專利名稱：燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池，其具備在電解質(zhì)膜的兩側(cè)配設(shè)有一對氣體擴散層的電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體，并通過將所述電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體與隔板層疊而成。
背景技術(shù)：
通常，固體高分子型燃料電池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。該燃料電池利用隔板(雙向板)來夾持電解質(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)有由催化劑層(電極催化劑)和氣體擴散層(多孔質(zhì)碳)構(gòu)成的陽極側(cè)電極及陰極側(cè)電極。通常，將該燃料電池層疊規(guī)定個數(shù)而成的燃料電池組例如作為車載用而使用。在上述的電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體中，使用薄膜狀的固體高分子電解質(zhì)膜。因此，由于向固體高分子電解質(zhì)膜施加的反應(yīng)氣體的差壓等產(chǎn)生的機械性的應(yīng)力，而所述固體高分 子電解質(zhì)膜可能會發(fā)生破損。因此，例如已知有日本特開2006-318940號公報所公開的燃料電池。如圖7所示，該燃料電池具備燃料電池單體I和夾持該燃料電池單體I的第一及第二隔板2、3。燃料電池單體I具有固體高分子電解質(zhì)膜4和夾著所述固體高分子電解質(zhì)膜4配設(shè)的陰極電極5a及陽極電極6a。在陰極電極5a及陽極電極6a上配設(shè)有第一氣體擴散層5b及第二氣體擴散層6b。陽極電極6a及第二氣體擴散層6b比固體高分子電解質(zhì)膜4表面積小，且陰極電極5a及第一氣體擴散層5b具有比所述陽極電極6a及所述第二氣體擴散層6b小的表面積。在第一隔板2與固體高分子電解質(zhì)膜4之間以包圍陰極電極5a的方式夾裝有第一密封件SI。在第一隔板2與第二隔板3之間以包圍陽極電極6a的方式夾裝有第二密封件S2。在上述的燃料電池單體I中，臺階部、緩沖部、氣體導(dǎo)入部及氣體排出部由于未作為發(fā)電部使用，因此在這種部位上，不需要具有氣體擴散功能。然而，第一氣體擴散層5b及第二氣體擴散層6b分別延伸到緩沖部，并且所述第二氣體擴散層6b延伸設(shè)置到臺階部。通常，第一及第二氣體擴散層5b、6b通過多孔質(zhì)碳布或多孔質(zhì)碳紙等的高價的多孔質(zhì)層形成。因此，燃料電池單體I不經(jīng)濟，燃料電池整體的成本高漲。而且，第一及第二氣體擴散層5b、6b為了確保擴散功能而壁厚形成得比較厚。因此，在緩沖部、氣體導(dǎo)入部及氣體排出部處，難以確保充分的流路高度。由此，壓損增大，向電極部的流路的氣體分配性下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明用于解決這種問題，其目的在于提供一種能夠可靠地保護電解質(zhì)膜，且能夠良好地確保反應(yīng)氣體用的流路高度的燃料電池。本發(fā)明涉及一種燃料電池，其具備在電解質(zhì)膜的兩側(cè)配設(shè)有一對氣體擴散層的電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體，并通過將所述電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體與隔板層疊而成。并且，電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體中，電解質(zhì)膜的端部從氣體擴散層的端部向外方突出，而且所述電解質(zhì)膜的所述端部兩面由第一保護膜及第二保護膜夾持，且所述第一保護膜的厚度設(shè)定成比所述第二保護膜的厚度薄。根據(jù)本發(fā)明，從氣體擴散層的端部向外方突出的電解質(zhì)膜的端部兩面由第一保護膜及第二保護膜夾持而可靠地保護。而且，第一保護膜的厚度設(shè)定成比第二保護膜的厚度薄，因此能夠良好地確保所述第一保護膜側(cè)的緩沖部、反應(yīng)氣體導(dǎo)入部及反應(yīng)氣體排出部的反應(yīng)氣體流路高度。此外，能夠使發(fā)電部流路中的流量分配接近均勻，從而使發(fā)電性能提高。由此，能夠維持所希望的發(fā)電性能，并容易實現(xiàn)燃料電池整體的薄型化。并且，氣體擴散層可以僅設(shè)置在使用于發(fā)電的區(qū)域。因此，高價的氣體擴散層未形成到不需要氣體擴散功能的部位，從而經(jīng)濟且有效。


