燃料电池用电解质膜-电极结构体的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种电解质膜-电极结构体。电解质膜-电极结构体(10)具备：MEA构成部(10a)，其具有夹持固体高分子电解质膜(18)的阴极电极(20)及阳极电极(22)；树脂制框构件(24)，其环绕所述MEA构成部(10a)并与所述MEA构成部(10a)接合。在固体高分子电解质膜(18)的从第二气体扩散层(22b)的外周端向外方延伸的外周缘部(18be)与树脂制框构件(24)的内周突部(24a)之间设有粘接层(26)，并且所述粘接层(26)具有与所述第二气体扩散层(22b)的外周端缘部重叠的重叠部位(26a)。
【专利说明】燃料电池用电解质膜-电极结构体
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种在台阶型MEA上设有保护构件的燃料电池用电解质膜-电极结构体。
【背景技术】
[0002]通常，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。该燃料电池具备在固体高分子电解质膜的一侧设有阳极电极且在所述固体高分子电解质膜的另一侧设有阴极电极的电解质膜-电极结构体(MEA)。阳极电极及阴极电极分别由催化剂层(电极催化剂层)和气体扩散层(多孔质碳)构成。
[0003]燃料电池通过隔板(双极板)夹持电解质膜-电极结构体。该燃料电池层叠规定的个数而构成燃料电池组，并例如作为车载用燃料电池组而搭载在燃料电池电力机动车上。
[0004]在电解质膜-电极结构体中，存在构成一方的气体扩散层设定成比固体高分子电解质膜小的平面尺寸且另一方的气体扩散层设定成与所述固体高分子电解质膜相同的平面尺寸的所谓台阶型MEA的情况。此时，为了削减比较高价的固体高分子电解质膜的使用量而将所述固体高分子电解质膜形成为薄膜状。因此，为了对薄膜状且强度低的固体高分子电解质膜进行保护，而采用例如装入了树脂制框构件的带框的MEA作为保护构件。
[0005]作为带框的MEA，已知有例如日本特开2007-066766号公报(以下，称为现有技术I)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17所示，在膜I的一侧配置阳极催化剂层2a和阳极扩散层2b。在膜I的另一侧配置阴极催化剂层3a和阴极扩散层3b，来构成台阶型MEA4。
[0006]阳极扩散层2b设定成比阴极扩散层3b大的面积，所述阴极扩散层3b侧的膜I的外周部与衬垫结构体5经由粘接层6而接合。
[0007]然而，在上述的现有技术I中，面积小的阴极扩散层3b的外周角部3be及衬垫结构体5的内周端角部5a配置在膜I上。因此，在将台阶型MEA4和衬垫结构体5相互定位配置之际，或在运转时向电解质膜-电极接合体施加载荷之际，阴极扩散层3b的外周角部3be及衬垫结构体5的内周端角部5a可能压入膜I。因此，产生使膜I的厚度减少等损伤，使所述膜I的耐久性下降。
【发明内容】
[0008]本发明解决这种问题，其目的在于提供一种通过简单且经济的结构能够良好地抑制对固体高分子电解质膜的损伤的燃料电池用电解质膜-电极结构体。
[0009]本发明的燃料电池用电解质膜-电极结构体在固体高分子电解质膜的一方的面上配设具有第一催化剂层及第一气体扩散层的第一电极。在固体高分子电解质膜的另一方的面上配设具有第二催化剂层及第二气体扩散层的第二电极。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。[0010]在该燃料电池用电解质膜-电极结构体中，在固体高分子电解质膜的从第二气体扩散层的外周端向外方延伸的外周缘部设有环绕所述外周缘部的框形状的保护构件。并且，在固体高分子电解质膜的外周缘部与保护构件之间设有缓冲构件，且所述缓冲构件具有与第二气体扩散层的外周端缘部重叠的重叠部位。
