燃料电池单元的制作方法

1.本发明涉及具有在电解质膜的两面至少接合有催化剂层的接合体、和配置成夹住接合体的一对隔离件的燃料电池单元。


背景技术：

2.以往，固体高分子型燃料电池具有将多个燃料电池单元层叠而成的构造。燃料电池单元具备由离子透过性的电解质膜、和以夹着电解质膜的方式接合的阳极催化剂层以及阴极催化剂层构成的膜电极接合体(例如参照专利文献1)。在膜电极接合体的两侧形成有用于提供燃料气体或氧化剂气体并且收集由电化学反应产生的电气的气体扩散层。在膜电极接合体的两侧配置有气体扩散层的接合体也称为膜电极气体扩散层接合体(membrane electrode&gas diffusion layer assembly(mega))，并被一对隔离件夹持。
3.在膜电极接合体，向阳极催化剂层供给氢气，向阴极催化剂层供给氧化剂气体(空气)，在阳极催化剂层将氢氧化为质子，在阴极将氧还原为水来发电。
4.专利文献1：日本特开2017
‑
126448号公报
5.然而，在专利文献1所示的燃料电池单元中，通过膜电极接合体内的水的生成和该水的移动，电解质膜反复进行干燥和湿润。由此，电解质膜容易在面方向(与电解质膜的厚度方向正交的方向)上膨润和收缩。可以设想若电解质膜的没有限制面方向的变形的部分膨润，则该部分以膨胀的方式变形，而反复作用弯曲应力。其结果是，电解质膜的寿命可能降低。


技术实现要素：

6.本发明是鉴于这样的点而完成的，作为本发明，提供一种能够减少由电解质膜的膨润和收缩而作用于电解质膜的应力的燃料电池单元。
7.鉴于上述课题，本发明所涉及的燃料电池单元至少具备在电解质膜的两面接合有催化剂层的接合体、和配置成夹住上述接合体的一对隔离件，通过向上述接合体的一面侧供给氢气，并向另一面侧供给氧化剂气体，从而在上述接合体中发电，其特征在于，在上述各隔离件，在上述接合体侧形成多个凸条部，由此在上述凸条部之间形成有供氢气或者氧化剂气体流动的气体流路，在上述电解质膜，在与上述凸条部对置的位置，沿着上述凸条部延伸的方向形成有多个贯通孔。
8.根据本发明，在电解质膜，在与上述凸条部对置的位置，沿着凸条部延伸的方向形成有多个贯通孔。因此，在燃料电池单元的发电时，即使电解质膜在其面方向(与电解质膜的厚度方向正交的方向)上膨润和收缩，也能够通过多个贯通孔吸收其变形。其结果是，能够减少由于电解质膜的膨润和收缩而作用于电解质膜的应力。另外，通过在与凸条部对置的位置形成贯通孔，能够抑制通过气体流路的氢气和氧化剂气体通过贯通孔，并且能够使朝向贯通孔的气体在催化剂层反应。因此，能够抑制由于气体通过贯通孔导致燃料电池单元的发电效率降低。
9.作为更优选的形态，上述接合体具有以夹着上述电解质膜的方式形成上述催化剂层的矩形状的发电区域，上述发电区域是具有长边和短边的区域，多个上述凸条部沿着上述发电区域的长边方向配置。
10.根据该形态，发电区域的长边方向与其短边方向相比，电解质膜容易膨润和收缩，但多个上述凸条部沿着发电区域的长边方向配置，因此多个贯通孔也沿着长边方向形成。由此，能够高效地抑制由电解质膜的膨润和收缩导致的变形。
11.作为更优选的形态，上述接合体具有上述发电区域、和形成为环绕上述发电区域的非发电区域，上述燃料电池单元在上述非发电区域具备以环绕上述发电区域的方式与上述接合体粘合的树脂框架，在上述电解质膜中的沿着上述树脂框架的内周缘的内侧还形成有多个贯通孔。
12.根据该形态，在沿着树脂框架的内周缘的内侧的位置，电解质膜容易因膨润和收缩而变形，但在该位置形成有多个贯通孔，因此能够高效地抑制由电解质膜的膨润和收缩导致的变形。
13.作为更优选的形态，上述贯通孔的孔径为50μm以下。根据该形态，通过将贯通孔的孔径设为50μm以下，能够抑制氢气和氧化剂气体通过这些贯通孔。
附图说明
14.图1是本发明的实施方式所涉及的燃料电池单元的分解立体图。
15.图2是将图1所示的燃料电池单元层叠后的燃料电池的立体图。
