燃料电池用电解质膜、电极构造体及其制造方法
【专利摘要】电解质膜/电极构造体(10)具备固体高分子电解质膜(18)、夹持所述固体高分子电解质膜(18)的阳极侧电极(20)和阴极侧电极(22)。阴极侧电极(22)具有比阳极侧电极(20)小的平面尺寸。电解质膜/电极构造体(10)围绕固体高分子电解质膜(18)的外周而设有树脂制框体部件(24)，并且所述树脂制框体部件(24)使内周边部仅浸渍于阴极侧电极(22)的外周边部从而与所述阴极侧电极(22)接合。
【专利说明】燃料电池用电解质膜、电极构造体及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及分别具有电极催化剂层和气体扩散层的第I电极以及第2电极被设置在固体高分子电解质膜的两侧、且将所述第I电极的外形尺寸设定得比所述第2电极小的燃料电池用电解质膜、电极构造体及其制造方法。
【背景技术】
[0002]一般，固体高分子型燃料电池采用由高分子离子交换膜构成的固体高分子电解质膜。该燃料电池通过隔板(双极型板)来夹持电解质膜/电极构造体(MEA)，该电解质膜/电极构造体(MEA)在固体高分子电解质膜的两侧配置了分别由催化剂层(电极催化剂层)和气体扩散层(多孔碳)构成的阳极侧电极以及阴极侧电极。层叠规定数量的该燃料电池来构成燃料电池组，例如被用作车载用燃料电池组。
[0003]在这种电解质膜/电极构造体中，有时构成一个气体扩散层被设定为比固体高分子电解质膜小的平面尺寸(表面积)、且另一个气体扩散层被设定为与所述固体高分子电解质膜相同的平面尺寸的所谓阶梯(段差)型MEA。
[0004]通常，在燃料电池组中，层叠多个电解质膜/电极构造体，为了抑制成本，要求将所述电解质膜/电极构造体构成得较为廉价。因此，为了削减尤其高价的固体高分子电解质膜的使用量并简化结构，提出了各种方案。
[0005]例如，在JP特开2007-66766号公报(以下称为现有技术)所公开的电解质膜-电极接合体中，如图19所示那样，具备电解质膜1、在所述电解质膜I的一侧配置的阴极催化剂层2a、在所述电解质膜I的另一侧配置的阳极催化剂层2b、和在所述电解质膜I的两侧配置的气体扩散层3a、3b。
[0006]阳极侧的气体扩散层3b构成为与电解质膜I的面积相等、且比阴极侧的气体扩散层3a的面积大。在该电解质膜/电极接合体(MEA)的边沿区域配置垫圈(gasket)构造体4，气体扩散层3a侧的电解质膜I的外周部和所述垫圈构造体4隔着粘接层5而被接合。
【发明内容】
[0007]但是，在上述现有技术中，MEA和垫圈构造体4仅仅是在从气体扩散层3a向外部露出的电解质膜I的外周边部隔着粘接层5而被固定。因此，MEA与垫圈构造体4的接合强度低，无法获得期望的强度。
[0008]本发明是为了解决这种问题而提出的，其目的在于围绕固体高分子电解质膜的外周而坚固且容易地接合树脂制框体部件、并能够良好地抑制所述树脂制框体部件的变形的燃料电池用电解质膜/电极构造体及其制造方法。
[0009]本发明涉及分别具有电极催化剂层和气体扩散层的第I电极以及第2电极被设置在固体高分子电解质膜的两侧、且将所述第I电极的外形尺寸设定得比所述第2电极小的燃料电池用电解质膜/电极构造体及其制造方法。
[0010]在该电解质膜/电极构造体中，围绕固体高分子电解质膜的外周而设有树脂制框体部件，并且具有将所述树脂制框体部件、和至少第I电极的外周边部或者所述第2电极的 外周边部的任意一方一体地接合的浸溃部。
[0011]此外，该制造方法包括:在固体高分子电解质膜的两侧形成第I电极以及第2电极 的工序；制作树脂制框体部件的工序；和使所述第I电极的外周边部和所述树脂制框体部 件的内周边部重叠，并且对彼此的重叠部位加热，使该树脂制框体部件的内周边部仅浸溃 于所述第I电极的外周边部，并且围绕所述固体高分子电解质膜的外周而使所述树脂制框 体部件接合的工序。
[0012]此外，该制造方法包括:使构成第I电极的气体扩散层的外周边部和树脂制框体 部件的内周边部重叠，并且对彼此的重叠部位进行加热，由此使所述树脂制框体部件的内 周边部仅浸溃于所述第I电极的外周边部从而使其接合的工序；在固体高分子电解质膜的 两侧形成电极催化剂层的工序；和在所述固体高分子电解质膜的两侧，使构成接合了所述 树脂制框体部件的所述第I电极的所述气体扩散层、和构成第2电极的气体扩散层一体化 的工序。
[0013]再有，该制造方法包括:使构成第I电极的气体扩散层的外周边部和树脂制框体 部件的内周边部重叠，并且对彼此的重叠部位进行加热，使所述树脂制框体部件的内周边 部仅浸溃于所述第I电极的外周边部从而使其接合的工序；在构成第2电极的气体扩散层 上形成电极催化剂层，并且在固体高分子电解质膜的一侧形成构成所述第I电极的电极催 化剂层的工序；和在所述固体高分子电解质膜的两侧，使接合了所述树脂制框体部件的所 述第I电极和所述第2电极一体化的工序。
