燃料电池及其制造方法与流程

1.本说明书中描述的技术涉及燃料电池及其制造方法。


背景技术：

2.日本未审查专利申请公报no.2020-140854(jp 2020-140854 a)中描述的燃料电池被配置为使得阳极侧催化层和阳极侧气体扩散层依序层叠在电解质膜的阳极侧上。此外，阴极侧催化层和阴极侧气体扩散层依序层叠在电解质膜的阴极侧上。


技术实现要素：

3.由于在燃料电池操作时电解质膜由于温度变化、生成的水等而膨胀和收缩，所以应力集中可能导致阳极侧催化层和阴极侧催化层中的缺陷。
4.本说明书中描述的燃料电池包括电解质膜、第一催化剂层和第二催化剂层、第一气体扩散层和第二气体扩散层以及支撑框架。第一催化剂层放置在电解质膜的第一表面上。第一气体扩散层放置在第一催化剂层上。小于电解质膜的第二催化剂层放置在电解质膜的第二表面上，使得在电解质膜的外周的内侧放置第二催化剂层。小于电解质膜的第二气体扩散层放置在第二催化剂层上，使得在电解质膜的外周的内侧放置第二气体扩散层。支撑框架包括大于第二催化剂层和第二气体扩散层的开口。支撑框架放置在电解质膜的第二表面上，使得第二催化剂层和第二气体扩散层放置在开口内。当从垂直于电解质膜的方向观察燃料电池时，存在第一区域和第二区域，第一区域是存在第二气体扩散层的区域，第二区域是第二气体扩散层的外周边缘部分与支撑框架的开口的内周边缘部分之间的区域。第一区域中的第一催化剂层与第一气体扩散层之间的结合力小于第二区域中的第一催化剂层与第一气体扩散层之间的结合力。
5.在存在第二气体扩散层的第一区域中，电解质膜的尺寸根据由于发电而生成的水的量的变化而变化。在第一区域中的第一催化剂层与第一气体扩散层之间的结合力变小的情况下，当电解质膜的尺寸改变时，可以抑制由第一催化剂层压靠第一气体扩散层引起的内应力。这使得可以防止由于应力集中而在第一催化剂层中出现缺陷的情况。此外，当向电解质膜施加向第二表面侧移动的力时，第二气体扩散层具有支撑电解质膜的功能。然而，在不存在第二气体扩散层的第二区域中，电解质膜可能不被支撑，使得电解质膜可能变形和分裂。当使第二区域中的第一催化剂层与第一气体扩散层之间的结合力大时，可以抑制电解质膜朝向第二表面侧的变形。这使得可以提高电解质膜的耐久性。
6.第一区域中电解质膜与第一催化剂层之间的结合力可以小于第二区域中电解质膜与第一催化剂层之间的结合力。在第一催化剂层中出现缺陷的情况下，在缺陷附近，电解质膜可以从电解质膜与第一催化剂层之间的接触边界表面分离。这使得能够抑制应力集中在电解质膜上。
7.第一区域中的第二催化剂层与第二气体扩散层之间的结合力可以小于第二区域中的第一催化剂层与第一气体扩散层之间的结合力。这使得可以抑制当电解质膜的尺寸改
变时由第二催化剂层压靠第二气体扩散层引起的内应力。这使得可以防止在第二催化剂层中出现缺陷的情况。
8.第一区域中电解质膜与第二催化剂层之间的结合力可以小于第二区域中电解质膜与第一催化剂层之间的结合力。在第二催化剂层中出现缺陷的情况下，在缺陷附近，电解质膜可以从电解质膜与第二催化剂层之间的接触边界表面分离。这使得能够抑制应力集中在电解质膜上。
9.电解质膜、第一催化剂层和第一气体扩散层的相应的外周边缘可以彼此重叠。
10.第二催化剂层可以小于第二气体扩散层。可以在第二气体扩散层的外周的内侧放置第二催化剂层。
11.燃料电池可以进一步包括放置在电解质膜的第二表面上的粘合层。当从垂直于电解质膜的方向观察粘合层时，粘合层可以放置在第二区域和存在支撑框架的区域中。由于粘合层，可以将支撑框架固定到电解质膜的外周。