圖I是本發(fā)明的第一實施方式的燃料電池的主要部分分解立體說明圖。圖2是所述燃料電池的圖I中的II-II線剖視說明圖。圖3是構(gòu)成所述燃料電池的電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體的主視說明圖。圖4是構(gòu)成所述燃料電池的第二隔板的主視說明圖。圖5是所述電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體的制造方法的說明圖。圖6是本發(fā)明的第二實施方式的燃料電池的剖視說明圖。圖7是日本特開2006-318940號公報所公開的燃料電池的剖視說明圖。
具體實施例方式如圖I所示，本發(fā)明的第一實施方式的燃料電池10利用第一隔板14及第二隔板16來夾持電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體12。在燃料電池10的長邊方向(箭頭C方向)的上端緣部設(shè)有沿著箭頭A方向相互連通的用于供給氧化劑氣體、例如含氧氣體的氧化劑氣體入口連通孔20a及用于供給燃料氣體、例如含氫氣體的燃料氣體入口連通孔22a。在燃料電池10的長邊方向(箭頭C方向)的下端緣部設(shè)有沿著箭頭A方向相互連通的用于排出燃料氣體的燃料氣體出口連通孔22b及用于排出氧化劑氣體的氧化劑氣體出口連通孔20b。在燃料電池10的短邊方向(箭頭B方向)的一端緣部設(shè)有沿著箭頭A方向相互連通的用于供給冷卻介質(zhì)的冷卻介質(zhì)入口連通孔24a，并且在所述燃料電池10的短邊方向的另一端緣部設(shè)有用于排出所述冷卻介質(zhì)的冷卻介質(zhì)出口連通孔24b。如圖I 圖3所示，電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體12具有縱長形狀，具備例如水浸潰于全氟磺酸的薄膜中而得到的固體高分子電解質(zhì)膜26和夾持所述固體高分子電解質(zhì)膜26的陰極側(cè)電極28及陽極側(cè)電極30。如圖3所示，在電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體12的短邊側(cè)的一邊(上邊)設(shè)有向氧化劑氣體入口連通孔20a及燃料氣體入口連通孔22a側(cè)突出的一對上部突出部12a，并且在所述電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體12的短邊側(cè)的另一邊(下邊)設(shè)有向氧化劑氣體出口連通孔20b及燃料氣體出口連通孔22b側(cè)突出的一對下部突出部12b。需要說明的是，上部突出部12a及下部突出部12b的個數(shù)與連通孔的個數(shù)對應(yīng)而能夠增加。如圖2所示，陰極側(cè)電極28具有由碳素紙等構(gòu)成的氣體擴散層28a和將在表面擔(dān)載有鉬合金的多孔質(zhì)碳粒子一樣地涂敷于所述氣體擴散層28a的表面而形成的電極催化劑層28b。陽極側(cè)電極30具有由碳素紙等構(gòu)成的氣體擴散層30a和將在表面擔(dān)載有鉬合金的多孔質(zhì)碳粒子一樣地涂敷于所述氣體擴散層30a的表面而形成的電極催化劑層30b。電極催化劑層28b、30b在固體高分子電解質(zhì)膜26的兩面形成在同一范圍內(nèi)。氣體擴散層28a、30a在固體高分子電解質(zhì)膜26的兩面上形成在同一范圍內(nèi)，并且所述氣體擴散層28a、30a的各端面位置與電極催化劑層28b、30b的各端面位置在層疊方向上一致。固體高分子電解質(zhì)膜26具有從氣體擴散層28a、30a的端部向外方突出的外周端緣面26a、26b。在外周端緣面26a、26b接合有第一保護膜32和第二保護膜33。第一及第二保護膜32、33具有框狀，并且由PPS (聚苯硫醚樹脂),PEEK系(聚醚醚酮)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)等工程塑料或超級工程塑料構(gòu)成。 第一保護膜32的外周端面32a配置在比固體高分子電解質(zhì)膜26的外周靠內(nèi)方的位置，所述固體高分子電解質(zhì)膜26的一方的外周端緣面26a的一部分露出。第二保護膜33的外周端面33a設(shè)定在與固體高分子電解質(zhì)膜26的外周端面相同的位置。第一保護膜32的厚度Tl設(shè)定成比第二保護膜33的厚度T2薄(Tl < T2)。第二保護膜33優(yōu)選設(shè)定成與陰極側(cè)電極28的厚度大致相同的厚度。即，從第二保護膜33的表面到構(gòu)成陰極側(cè)電極28的氣體擴散層28a的表面沒有高低差，而設(shè)定成同一高度(參照圖2)。需要說明的是，第一保護膜32的外周端面32a也可以設(shè)定在與第二保護膜33的外周端面33a相同的位置。