[0014]根据本发明，具有使树脂制框体部件、和至少第I电极的外周边部或者第2电极的 外周边部的任意一方一体地接合的浸溃部。因此，树脂制框体部件与至少第I电极或者第2 电极之间的接合强度较之基于粘接的接合而得到良好的提高，能够尽可能地抑制剥离等的 发生。
[0015]此外，根据本发明的制造方法，树脂制框体部件仅与第I电极接合。因此，树脂制 框体部件的热收缩的部分被缩小，能够抑制在所述树脂制框体部件发生弯曲等。由此，能够 围绕固体高分子电解质膜的外周而坚固且容易地接合树脂制框体部件，并且所述树脂制框 体部件的变形被良好地抑制。
[0016]此外，根据本发明，在构成第I电极以及第2电极的各气体扩散层的外周端部和树 脂制框体部件中分别有树脂浸溃而一体地设有树脂浸溃部。因此，第I电极以及第2电极 与树脂制框体部件之间的接合强度较之基于粘接的接合而得到良好的提高，能够尽可能地 抑制剥离等的发生。
[0017]此外，根据本发明，在构成第2电极的气体扩散层的外周端部和树脂制框体部件 中，浸溃树脂而一体地设有树脂浸溃部。因此，树脂制框体部件的热收缩的部分被缩小，能 够抑制在所述树脂制框体部件中发生弯曲等。并且，由于仅在尺寸大的第2电极中设置树 脂浸溃部，因此作为树脂部件，适用加入了玻璃填充物的树脂，并且能够适用熔化温度高的 树脂。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是组装了本发明的实施方式涉及的电解质膜/电极构造体的固体高分子型燃料电池的主要部分分解立体说明图。
[0019]图2是所述燃料电池的图1中的I1-1I线剖面说明图。
[0020]图3是所述电解质膜/电极构造体的阴极侧电极侧的正面说明图。
[0021]图4是本发明的第I实施方式涉及的制造方法中的阶梯状MEA的部分剖面说明图。
[0022]图5是树脂制框体部件的说明图。
[0023]图6是所述阶梯状MEA与所述树脂制框体部件的接合处理的说明图。
[0024]图7是本发明的第2实施方式涉及的制造方法的工序说明图。
[0025]图8是本发明的第3实施方式涉及的制造方法的工序说明图。
[0026]图9是组装了本发明的第4实施方式涉及的电解质膜/电极构造体的固体高分子型燃料电池的剖面说明图。
[0027]图10是所述电解质膜/电极构造体的阴极侧电极侧的正面说明图。
[0028]图11是所述电解质膜/电极构造体的阳极侧电极侧的正面说明图。
[0029]图12是制造所述电解质膜/电极构造体的方法的说明图。
[0030]图13足所述电解质膜/电极构造体的比较例的说明图。
[0031]图14是本发明的第5实施方式涉及的电解质膜/电极构造体的主要部分剖面说明图。
[0032]图15是本发明的第6实施方式涉及的电解质膜/电极构造体的主要部分剖面说明图。
[0033]图16是本发明的第7实施方式涉及的电解质膜/电极构造体的主要部分剖面说明图。
[0034]图17是组装了本发明的第8实施方式涉及的电解质膜/电极构造体的固体高分子型燃料电池的剖面说明图。
[0035]图18是制造所述电解质膜/电极构造体的方法的说明图。
[0036]图19是JP特开2007-66766号公报所公开的电解质膜-电极接合体的说明图。
【具体实施方式】
[0037]如图1及图2所示，组装了本发明的第I实施方式涉及的电解质膜/电极构造体10的固体高分子型燃料电池12通过第I隔板14以及第2隔板16来夹持所述电解质膜/电极构造体10。第I隔板14以及第2隔板16例如由钢板、不锈钢板、铝板、镀覆处理钢板、或者对其金属表面实施了防腐蚀用表面处理的金属板、碳部件等构成。
[0038]如图2所示，电解质膜/电极构造体10例如具备在全氟磺酸的薄膜中浸溃了水的固体高分子电解质膜18、和夹持所述固体高分子电解质膜18的阳极侧电极(第2电极)20以及阴极侧电极(第I电极)22。固体高分子电解质膜18除了使用氟系电解质以外，还使用HC (碳化氢)系电解质。
[0039]阴极侧电极22具有比固体高分子电解质膜18以及阳极侧电极20小的平面尺寸。再者，阳极侧电极20与阴极侧电极22可以是同一平面尺寸，或者所述阴极侧电极22也可以具有比所述阳极侧电极20大的平面尺寸。
[0040]阳极侧电极20配置在固体高分子电解质膜18的一个面18a上。阴极侧电极22配置在固体高分子电解质膜18的另一个面18b上，并且使所述固体高分子电解质膜18的 外周以画框状露出。
[0041]阳极侧电极20中设有与固体高分子电解质膜18的面18a接合的电极催化剂层 20a、和在所述电极催化剂层20a上隔着中间层(基底层)20b而被层叠的气体扩散层20c。 阴极侧电极22中设有与固体高分子电解质膜18的面18b接合的电极催化剂层22a、和在所 述电极催化剂层22a上隔着中间层(基底层)22b而被层叠的气体扩散层22c。
