。其中，盖板70的膜电极接合体10侧的端部只要配置于电解质膜11或者第1催化剂层12a之上即可。在第1催化剂层12a的外周缘部存在至电解质膜11的外周缘部的情况下，盖板70被设置至比第1气体扩散层22的外周缘部分靠内侧的部分与第1催化剂层12a之间的区域为止。使用燃料电池100的反应气体不透过的部件来设置盖板70。作为反应气体不透过的部件，例如能够采用由聚丙烯、聚苯硫醚、聚萘二甲酸乙二醇酯等树脂构成的薄膜状的部件。另外，盖板70也可以是包括粘接成分的树脂薄膜。盖板70被经由粘接层60与支承框架50以及电解质膜11相互粘接以便不使反应气体透过。

粘接层60是在盖板70的与隔膜30相反一侧的面形成的基于粘接剂的层。在本实施方式中，粘接层60从盖板70与支承框架50之间的区域连续设置至盖板70与电解质膜11之间的区域为止。更具体而言，配置于盖板70中的与第1区域A1对置的面上、盖板70中的与间隙G1对置的面上、以及盖板70中的与第3区域A3对置的面上。粘接层60不使燃料电池100中的反应气体通过。作为粘接剂，例如能够采用热固化性的粘接剂、UV固化性的粘接剂。

在本实施方式中，粘接层60以与第1催化剂层12a设置有规定的间隙G2的方式被配置于盖板70中的与第3区域A3对置的面上。若粘接剂与第1气体扩散层22接触，则存在因化学反应产生催化剂中毒而导致第1气体扩散层22劣化的担忧。因此，优选在粘接层60与第1催化剂层12a之间设置间隙G2。

图3是表示本实施方式的燃料电池100的制造方法的一个例子的工序图。图4、图5以及图6是制造方法中的各工序的说明图。首先，在步骤S100中进行接合体准备工序。“接合体准备工序”是准备具备第2气体扩散层23、第2催化剂层12b、电解质膜11以及第1催化剂层12a的接合体24的工序(参照图4)。例如通过将第2气体扩散层23、第2催化剂层12b、电解质膜11以及第1催化剂层12a接合来准备接合体24。

接下来，在步骤S110中进行吸附台载置工序。“吸附台载置工序”是将盖板70配置于吸附台200的工序。吸附台200是能够通过真空吸附等来吸附被配置于吸附台200上的结构的装置。

接着，在步骤S120中进行涂覆工序。“涂覆工序”是涂覆粘接剂的工序。图4是涂覆工序的说明图。如图4所示，在本实施方式中，在涂覆工序中对盖板70的上表面涂覆用于形成粘接层60的粘接剂。例如，通过分配器来涂覆粘接剂。

接着，在步骤S130中进行配置工序。“配置工序”是在步骤S120中被涂覆于盖板70上的粘接剂上配置接合体24以及支承框架50的工序。图5是配置工序的说明图。如图5所示，以在成为第1区域A1的区域和成为第3区域A3的区域设置粘接层60的方式在被涂覆于盖板70上的粘接剂上配置接合体24以及支承框架50。

接着，在步骤S140中进行接合工序。“接合工序”是将吸附台200上的接合体24、支承框架50以及盖板70接合的工序。例如通过从盖板70侧进行UV照射来将在步骤120中涂覆的粘接剂固化。其结果是，形成粘接层60，接合体24以及支承框架50与盖板70接合。在吸附台200是UV可透过的材料的情况下，能够通过隔着吸附台200进行UV照射来进行接合。另外，也可以利用平面吸引垫等从吸附台200提起接合体24以及支承框架50而从下表面进行UV照射。

最后，在步骤S150中进行夹持工序。“夹持工序”是利用一对隔膜30、40夹持接合体24、支承框架50、盖板70以及第1气体扩散层22的工序。图6是夹持工序的说明图。如图6所示，在接合了第1气体扩散层22的第1隔膜30之上配置在步骤S140中接合的支承框架50、接合体24以及盖板70，并在其上配置第2隔膜40而将它们接合。例如，通过进行热压接来将支承框架50溶化而与第1隔膜30以及第2隔膜40接合。另外，通过热压接使得盖板70也软化，借助锚固效应而固定于第1气体扩散层22。“锚固效应”是指某一材料侵入至其他材料表面的凹凸、空隙而增加粘接性的效果。

在以上说明的本实施方式的燃料电池100中，支承框架50被配置于膜电极接合体10的周围。而且，在支承框架50与膜电极接合体10经由粘接层60粘接有盖板70(参照图1以及图2)。因此，与支承框架50和第1气体扩散层22直接粘接的方式相比，在燃料电池100的制造工序或者燃料电池100运转时，因各构成要素的热膨胀差、被从外部施加的力而导致气体扩散层22、电解质膜11、膜电极构造体20破损的可能性低。因此，能够抑制燃料电池100的劣化。