第一隔板14及第二隔板16例如由碳隔板構(gòu)成。需要說明的是，第一隔板14及第二隔板16也可以由例如鋼板、不銹鋼板、鋁板、鍍敷處理鋼板、或在其金屬表面實施了防腐蝕用的表面處理的縱長形狀的金屬板構(gòu)成。如圖I所示，在第一隔板14的朝向電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體12的面14a上形成有將氧化劑氣體入口連通孔20a與氧化劑氣體出口連通孔20b連通的氧化劑氣體流路34。氧化劑氣體流路34具有沿著箭頭C方向延伸的多個流路槽部34a。在氧化劑氣體流路34的入口附近及出口附近設(shè)有入口緩沖部36a及出口緩沖部36b。在入口緩沖部36a與氧化劑氣體入口連通孔20a之間形成有多個入口連結(jié)通路38a。在出口緩沖部36b與氧化劑氣體出口連通孔20b之間形成有多個出口連結(jié)通路38b。如圖4所示，在第二隔板16的朝向電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體12的面16a上形成有將燃料氣體入口連通孔22a和燃料氣體出口連通孔22b連通的燃料氣體流路40。燃料氣體流路40具有沿著箭頭C方向延伸的多個流路槽部40a，并且在所述燃料氣體流路40的入口附近及出口附近分別設(shè)置具有多個壓花41a、41b的入口緩沖部42a及出口緩沖部42b。第二隔板16具有將燃料氣體入口連通孔22a及燃料氣體流路40連通的多個供給孔部44a和將燃料氣體出口連通孔22b及所述燃料氣體流路40連通的多個排出孔部44b。在第一隔板14的面14b與第二隔板16的面16b之間形成有將冷卻介質(zhì)入口連通孔24a與冷卻介質(zhì)出口連通孔24b連通的冷卻介質(zhì)流路46。冷卻介質(zhì)流路46具有沿著箭頭B方向延伸的多個流路槽部46a，并且在所述冷卻介質(zhì)流路46的入口附近及出口附近分別設(shè)置具有多個壓花的入口緩沖部48a及出口緩沖部48b。如圖I及圖2所示，在第一隔板14的面14a、14b上，環(huán)繞該第一隔板14的外周端緣部而在兩面上分別或一體地設(shè)有第一密封構(gòu)件50。在第二隔板16的面16a、16b上，環(huán)繞該第二隔板16的外周端緣部而在兩面上分別或一體地設(shè)有第二密封構(gòu)件52。第一密封構(gòu)件50具有突起部50a，該突起部50a環(huán)繞電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體12的外周外方，并將氧化劑氣體入口連通孔20a及氧化劑氣體出口連通孔20b與氧化劑氣體流路34連通。如圖2及圖4所示，第二密封構(gòu)件52具有沿著構(gòu)成電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體12的固體高分子電解質(zhì)膜26的外周端緣面26a而與其進行抵接的內(nèi)側(cè)密封部(內(nèi)側(cè)密封構(gòu)件)52a ;環(huán)繞所述電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體12的外方，且配置在第一隔板14與第二隔板16之間的外側(cè)密封部(外側(cè)密封構(gòu)件)52b。在該燃料電池10中，以下，參照圖5，說明制造電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體12的方法。 首先，圖5中，如(a)所示，在固體高分子電解質(zhì)膜26的兩面配置框狀的第一保護膜32和第二保護膜33。并且，第一保護膜32與固體高分子電解質(zhì)膜26的一方的外周端緣面26a對應(yīng)，例如通過丙烯酸系(也可以是氟系)粘接劑來粘貼。第二保護膜33與固體高分子電解質(zhì)膜26的另一方的外周端緣面26b對應(yīng)，例如通過丙烯酸系(也可以是氟系)粘接劑來粘貼(參照圖5中的(b))。接下來，圖5中，如(C)所示，在固體高分子電解質(zhì)膜26的兩面上，通過在膜的開口部分涂敷催化劑糊劑，而形成電極催化劑層30b、28b。例如將離子導(dǎo)電性成分和由擔(dān)載有Pt的碳粒子構(gòu)成的催化劑粒子以一定的比例混合而作成催化劑糊劑，然后，將該催化劑糊劑網(wǎng)板印刷在固體高分子電解質(zhì)膜26的兩面上之后，使所述催化劑糊劑干燥，由此形成電極催化劑層30b、28b。然后，圖5中，向(d)前進，在電極催化劑層30b、28b上接合氣體擴散層30a、28a。具體而言，氣體擴散層30a、28a通過熱壓而相對于電極催化劑層30b、28b —體化。需要說明的是，也可以在氣體擴散層30a、28a的周緣部涂敷丙烯酸系粘接劑來粘接所述氣體擴散層30a、28a。