[0042]形成在炭黑中承载了钼粒子的催化剂粒子，作为离子传导性粘合剂而使用高分子 电解质，将在该高分子电解质的溶液中均匀地混合所述催化剂粒子而制作的催化剂膏剂印 刷、涂布或者转印在固体高分子电解质膜18的两面，由此构成电极催化剂层20a、22a。
[0043]中间层20b、22b是使炭黑以及FEP(四氟乙烯-六氟丙烯共聚物)粒子和碳纳米 管形成为膏剂状之后被涂布到气体扩散层20c、22c的。气体扩散层20c、22c由复写纸等构 成，并且所述气体扩散层20c的平面被设定得比所述气体扩散层22c的平面大。
[0044]如图2以及图3所示，电解质膜/电极构造体10具备围绕固体高分子电解质膜18 的外周并且仅与阴极侧电极22接合的树脂制框体部件24。树脂制框体部件24具有由例 如PPS(聚苯硫醚)或PPA(聚邻苯二酰胺)等构成、且如后述那样使内周边部仅浸溃在阴 极侧电极22的外周边部的浸溃部26。
[0045]如图1所示，在燃料电池12的箭头B方向(图1中为水平方向)的一端缘部中， 在作为层叠方向的箭头A方向上彼此连通，在箭头C方向(铅垂方向)排列设置用于供给 氧化剂气体例如含氧气体的氧化剂气体入口连通孔30a、用于供给冷却介质的冷却介质入 口连通孔32a、以及用于排出燃料气体例如含氢气体的燃料气体出口连通孔34b。
[0046]在燃料电池12的箭头B方向的另一端缘部中，在箭头A方向上彼此连通，在箭头C 方向上排列设置用于供给燃料气体的燃料气体入口连通孔34a、用于排出冷却介质的冷却 介质出口连通孔32b、以及用于排出氧化剂气体的氧化剂气体出口连通孔30b。
[0047]在第2隔板16的朝向电解质膜/电极构造体10的面16a上，设有与氧化剂气体 入口连通孔30a以及氧化剂气体出口连通孔30b连通的氧化剂气体流路36。
[0048]在第I隔板14的朝向电解质膜/电极构造体10的面14a上，形成有与燃料气体 入口连通孔34a以及燃料气体出口连通孔34b连通的燃料气体流路38。在第I隔板14的 面14b与第2隔板16的面16b之间，形成有与冷却介质入口连通孔32a以及冷却介质出口 连通孔32b连通的冷却介质流路40。
[0049]如图1以及图2所示，在第I隔板14的面14a、14b上，围绕该第I隔板14的外周 端部而使第I密封部件42 —体化，并且在第2隔板16的面16a、16b上，围绕该第2隔板16 的外周端部而使第2密封部件44 一体化。
[0050]如图2所示，第I密封部件42具有与电解质膜/电极构造体10的树脂制框体部 件24抵接的第I凸状密封件42a、和介于第I隔板14与第2隔板16之间的第2凸状密封 件42b。第2密封部件44构成平面密封件。再者，也可以取代第2凸状密封件42b，而在第 2密封部件44中设置凸状密封件(未图示)。
[0051]在第I以及第2密封部件42、44中，例如使用EPDM、NBR、氟橡胶、硅橡胶、氟硅橡 胶、丁基橡胶、天然橡胶、苯乙烯橡胶、氯丁二烯或者丙烯酸类橡胶等密封材料、衬垫材料、 或者填充材料。[0052]如图1所示，在第I隔板14中形成有将燃料气体入口连通孔34a与燃料气体流路 38连通的供给孔部46、将所述燃料气体流路38与燃料气体出口连通孔34b连通的排出孔 部48。
[0053]以下，在该燃料电池12中，说明本发明的第I实施方式涉及的电解质膜/电极构 造体10的制造方法。
[0054]首先，如图4所示，制作阶梯状MEA50。具体而言，在固体高分子电解质膜18的两 个面18a、18b上涂布电极催化剂层20a、22a，而在气体扩散层20c、22c上涂布由防水剂和碳 粒子的混合物构成的中间层20b、22b。
[0055]然后，使中间层20b与固体高分子电解质膜18的面18a侧、即电极催化剂层20a相 对置之后配置气体扩散层20c，并且使中间层22b与所述固体高分子电解质膜18的面18b、 即电极催化剂层22a相对置之后配置气体扩散层22c。它们被一体层叠后被实施热压处理 (hot press),由此制作出阶梯状MEA50。
[0056]如图5所示，通过射出成型机(未图示)，使树脂制框体部件24成型。树脂制框体 部件24具有与阶梯状MEA50的厚度方向的尺寸Hl相同的宽度尺寸Hl，并且在内周边部一 体地设置具有与所述阶梯状MEA50的阴极侧电极22的厚度H2相同的厚度H2的内周突出 部24a。内周突出部24a的突出长度L被设定为从阶梯状MEA50的固体高分子电解质膜18 的前端部到阴极侧电极22的前端部为止的距离与浸溃部26的长度之和。