[0011]根据本发明，在固体高分子电解质膜与保护构件之间夹装有缓冲构件。因此，保护构件的内侧角部及第二气体扩散层的外周端角部不会直接与固体高分子电解质膜的面相接。因此，保护构件的内侧角部或第二气体扩散层的外周端角部不会被压入固体高分子电解质膜。由此，通过简单且经济的结构，能够良好地抑制对固体高分子电解质膜的损伤。
[0012]上述的目的、特征及优点通过参照附图而说明的以下的实施方式的说明变得容易理解。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是装入了本发明的第一实施方式的电解质膜-电极结构体的固体高分子型燃料电池的主要部分分解立体说明图。
[0014]图2是所述燃料电池的图1中I1-1I线剖视说明图。
[0015]图3是所述电解质膜-电极结构体的阳极电极侧的主视说明图。
[0016]图4是制造所述电解质膜-电极结构体的方法的说明图。
[0017]图5是制造所述电解质膜-电极结构体的方法的说明图。
[0018]图6是制造所述电解质膜-电极结构体的方法的说明图。
[0019]图7是制造所述电解质膜-电极结构体的方法的说明图。
[0020]图8是装入本发明的第二实施方式的电解质膜-电极结构体的固体高分子型燃料电池的主要部分剖视说明图。
[0021]图9是装入本发明的第三实施方式的电解质膜-电极结构体的固体高分子型燃料电池的主要部分剖视说明图。
[0022]图10是所述电解质膜-电极结构体的主要部分放大剖视图。
[0023]图11是制造所述电解质膜-电极结构体的方法的说明图。
[0024]图12是装入本发明的第四实施方式的电解质膜-电极结构体的固体高分子型燃料电池的主要部分剖视说明图。
[0025]图13是制造所述电解质膜-电极结构体的方法的说明图。
[0026]图14是制造所述电解质膜-电极结构体的方法的说明图。
[0027]图15是装入本发明的第五实施方式的电解质膜-电极结构体的固体高分子型燃料电池的主要部分剖视说明图。
[0028]图16是装入本发明的第六实施方式的电解质膜-电极结构体的固体高分子型燃料电池的主要部分剖视说明图。
[0029]图17是现有技术I公开的电解质膜-电极接合体的说明图。
【具体实施方式】
[0030]如图1及图2所示，本发明的第一实施方式的电解质膜-电极结构体10装入到固体高分子型燃料电池12中。燃料电池12通过沿着箭头A方向(例如，水平方向)层叠多个，而构成例如车载用燃料电池组。
[0031]燃料电池12通过第一隔板14及第二隔板16来夹持电解质膜-电极结构体10。第一隔板14及第二隔板16例如由钢板、不锈钢板、铝板、镀敷处理钢板、或对其金属表面实施了防腐蚀用的表面处理的金属板、碳构件等构成。
[0032]如图2所示，电解质膜-电极结构体10具备MEA构成部10a。MEA构成部IOa例如具有在全氟磺酸的薄膜中浸溃有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除了氟系电解质之外，还可以使用HC(烃)系电解质。
[0033]阳极电极22具有比固体高分子电解质膜18及阴极电极20小的平面尺寸(表面积)。阴极电极20配置在固体高分子电解质膜18的一方的面18a上，并且阳极电极22配置在所述固体高分子电解质膜18的另一方的面18b上。需要说明的是，固体高分子电解质膜18也可以从阴极电极20的外周向外方延伸。
[0034]阴极电极20具有:与固体高分子电解质膜18的面18a接合的第一电极催化剂层(第一催化剂层)20a ;层叠在所述第一电极催化剂层20a上的第一气体扩散层20b。第一电极催化剂层20a与第一气体扩散层20b设定为同一平面尺寸。需要说明的是，第一电极催化剂层20a也可以比第一气体扩散层20b的平面尺寸小。
[0035]阳极电极22具有:与固体高分子电解质膜18的面18b接合的第二电极催化剂层(第二催化剂层)22a ;层叠在所述第二电极催化剂层22a上的第二气体扩散层22b。第二电极催化剂层22a与第二气体扩散层22b设定成同一平面尺寸。需要说明的是，第二电极催化剂层22a可以是比第二气体扩散层22b小的平面尺寸，或比第二气体扩散层22b大的平面尺寸。第一电极催化剂层20a具有比第二电极催化剂层22a大的平面尺寸，但所述第一电极催化剂层20a与所述第二电极催化剂层22a也可以设定为同一平面尺寸。
