燃料電池的制作方法
【專利摘要】通過具備：膜電極接合體(M)，其在電解質(zhì)膜(1)的兩側(cè)具有催化劑層(6)，在該膜電極接合體(M)的表面?zhèn)染哂腥龑右陨系亩嗫左w；框體(4)，其圍繞電解質(zhì)膜(1)的外周；以及隔膜(5)，在其與膜電極接合體(M)之間形成有氣體流路(G)，并且，在三層多孔體中的鄰接于隔膜(5)的第一多孔體(11)的外緣部、和鄰接于第一多孔體(11)的第二多孔體(12)的外緣部設有延伸部(11A)、(12A)，在框體(4)與隔膜(5)之間插入有所述延伸部(11A)、(12A)，從而防止表面壓力過度地施加于第一多孔體(11)的延伸部(11A)與框體(4)之間，優(yōu)化對膜電極接合體(M)的發(fā)電區(qū)域(形成有催化劑層(6)的區(qū)域)施加的表面壓力。
【專利說明】燃料電池

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及固體高分子型燃料電池（PEFC)等燃料電池的改良。

【背景技術(shù)】
[0002] 作為這種燃料電池，有專利文獻1中記載的膜-電極接合體。專利文獻1的膜-電 極接合體具有膜-膜加強構(gòu)件接合體、陽極催化劑層（第一催化劑層）、陰極催化劑層（第 二催化劑層）、陽極氣體擴散層（第一氣體擴散層）、和陰極氣體擴散層（第二氣體擴散 層）。
[0003] 膜-膜加強構(gòu)件接合體具備：高分子電解質(zhì)膜；1個以上的膜片狀的第一膜加強構(gòu) 件，其以整體沿高分子電解質(zhì)膜的周緣延伸的方式配置在該高分子電解質(zhì)膜的主表面上； 以及1個以上的膜片狀的第二膜加強構(gòu)件，其以整體沿高分子電解質(zhì)膜的周緣延伸、且從 高分子電解質(zhì)膜的厚度方向觀察時其內(nèi)緣與第一膜加強構(gòu)件的內(nèi)緣彼此不一致的方式配 置在第一膜加強構(gòu)件上。需要說明的是，第一膜加強構(gòu)件和第二膜加強構(gòu)件主要由合成樹 脂構(gòu)成。
[0004] 陽極催化劑層以覆蓋高分子電解質(zhì)膜的主表面的方式形成，以使其能夠填埋被形 成于第一膜加強構(gòu)件的開口，同樣地，陰極催化劑層以覆蓋高分子電解質(zhì)膜的主表面的方 式形成。陽極氣體擴散層以覆蓋陽極催化劑層和第一膜加強構(gòu)件的主表面的一部分的方式 配置，陰極氣體擴散層以覆蓋陰極催化劑層和第一膜加強構(gòu)件的主表面的一部分的方式配 置。
[0005] 膜-膜加強構(gòu)件接合體通過采取上述構(gòu)成，從而防止由氣體擴散層的端部接觸而 導致的高分子電解質(zhì)膜的破損，并且更可靠地抑制由第一膜加強構(gòu)件的端部造成的高分子 電解質(zhì)I吳的破損，提1?耐久性。
[0006] 現(xiàn)有摶術(shù)f獻
[0007] 專利文獻
[0008] 專利文獻1 :W02008/126350號公報
[0009] 發(fā)明要解決的問是頁
[0010] 不過，近年來，為了實現(xiàn)燃料電池的小型化，對于氣體擴散層的材料研究了使用金 屬多孔體材料來代替碳材料。作為氣體擴散層使用金屬多孔體材料，并如上述專利文獻1 中公開的那樣以氣體擴散層覆蓋第一膜加強構(gòu)件的方式進行配置時，下述問題尚未解決： 過量的表面壓力作用于氣體擴散層與第一膜加強構(gòu)件重疊的部分（高分子電解質(zhì)膜的周 緣部分），難以優(yōu)化形成有催化劑層的高分子電解質(zhì)膜的表面壓力。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明是著眼于上述現(xiàn)有問題而成的，其目的在于提供通過防止過量的表面壓力 施加于高分子電解質(zhì)膜的周緣部分、從而能夠優(yōu)化對包含高分子電解質(zhì)膜的膜電極結(jié)構(gòu)體 的發(fā)電區(qū)域施加的表面壓力的燃料電池。
[0012] 用于解決問題的方案
[0013] 本發(fā)明的燃料電池具備：膜電極接合體，其在電解質(zhì)膜的兩側(cè)具有催化劑層，在該 催化劑層的表面?zhèn)染哂腥龑右陨系亩嗫左w；框體，其圍繞電解質(zhì)膜的外周；以及隔膜，在其 與膜電極接合體之間區(qū)劃形成有氣體流路。并且，燃料電池采取如下的構(gòu)成，即在三層多孔 體中的鄰接于隔膜的第一多孔體的外延部、和鄰接于第一多孔體的第二多孔體的外緣部設 有以與框體重疊的方式延伸的延伸部，在框體與隔膜之間插入有第一多孔體的延伸部和第 二多孔體的延伸部，將上述構(gòu)成作為用于解決現(xiàn)有問題的手段。