[0057]接下来，如图6所示，在基座52上，以阳极侧电极20作为下方来搭载阶梯状 MEA50。树脂制框体部件24使内周突出部24a的前端与阶梯状MEA50的阴极侧电极22的 外周边部重叠，并在所述树脂制框体部件24上配置玻璃板54。隔着玻璃板54对树脂制框 体部件24向基座52侧施加负荷F，并且从激光装置56透过所述玻璃板54向阴极侧电极 22的外周边部与树脂制框体部件24的内周边部的重叠部位照射激光Lb。
[0058]因此，树脂制框体部件24的作为内周边部的内周突出部24a被集中加热而熔化， 浸溃在构成阴极侧电极22的气体扩散层22c中。由此，如图2所示，树脂制框体部件24通 过使内周边部仅浸溃于阴极侧电极22的外周边部的浸溃部26而与所述阴极侧电极22接 合，制作出电解质膜/电极构造体10。
[0059]在该情况下，第I实施方式中，在单独制作阶梯状MEA50和树脂制框体部件24之 后，使该树脂制框体部件24的内周边部仅浸溃在阴极侧电极22的外周边部，从而与所述阴 极侧电极22接合。因此，树脂制框体部件24与阴极侧电极22的接合强度较之基于粘接的 接合得到了良好的提高，能够尽可能地抑制剥离等的发生。
[0060]并且，树脂制框体部件24仅与阴极侧电极22接合。因此，树脂制框体部件24的 热收缩部分被缩小，能够抑制在所述树脂制框体部件24中发生弯曲等。
[0061]特别是，利用激光装置56，通过激光加热而仅在重合部位集中进行加热处理。因 此，树脂制框体部件24仅仅是局部被加热，熔解时间也被缩短，可削减成本，并且尽可能地 减少了变形。再者，也可以取代基于激光装置56的激光熔敷，采用红外线熔敷或脉冲熔敷
坐 寸o
[0062]以下，说明该燃料电池12的动作。
[0063]首先，如图1所示，对氧化剂气体入口连通孔30a供给含氧气体等氧化剂气体，并 且对燃料气体入口连通孔34a供给含氢气体等燃料气体。再有，对冷却介质入口连通孔32a供给纯水、乙二醇、油等冷却介质。
[0064]因此，氧化剂气体从氧化剂气体入口连通孔30a被导入到第2隔板16的氧化剂气体流路36，在箭头B方向移动而被供给至电解质膜/电极构造体10的阴极侧电极22。另一方面，燃料气体从燃料气体入口连通孔34a通过供给孔部46而被导入到第I隔板14的燃料气体流路38。燃料气体沿着燃料气体流路38在箭头B方向上移动，被供给至电解质膜/电极构造体10的阳极侧电极20。
[0065]因此，在各电解质膜/电极构造体10中，供给至阴极侧电极22的氧化剂气体和供给至阳极侧电极20的燃料气体在电极催化剂层内通过电化学反应被消耗，由此进行发电。
[0066]接下来，供给至阴极侧电极22而被消耗的氧化剂气体沿着氧化剂气体出口连通孔30b在箭头A方向上被排出。同样，供给至阳极侧电极20而被消耗的燃料气体通过排出孔部48沿着燃料气体出口连通孔34b而在箭头A方向上被排出。
[0067]此外，供给至冷却介质入口连通孔32a的冷却介质被导入第I隔板14与第2隔板16之间的冷却介质流路40之后，在箭头B方向上流通。该冷却介质对电解质膜/电极构造体10进行冷却之后，从冷却介质出口连通孔32b被排出。
[0068]图7是本发明的第2实施方式涉及的电解质膜/电极构造体10的制造方法的工序说明图。
[0069]在该第2实施方式中，向阳极侧的气体扩散层20c涂布中间层20b (SI)，并且向阴极侧的气体扩散层22c涂布中间层22b (S2)。与气体扩散层22c接合预先通过射出成形而成形的树脂制框体部件24 (S3)。气体扩散层22c与树脂制框体部件24的接合处理与第I实施方式大致相同，例如在图6所示的基座52上配置所述气体扩散层22c来进行。因此，通过浸溃部26而使树脂制框体部件24与阴极侧电极22的气体扩散层22c —体化。
[0070]另一方面，向固体高分子电解质膜18的两个面18a、18b涂布电极催化剂层20a、22a(S4)。进而，在固体高分子电解质膜18的两个面18a、18b侧分别配置阳极侧的气体扩散层20c和接合了树脂制框体部件24的阴极侧的气体扩散层22c，通过热压处理而被一体化，由此制造出电解质膜/电极构造体10 (S5)。
[0071]这样，在第2实施方式中，获得与上述第I实施方式相同的效果。
[0072]图8是本发明的第3实施方式涉及的电解质膜/电极构造体10的制造方法的工序说明图。
[0073]在该第3实施方式中，向阳极侧的气体扩散层20c涂布中间层20b之后(Sll)，向所述气体扩散层20c的所述中间层20b涂布电极催化剂层20a(S12)。另一方面，向阴极侧的气体扩散层22c涂布中间层22b之后(S13)，与所述气体扩散层22c接合树脂制框体部件24(S14)。该接合处理与上述的第I及第2实施方式相同。