[0036]第一电极催化剂层20a及第二电极催化剂层22a具有在碳黑中担载有钼粒子的催化剂粒子，并使用高分子电解质作为离子传导性粘结剂。通过将催化剂糊剂向固体高分子电解质膜18的两方的面18a、18b印刷、涂敷或转印而构成，其中该催化剂糊剂通过在该高分子电解质的溶液中均匀地混合催化剂粒子而制作。
[0037]第一气体扩散层20b及第二气体扩散层22b通过将含有碳黑及PTFE(聚四氟乙烯)粒子的中间层23a、23b向碳素纸涂敷而形成。中间层23a、23b设定为与碳素纸相同的平面尺寸。需要说明的是，中间层23a、23b只要根据需要设置即可。第一气体扩散层20b的平面尺寸设定为比第二气体扩散层22b的平面尺寸大的尺寸。
[0038]如图1及图2所示，电解质膜-电极结构体10具备环绕固体高分子电解质膜18的外周并与阳极电极22及阴极电极20接合来对所述固体高分子电解质膜18进行保护的保护构件、例如树脂制框构件24。树脂制框构件24由例如PPS (聚苯硫醚)、PPA (聚邻苯二甲酰胺)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PES (聚醚砜)、LCP (液晶高分子聚合物)、PVDF (聚偏氯乙烯)、娃橡胶、氟橡胶或EPDM(乙烯丙烯橡胶)等构成。
[0039]树脂制框构件24具有框形状，并且具有内周突部24a，该内周突部24a经由台阶部而形成为比最外周薄的薄壁状，向阳极电极22的外周侧突出，并与固体高分子电解质膜18的外周缘部18be抵接。固体高分子电解质膜18的外周缘部ISbe从构成阳极电极22的第二气体扩散层22b的外周端向外方延伸。[0040]内周突部24a具有与阳极电极22大致相同的厚度LI。固体高分子电解质膜18及阴极电极20的相加的厚度设定成与树脂制框构件24的台阶部的厚度(从树脂制框构件24整体的厚度减去内周突部24a的厚度LI所得到的尺寸)相同的厚度L2。
[0041]在固体高分子电解质膜18的外周缘部18be与树脂制框构件24的内周突部24a之间设有例如粘接层26作为缓冲构件。粘接层26使用具有弹性的粘接剂，例如使用硅系树脂或热熔粘接剂(通过加热而熔融，通过冷却而固化，从而得到粘接力的粘接剂)等热粘接片等的热可塑性树脂的粘接剂。
[0042]在热可塑性树脂的粘接剂的情况下，从耐久性的观点出发，优选熔点为150°C以上。或者优选接合时的温度即120°C下的柔软度比固体高分子电解质膜18柔软。这是因为，在加热接合时，通过使粘接层26比固体高分子电解质膜18柔软，从而所述粘接层26发生变形而能够抑制所述固体高分子电解质膜18的厚度的减少。
[0043]具体而言，例如使用热机械分析装置(TMA)。在该TMA中，分别将圆柱状针以成为规定的载荷的方式安装于固体高分子电解质膜18及粘接层26。并且，边以规定的升温速度升温，边检测圆柱状针的进入深度量，由此来测定固体高分子电解质膜18及粘接层26的120°C下的柔软度。其结果是，选择与固体高分子电解质膜18相比能得到例如1.5倍以上的针进入深度量的粘接层26。
[0044]粘接层26设定为第二电极催化剂层22a的厚度以上的厚度。优选粘接层26的厚度设定为比第二电极催化剂层22a的厚度厚10 μ m以上。这是为了在电解质膜_电极结构体10的加热接合时，抑制压入固体高分子电解质膜18而使所述固体高分子电解质膜18的厚度减少的情况。粘接层26的厚度设定为比第二电极催化剂层22a的厚度厚150 μ m以下。这是为了抑制燃料电池12的层叠方向的尺寸增大为必要以上的情况。
[0045]优选粘接层26具有绝缘性。需要说明的是，缓冲构件可以是使用了热固化性树脂的粘接剂，或者也可以不具有粘接性。