12.本说明书中描述的技术体现在一种用于制造燃料电池的制造方法中。燃料电池包括电解质膜、第一催化剂层和第二催化剂层、第一气体扩散层和第二气体扩散层以及支撑框架。第一催化剂层放置在电解质膜的第一表面上。第一气体扩散层放置在第一催化剂层上。小于电解质膜的第二催化剂层放置在电解质膜的第二表面上，使得在电解质膜的外周的内侧放置第二催化剂层。小于电解质膜的第二气体扩散层放置在第二催化剂层上，使得在电解质膜的外周的内侧放置第二气体扩散层。支撑框架包括大于第二催化剂层和第二气体扩散层的开口。支撑框架放置在电解质膜的第二表面上，使得第二催化剂层和第二气体扩散层放置在开口内。当从垂直于电解质膜的方向观察燃料电池时，存在第一区域和第二区域，第一区域是存在第二气体扩散层的区域，第二区域是第二气体扩散层的外周边缘部分与支撑框架的开口的内周边缘部分之间的区域。该制造方法包括在电解质膜的第一表面上依序放置第一催化剂层和第一气体扩散层的步骤。该制造方法包括在第一温度下通过压力将第一区域中的第一气体扩散层、第一催化剂层和电解质膜彼此结合的第一压力结合步骤。该制造方法包括在高于第一温度的第二温度下，通过压力将第二区域中的第一气体扩散层、第一催化剂层和电解质膜彼此结合的第二压力结合步骤。该制造方法包括在第一压力结合步骤和第二压力结合步骤之后，将第二催化剂层、第二气体扩散层和支撑框架放置在电解质膜的第二表面上的放置步骤。这允许使第一催化剂层与第一气体扩散层之间的结合力在第一区域中比在第二区域中小。此外，这允许使电解质膜与第一催化剂层之间的结合力在第一区域中比在第二区域中小。
13.第一压力结合步骤中的压力可以低于第二压力结合步骤中的压力。能够使第一催化剂层与第一气体扩散层之间的结合力在第一区域中比在第二区域中小。此外，能够使电解质膜与第一催化剂层之间的结合力在第一区域中比在第二区域中小。
14.第一压力结合步骤和第二压力结合步骤可以同时进行。这使得能够缩短压力结合步骤的时间。
15.放置步骤可以包括将第二催化剂层放置在电解质膜的第二表面上的步骤。放置步骤可以包括将第二气体扩散层放置在第二催化剂层上的步骤。放置步骤可以包括第三压力结合步骤，在低于第二温度的第三温度下，通过压力将第一区域中的第一气体扩散层、第一催化剂层、电解质膜、第二催化剂层和第二气体扩散层彼此结合。这允许第二催化剂层与第
二气体扩散层之间的结合力在第一区域中小于在第二区域中。此外，这允许电解质膜与第二催化剂层之间的结合力在第一区域比在第二区域小。
16.放置步骤可以包括将第二催化剂层放置在电解质膜的第二表面上的步骤。放置步骤可以包括将粘合层放置在电解质膜的第二表面上第二催化剂层的外周边缘部分的外侧的区域中的步骤。放置步骤可以包括将支撑框架放置在粘合层上的步骤。放置步骤可以包括将第二气体扩散层放置在第二催化剂层上的步骤。由于粘合层，可以将支撑框架固定到电解质膜的外周。
附图说明
17.下面将参照附图描述本发明示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中相同的符号表示相同的元件，并且其中:
18.图1是mega片材1的分解透视图；
19.图2是mega片材1的顶视图；
20.图3是沿着图2中的线iii-iii截取的局部剖视图；
21.图4是描述mega片材1的制造方法的流程图；
22.图5是描述mega片材1的制造方法的局部剖视图；
23.图6是描述mega片材1的制造方法的局部剖视图；
24.图7是描述mega片材1的制造方法的局部剖视图；
25.图8是描述mega片材1的制造方法的局部剖视图；
26.图9是描述mega片材1的制造方法的局部剖视图；
