燃料电池及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及具备阶梯差电解质膜.电极结构体与树脂框构件相接合的带框阶梯差电解质膜.电极结构体的燃料电池及其制造方法。
【背景技术】
[0002]—般来说，固体高分子型燃料电池中采用由高分子离子交换膜构成的固体高分子电解质膜。燃料电池具备电解质膜.电极结构体(MEA)，该电解质膜.电极结构体(MEA)在固体高分子电解质膜的两侧，分别配设了由催化剂层(电极催化剂层)和气体扩散层(多孔碳)构成的阳极电极和阴极电极。电解质膜?电极结构体由隔板(双极板)夹持。燃料电池层叠规定的数量而构成燃料电池堆，并且例如作为车载用燃料电池堆使用。
[0003]在电解质膜.电极结构体中存在以下情况，即，一侧的气体扩散层设定为比固体高分子电解质膜小的表面积，另一侧的气体扩散层设定为与所述固体高分子电解质膜相同的表面积，构成所谓的阶梯差MEA。这时，为了削减比较高价的固体高分子电解质膜的使用量，并且保护在薄膜状下强度低的所述固体高分子电解质膜，而采用配备有树脂框构件的带框阶梯差MEA。
[0004]例如，已知有特开2007-66766号公报所公开的电解质膜-电极接合体。在该电解质膜-电极接合体中，如图20所示，在膜I的一侧的面，配置有阳极催化剂层2a和阳极气体扩散层2b。在膜I的另一侧的面，配置有阴极催化剂层3a和阴极气体扩散层3b。由此形成阶梯差MEA4。
[0005]阳极气体扩散层2b，设定为比阴极气体扩散层3b大的面积，所述阴极气体扩散层3b侧的膜I的外周部和垫片结构体5，经由粘接部位6被接合。
【发明内容】
[0006]可是，在上述的特开2007-66766号公报中，阴极气体扩散层3b侧的膜I的外周边部(平面)和垫片结构体5的内周薄壁部5a的平面，经由框缘平面形状的粘接部位6接合。因此，阶梯差MEA4和垫片结构体5的粘接强度容易降低，会引起所述阶梯差MEA4的端部剥落和破损。
[0007]本发明是用于解决这种问题的方案，其目的在于，提供一种经简单的构成和工序就可以确实地接合阶梯差电解质膜.电极结构体和树脂框构件的燃料电池及其制造方法。
[0008]本发明涉及具备阶梯差电解质膜.电极结构体和树脂框构件相接合的带框阶梯差电解质膜.电极结构体的燃料电池及其制造方法。阶梯差电解质膜.电极结构体中，在固体高分子电解质膜的一侧的面，配设有具有第一催化剂层和第一气体扩散层的第一电极，在所述固体高分子电解质膜的另一侧的面，配设有具有第二催化剂层和第二气体扩散层的第二电极。而且，第一气体扩散层的平面尺寸，设定为比第二气体扩散层的平面尺寸大的尺寸。
[0009]树脂框构件具有围绕固体高分子电解质膜的外周的框形状，设有经由阶梯部形成为薄壁状而向第二气体扩散层侧突出的内周突部。
[0010]该燃料电池中，在树脂框构件的内周突部与阶梯差电解质膜.电极结构体的外周边部之间设有框形状的粘接片。而且，粘接片的内周边部具有与第二气体扩散层的外周边部的表面沿电极厚度方向重合的重叠部位。
[0011]另外，其制造方法具有如下工序:分别制作阶梯差电解质膜.电极结构体和树脂框构件的工序；制作具有框形状、内周的开口尺寸比第二气体扩散层的外形尺寸小的粘接片的工序。接着，具有通过粘接片粘接树脂框构件的内周突部和阶梯差电解质膜.电极结构体的外周边部的工序。
[0012]此外，其制造方法具有如下工序:分别制作阶梯差电解质膜.电极结构体和树脂框构件的工序；仿照所述阶梯差电解质膜.电极结构体和所述树脂框构件的粘接部位的形状，将具有框形状的粘接片成形的工序。接着，具有通过所成形的粘接片粘接树脂框构件的内周突部和阶梯差电解质膜.电极结构体的外周边部的工序。
[0013]根据本发明，框形状的粘接片介于树脂框构件的内周突部与阶梯差电解质膜.电极结构体的外周边部之间，并且内周边部与第二气体扩散层的外周边部的表面沿电极厚度方向重合。因此，树脂框构件和阶梯差电解质膜.电极结构体经由粘接片被牢固且确实地粘接。
[0014]因此，通过简单的构成和工序，就可以确实地抑制阶梯差电解质膜.电极结构体与树脂框构件的剥落等。