[0046]粘接层26具有与阳极电极22的第二气体扩散层22b的外周端缘部重叠的重叠部位(沿层叠方向相互重合的部位)26a，并且所述重叠部位26a设置在所述第二气体扩散层22b与第二电极催化剂层22a之间。需要说明的是，重叠部位26a也可以设置在第二气体扩散层22b与中间层23b之间。如图3所示，粘接层26仿形于内周突部24a的形状而具有框体形状。
[0047]如图2所示，重叠部位26a具有重叠长度S。重叠长度S设定为0.2mm以上且3.0mm以下。当重叠长度S为0.2mm以上时，能够良好地抑制反应气体向阳极电极22的端部的扩散，能够得到充分的气体阻隔性而阻止电极劣化。当重叠长度S超过3.0mm时，不有助于反应(发电)的区域扩大，电解质膜-电极结构体10整体变得大型化。
[0048]如图1所示，在燃料电池12的箭头B方向(图1中的水平方向)的一端缘部，沿着箭头C方向(铅垂方向)排列而设置有在作为层叠方向的箭头A方向上相互连通的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、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。
[0049]在燃料电池12的箭头B方向的另一端缘部，沿着箭头C方向排列而设置有沿着箭头A方向相互连通的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、及用于排出氧化剂气体的氧化剂气体出口连通孔30b。[0050]在第二隔板16的朝向电解质膜-电极结构体10的面16a上设有与氧化剂气体入口连通孔30a和氧化剂气体出口连通孔30b连通的氧化剂气体流路36。
[0051]在第一隔板14的朝向电解质膜-电极结构体10的面14a上形成有与燃料气体入口连通孔34a和燃料气体出口连通孔34b连通的燃料气体流路38。在第一隔板14的面14b与第二隔板16的面16b之间形成有与冷却介质入口连通孔32a和冷却介质出口连通孔32b连通的冷却介质流路40。
[0052]如图1及图2所示，在第一隔板14的面14a、14b上环绕该第一隔板14的外周端部而一体化有第一密封构件42。在第二隔板16的面16a、16b上环绕该第二隔板16的外周端部而一体化有第二密封构件44。
[0053]如图2所示，第一密封构件42具有:与构成电解质膜-电极结构体10的树脂制框构件24的内周突部24a抵接的第一凸状密封42a ;与第二隔板16的第二密封构件44抵接的第二凸状密封42b。第二密封构件44构成与第二凸状密封42b抵接的面具有平面的平面密封。需要说明的是，也可以取代第二凸状密封42b而在第二密封构件44上设置凸状密封(未图示)。
[0054]在第一密封构件42及第二密封构件44中，使用例如EPDM、NBR、氟橡胶、硅橡胶、硅氟橡胶、丁基橡胶、天然橡胶、苯乙烯橡胶、氯丁二烯或丙烯酸橡胶等密封材料、缓冲材料或填密材料等具有弹性的密封构件。
[0055]如图1所示，在第一隔板14上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和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。
[0056]接着，以下说明制造电解质膜-电极结构体10的方法。
[0057]首先，制作作为台阶型MEA的MEA构成部10a。具体而言，向催化剂与溶剂的混合物投入粘结剂溶液，将混合至规定的墨液粘度的电极墨液通过网板印刷涂敷在由PET膜构成的PET片上，从而形成电极片。然后，在一对电极片间夹持固体高分子电解质膜18而进行热压。
[0058]然后，将PET片剥下，由此，如图4所示，在固体高分子电解质膜18的面18a及面18b上形成第一电极催化剂层20a及第二电极催化剂层22a。
[0059]并且，在第一气体扩散层20b及第二气体扩散层22b的制造工序中，形成使含有碳黑及PTFE(聚四氟乙烯)粒子的混合物均匀地分散在乙二醇中而得到的料浆。通过将该料浆向碳素纸涂敷并使其干燥，由此制作出由所述碳素纸和中间层构成的第一气体扩散层20b及第二气体扩散层22b (参照图5)。