16.图3是包括图1所示的燃料电池单元的接合体在内的发电组件的俯视图。
17.图4是图1所示的mega的俯视图。
18.图5是沿着图3所示的a
‑
a线的箭头方向的剖视图。
19.图6是图5所示的c部的燃料电池的主要部位放大图。
20.图7是沿着图3所示的b
‑
b线的单电池的箭头方向的剖视图。
21.图8是与表示图5所示的燃料电池的变形例的图6对应的图。
22.附图标记说明
23.10
…
燃料电池单元；11
…
mega(接合体)；11a
…
电解质膜；11b、11c
…
催化剂层；14
…
树脂框架；12
…
隔离件；15a、15b
…
气体流路；15f
…
凸条部；21、22
…
贯通孔；25
…
发电区域；26
…
非发电区域；l
…
长边方向。
具体实施方式
24.1.燃料电池1
25.在本实施方式所涉及的燃料电池1中，层叠有多个作为基本单位的燃料电池单元(以下，称为“单电池”)10。单电池10是通过空气所包含的氧气与作为燃料气体的氢气的电化学反应而产生电动势的固体高分子型燃料电池。空气(氧化剂气体)是指大气，例如将被压缩机压缩的空气向燃料电池1供给，将填充至高压罐的氢气向燃料电池供给。
26.如图1～图3所示，构成燃料电池1的单电池10具备发电组件17、和配置成夹住发电组件17的一对隔离件12、12。发电组件17具备电极－气体扩散层接合体(mega)11、和包围mega11的外周的树脂框架14。单电池10向mega11的一面侧供给氢气，向另一面侧供给空气，
由此在mega11中发电。
27.如图5和图6所示，mega11具备电解质膜11a、与其两面接合的催化剂层11b、11c、以及与催化剂层11b、11c接合的气体扩散层11d、11d。
28.这里，本实施方式中所说的mega11相当于本发明中所说的“接合体”，但例如，在不具有气体扩散层11d、11d的单电池的情况下，在电解质膜11a接合了催化剂层11b、11c的接合体(所谓的膜电极接合体)相当于本发明中所说的“接合体”。
29.并且，在本实施方式中，mega11中的以夹着电解质膜11a的方式形成有催化剂层11b、11c的矩形状的区域为单电池10的发电区域25(参照图3和图5)。发电区域25是具有长边和短边的区域，在图3和图4中，示出了发电区域25的长边方向l和短边方向s，沿着后述的长边方向l隔离件12的凸条部15f与发电区域25接触。
30.mega11具有该发电区域25、和以环绕发电区域25的方式形成的非发电区域26。mega11在非发电区域26的粘合区域27与树脂框架14粘合。
31.这里，对mega11的各结构进行说明。在包括电解质膜11a在内的mega11形成有贯通孔21、22，贯通孔21、22的详细内容进行后述。电解质膜11a由质子传导性的离子交换膜构成，该质子传导性的离子交换膜由固体高分子材料形成。作为电解质膜11a，能够举出全氟磺酸聚合物的薄膜等，除此之外，聚四氟乙烯(ptfe)、四氟乙烯－六氟丙烯共聚物(fep)、四氟乙烯－全氟烷基乙烯基醚共聚物(pfa)等氟树脂具有较高的防水性，因此优选使用。电解质膜11a的厚度例如为1μm～100μm的范围，优选为10～50μm。
32.催化剂层11b、11c含有担载催化剂的碳粒子、和成为质子的传导路的高分子电解质(离聚物)。作为离聚物，是具有质子传导性的高分子电解质，优选使用具有氟烷基醚侧链和全氟烷基主链的氟代烷基共聚物的全氟系质子交换树脂。作为碳粒子，能够举出炭黑、碳纳米管、碳纳米纤维、或者多孔碳等炭材料。作为催化剂，能够举出白金、白金合金、钯等催化剂金属。在本实施方式中，配置于电解质膜11a的一面侧的催化剂层11b为单电池10的阳极催化剂层，另一面侧的催化剂层11c为单电池10的阴极催化剂层。催化剂层11b、11c的厚度例如是0.1μm～50μm的范围，优选是1～10μm。
33.气体扩散层11d例如由碳纸或碳布等碳多孔体、或者金属网或发泡金属等金属多孔体等具有透气性的导电性部件形成。气体扩散层11d的厚度例如是30μm～500μm的范围，优选是100～250μm。