27.图10是描述在比较例中在mega片材上出现的现象的视图；并且
28.图11是描述本说明书的mega片材1的效果的视图。
具体实施方式
29.mega片材1的配置
30.图1是膜电极气体扩散层组件(mega)片材1的分解透视图。图2是mega片材1的顶视图。图3是沿着图2中的线iii-iii截取的局部剖视图。mega片材1是用于燃料电池的发电体片材。mega片材1构成燃料电池，使得mega片材1夹在阳极侧分隔板和阴极侧分隔板(未示出)之间。mega片材1包括电解质膜10、阳极催化剂层11、阴极催化剂层12、阳极气体扩散层21、阴极气体扩散层22、粘合层30和支撑框架31。
31.电解质膜10是由固体聚合材料制成的质子传导离子交换膜。阳极催化剂层11和阴极催化剂层12是多孔层，其被配置为使得承载催化剂诸如铂的碳颗粒经由树脂彼此连接。电解质膜10、阳极催化剂层11和阴极催化剂层12具有矩形形状。电解质膜10、阳极催化剂层11和阴极催化剂层12构成矩形膜电极组件(mea)13。阳极气体扩散层21和阴极气体扩散层22是具有透气性的导电构件。导电构件的示例是碳多孔体(例如碳纸、碳布等)、金属多孔体(例如金属网、泡沫金属等)等。阳极气体扩散层21和阴极气体扩散层22具有矩形形状。
32.阳极催化剂层11和阳极气体扩散层21的大小等于电解质膜10的大小。阴极催化剂层12和阴极气体扩散层22小于电解质膜10。此外，阴极催化剂层12小于阴极气体扩散层22。
33.粘合层30是由涂布的粘合剂制成的层。粘合剂的示例包括含有有机溶剂并具有紫
外线硬化性的粘合剂。支撑框架31是用于支撑电解质膜10、阳极催化剂层11、阴极催化剂层12、阳极气体扩散层21和阴极气体扩散层22的构件。支撑框架31具有框架形状，该框架形状具有开口op。开口op大于阴极催化剂层12和阴极气体扩散层22。支撑框架31具有三层片状结构，在该三层片状结构中，由热塑性树脂制成的粘合层放置在由热固性树脂制成的框架层的任一侧上。
34.如图3所示，阳极催化剂层11放置在电解质膜10的阳极侧(负z方向侧)上的表面10a上。阳极气体扩散层21放置在阳极催化剂层11上。电解质膜10、阳极催化剂层11和阳极气体扩散层21的相应外周边缘部分在边缘部分e1中彼此重叠。
35.阴极催化剂层12放置在电解质膜10的阴极侧(正z方向侧)上的表面10c上，使得在电解质膜10的外周的内侧放置阴极催化剂层12。在电解质膜10的表面10c上形成框架形外周区域pa。在外周区域pa中没有形成阴极催化剂层12。粘合层30放置在外周区域pa内的表面10c上。阴极气体扩散层22放置在阴极催化剂层12上，使得在电解质膜10的外周的内侧放置阴极气体扩散层22。在阴极气体扩散层22的外周的内侧放置阴极催化剂层12。
36.如图3所示，框架形支撑框架31具有内周区域ia和外周区域oa。内周区域ia经由粘合层30结合到电解质膜10的阴极侧上的表面10c。外周区域oa从电解质膜10的外周突出并形成凸缘。当从垂直于电解质膜10的方向观察粘合层30时，粘合层30至少放置在存在支撑框架31的内周区域ia和第二区域a2中。
37.如图2所示，当从垂直于电解质膜10的方向观察mega片材1时，形成了第一区域a1和第二区域a2。第一区域a1是存在阴极气体扩散层22的区域。第二区域a2是阴极气体扩散层22的外周边缘部分与支撑框架31的开口op的内周边缘部分之间的区域。在图2中，为了易于理解，第二区域a2以灰色示出。
38.在根据本实施例的mega片材1中，层之间的边界表面的结合力具有以下关系(参见图3)。第一区域a1中阳极催化剂层11与阳极气体扩散层21之间的边界表面ab1