[0060]接着，从固体高分子电解质膜18的外周缘部ISbe向第二电极催化剂层22a的外周缘部设置粘接层26。例如，在将作为热粘接片的热熔片hs与粘接层26的形状对应而形成为框状之后，将该热熔片hs配置在固体高分子电解质膜18的外周缘部18be。
[0061]在此，在固体高分子电解质膜18的面18a侧、S卩、在第一电极催化剂层20a上配置第一气体扩散层20b的中间层侧。在固体高分子电解质膜18的面18b、即、在第二电极催化剂层22a上配置第二气体扩散层22b的中间层侧。将它们一体地层叠并进行热压处理，由此制作出MEA构成部10a。
[0062]另一方面，树脂制框构件24通过使用模具(未图示)进行注射模塑成形而预先成形。如图6所示，在树脂制框构件24的内周突部24a上定位配置MEA构成部10a。在该状态下，通过实施热压处理，热熔片hs熔融而形成粘接层26，将MEA构成部IOa与树脂制框构件24粘接而得到电解质膜-电极结构体10 (参照图7)。
[0063]如图2所示，电解质膜-电极结构体10由第一隔板14及第二隔板16夹持。第一隔板14与树脂制框构件24的内周突部24a抵接，并与第二隔板16 —起向电解质膜-电极结构体10施加载荷。而且，燃料电池12被层叠规定数目而构成燃料电池组，并且向未图示的端板之间施加紧固载荷。
[0064]以下，说明该燃料电池12的动作。
[0065]首先，如图1所示，向氧化剂气体入口连通孔30a供给含氧气体等氧化剂气体，并向燃料气体入口连通孔34a供给含氢气体等燃料气体。进而，向冷却介质入口连通孔32a供给纯水、乙二醇或油等冷却介质。
[0066]因此，氧化剂气体从氧化剂气体入口连通孔30a向第二隔板16的氧化剂气体流路36导入，向箭头B方向移动而向MEA构成部IOa的阴极电极20供给。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而向第一隔板14的燃料气体流路38导入。燃料气体沿着燃料气体流路38向箭头B方向移动，向MEA构成部IOa的阳极电极22供给。
[0067]因此，在各MEA构成部IOa中，向阴极电极20供给的氧化剂气体与向阳极电极22供给的燃料气体在第一电极催化剂层20a内及第二电极催化剂层22a内通过电化学反应被消耗而进行发电。
[0068]接着，向阴极电极20供给而被消耗后的氧化剂气体沿着氧化剂气体出口连通孔30b向箭头A方向排出。同样，向阳极电极22供给而被消耗后的燃料气体通过排出孔部48沿着燃料气体出口连通孔34b向箭头A方向排出。
[0069]另外，供给到冷却介质入口连通孔32a的冷却介质在被导入第一隔板14与第二隔板16之间的冷却介质流路40之后，向箭头B方向流通。该冷却介质在将MEA构成部IOa冷却之后，从冷却介质出口连通孔32b排出。
[0070]这种情况下，在第一实施方式中，如图2所示，在固体高分子电解质膜18的外周缘部18be与树脂制框构件24的内周突部24a之间设有粘接层26作为缓冲构件。粘接层26从内周突部24a延伸到第二电极催化剂层22a的外周端缘部。
[0071]因此，树脂制框构件24的内周突部24a的内侧角部24ae及第二气体扩散层22b的外周端角部22be不会直接与固体高分子电解质膜18的面18b相接。因此，在组装电解质膜-电极结构体10之际或在燃料电池12的运转时施加载荷之际，内周突部24a的内侧角部24ae或第二气体扩散层22b的外周端角部22be不会被压入固体高分子电解质膜18。
[0072]由此，在第一实施方式中，仅使用粘接层26即可，能够通过简单且经济的结构，良好地抑制对固体高分子电解质膜18的损伤。
[0073]而且，粘接层26具有与阳极电极22的第二气体扩散层22b的外周端缘部重叠的重叠部位26a，并且所述重叠部位26a设置在所述第二气体扩散层22b与第二电极催化剂层22a之间。因此，能够良好地抑制反应气体向阳极电极22的端部的扩散，能够得到充分的气体阻隔性而防止电极劣化。