[0074]此外，在固体高分子电解质膜18的面18b上涂布阴极侧的电极催化剂层22a(S15)。接下来，在固体高分子电解质膜18的两个面18a、18b侧，分别配置阳极侧的气体扩散层20c和接合了树脂制框体部件24的阴极侧的气体扩散层22c，通过实施热压处理而被一体化，由此制造出电解质膜/电极构造体10 (S16)。
[0075]因此，在第3实施方式中，获得与上述第I以及第2实施方式相同的效果。
[0076]图9是组装了本发明的第4实施方式涉及的电解质膜/电极构造体60的固体高分子型燃料电池62的剖面说明图。再者，对于与组装了第I实施方式涉及的电解质膜/电极构造体10的固体高分子型燃料电池12相同的构成要素，赋予同一参考符号，并省略其详 细的说明。此外，在以下说明的第5实施方式以及以后的实施方式中同样省略其详细的说 明。
[0077]在电解质膜/电极构造体60中，阳极侧电极20中设有与固体高分子电解质膜18 的面18a接合的电极催化剂层20a、和层叠在所述电极催化剂层20a上的气体扩散层20c。 阴极侧电极22中设有与固体高分子电解质膜18的面18b接合的电极催化剂层22a、和层 叠在所述电极催化剂层22a上的气体扩散层22c。再者，尽管没有图示，但可以隔着中间层 (基底层)而设置电极催化剂层20a与气体扩散层20c，同样也可以隔着中间层(基底层) 而设置电极催化剂层22a和气体扩散层22c。
[0078]树脂制框体部件24和构成阴极侧电极22的气体扩散层22c通过第I树脂浸溃部 26a被一体化，而所述树脂制框体部件24和构成阳极侧电极20的气体扩散层20c通过第2 树脂浸溃部26b被一体化。
[0079]如图10所示，第I树脂浸溃部26a形成在构成阴极侧电极22的气体扩散层22c 的整个周围。将第I树脂浸溃部26a的长边(在箭头B方向上延伸的边)侧的宽度尺寸LI 设定得比所述第I树脂浸溃部26a的短边(在箭头C方向上延伸的边)侧的宽度尺寸L2 宽(L1>L2)。
[0080]如图11所示，在构成阳极侧电极20的气体扩散层20c的整个周围形成第2树脂 浸溃部26b。将第2树脂浸溃部26b的长边(在箭头B方向上延伸的边)侧的宽度尺寸L3 设定得比所述第2树脂浸溃部26b的短边(在箭头C方向上延伸的边)侧的宽度尺寸L4 宽(L3>L4)。
[0081]如图9所示，在比树脂制框体部件24的阴极侧电极22侧的第I内周部24c更向 外侧远离了距离H的位置上，第2树脂浸溃部26b的端部终止。S卩，第2树脂浸溃部26b在 层叠方向上没有被设置到与阴极侧电极22重叠的位置。
[0082]接下来，说明制造电解质膜/电极构造体60的方法。
[0083]首先，如图12所示，制作构成电解质膜/电极构造体60的阶梯状MEA64。具体而 言，在固体高分子电解质膜18的两个面18a、18b上涂布电极催化剂层20a、22a。然后，在固 体高分子电解质膜18的面18a侧、即电极催化剂层20a上配置气体扩散层20c，并且在所述 固体高分子电解质膜18的面18b、即电极催化剂层22a上配置气体扩散层22c。它们被一 体层叠之后对其实施热压处理，制作出阶梯状MEA64。
[0084]另一方面，树脂制框体部件24是通过射出成型机(未图示)预先成形的，所述树 脂制框体部件24和阶梯状MEA64被对位。树脂制框体部件24具有第I内周部24c和第2 内周部24d，在所述第I内周部24c中配置阴极侧电极22的端部，而在所述第2内周部24d 中配置阳极侧电极20的端部。
[0085]在此，在阴极侧电极22侧准备用于形成第I树脂浸溃部26a的第I树脂部件26aa， 并且在阳极侧电极20侧准备用于形成第2树脂浸溃部26b的第2树脂部件26bb。第I树 脂部件26aa以及第2树脂部件26bb具有框架形状(画框形状)，例如由与树脂制框体部件 24相同的材料构成。
[0086]再者，树脂制框体部件24可以使用混入了填充物而使其强化后的树脂材料来构 成，而第I树脂部件26aa以及第2树脂部件26bb可以使用没有混入填充物的树脂材料来构成。由此，能够利用坚固的树脂制框体部件24使阶梯状MEA64和所述树脂制框体部件24
[0087]接下来，在阶梯状MEA64和树脂制框体部件24中配置第I树脂部件26aa以及第2树脂部件26bb从而赋予了负荷的状态下，对所述第I树脂部件26aa以及所述第2树脂部件26bb加热。作为加热方式，采用激光熔敷、红外线熔敷或脉冲熔敷等。
[0088]因此，第I树脂部件26aa以及第2树脂部件26bb被加热而熔化。第I树脂部件26aa横跨构成阴极侧电极22的气体扩散层22c以及树脂制框体部件24而被浸溃，另一方面，第2树脂部件26bb横跨构成阳极侧电极20的气体扩散层20c以及所述树脂制框体部件24而被浸溃。
[0089]由此，如图9所示，横跨构成阴极侧电极22的气体扩散层22c以及树脂制框体部件24而形成第I树脂浸溃部26a，并且横跨构成阳极侧电极20的气体扩散层20c以及所述树脂制框体部件24而形成第2树脂浸溃部26b，由此制作出电解质膜/电极构造体60。