由此，制造電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體12(圖5中，參照(e))。接著，以下，說明燃料電池10的動作。如圖I所示，向氧化劑氣體入口連通孔20a供給含氧氣體等氧化劑氣體，并向燃料氣體入口連通孔22a供給含氫氣體等燃料氣體。而且，向冷卻介質(zhì)入口連通孔24a供給純水或乙二醇、油等冷卻介質(zhì)。因此，氧化劑氣體從氧化劑氣體入口連通孔20a通過第一隔板14的入口連結(jié)通路38a而被導(dǎo)入到氧化劑氣體流路34。該氧化劑氣體沿著氧化劑氣體流路34向箭頭C方向(重力方向)移動，向電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體12的陰極側(cè)電極28供給。另一方面，燃料氣體從燃料氣體入口連通孔22a通過供給孔部44a向第二隔板16的面16a側(cè)移動。如圖4所示，燃料氣體沿著燃料氣體流路40向重力方向(箭頭C方向)移動，向電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體12的陽極側(cè)電極30供給(參照圖I)。因此，在電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體12中，向陰極側(cè)電極28供給的氧化劑氣體和向陽極側(cè)電極30供給的燃料氣體在電極催化劑層內(nèi)通過電化學(xué)反應(yīng)被消耗而發(fā)電。接下來，向電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體12的陰極側(cè)電極28供給而被消耗的氧化劑氣體沿著氧化劑氣體出口連通孔20b向箭頭A方向排出。另一方面，向電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體12的陽極側(cè)電極30供給而被消耗的燃料氣體通過排出孔部44b向第二隔板16的面16b側(cè)導(dǎo)出。向面16b側(cè)導(dǎo)出的燃料氣體向燃料氣體出口連通孔22b排出。另外，向冷卻介質(zhì)入口連通孔24a供給的冷卻介質(zhì)如圖I所示被導(dǎo)入到冷卻介質(zhì)流路46。因此，從冷卻介質(zhì)入口連通孔24a向冷卻介質(zhì)流路46供給的冷卻介質(zhì)沿著箭頭B方向移動而將燃料電池10冷卻之后，向冷卻介質(zhì)出口連通孔24b排出。這種情況下，在第一實施方式中，如圖2所示，電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體12中，固體高分子電解質(zhì)膜26的端部從氣體擴散層30a、28a的端部向外方突出。并且，在固體高分子電解質(zhì)膜26的端部兩面即外周端緣面26a、26b上接合有第一保護膜32及第二保護膜33。因此，固體高分子電解質(zhì)膜26的外周端緣面26a、26b由第一保護膜32及第二保護膜33夾持而可靠地保護。尤其是第二保護膜33的外周端面33a延伸到與固體高分子電解質(zhì)膜26的外周端面相同的位置，能夠更可靠地增強所述固體高分子電解質(zhì)膜26。 另外，第一保護膜32的厚度Tl設(shè)定成比第二保護膜33的厚度T2薄。這是由于，第二保護膜33具有固體高分子電解質(zhì)膜26的增強功能，因此第一保護膜32能夠設(shè)定成最小限度的厚度。因此，能夠良好地確保第一保護膜32側(cè)的入口緩沖部42a、出口緩沖部42b及燃料氣體流路40的流路高度。而且，能夠使燃料氣體流路40的發(fā)電部流路內(nèi)的流量分配接近均勻，從而發(fā)電性能提高。由此，能夠在維持所希望的發(fā)電性能的同時容易地實現(xiàn)燃料電池10整體的薄型化。需要說明的是，依據(jù)布局，例如在隔板的兩側(cè)分別設(shè)有反應(yīng)氣體流路(燃料氣體流路及氧化劑氣體流路)的結(jié)構(gòu)(冷介質(zhì)流路拉開間隔的結(jié)構(gòu))中，通過使隔著隔板與第一保護膜側(cè)相鄰的第二保護膜側(cè)的流路向所述第一保護膜側(cè)伸出，從而能夠良好地確保所述第二保護膜側(cè)的反應(yīng)氣體流路高度(深度)。此外，氣體擴散層30a、28a僅設(shè)置在發(fā)電部，在不需要氣體擴散功能的入口緩沖部42a、36a或氣體導(dǎo)入部及氣體導(dǎo)出部設(shè)有第一及第二保護膜32、33。因此，能大幅削減比較高價的碳紙或碳布等的使用量，從而良好地削減燃料電池10整體的制造費用。而且，氣體擴散層30a、28a設(shè)定為長方形形狀，因此例如僅通過在卷筒形狀的碳素紙上連續(xù)且整面地涂敷基底層之后，每隔規(guī)定的長度切斷，就能夠容易地制造。