[0074]此外，在加热接合时，粘接层26比固体高分子电解质膜18柔软。因此，在加热接合时，粘接层26发生变形，从而能够抑制固体高分子电解质膜18的厚度的减少。另外，粘接层26设定为比第二电极催化剂层22a的厚度厚10 μ m以上。由此，在加热接合时，能够抑制压入固体高分子电解质膜18而使所述固体高分子电解质膜18的厚度减少的情况。
[0075]图8是装入本发明的第二实施方式的电解质膜-电极结构体50的固体高分子型燃料电池52的主要部分剖视说明图。需要说明的是，对于与第一实施方式的电解质膜-电极结构体10及燃料电池12相同的构成要素，标注同一参照符号，并省略其详细说明。而且，在以下说明的第三以后的实施方式中也同样地省略其详细说明。
[0076]在电解质膜-电极结构体50中，在固体高分子电解质膜18的外周缘部18be与树脂制框构件24的内周突部24a之间，例如设有缓冲层54作为缓冲构件。缓冲层54例如使用PTFE (聚四氟乙烯)、EPDM (乙烯丙烯橡胶)、PE (聚乙烯)、PVDF (聚偏氯乙烯)、PP (聚丙烯)等的片、以及在这些材料中混有粘接剂的材料。粘接剂使用环氧系、丙烯酸系、聚氨酯系、烯系、硅系等，优选将它们以半固化状态成形为片。优选缓冲层54具有绝缘性。
[0077]缓冲层54设有具有框体形状且与阳极电极22的第二气体扩散层22b的外周端缘部重叠的重叠部位(沿层叠方向相互重合的部位)54a。重叠部位54a夹装在第二气体扩散层22b与第二电极催化剂层22a之间。尤其在缓冲层54为片时，在树脂制框构件24与所述缓冲层54之间设置粘接层56。
[0078]在该第二实施方式中，树脂制框构件24的内周突部24a的内侧角部24ae及第二气体扩散层22b的外周端角部22be不会直接与固体高分子电解质膜18的面18b相接。因此，能得到与上述的第一实施方式同样的效果，即仅使用缓冲层54即可，能够通过简单且经济的结构，良好地抑制对固体高分子电解质膜18的损伤等。
[0079]图9是装入本发明的第三实施方式的电解质膜-电极结构体60的固体高分子型燃料电池62的主要部分剖视说明图。
[0080]在电解质膜-电极结构体60中，如图9及图10所示，树脂制框构件24与阴极电极20的第一气体扩散层20b通过树脂浸溃部64a而一体化。树脂制框构件24与阳极电极22的第二气体扩散层22b通过树脂浸溃部64b而一体化。
[0081]树脂浸溃部64a在阴极电极20的第一气体扩散层20b的整周形成为框体状，并且树脂浸溃部64b在阳极电极22的第二气体扩散层22b的整周形成为框体状。树脂浸溃部64a、64b例如由与树脂制框构件24相同的材料或相同的材料系构成，所述树脂浸溃部64a、64b的熔点设定为比粘接层26的熔点高。作为粘接层26，适合为例如烯系、酯系、聚氨酯系、丙烯酸系的热可塑性树脂、或热熔粘接剂。
[0082]需要说明的是，树脂浸溃部64a、64b可以通过在树脂制框构件24上向层叠方向外方突出而一体设置的凸部构成。
[0083]接着，以下简要地说明制造电解质膜-电极结构体60的方法。
[0084]与第一实施方式同样，首先，在制作了作为台阶型MEA的MEA构成部IOa之后，经由粘接层26将所述MEA构成部IOa与树脂制框构件24粘接。
[0085]而且，如图11所示，准备在阴极电极20侧用于形成树脂浸溃部64a的框状树脂构件64af。然后，在MEA构成部IOa和树脂制框构件24上配置框状树脂构件64af而施加载荷，在该状态下，将所述框状树脂构件64af加热(第一浸溃处理)。作为加热方式，可采用激光熔敷、红外线熔敷、或脉冲熔敷等。
[0086]因此，框状树脂构件64af被加热熔融，所述框状树脂构件64af跨构成阴极电极20的第一气体扩散层20b及树脂制框构件24而浸溃。
[0087]此时，框状树脂构件64af的熔点设定为比粘接层26的熔点高。因此，浸溃框状树脂构件64af并使粘接层26熔融(软化)，由此不会经由所述粘接层26而产生不必要的应力。因此，能得到良好地浸溃有框状树脂构件64af的树脂浸溃部64a。
[0088]接着，准备在阳极电极22侧用于形成树脂浸溃部64b的框状树脂构件64bf。然后，在MEA构成部IOa和树脂制框构件24上配置框状树脂构件64bf而施加载荷，在该状态下，将所述框状树脂构件64bf加热(第二浸溃处理)。作为加热方式，可采用激光熔敷、红外线熔敷、电热熔敷或脉冲熔敷等。