[0090]在该情况下，第4实施方式中，树脂分别浸溃到构成阴极侧电极22以及阳极侧电极20的各气体扩散层22c、20c的外周端部和树脂制框体部件24，从而第I树脂浸溃部26a以及第2树脂浸溃部26b被一体设置。
[0091]因此，阴极侧电极22以及阳极侧电极20与树脂制框体部件24之间的接合强度较之基于粘接的接合而得到良好的提高，能够尽可能地抑制剥离等的发生。
[0092]再有，将第I树脂浸溃部26a的长边侧的宽度尺寸LI设定得比所述第I树脂浸溃部26a的短边侧的宽度尺寸L2宽(L1>L2)(参照图10)。并且，将第2树脂浸溃部26b的长边侧的宽度尺寸L3设定得比所述第2树脂浸溃部26b的短边侧的宽度尺寸L4宽(L3>L4)(参照图11)。因此，阴极侧电极22以及阳极侧电极20与树脂制框体部件24之间的接合强度得到进一步提闻。
[0093]再有，如图9所示，在比树脂制框体部件24的阴极侧电极22侧的第I内周部24c更向外侧远离了距离H的位置上，第2树脂浸溃部26b的端部终止。在该距离H的范围内，由于在与阳极侧电极20对置的部分不存在阴极侧电极22的电极催化剂层22a，因此不会引
起异常反应。
[0094]例如，在图13所示的比较例中，阴极侧电极22的气体扩散层22c和树脂制框体部件24通过第I树脂浸溃部27a而被一体化。另一方面，阳极侧电极20的气体扩散层20c和树脂制框体部件24通过第2树脂浸溃部27b而被一体化。并且，第2树脂浸溃部27b比第I树脂浸溃部27a的端部更向内侧进入了距离Ha。
[0095]在该比较例中，在设有第2树脂浸溃部27b的距离Ha的范围中，存在阴极侧电极22的电极催化剂层22a。由此，阳极侧电极20侧在距离Ha的范围内存在氢不足的现象，在阴极侧电极22侧不易发生异常反应。
[0096]具体而目，通过H2O — l/202+2H++2e、C+2H20 — C02+4H++4e、pt — pT2++2e 的反应，发生担载碳的腐蚀Pt的熔解，出现性能下降。
[0097]图14是本发明的第5实施方式涉及的电解质膜/电极构造体70的主要部分剖面说明图。
[0098]电解质膜/电极构造体70具备与阴极侧电极22以及阳极侧电极20接合的树脂制框体部件72。在树脂制框体部件72中一体地设有使所述树脂制框体部件72与阴极侧电极22的气体扩散层22c、及所述树脂制框体部件72与阳极侧电极20的气体扩散层20c分 别一体化的第I树脂突起部74a以及第2树脂突起部74b。
[0099]第I树脂突起部74a围绕第I内周部24c而形成为框架形状(画框形状)，并且第 2树脂突起部74b围绕第2内周部24d而形成为框架形状(画框形状)。优选第I树脂突 起部74a构成为使第I内周部24c侧的相反侧的端面朝向远离树脂制框体部件72的方向 而向所述树脂制框体部件72侧倾斜的倾斜面74as。
[0100]同样，优选第2树脂突起部74b构成为使第2内周部24d侧的相反侧的端面朝向 远离树脂制框体部件72的方向而向所述树脂制框体部件72侧倾斜的倾斜面74bs。
[0101]第I树脂突起部74a以及第2树脂突起部74b通过加热装置(未图示)而被加热 熔化，并且通过赋予负荷，分别被浸溃在气体扩散层22c、20c中。因此，形成第I树脂浸溃 部26a以及第2树脂浸溃部26b。因此，在第5实施方式中，获得与上述第4实施方式相同 的效果。
[0102]图15是本发明的第6实施方式涉及的电解质膜/电极构造体80的主要部分剖面 说明图。
[0103]电解质膜/电极构造体80具备与阴极侧电极22以及阳极侧电极20接合的树脂 制框体部件82。在树脂制框体部件82中预先通过嵌入成形一体地设置用于分别使所述树 脂制框体部件82与阴极侧电极22的气体扩散层22c、以及所述树脂制框体部件82与阳极 侧电极20的气体扩散层20c —体化的第I树脂部件84a以及第2树脂部件84b。
[0104]第I树脂部件84a以及第2树脂部件84b通过加热装置(未图示)而被加热熔化， 并且通过赋予负荷，分别被浸溃在气体扩散层22c、20c中。由此，形成第I树脂浸溃部26a 以及第2树脂浸溃部26b。因此，在第6实施方式中，获得与上述第4以及第5实施方式相 同的效果。
[0105]图16是本发明的第7实施方式涉及的电解质膜/电极构造体90的主要部分剖面 说明图。
[0106]电解质膜/电极构造体90具备与阴极侧电极22以及阳极侧电极20接合的树脂 制框体部件92。在树脂制框体部件92中一体地设有用于分别使所述树脂制框体部件92与 阴极侧电极22的气体扩散层22c、以及所述树脂制框体部件92与阳极侧电极20的气体扩 散层20c —体化的第I树脂突起部94a以及第2树脂突起部94b。