另外，不透过反应气体的盖板70以不使反应气体通过的方式与膜电极接合体10的电解质膜11以及支承框架50粘接(参照图1以及图2)。因此，能够抑制第1催化剂层12a侧的反应气体与第2催化剂层12b侧的反应气体混合。

另外，由于在支承框架50与膜电极接合体10之间设置有间隙G1(参照图1以及图2)，所以在燃料电池100的制造过程中能够抑制支承框架50与膜电极接合体10重叠。因此，能够抑制支承框架50以及膜电极接合体10破损。另外，能够抑制燃料电池100变厚。

另外，支承框架50、电解质膜11以及第1催化剂层12a通过盖板70而粘接(参照图1以及图2)。因此，电解质膜11中的未被第1催化剂层12a覆盖的部分被盖板70覆盖。因此，能够抑制异物刺入至电解质膜11，能够抑制膜电极接合体10的断裂。因此，能够抑制燃料电池100的劣化。

另外，不透过反应气体的粘接层60从盖板70与支承框架50之间的区域起连续地设置至盖板70与电解质膜11之间的区域为止(参照图1以及图2)。从而，在第1区域A1、间隙G1以及第3区域A3中设置有粘接层60与盖板70(参照图1以及图2)。因此，由于不透过反应气体的层为双层，所以能够进一步抑制第1催化剂层12a侧的反应气体与第2催化剂层12b侧的反应气体混合。例如，即便异物、纤维从支承框架50与膜电极接合体10的间隙G1刺入至粘接层60，也能够利用盖板70抑制反应气体从第1气体扩散层22流入。

B.第2实施方式：

图7是表示第2实施方式中的燃料电池100A的简要构造的剖视图。燃料电池100A与第1实施方式的不同点在于粘接层60a仅被配置于盖板70中的与第1区域A1对置的面上和盖板70中的与第3区域A3对置的面上，其他结构相同。

图8是第2实施方式中的燃料电池100A的制造方法的工序图。图9、图10以及图11是制造方法中的各工序的说明图。第2实施方式中的燃料电池100A的制造方法在步骤S115～S145中向接合体24与支承框架50涂覆粘接剂并配置盖板70的点上与第1实施方式不同，其他工序与第1实施方式相同。由于标注了相同的附图标记的步骤S100以及步骤S150为相同的处理，所以省略说明。

在步骤S115中进行第1配置工序。在本实施方式中，“第1配置工序”是将接合体24以及支承框架50配置于吸附台200的工序。更具体而言，接合体24以第1催化剂层12a为上侧、第2气体扩散层23在下而与吸附台200接触的方式被配置于吸附台200。支承框架50以设置有间隙G1的方式被配置于接合体24的周围。

接着，在步骤S125中进行涂覆工序。在本实施方式中，“涂覆工序”是对在步骤S115中配置于吸附台200上的接合体24的上表面以及支承框架50的上表面涂覆粘接剂的工序。图9是涂覆工序的说明图。如图9所示，粘接剂是接合体24中的电解质膜11的支承框架50侧的端部，被涂覆于成为第3区域A3的区域。另外，粘接剂是支承框架50的接合体24侧的端部，被涂覆于成为第1区域A1的区域。

接着，在步骤S135中进行第2配置工序。“第2配置工序”是在涂覆工序中被配置于接合体24上以及支承框架50上的粘接剂之上连续地配置盖板70的工序。图10是第2配置工序的说明图。如图10所示，盖板70被配置为覆盖在步骤S125中涂覆了粘接剂的位置。

接着，在步骤S145中进行接合工序。例如，通过一边利用吸附台200进行真空吸附一边从盖板70侧进行UV照射，使得在步骤S125中涂覆的粘接剂固化，形成粘接层60a，将接合体24以及支承框架50与盖板70接合。

图11是第2实施方式中的夹持工序的说明图。如图11所示，在第2实施方式的步骤S150的夹持工序中，在第2隔膜40之上配置在步骤S145中接合了盖板70的支承框架50与接合体24，并在其上配置接合了第1气体扩散层22的第1隔膜30而进行接合。

在以上说明的本实施方式的燃料电池100A的制造方法中，对涂覆了粘接剂的接合体24与支承框架50连续地配置盖板70(参照图10)。因此，粘接剂的位置不被盖板70相对于接合体24以及支承框架50的配置的精度左右。因此，与对盖板70涂覆粘接剂的情况相比，能够减小涂覆粘接剂的区域，能够减少粘接剂的涂覆量。另外，能够抑制粘接剂内包有气泡。另外，能够抑制粘接剂垂在支承框架50与膜电极接合体10之间的间隙G1。

另外，通过吸附台200来吸附接合体24、支承框架50以及盖板70而进行接合。通过真空吸附来减压间隙G1中的空气。因此，盖板70与气体扩散层22紧贴。因此，不使夹具与盖板70、第1气体扩散层22接触而按压它们就能够将接合体24、支承框架50以及盖板70接合。另外，在燃料电池100的制造工序中，能够抑制因被从外部施加的力导致电解质膜11破损。