[0014] 上述燃料電池中，插入于框體與隔膜之間的第一多孔體的延伸部和第二多孔體的 延伸部中的第二多孔體的延伸部受到作用于第一多孔體的延伸部與框體之間的表面壓力， 能夠優(yōu)化作用于膜電極接合體的發(fā)電區(qū)域（形成有催化劑層的區(qū)域）的表面壓力。
[0015] 發(fā)明的效果
[0016] 根據(jù)本發(fā)明，通過防止表面壓力過度地施加于第一多孔體的延伸部與框體之間， 能夠優(yōu)化對膜電極接合體的發(fā)電區(qū)域（形成有催化劑層的區(qū)域）施加的表面壓力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1是說明本發(fā)明的燃料電池的一個實施方式的單側(cè)省略的剖視圖（A)、以及比 較本發(fā)明與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的表面壓力的圖表（B)。
[0018] 圖2是圖1中示出的燃料電池的整體的剖視圖（A)、以及構(gòu)成燃料電池的框體和電 解質(zhì)膜的俯視圖（B)。
[0019] 圖3是說明本發(fā)明的燃料電池的另一實施方式的單側(cè)省略的剖視圖。

【具體實施方式】
[0020] 以下，根據(jù)【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明的燃料電池的一個實施方式。
[0021] 圖1的⑷和圖2的⑷中示出的燃料電池 C具備：膜電極接合體M，其在電解質(zhì) 膜（高分子電解質(zhì)膜）1的兩側(cè)具有作為電極層的陰極層2和陽極層3 ;框體4,其圍繞電解 質(zhì)膜1的外周；以及隔膜5、5,在其與膜電極接合體Μ之間區(qū)劃形成各個氣體流路G、G。需 要說明的是，圖1的（A)僅示出陰極層2,實際上在電解質(zhì)膜1的相反一側(cè)（圖中為下側(cè)） 存在陽極層（3)。
[0022] 膜電極接合體Μ是所謂的MEA (Membrane Electrode Assembly)，在該實施方式中 膜電極接合體Μ包含氣體擴散層。即，膜電極接合體Μ的陰極層2和陽極層3均具有鄰接 于電解質(zhì)膜1的催化劑層6，而且在該膜電極接合體Μ的陰極層2和陽極層3的表面?zhèn)染哂?作為氣體擴散層發(fā)揮功能的三層以上的多孔體。關(guān)于該多孔體的詳細情況，在后文進行說 明。
[0023] 框體4是作為框架（frame)或襯墊（gasket)發(fā)揮功能的樹脂制的構(gòu)件。該框體 4如圖2的（B)中所示形成俯視矩形狀，并且具有比電解質(zhì)膜1厚的規(guī)定的板厚，以電解質(zhì) 膜1在中央部露出的方式與該電解質(zhì)膜1一體成形。
[0024] 另外，框體4在圖2中為左側(cè)的一個短邊側(cè)具有陰極氣體（含氧氣體）、冷卻液和 陽極氣體（含氫氣體）的供給孔H1?H3,在另一個短邊側(cè)具有這些流體的排出孔H4?H6。 需要說明的是，供給和排出的位置關(guān)系可以適當變更。
[0025] 隔膜5兼用作集電體，雖然省略了圖示，但隔膜5形成與框體4相應的俯視矩形 狀，并且形成了與框體4同樣的供給孔和排出孔。該隔膜5在重合于膜電極接合體Μ的狀 態(tài)下形成前述氣體流路G。需要說明的是，該實施方式的燃料電池 C在將多片層疊時，各供 給孔（Η1?Η3)和排出孔（Η4?Η6)在層疊方向上連續(xù)而形成各個流路，而且在與鄰接的 燃料電池 C之間（隔膜5彼此之間）流通冷卻液。
[0026] 在上述隔膜5與膜電極接合體Μ之間夾設圖1中示出一部分的密封材料7。該密 封材料7設置于框體4的外周部、供給孔Η1?Η3的周圍和排出孔Η4?Η6的周圍，此時， 在各孔Η1?Η6的周圍設有開放部分，以便不妨礙氣體向相應的層的流通。
[0027] 上述燃料電池 C如上所述那樣在電極層（陰極層2和陽極層3)的表面?zhèn)染邆渲?少三層多孔體11、12、13。三層多孔體11、12、13中的鄰接于隔膜5的第一多孔體11和鄰接 于第一多孔體11的第二多孔體12在各自的外緣部具有以與框體4的內(nèi)緣部重疊的方式延 伸的延伸部11Α、12Α。此外，燃料電池 C為在框體4與隔膜5之間插入有第一多孔體11的 延伸部11Α和第二多孔體12的延伸部12的構(gòu)成。