[0107]第I树脂突起部94a围绕第I内周部24c而形成为框架形状(画框形状)，并且第 2树脂突起部94b围绕第2内周部24d而形成为框架形状(画框形状)。
[0108]第I树脂突起部94a以及第2树脂突起部94b的剖面具有长方形形状。实质上， 构成为在第5实施方式涉及的电解质膜/电极构造体70中，在第I树脂突起部74a以及第 2树脂突起部74b中未设置倾斜面74as、74bs的形状。
[0109]在该第7实施方式中，第I树脂突起部94a以及第2树脂突起部94b通过加热装 置(未图示)而被加热熔化，并且被赋予负荷，由此分别被浸溃在气体扩散层22c、20c中。 由此，形成第I树脂浸溃部26a以及第2树脂浸溃部26b。
[0110]由此，在第7实施方式中可获得与上述第4?第6实施方式相同的效果，并且特别 是可简化第I树脂突起部94a以及第2树脂突起部94b的制造作业。
[0111]图17是组装了本发明的第8实施方式涉及的电解质膜/电极构造体100的固体高分子型燃料电池102的剖面说明图。
[0112]在电解质膜/电极构造体100中，树脂制框体部件24和构成阳极侧电极20的气体扩散层20c通过树脂浸溃部104而被一体化。即，树脂制框体部件24仅与尺寸比阴极侧电极22还大的阳极侧电极20接合。
[0113]在制造电解质膜/电极构造体100时，如图18所示那样制作构成所述电解质膜/电极构造体100的阶梯状MEA106。在树脂制框体部件24和阶梯状MEA106相互已被配置的状态下，准备用于形成树脂浸溃部104的树脂部件104a。树脂部件104a具有框架形状(画框形状)，使用混入玻璃填充物而被强化的树脂材料。
[0114]接下来，在阶梯状MEA106和树脂制框体部件24中配置树脂部件104a后赋予负荷的状态下，对所述树脂部件104a进行加热。因此，树脂部件104a被加热而熔化，横跨构成阳极侧电极20的气体扩散层20c以及树脂制框体部件24而形成树脂浸溃部104，制作出电解质膜/电极构造体100。
[0115]在该情况下，在第8实施方式中，在树脂部件104a被加热而熔化时，由于玻璃填充物没有进入气体扩散层20c内，因此不会与固体高分子电解质膜18直接接触。
[0116]并且，在树脂部件104a在高温下熔化时，在固体高分子电解质膜18与所述树脂部件104a之间存在气体扩散层20c以及电极催化剂层20a，而根据情况还可以存在中间层20b。因此，可减少热量对固体高分子电解质膜18的影响。
[0117]由此，作为树脂部件104a，可应用混合了玻璃填充物的树脂，并且可应用熔融温度高的树脂，获得应用树脂的选择性得到提高的效果。
【权利要求】
1.一种燃料电池用电解质膜/电极构造体，在固体高分子电解质膜(18)的两侧设置分别具有电极催化剂层(22a、20a)和气体扩散层(22c、20c)的第I电极(22)以及第2电极(20)，将所述第I电极(22)的外形尺寸设定得比所述第2电极(20)小，所述燃料电池用电解质膜/电极构造体的特征在于， 围绕所述固体高分子电解质膜(18)的外周而设有树脂制框体部件(24)，并且， 所述燃料电池用电解质膜/电极构造体具有浸溃部(26)，所述浸溃部(26)使所述树脂制框体部件(24)和至少所述第I电极(22)的外周边部或者所述第2电极(20)的外周边部的任意一方一体地接合。
2.根据权利要求1所述的燃料电池用电解质膜/电极构造体，其特征在于， 所述浸溃部(26)使所述树脂制框体部件(24)的内周边部浸溃于所述第I电极(22)的外周边部中而与该第I电极(22)接合。
3.根据权利要求2所述的燃料电池用电解质膜/电极构造体，其特征在于， 所述树脂制框体部件(24)具有将厚度方向的尺寸设定得比外周端部的厚度方向的尺寸小的内周突出部(24a)，并且， 所述内周突出部(24a)具有浸溃于所述第I电极(22)的外周边部中的所述内周边部。
4.根据权利要求1所述的燃料电池用电解质膜/电极构造体，其特征在于， 在构成所述第I电极(22)的所述气体扩散层(22c)的外周端部以及构成所述第2电极(20)的所述气体扩散层(20c)的外周端部中，设有通过浸溃树脂使所述电解质膜/电极构造体￠0)和所述树脂制 框体部件(24) —体地接合的所述浸溃部、即树脂浸溃部(26a、26b)。
5.根据权利要求4所述的燃料电池用电解质膜/电极构造体，其特征在于， 在各气体扩散层(22c、20c)的各外周端部的整个周围设置所述树脂浸溃部(26a、26b)。
6.根据权利要求4所述的燃料电池用电解质膜/电极构造体，其特征在于， 所述树脂浸溃部(26a、26b)具有: 框架形状的第I树脂部件(26aa)，其配置在构成所述第I电极(22)的所述气体扩散层(22c)的整个周围；和 框架形状的第2树脂部件(26bb)，其配置在构成所述第2电极(20)的所述气体扩散层(20c)的整个周围。