34.树脂框架14是形成有由热塑性树脂或者热固化性树脂构成的成为框架主体的主层、和在其两面由热塑性树脂构成的粘合层的3层片构造。通过树脂框架14的粘合层熔融(软化)，从而将树脂框架与隔离件12、12熔接。在树脂框架14，以环绕包括mega11的发电区域25和其周围的非发电区域26的一部分在内的区域的方式在中央形成有开口部。将树脂框架14与mega11的一个面(具体而言，为电解质膜11a的表面)熔接。由此，将mega11的发电区域25以被一对隔离件12、12夹住的方式接合。
35.在本实施方式中，在树脂框架14的两侧形成有6个歧管开口(流通口)，该6个歧管开口用于将氢气、空气(氧化剂气体)以及冷却水向mega11或者其附近分别独立地供给，并且将所供给的氢气、空气以及冷却水从mega11或者其附近排出。
36.具体而言，在树脂框架14的一侧依次设置有供氢气流通的氢流通口14a、供冷却水流通的冷却水流通口14b、以及供空气流通的空气流通口14c。另外，在树脂框架14的另一侧
依次设置有供空气流通的空气流通口14d、供冷却水流通的冷却水流通口14e、以及供氢气流通的氢流通口14f。
37.供各流体流动的一对歧管开口(流通口)的一方为向mega11或者其附近供给用的流通口，另一方为从mega11或者其附近排出用的流通口。例如，一个氢流通口14a为向mega11供给用的流通口，另一个氢流通口14f为从mega11排出用的流通口。氢流通口14a和氢流通口14f配置于树脂框架14的对角，因此能够使氢气向发电区域25的对角流通。
38.隔离件12在俯视时为矩形状，是由不锈钢、钛、钛合金等金属制的薄板材或者箔材成型的部件，厚度例如为10μm～200μm。成为隔离件12的材料的薄板材或者箔材通过冷轧等形成。隔离件12通过冲压成型而由上述的薄板材或者箔材成型为规定的形状。并且，也可以将该冲压成型后的材料作为隔离件12的基材，并在其表面还形成有碳皮膜等。此外，碳皮膜可以在通过冲压将隔离件12成型前成膜，也可以在通过冲压成型后成膜。
39.各隔离件12是将导电性、不透气性等优异的金属作为基材的板状的部件，具有等腰梯形的波形的形状，其一面侧与mega11(气体扩散层11d)抵接，另一面侧与邻接的另一隔离件12的另一面侧抵接。
40.在各隔离件12，在mega11侧形成多个凸条部15f、15f
…
，由此在凸条部15f、15f之间形成有供氢气或者空气流动的气体流路(气体流路槽)15a、15b。另外，在各隔离件12的凸条部15f的背面侧(相反侧)形成有供冷却水流动的流路15c。在本实施方式中，凸条部15f沿着mega11的发电区域25的长边方向l配置。更具体而言，各凸条部15f在非粘合的状态下与mega11接触。
41.通过这样构成，在一个(阳极侧)隔离件12与mega11之间形成氢气的气体流路15a，在另一个(阴极侧)隔离件12与mega11之间形成空气的气体流路15b。在邻接的两个单电池10之间进行面接触的隔离件12、12之间，形成有将单电池10冷却的制冷剂(例如，水)的流路15c。若向气体流路15a供给燃料气体并向气体流路15b供给空气，则在单电池10内发生电化学反应而产生电动势。在该电化学反应中，在阳极侧的催化剂层11b生成的质子(h

)与水在水合状态下透过电解质膜11a并在阴极侧的催化剂层11c生成生成水。
42.并且，在俯视时，隔离件12形成为与发电组件17相同的长方形，在长边方向的两侧，与树脂框架14相同地形成有6个歧管开口(流通口)。这些流通口在与树脂框架14的流通口对应的位置形成为与对应的各流通口相同的大小。在图1中，对与树脂框架14的流通口对应的隔离件12的流通口标注与树脂框架14的流通口相同的附图标记。