[0028] 第一多孔體11的延伸部11Α以與框體4的內(nèi)緣部重疊的方式延伸，因此防止第一 多孔體11的端部與電解質(zhì)膜1接觸而使電解質(zhì)膜1破損。另外，第一多孔體的延伸部11Α 抑制陰極與陽極的壓差或由電解質(zhì)膜1的溶脹/收縮導致的框體4的變動，因此緩和了在 催化劑層6與框體4的界面處向電解質(zhì)膜1的應力集中。
[0029] 需要說明的是，該實施方式中，例示了第二多孔體12具有與主體相同厚度的延伸 部12Α的構(gòu)成，但在第二多孔體12由多個層形成的情況下，可以僅在多個層中的一個層上 設置延伸部12Α。
[0030] 此處，上述燃料電池 C中，第一多孔體11的壓縮彈性模量大于其它多孔體12、13 的壓縮彈性模量。
[0031] 另外，關(guān)于第一多孔體11，作為理想的實施方式，可以使用鐵、不銹鋼、鋁和鋁合 金、鈦和鈦合金、鉻和鉻合金、鎳和鎳合金、鎂和鎂合金中的任一種以上的金屬。另外，第一 多孔體11由金屬絲網(wǎng)、穿孔金屬（perforated metal)、蝕刻金屬（etching metal)、和多孔 拉制金屬網(wǎng)（expanded metal)等構(gòu)成。
[0032] 進而，關(guān)于燃料電池 C，作為理想的實施方式，第二多孔體12和鄰接于第二多孔體 12的第三多孔體13由碳材料形成，作為更理想的實施方式，可以使用片狀碳材料。需要說 明的是，第二多孔體12和第三多孔體13也可以用相同材料形成為一體。
[0033] 將具備上述構(gòu)成的燃料電池 C層疊多片，并且在其兩側(cè)配置端板，在層疊方向上 施加規(guī)定載荷并連接兩個端板，從而構(gòu)成燃料電池組。在該狀態(tài)下，會對各燃料電池 C施加 規(guī)定的表面壓力。
[0034] 此時，上述燃料電池 C中，第二多孔體12即具有與框體4直接接觸的延伸部12A 的第二多孔體12起到作為彈性體的作用，受到作用于第一多孔體11的延伸部11A與框體 4之間的表面壓力。
[0035] 更具體而言，如圖1的⑶中所示，不具有包含延伸部12A的第二多孔體12的現(xiàn) 有結(jié)構(gòu)中，第一多孔體11的延伸部11A與框體4之間的表面壓力變高。即，產(chǎn)生表面壓力 的不均勻分布（日文：片邊>9 )。相對于此，明顯可知，本發(fā)明的燃料電池 C中，具有延伸部 12A的第二多孔體12吸收第一多孔體11的延伸部11A與框體4之間的表面壓力的不均勻 分布，因此對膜電極接合體Μ的發(fā)電區(qū)域施加的表面壓力被優(yōu)化為高于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的值。
[0036] 由此，上述燃料電池 C能夠防止表面壓力過度地施加于第一多孔體11的延伸部 11Α與框體4之間，優(yōu)化對膜電極接合體Μ的發(fā)電區(qū)域（形成有催化劑層6的區(qū)域）施加的 表面壓力。因此，在將上述燃料電池 C層疊而成的燃料電池組中，對各個燃料電池 C的發(fā)電 區(qū)域賦予適宜的表面壓力，進行效率良好的發(fā)電，因此能夠提高整體的發(fā)電性能。
[0037]另外，關(guān)于上述燃料電池 C，使第一多孔體11的壓縮彈性模量大于其它多孔體12、 13的壓縮彈性模量，由此使第一多孔體11比其它更為剛體，從而能夠進一步提高第二多孔 體12的表面壓力吸收和變動吸收的彈性功能。
[0038] 進而，上述燃料電池 C使用前述金屬作為第一多孔體11的材料，從而能夠更高效 地利用第二多孔體12進行表面壓力吸收、變動吸收。
[0039] 進而，上述燃料電池 C將碳材料用于第二多孔體12的材料和第三多孔體13的材 料，從而能夠進一步提高第二多孔體12的表面壓力吸收和變動吸收的彈性功能。另外，通 過使用片狀碳材料作為上述碳材料，除了第二多孔體12的彈性功能的提高之外還能夠?qū)?現(xiàn)制造的各易化。
[0040] 需要說明的是，也可以使第二多孔體12的彈性模量小于第三多孔體13的彈性模 量。通過使第二多孔體12比第三多孔體13軟，從而更進一步提高具有延伸部12Α的第二 多孔體12的表面壓力的吸收功能，防止第一多孔體11的延伸部11Α與框體4之間的表面 壓力的不均勻分布，并優(yōu)化對膜電極接合體Μ的發(fā)電區(qū)域施加的表面壓力。
[0041] 圖3是說明本發(fā)明的燃料電池的另一實施方式的圖。需要說明的是，對與前一實 施方式相同的構(gòu)成部位賦予相同的標記并省略詳細說明。