a1
的结合力小于第二区域a2中阳极催化剂层11与阳极气体扩散层21之间的边界表面ab1
a2
的结合力。第一区域a1中电解质膜10与阳极催化剂层11之间的边界表面ab2
a1
的结合力小于第二区域a2中电解质膜10与阳极催化剂层11之间的边界表面ab2
a2
的结合力。
39.此外，层之间的边界表面的相应结合强度具有以下关系。第一区域a1中阴极催化剂层12与阴极气体扩散层22之间的边界表面cb1
a1
的结合力小于第二区域a2中阳极催化剂层11与阳极气体扩散层21之间的边界表面ab1
a2
的结合力。第一区域a1中电解质膜10与阴极催化剂层12之间的边界表面cb2
a1
的结合力小于第二区域a2中电解质膜10与阳极催化剂层11之间的边界表面ab2
a2
的结合力。注意，通过测量当载荷施加到边界表面时获得的剥离状态和剥离强度，可以客观地评估各种边界表面的结合力的大小。
40.mega片材1的制造方法
41.参照图4的程序和图5至图9的剖视图，下面描述mega片材1的制造方法。在步骤s1中，制备电解质膜10，其中阴极侧上的表面10c由保护膜14保护。阳极催化剂层11和阳极气体扩散层21依序层叠在电解质膜10的阳极侧上的表面10a上(图5)。在步骤s2中，执行第一压力结合步骤。更具体地，阳极气体扩散层21、阳极催化剂层11和电解质膜10被对应于第一区域a1的矩形压板41、42按压(图5)。第一压力结合在室温下进行。保护膜14可以防止电解质膜10的表面10c上的污染。
42.在步骤s3中，执行第二压力结合步骤。更具体地，阳极气体扩散层21、阳极催化剂层11和电解质膜10被对应于第二区域a2的框架形压板51、52按压(图6)。第二压力结合在比第一压力结合的温度高的温度下进行。此外，第二压力结合步骤中使用的压力等于或高于第一压力结合步骤中使用的压力。此外，保护膜14可以防止电解质膜10的表面10c上的污染。
43.因此，使边界表面ab1
a1
(第一区域a1中阳极催化剂层11与阳极气体扩散层21之间的边界表面)的结合力小于边界表面ab1
a2
(第二区域a2中阳极催化剂层11与阳极气体扩散层21之间的边界表面)的结合力。此外，使边界表面ab2
a1
(第一区域a1中电解质膜10与阳极催化剂层11之间的边界表面)的结合力小于边界表面ab2
a2
(第二区域a2中电解质膜10与阳极催化剂层11之间的边界表面)的结合力。
44.在步骤s4中，保护膜14被移除。然后，阴极催化剂层12设置在电解质膜10的阴极侧上的表面10c上。在步骤s5中，粘合层30被放置在电解质膜10的表面10c上的外周区域pa(即，阴极催化剂层12的外周边缘部分的外侧的区域)中。由此，形成图7的结构。
45.在步骤s6中，支撑框架31被放置在粘合层30上(图8)。然后，支撑框架31通过对应于支撑框架31的压板61、62通过压力结合到粘合层30(图8)。此后，经由支撑框架31用紫外线照射粘合层30，使得粘合层30固化。在步骤s7中，阴极气体扩散层22被放置在阴极催化剂层12上。
46.在步骤s8中，执行第三压力结合步骤。更具体地，阳极气体扩散层21、阳极催化剂层11、电解质膜10、阴极催化剂层12和阴极气体扩散层22通过对应于第一区域a1的压板41、42通过压力结合(图9)。由此，完成了mega片材1。
47.第三压力结合在比第二压力结合的温度低的温度下进行。此外，第三压力结合步骤中使用的压力小于第二压力结合步骤中使用的压力。因此，使边界表面cb1
a1
(第一区域a1中阴极催化剂层12与阴极气体扩散层22之间的边界表面)的结合力小于边界表面ab1