43.具体而言，在隔离件12的一侧依次形成有供氢气流通的氢流通口14a、供冷却水流通的冷却水流通口14b、以及供空气流通的空气流通口14c。另外，在隔离件12的另一侧依次形成有供空气流通的空气流通口14d、供冷却水流通的冷却水流通口14e、以及供氢气流通的氢流通口14f。
44.这样，供各流体流动的歧管开口(流通口)的一方成为向mega11或者其附近供给用的流通口，另一方成为从mega11或者其附近排出用的流通口。由此，能够经由各流通口将氢气、空气、冷却水分别向单电池10供给，并向单电池10内的对应的流路15a、15b、15c流动，进而经由各流通口从单电池10排出。
45.在本实施方式中，如图1～图4所示，在电解质膜11a，在与凸条部15f对置的位置，沿着隔离件12的凸条部15f延伸的方向形成有多个贯通孔(第1贯通孔)21、21、
…
。多个贯通
孔21通过贯穿设置于作为无孔膜的电解质膜11a而形成。在本实施方式中，如图5和图6所示，各贯通孔21不仅贯通电解质膜11a，还贯通催化剂层11b、11c和气体扩散层11d、11d。另外，在与凸条部15f对置的位置形成有气体扩散层11d，以堵塞贯通孔21、21、
…
的方式凸条部15f与气体扩散层11d接触。
46.并且，在电解质膜11a中的沿着树脂框架14的内周缘14g的内侧还形成有多个贯通孔(第2贯通孔)22、22、
…
。具体而言，多个贯通孔22、22、
…
以包围发电区域25的方式形成于非发电区域26中的未被树脂框架14约束的位置。
47.在本实施方式中，贯通孔21、22的孔形状是圆形，但并不限定于该形状。贯通孔21、22的孔径(直径)为50μm以下，更优选为39μm以下。并且，从加工性的观点出发，优选贯通孔21、22的孔径为1μm以上，更优选为15μm以上。并且，在本实施方式中，贯通孔22的孔径大于贯通孔21的孔径。此外，在图5和图6中，为了明确地表示其位置，示意性地放大描绘贯通孔21、22。
48.这样，通过将贯通孔21、22设为50μm以下，能够抑制氢气和空气通过这些贯通孔21、22。另外，形成于非发电区域26的贯通孔22的孔径大于形成于发电区域25的贯通孔21的孔径，因此能够抑制贯通孔21、22对发电的影响。这样的贯通孔21、22例如可以通过向mega11照射激光而形成，也可以用针等机械式地穿设形成。
49.根据本实施方式，通过设置贯通孔21、21、
…
，在单电池10的发电时，即使电解质膜11a在其面方向(与电解质膜11a的厚度方向正交的方向)上膨润和收缩，也能够通过多个贯通孔21、21、
…
吸收其变形。其结果是，能够减少由于电解质膜11a的膨润和收缩而作用于电解质膜11a的应力。
50.并且，通过在与凸条部15f对置的位置形成贯通孔21，能够抑制通过气体流路15a、15b的氢气和空气通过贯通孔21，并且能够使朝向贯通孔21的氢气和空气在催化剂层11b、11c中反应。因此，能够抑制由氢气和空气向贯通孔21的通过导致单电池10的发电效率降低。
51.并且，在本实施方式中，多个凸条部15f沿着发电区域25的长边方向l配置，因此多个贯通孔21、21、
…
也沿着发电区域25的长边方向l形成。由此，发电区域25的长边方向l与其短边方向s相比，电解质膜11a容易膨润和收缩，从而能够高效地抑制由电解质膜11a的膨润和收缩导致的变形。
52.这样，若能够减少由电解质膜11a的膨润和收缩而作用于电解质膜11a的应力，如图8所示，则可以以贯通电解质膜11a和催化剂层11b、11c的方式形成贯通孔21，也可以仅在电解质膜11a形成有贯通孔21。
53.并且，在沿着树脂框架14的内周缘14g的内侧的位置，电解质膜11a容易因膨润和收缩而变形，但在该位置形成有多个贯通孔22、22、
…
，因此能够高效地抑制由电解质膜11a的膨润和收缩导致的变形。此外，若能够发现这样的效果，则也可以不设置贯通孔22、22、
…
而仅设置贯通孔21、21、
…
。
54.以上，对本发明的实施方式进行了详述，但本发明并不限定于上述的实施方式，在不脱离权利要求书所记载的本发明的精神的范围内，能够进行各种设计变更。