[0089]因此，框状树脂构件64bf加热熔融，所述框状树脂构件64bf跨构成阳极电极22的第二气体扩散层22b及树脂制框构件24而浸溃。
[0090]此时，框状树脂构件64bf的熔点设定为比粘接层26的熔点高。因此，浸溃框状树脂构件64bf并使粘接层26熔融(软化)，由此不会经由所述粘接层26而产生不必要的应力。因此，能得到良好地浸溃有框状树脂构件64bf的树脂浸溃部64b。
[0091]图12是装入本发明的第四实施方式的电解质膜-电极结构体70的固体高分子型燃料电池72的主要部分剖视说明图。
[0092]在固体高分子电解质膜18的外周缘部18be与树脂制框构件24的内周突部24a之间例如设有粘接层74作为缓冲构件。粘接层74具有与阳极电极22的第二气体扩散层22b及第二电极催化剂层22a的外周端缘部重叠的重叠部位(沿层叠方向相互重合的部位)74a。重叠部位74a设置在固体高分子电解质膜18与第二电极催化剂层22a之间。
[0093]接着，以下简要地说明制造电解质膜-电极结构体70的方法。
[0094]首先，如图13所示，在固体高分子电解质膜18的面18a上形成第一电极催化剂层20a之后，在所述第一电极催化剂层20a侧配置第一气体扩散层20b。
[0095]在固体高分子电解质膜18的面18b侧配置热熔片hs，而且以一部分与所述热熔片hs重合的方式配置第二电极催化剂层22a及第二气体扩散层22b。第二电极催化剂层22a预先形成在第二气体扩散层22b上。将它们一体层叠并进行热压处理，由此制作出MEA构成部70a。
[0096]接着，如图14所示，在树脂制框构件24的内周突部24a定位配置MEA构成部70a。在该状态下，通过实施热压处理，使热熔片hs熔融而形成粘接层74，从而将MEA构成部70a和树脂制框构件24粘接而得到电解质膜-电极结构体70。在该第四实施方式中，能得到与上述的第一?第三实施方式同样的效果。
[0097]图15是装入本发明的第五实施方式的电解质膜-电极结构体80的固体高分子型燃料电池82的主要部分剖视说明图。
[0098]电解质膜-电极结构体80具备MEA构成部80a。MEA构成部80a通过阳极电极(第一电极)84和阴极电极(第二电极)86夹持固体高分子电解质膜18。阴极电极86具有比固体高分子电解质膜18及阳极电极84小的平面尺寸(表面积)。即，相对于第一实施方式的图2，阳极尺寸与阴极尺寸的大小关系相反。
[0099]阳极电极84具有:与固体高分子电解质膜18的面18a接合的第一电极催化剂层(第一催化剂层)84a ;层叠在所述第一电极催化剂层84a上的第一气体扩散层84b。第一电极催化剂层84a与第一气体扩散层84b设定为同一平面尺寸。需要说明的是，第一电极催化剂层84a也可以比第一气体扩散层84b的平面尺寸小。
[0100]阴极电极86具有:与固体高分子电解质膜18的面18b接合的第二电极催化剂层(第二催化剂层)86a ;层叠在所述第二电极催化剂层86a上的第二气体扩散层86b。第二电极催化剂层86a与第二气体扩散层86b设定为同一平面尺寸。需要说明的是，第二电极催化剂层86a可以是比第二气体扩散层86b小的平面尺寸，或比第二气体扩散层86b大的平面尺寸。
[0101]第一电极催化剂层84a具有比第二电极催化剂层86a大的平面尺寸，但所述第一电极催化剂层84a与所述第二电极催化剂层86a也可以设定为同一平面尺寸。第一气体扩散层84b的平面尺寸设定为比第二气体扩散层86b的平面尺寸大的尺寸。
[0102]在该第五实施方式中，粘接层26具有与阴极电极86的第二气体扩散层86b的外周端缘部重叠的重叠部位26a，并且所述重叠部位26a设置在所述第二气体扩散层86b与第二电极催化剂层86a之间。
[0103]因此，能良好地抑制反应气体向阴极电极86的端部的扩散，能得到充分的气体阻隔性而防止电极劣化。需要说明的是，在第五实施方式中，也可以采用与上述的第二?第四实施方式同样的MEA结构。