由此，能夠?qū)崿F(xiàn)氣體擴散層30a、28a的生產(chǎn)性的提高，并一舉將形狀簡化而良好地提高材料成品率，比較經(jīng)濟。圖6是本發(fā)明的第二實施方式的燃料電池60的剖視說明圖。需要說明的是，對與第一實施方式的燃料電池10相同的結(jié)構(gòu)要素,標(biāo)注同一參照符號，并省略其詳細(xì)的說明。燃料電池60具備電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體62。構(gòu)成電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體62的陽極側(cè)電極30的端面位置比陰極側(cè)電極28的端面位置向外方突出距離S。因此，在第二實施方式中，陽極側(cè)電極30的端面位置與陰極側(cè)電極28的端面位置隔著固體高分子電解質(zhì)膜26而在層疊方向(箭頭A方向)上相互錯開。由此，尤其是能夠可靠地阻止剪切應(yīng)力集中在固體高分子電解質(zhì)膜26上。需要說明的是，也可以取代上述的結(jié)構(gòu)，而使陰極側(cè)電極28的端面位置比陽極側(cè)電極30的端面位置向外方突出距離S。
權(quán)利要求
1.ー種燃料電池，其具備在電解質(zhì)膜(26)的兩側(cè)配設(shè)有ー對氣體擴散層(28a、30a)的電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體(12)，并通過將所述電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體(12)與隔板(14、16)層疊而成，所述燃料電池(10)的特征在干， 所述電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體(12)中，所述電解質(zhì)膜(26)的端部從所述氣體擴散層(28a,30a)的端部向外方突出，并且， 所述電解質(zhì)膜(26)的所述端部兩面由第一保護膜(32)及第ニ保護膜(33)夾持，且所述第一保護膜(32)的厚度設(shè)定成比所述第二保護膜(33)的厚度薄。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的燃料電池，其特征在干， 所述第一保護膜(32)的外周配置在比所述電解質(zhì)膜(26)的外周靠內(nèi)方的位置，所述電解質(zhì)膜(26)的一方的外周端緣面露出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池，其特征在于，具備 在露出到所述第一保護膜(32)的外方的所述電解質(zhì)膜(26)的一方的外周端緣面與一方的隔板(16)之間配設(shè)的內(nèi)側(cè)密封構(gòu)件(52a)； 環(huán)繞所述電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體(12)的外方，且配設(shè)在一對隔板(14、16)之間的外側(cè)密封構(gòu)件(52b)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的燃料電池，其特征在干， 所述第一保護膜(32)與在所述隔板(16)上設(shè)置的緩沖部(42b)對置配設(shè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的燃料電池，其特征在干， 所述ー對氣體擴散層(28a、30a)的端面位置隔著所述電解質(zhì)膜(26)而在層疊方向上相互錯開。
全文摘要
燃料電池(10)通過第一隔板(14)和第二隔板(16)來夾持電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體(12)。電解質(zhì)膜-電極結(jié)構(gòu)體(12)具備固體高分子電解質(zhì)膜(26)、陰極側(cè)電極(28)及陽極側(cè)電極(30)。固體高分子電解質(zhì)膜(26)的端部從氣體擴散層(30a、28a)的端部向外方突出，并且，所述固體高分子電解質(zhì)膜(26)的端部兩面由第一保護膜(32)及第二保護膜(33)夾持。第一保護膜(32)的厚度設(shè)定成比第二保護膜(33)的厚度薄。
文檔編號H01M8/10GK102687325SQ201180005123
公開日2012年9月19日 申請日期2011年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月14日
發(fā)明者大谷輝幸, 小田優(yōu), 杉浦誠治, 田中健一, 相馬浩 申請人:本田技研工業(yè)株式會社