[0042] 圖示例的燃料電池 C中，為了便于說明各種參數(shù)，將第二多孔體12和第三多孔體 13以多個層的形式表示。即，關(guān)于燃料電池 C，各多孔體11?13中，將構(gòu)成第二多孔體12 的各多孔體用k表示，將構(gòu)成作為不具有延伸部11AU2A的部分的第三多孔體13的各多孔 體用k+Ι?1 (k > 2)表示。
[0043] 需要說明的是，圖3中，在第一多孔體11與第二多孔體12之間、第三多孔體13中 存在間隙，在該間隙中標記了縱向的兩個點，這意味著包含多個層。
[0044] 于是，關(guān)于燃料電池 C，將構(gòu)成第三多孔體13的各多孔體的彈性模量設為Ei(i = k+1?1)、將構(gòu)成第三多孔體13的各多孔體的厚度設為ti (i = k+1?1)、將表面壓力設為 P時，框體的厚度tg滿足下述式。
[0045] [式 1]
[0046]

【權(quán)利要求】
1. 一種燃料電池，其特征在于， 該燃料電池具備： 膜電極接合體，其在電解質(zhì)膜的兩側(cè)具有催化劑層，在該催化劑層的表面?zhèn)染哂腥龑?以上的多孔體； 框體，其圍繞電解質(zhì)膜的外周；以及 隔膜，在該隔膜與膜電極接合體之間區(qū)劃形成有氣體流路；并且， 在三層多孔體中的鄰接于隔膜的第一多孔體的外緣部、和鄰接于第一多孔體的第二多 孔體的外緣部設有以與框體重疊的方式延伸的延伸部， 在框體與隔膜之間插入有第一多孔體的延伸部和第二多孔體的延伸部。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于， 第一多孔體的壓縮彈性模量大于其它多孔體的壓縮彈性模量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃料電池，其特征在于， 第一多孔體為鐵、不銹鋼、錯和錯合金、鈦和鈦合金、鉻和鉻合金、鎳和鎳合金、鎂和鎂 合金中的任一種以上的金屬。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1?3中任一項所述的燃料電池，其特征在于， 第二多孔體和鄰接于第二多孔體的第三多孔體由碳材料形成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池，其特征在于， 所述碳材料為片狀碳材料。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1?5中任一項所述的燃料電池，其特征在于， 第三多孔體由多個層構(gòu)成，將構(gòu)成第三多孔體的各多孔體用k+Ι?l(k > 2)表示、將 構(gòu)成第三多孔體的各多孔體的彈性模量設為Ei (i = k+Ι?1)、將構(gòu)成第三多孔體的各多孔 體的厚度設為ti (i = k+Ι?1)、將表面壓力設為P時，框體的厚度tg滿足下式 [式1]
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7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料電池，其特征在于， 第二多孔體由多個層構(gòu)成，構(gòu)成第二多孔體的各多孔體的彈性模量Eh與構(gòu)成所述第 三多孔體的各多孔體的彈性模量Ei之間的關(guān)系為Ei > Eh。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池，其特征在于， 構(gòu)成所述第二多孔體的各多孔體的電子電導率σh與構(gòu)成第三多孔體的各多孔體的 電子電導率〇 i之間的關(guān)系為〇 i > 〇 h。
9. 一種燃料電池組，其特征在于， 該燃料電池組是將多片權(quán)利要求1?8中任一項所述的燃料電池層疊而成的。
【文檔編號】H01M8/10GK104067427SQ201380005995
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2013年1月21日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月27日
【發(fā)明者】小高敏和, 柳沼基 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社