7.根据权利要求4所述的燃料电池用电解质膜/电极构造体，其特征在于， 所述树脂浸溃部(26a、26b)具有: 框架形状的第I树脂突起部(74a)，与所述树脂制框体部件(72) —体地设置该第I树脂突起部(74a)，且该第I树脂突起部(74a)被配置在构成第I电极(22)的所述气体扩散层(22c)的整个周围；和 框架形状的第2树脂突起部(74b)，与所述树脂制框体部件(72) —体地设置该第2树脂突起部(74b)，且该第2树脂突起部(74b)被配置在构成所述第2电极(20)的所述气体扩散层(20c)的整个周围。
8.根据权利要求1所述的燃料电池用电解质膜/电极构造体，其特征在于， 在构成所述第2电极(20)的所述气体扩散层(20c)的外周端部中，设有通过浸溃树脂而使所述电解质膜/电极构造体(100)与所述树脂制框体部件(24) —体地接合的所述浸溃部、即树脂浸溃部(104)。
9.根据权利要求8所述的燃料电池用电解质膜/电极构造体，其特征在于，在所述气体扩散层(20c)的外周端部的整个周围设置所述树脂浸溃部(104)。
10.根据权利要求8所述的燃料电池用电解质膜/电极构造体，其特征在于，所述树脂浸溃部(104)具有配置在构成所述第2电极(20)的所述气体扩散层(20c) 的整个周围的框架形状的树脂部件(104a)。
11.一种燃料电池用电解质膜/电极构造体的制造方法，该燃料电池用电解质膜/电极构造体中，在固体高分子电解质膜(18)的两侧设置分别具有电极催化剂层(22a、20a)和气体扩散层(22c、20c)的第I电极(22)以及第2电极(20)，将所述第I电极(22)的外形尺寸设定得比所述第2电极(20)小，所述燃料电池用电解质膜/电极构造体的制造方法的特征在于，包括:在所述固体高分子电解质膜(18)的两侧形成所述第I电极(22)以及所述第2电极(20)的工序；制作树脂制框体部件(24)的工序；和使所述第I电极(22)的外周边部和所述树脂制框体部件(24)的内周边部重叠，并对彼此的重叠部位进行加热，由此使该树脂制框体部件(24)的内周边部浸溃于所述第I电极 (22)的外周边部，且围绕所述固体高分子电解质膜(18)的外周而使所述树脂制框体部件 (24)接合的工序。
12.一种燃料电池用电解质膜/电极构造体的制造方法，该燃料电池用电解质膜/电极构造体中，在固体高分子电解质膜(18)的两侧设置分别具有电极催化剂层(22a、20a)和气体扩散层(22c、20c)的第I电极(22)以及第2电极(20)，将所述第I电极(22)的外形尺寸设定得比所述第2电极(20)小，所述燃料电池用电解质膜/电极构造体的制造方法的特征在于，包括:使构成所述第I电极(22)的所.述气体扩散层(22c)的外周边部与树脂制框体部件 (24)的内周边部重叠，并且对彼此的重叠部位进行加热，由此使该树脂制框体部件(24)的内周边部浸溃于所述第I电极(22)的外周边部从而使其接合的工序；在所述固体高分子电解质膜(18)的两侧形成所述电极催化剂层(22a、20a)的工序；和在所述固体高分子电解质膜(18)的两侧，使构成接合了所述树脂制框体部件(24)的所述第I电极(22)的所述气体扩散层(22c)、与构成所述第2电极(20)的所述气体扩散层 (20c) —体化的工序。
13.一种燃料电池用电解质膜/电极构造体的制造方法，该燃料电池用电解质膜/电极构造体中，在固体高分子电解质膜(18)的两侧设置分别具有电极催化剂层(22a、20a)和气体扩散层(22c、20c)的第I电极(22)以及第2电极(20)，将所述第I电极(22)的外形尺寸设定得比所述第2电极(20)小，所述燃料电池用电解质膜/电极构造体的制造方法的特征在于，包括:使构成所述第I电极(22)的所述气体扩散层(22c)的外周边部和树脂制框体部件(24)的内周边部重叠，并且对彼此的重叠部位进行加热，使该树脂制框体部件(24)的内周边部浸溃于所述第I电极(22)的外周边部从而使其接合的工序；在构成所述第2电极(20)的所述气体扩散层(20c)上形成所述电极催化剂层(20a)， 并且在所述固体高分子电解质膜(18)的一侧形成构成所述第I电极(22)的所述电极催化剂层(22a)的工序；和在所述固体高分子电解质膜(18)的两侧，使接合了所述树脂制框体部件(24)的所述第I电极(22)和所述第2电极(20) —体化的工序 。
【文档编号】H01M8/02GK103443981SQ201280016093
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2012年3月23日 优先权日:2011年4月1日
【发明者】杉下昌史, 小此木泰介, 木村义人, 田中之人 申请人:本田技研工业株式会社