a2
(第二区域a2中阳极催化剂层11与阳极气体扩散层21之间的边界表面)的结合力。此外，使边界表面cb2
a1
(第一区域a1中电解质膜10与阴极催化剂层12之间的边界表面)的结合力小于边界表面ab2
a2
(第二区域a2中电解质膜10与阳极催化剂层11之间的边界表面)的结合力。
48.由于第一区域a1的边界表面ab1
a1
与边界表面cb1
a1
的结合力降低而可获得的效果
49.作为比较示例，将参照图10描述当第一区域a1中的边界表面ab1
a1
的结合力被设定为等于或高于第二区域a2中的边界表面ab1
a2
的结合力时发生的现象。由于在存在阴极气体扩散层22的第一区域a1中进行发电，所以电解质膜10的膨胀量由于生成的水的量的变化而变化，使得电解质膜10的尺寸变化。此外，由于mea 13的阳极侧(负z方向侧)与阴极侧(正z方向侧)之间的压力差，从阴极侧朝向阳极侧指向的压力f1可以施加到mea 13。因为阳极气体扩散层21具有比mea13的刚性更高的刚性，所以阳极气体扩散层21起到抑制mea 13向阳极侧变形的作用。然而，在阳极气体扩散层21的表面上存在凹部和突出部。因此，存在如图10所示的局部凹陷部分re。当在电解质膜10膨胀的状态下施加压力f1时，mea 13移动到凹陷部分re中。此时，因为边界表面ab1
a1
的结合力高，所以在围绕凹陷部分re的周围区域r1中维持阳极催化剂层11通过压力结合到阳极气体扩散层21的状态。因此，mea 13在凹陷部分re中局部变形。结果，mea 13变形以从作为支点的拐角部cp弯曲。拐角部cp存在于凹陷部分re的边缘中。应力集中发生在拐角部cp上，使得阳极催化剂层11和阴极催化剂层12破裂，从
而导致缺陷df。缺陷df导致电解质膜10破坏。
50.在本说明书的mega片材1中，边界表面ab1
a1
的结合力小于边界表面ab1
a2
的结合力。因此，如图11所示，在电解质膜10膨胀的状态下施加压力f1的情况下，可以在围绕凹陷部分re的周围区域r1中将阳极催化剂层11与阳极气体扩散层21分离。也就是说，mea 13可以在包括围绕凹陷部分re的区域的宽范围内广泛变形。结果，可以防止mea 13从作为支点的拐角部cp变形弯曲。这可以抑制拐角部cp处的应力集中，从而可以防止阳极催化剂层11中出现缺陷。
51.此外，在本说明书的mega片材1中，第一区域a1中的边界表面cb1
a1
的结合力也变小。由此获得的效果类似于当边界表面ab1
a1
的结合力变小时获得的效果。也就是说，在从阳极侧朝向阴极侧的压力施加到mea 13的情况下，可以防止mea 13在阴极气体扩散层22的凹陷部分处变形弯曲。
52.由于第一区域a1中的边界表面ab2
a1
和边界表面cb2
a1
的结合力降低而可获得的效果
53.如图10所示，缺陷df可能出现在阳极催化剂层11中。这里，在边界表面ab2
a1
的结合力高于必要的情况下，在缺陷df处维持电解质膜10与阳极催化剂层11接触的状态。因此，应力集中在电解质膜10上，以缺陷df处的电解质膜10与阳极催化剂层11之间的接触边界表面作为起点。电解质膜10可能破坏。这里，在本说明书的mega片材1中，使第一区域a1中的边界表面ab2
a1
的结合力小于第二区域a2中的边界表面ab2
a2
的结合力。也就是说，边界表面ab2
a1
的结合力不会变得高于必要。因此，在出现缺陷df的情况下，在缺陷df附近，电解质膜10可以从电解质膜10与阳极催化剂层11之间的接触边界表面分离。即使在出现缺陷df的情况下，也可以抑制应力集中在电解质膜10上，从而可以防止电解质膜10破坏。