[0015]另外，根据本发明，框形状的粘接片预先仿照阶梯差电解质膜.电极结构体和树脂框构件的粘接部位的形状而被成形。因此，成形的粘接片介于树脂框构件的内周突部与阶梯差电解质膜.电极结构体的外周边部之间的粘接部位时，在所述粘接部位不会发生因所述粘接片的成形不良造成的空隙部。
[0016]因此，能够在所述粘接部位尽可能地抑制气体、空气的滞留，通过简单的工序，就可以使阶梯差电解质膜.电极结构体与树脂框构件确实且牢固地接合。
[0017]对于上述的目的、特征和优点，通过参照附图进行说明的以下的实施方式的说明会很容易地解释。
【附图说明】
[0018]图1是本发明的第一实施方式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是构成所述燃料电池的带框阶梯差电解质膜.电极结构体的阳极电极侧的正视说明图。
[0021]图4是制造所述带框阶梯差电解质膜.电极结构体的方法的说明图。
[0022]图5是制造所述带框阶梯差电解质膜.电极结构体的方法的说明图。
[0023]图6是制造所述带框阶梯差电解质膜.电极结构体的方法的说明图。
[0024]图7是本发明的第二实施方式的固体高分子型燃料电池的主要部分剖面说明图。
[0025]图8是本发明的第三实施方式的固体高分子型燃料电池的主要部分剖面说明图。
[0026]图9是在本发明的第三实施方式的制造方法中，制造所述带框阶梯差电解质膜.电极结构体的方法的说明图。
[0027]图10是以所述第三实施方式，制造所述带框阶梯差电解质膜.电极结构体的方法的说明图。
[0028]图11是以所述第三实施方式，制造所述带框阶梯差电解质膜.电极结构体的方法的说明图。
[0029]图12是以所述第三实施方式，制造所述带框阶梯差电解质膜.电极结构体的方法的说明图。
[0030]图13是在本发明的第四实施方式的制造方法中，制造所述带框阶梯差电解质膜.电极结构体的方法的说明图。
[0031]图14是以所述第四实施方式，制造所述带框阶梯差电解质膜.电极结构体的方法的说明图。
[0032]图15是以所述第四实施方式，制造所述带框阶梯差电解质膜.电极结构体的方法的说明图。
[0033]图16是在本发明的第五实施方式的制造方法中，制造所述带框阶梯差电解质膜.电极结构体的方法的说明图。
[0034]图17是以所述第五实施方式，制造所述带框阶梯差电解质膜.电极结构体的方法的说明图。
[0035]图18是以所述第五实施方式，制造所述带框阶梯差电解质膜.电极结构体的方法的说明图。
[0036]图19是本发明的第六实施方式的燃料电池的制造方法所使用的金属模具装置的剖面说明图。
[0037]图20日本特开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】
[0038]如图1和图2所示，本发明的第一实施方式的固体高分子型燃料电池10沿箭头A方向(例如，水平方向)被多个层叠，由此能够得到例如车载用燃料电池堆。
[0039]燃料电池10中，以第一隔板14和第二隔板16夹持带框阶梯差电解质膜.电极结构体12。第一隔板14和第二隔板16，例如由钢板、不锈钢板、铝板、镀覆处理钢板或对于该金属表面实施了防腐用的表面处理的金属板、和碳构件等形成。
[0040]如图2所示，带框阶梯差电解质膜.电极结构体12具备阶梯差MEA (阶梯差电解质膜.电极结构体)12a。阶梯差MEA12a例如具有:在全氟磺酸的薄膜中含浸有水的固体高分子电解质膜(阳离子交换膜)18、夹持所述固体高分子电解质膜18的阴极电极(第一电极)20及阳极电极(第二电极)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 (烃)系电解质。
[0041]阳极电极22具有比固体高分子电解质膜18和阴极电极20小的平面尺寸。还有，也可以使阳极电极22与阴极电极20的配设位置颠倒，所述阴极电极20具有比固体高分子电解质膜18和所述阳极电极22小的平面尺寸。这时，阳极电极22成为第一电极，而阴极电极20为第二电极。
[0042]阴极电极20配置在固体高分子电解质膜18的一侧的面18a，并且阳极电极22配置在所述固体高分子电解质膜18的另一侧的面18b。
[0043]阴极电极20具有与固体高分子电