C.其他实施方式：

(C1)在上述实施方式中，使用吸附台200来制造燃料电池。也可以取而代之，使用不进行吸引的简单的台。

(C2)图12是其他实施方式中的燃料电池100B的说明图。在上述实施方式中，盖板70从第1气体扩散层22与支承框架50之间的第1区域A1起连续地设置至第1气体扩散层22与第1催化剂层12a之间的第2区域A2，比粘接层60大。也可以取而代之，将盖板70b从第1气体扩散层与支承框架之间的第1区域A11起连续地设置至第1气体扩散层与电解质膜之间的第3区域A33。第1区域A11中的与膜电极接合体10相反一侧的端部是比第1区域A1中的与膜电极接合体10相反一侧的端部靠膜电极接合体10侧。另外，第3区域A33中的与支承框架50相反一侧的端部是比第3区域A3中的与支承框架50相反一侧的端部靠支承框架50侧。即，与第1实施方式相比，能够减小盖板70b的大小。盖板70b只要被配置为覆盖与支承框架50和膜电极接合体10之间的间隙G1对置的第1气体扩散层22即可。

D.参考例：

(D1)在上述实施方式中，燃料电池100具备粘接层60。能够取而代之，将燃料电池100构成为省略粘接层60。在燃料电池100中，盖板70只要与电解质膜11以及支承框架50粘接为不使反应气体通过即可。例如，盖板70可以不经由粘接层60而直接粘接于电解质膜11以及支承框架50。使用不透过反应气体的部件来设置盖板70。因此，盖板70若被粘接为与电解质膜11以及支承框架50紧贴，则不使反应气体通过。

(D2)图13是参考例中的燃料电池100C的说明图。在上述第2实施方式中，粘接层60a被配置于盖板70中的与第1区域A1对置的面上和盖板70中的与第3区域A3对置的面上。取而代之，能够构成为粘接层60c仅被配置于盖板70中的第3区域A3。

本公开并不局限于上述的实施方式，在不脱离其主旨的范围内能够以各种结构实现。例如，为了解决上述课题或者为了实现上述效果的一部分或全部，与发明内容一栏所记载的各方式中的技术特征对应的实施方式中的技术特征能够适当地进行替换、组合。另外，只要该技术特征在本说明书中未被说明为必需的技术特征，则能够适当地删除。

Claims (3)

1.一种燃料电池的制造方法，

所述燃料电池具备：

膜电极接合体，具有第1催化剂层、第2催化剂层、以及被配置于所述第1催化剂层与所述第2催化剂层之间的电解质膜；

支承框架，被配置于所述膜电极接合体的周围；

第1气体扩散层，与所述第1催化剂层接触配置，且至少一部分被设置为超过所述膜电极接合体的外缘；

第2气体扩散层，与所述第2催化剂层接触配置；

一对隔膜，夹持所述第1气体扩散层、所述第2气体扩散层以及所述支承框架；以及

盖板，从所述第1气体扩散层与所述支承框架之间的第1区域起连续地设置至所述第1气体扩散层与所述第1催化剂层之间的第2区域或所述第1气体扩散层与所述电解质膜之间的第3区域，且不透过所述燃料电池的反应气体，

所述盖板经由粘接层与所述支承框架以及所述电解质膜粘接为不使所述反应气体通过，

其中，所述燃料电池的制造方法具备如下工序：

将具备所述第2气体扩散层、所述第2催化剂层、所述电解质膜以及所述第1催化剂层的接合体以所述第2气体扩散层在下的方式配置于台之上并将所述支承框架配置于所述台之上的所述接合体的周围的工序；

在所述支承框架的配置之后向所述接合体的上表面以及所述支承框架的上表面涂覆粘接剂的工序；

在所述粘接剂的涂覆之后向被配置于所述接合体上的粘接剂以及被配置于所述支承框架上的粘接剂之上连续地配置所述盖板的工序；以及

在所述盖板的配置之后将所述台之上的所述接合体、所述支承框架、以及所述盖板接合的工序，

所述第1区域是所述燃料电池的厚度方向上的所述第1气体扩散层与所述支承框架之间的、沿面方向扩展的区域，所述第2区域是所述燃料电池的厚度方向上的所述第1气体扩散层与所述第1催化剂层之间的、沿面方向扩展的区域，所述第3区域是指所述燃料电池的厚度方向上的所述第1气体扩散层与所述电解质膜之间的、沿面方向扩展的区域。

2.根据权利要求1所述的燃料电池的制造方法，其中，

所述台是能够对被配置于所述台之上的结构进行吸引的吸附台，

所述盖板的接合通过利用所述吸附台吸附所述接合体、所述支承框架以及所述盖板来将所述接合体、所述支承框架以及所述盖板接合。

3.根据权利要求1所述的燃料电池的制造方法，其中，

所述第1催化剂层的外周缘部比所述电解质膜的外周缘部靠内侧。