[0104]图16是装入本发明的第六实施方式的电解质膜-电极结构体90的固体高分子型燃料电池92的主要部分剖视说明图。
[0105]电解质膜-电极结构体90例如具备MEA构成部10a，在所述MEA构成部IOa上环绕固体高分子电解质膜18的外周缘部ISbe而设置保护构件、例如保护膜94。需要说明的是，也可以取代MEA构成部IOa而使用MEA构成部70a或80a。
[0106]保护膜94经由粘接层26而粘接于固体高分子电解质膜18的外周缘部18be。保护膜94例如由PPS(聚苯硫醚)、PPA(聚邻苯二甲酰胺)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PES (聚醚砜)、LCP (液晶高分子聚合物)、PVDF (聚偏氯乙烯)、硅橡胶、氟橡胶或EPDM (乙烯丙烯橡胶)等构成。
[0107]在该第六实施方式中，可以取代树脂制框构件24而采用保护膜94，能得到与上述的第一?第五实施方式同样的效果。
【权利要求】
1.一种燃料电池用电解质膜-电极结构体，在固体高分子电解质膜(18)的一方的面(18a)上配设具有第一催化剂层(20a)及第一气体扩散层(20b)的第一电极(20)，且在所述固体高分子电解质膜(18)的另一方的面(18b)上配设具有第二催化剂层(22a)及第二气体扩散层(22b)的第二电极(22)，并且，所述第一气体扩散层(20b)的平面尺寸设定为比所述第二气体扩散层(22b)的平面尺寸大的尺寸，所述燃料电池用电解质膜-电极结构体的特征在于， 在所述固体高分子电解质膜(18)的从所述第二气体扩散层(22b)的外周端向外方延伸的外周缘部(18be)设有环绕所述外周缘部的框形状的保护构件(24)， 在所述固体高分子电解质膜(18)的所述外周缘部(ISbe)与所述保护构件(24)之间设有缓冲构件(26)，并且， 所述缓冲构件(26)具有与所述第二气体扩散层(22b)的外周端缘部重叠的重叠部位(26a)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池用电解质膜-电极结构体，其特征在于， 所述缓冲构件(26)是用于将所述固体高分子电解质膜(18)的所述外周缘部(ISbe)与所述保护构件(24)接合的粘接层。
3.根据权利要求2所述的燃料电池用电解质膜-电极结构体，其特征在于， 所述粘接层具有与所述第二催化剂层(22a)或夹装在所述第二催化剂层(22a)与所述第二气体扩散层(22b)之间的中间层(23b)重叠的所述重叠部位(26a)。
4.根据权利要求1所述的燃料电池用电解质膜-电极结构体，其特征在于， 所述保护构件是设有内周突部(24a)的树脂制框构件(24)，该树脂制框构件(24)具有环绕所述固体高分子电解质膜(18)的外周的框形状，该内周突部(24a)经由台阶部而形成为比最外周薄的薄壁状，并向所述第二气体扩散层侧(22b)突出， 在所述固体高分子电解质膜(18)的所述外周缘部(ISbe)与所述树脂制框构件(24)的所述内周突部(24a)之间设有所述缓冲构件(26)。
5.根据权利要求4所述的燃料电池用电解质膜-电极结构体，其特征在于， 所述第一气体扩散层(20b)及所述第二气体扩散层(22b)与所述树脂制框构件(24)经由树脂浸溃部(64a、64b)而一体化，并且， 所述树脂浸溃部(64a、64b)的熔点设定为比所述缓冲构件(26)的熔点高。
6.根据权利要求1所述的燃料电池用电解质膜-电极结构体，其特征在于， 所述保护构件是在所述固体高分子电解质膜(18)的所述外周缘部(ISbe)配置的保护膜(94)。
【文档编号】H01M4/86GK103515632SQ201310242830
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年6月19日 优先权日:2012年6月29日
【发明者】满田直树, 田中之人, 杉下昌史, 相马浩, 田中健一, 福田真弘 申请人:本田技研工业株式会社