54.此外，在本说明书的mega片材1中，第一区域a1中的边界表面cb2
a1
的结合力也变小。由此获得的效果类似于当边界表面ab2
a1
的结合力变小时获得的效果。也就是说，在阴极催化剂层12中出现缺陷df的情况下，在缺陷df附近，电解质膜10可以从电解质膜10与阴极催化剂层12之间的接触边界表面分离。可以抑制应力集中在电解质膜10上。
55.由于第二区域a2中的边界表面ab1
a2
与边界表面ab2
a2
的结合力增加而可获得的效果
56.在mea 13的阳极侧(负z方向侧)与阴极侧(正z方向侧)之间产生压力差。因为阳极气体扩散层21、阴极气体扩散层22和支撑框架31具有比mea 13的刚性更高的刚性，所以它们具有支撑电解质膜10的功能，使得电解质膜10不会由于压力差而变形。此外，阴极气体扩散层22和支撑框架31不存在于第二区域a2的阴极侧(图3)上。因此，由于压力差，指向阴极侧的力f2被施加到第二区域a2中的电解质膜10。
57.在本说明书的mega片材1中，使第二区域a2中的边界表面ab1
a2
的结合力高于第一区域a1中的边界表面ab1
a1
的结合力。因此，即使在力f2施加到第二区域a2中的电解质膜10和阳极催化剂层11的情况下，也可以抑制阳极催化剂层11从阳极气体扩散层21的表面剥离。这使得可以防止电解质膜10破坏的情况。
58.此外，在本说明书的mega片材1中，使第二区域a2中的边界表面ab2
a2
的结合力高于第一区域a1中的边界表面ab2
a1
的结合力。因此，即使在力f2施加到第二区域a2中的电解质膜10和阳极催化剂层11的情况下，也可以抑制电解质膜10从阳极催化剂层11和电解质膜10
之间的压力结合边界表面剥离。这使得可以防止电解质膜10破坏的情况。
59.上面已经详细描述了实施例，但是该实施例仅仅是示例，并不限制权利要求的范围。权利要求范围中描述的技术包括具有各种变型和变化的前述具体示例。本说明书或附图中描述的技术元件的每一个和各种组合实现了技术实用性，并且技术元件不限于提交时权利要求中陈述的组合。此外，本说明书或附图中描述的技术可以同时实现多个目标，并且通过实现这些目标之一而具有技术可用性。
60.变型
61.第一压力结合步骤(s2)和第二压力结合步骤(s3)可以同时进行。例如，矩形压板41、42(图5)和框架形压板51、52(图6)可以同时被按压。由于压板41、42和压板51、52是分开的本体，所以它们的温度和压力是可个别控制的。
62.在第一压力结合步骤(s2)、第二压力结合步骤(s3)和第三压力结合步骤(s8)中，用于调节边界表面的结合力的方法不限于采用不同温度和不同压力的方法，并且可以使用各种方法。例如，边界表面的结合力可以通过时间来调节，以执行压力结合。
63.执行第一压力结合步骤(s2)、第二压力结合步骤(s3)和放置阴极催化剂层12的步骤(s4)的顺序不限于本实施例的示例，并且这些步骤可以以各种组合来执行。例如，第一压力结合步骤和第二压力结合步骤可以以与上述相反的顺序进行。此外，例如，第一压力结合步骤和第二压力结合步骤可以在放置阴极催化剂层12之后进行。
64.由树脂制成并具有微小多孔结构的微孔层(mpl)可以设置在阳极气体扩散层21或阴极气体扩散层22的电解质膜10侧上的表面上。微孔层可以例如形成为使得mpl涂布构件被涂布到阳极气体扩散层21或阴极气体扩散层22的表面上，然后被干燥。
65.阳极催化剂层11是第一催化剂层的一个示例。阳极气体扩散层21是第一气体扩散层的一个示例。阴极催化剂层12是第二催化剂层的一个示例。阴极气体扩散层22是第二气体扩散层的一个示例。