帶框架的膜電極接合體、燃料電池用單元電池以及燃料電池堆的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種應用于固體高分子型的燃料電池的帶框架的膜電極接合體，并且涉及使用該帶框架的膜電極接合體的燃料電池用單元電池以及燃料電池堆。
【背景技術(shù)】
[0002]作為該種膜電極接合體，以燃料電池用帶樹脂框的電解質(zhì)膜.電極構(gòu)造體的制造方法的名稱記載于專利文獻I。對于專利文獻I所記載的帶樹脂框的電解質(zhì)膜.電極構(gòu)造體而言，在其外周處設(shè)為除去了陽極電極的狀態(tài)而使電解質(zhì)膜暴露。另外，在樹脂制框構(gòu)件的內(nèi)周設(shè)置有與陽極電極的厚度相當?shù)谋”跔畹膬?nèi)周突部和在陰極電極側(cè)沿著厚度方向突出的樹脂突起部。而且，帶有樹脂框的電解質(zhì)膜.電極構(gòu)造體利用粘接層將樹脂制框構(gòu)件的內(nèi)周突部與暴露的電解質(zhì)膜相接合，之后，使樹脂突起部加熱熔融并浸漬于陰極電極的氣體擴散層，從而構(gòu)成為在氣體擴散層內(nèi)形成有樹脂浸漬部的結(jié)構(gòu)。
[0003]專利文獻I:日本國特開2013-131417號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明要解決的問題
[0005]但是，上述那樣的以往的帶框架的膜電極接合體(燃料電池用的帶樹脂框的電解質(zhì)膜.電極構(gòu)造體)是將設(shè)置于框架(樹脂制框構(gòu)件)的薄壁狀的內(nèi)周突部與膜電極接合體(電解質(zhì)膜.電極構(gòu)造體)接合而成的結(jié)構(gòu)，因此，例如存在如下問題:若在陽極氣體和陰極氣體之間產(chǎn)生壓差，則使得框架以在厚度方向撓曲的方式變形，而反復如此有可能會使框架的內(nèi)周突部發(fā)生破損，所以解決這樣的問題成為了課題。
[0006]本發(fā)明是著眼于上述以往的課題而做成的，其目的在于提供一種能夠針對作用于厚度方向的力確保足夠的強度、能夠防止框架的破損的帶框架的膜電極接合體。
[0007]用于解決問題的方案
[0008]本發(fā)明的帶框架的膜電極接合體具有:膜電極接合體，其具有利用一對電極層夾持電解質(zhì)膜而成的結(jié)構(gòu);樹脂制的框架，其設(shè)置在膜電極接合體的周圍。所述框架具有:開口部，其用于配置膜電極接合體;臺階部，其沿著開口部的周緣形成且與框架的厚度大小相當；內(nèi)周緣部，其以由于臺階部而偏置于框架的單面?zhèn)鹊臓顟B(tài)在開口部內(nèi)延伸。而且，帶框架的膜電極接合體構(gòu)成為膜電極接合體的外周緣部接合于內(nèi)周緣部的與偏置側(cè)相反的一側(cè)的面而成的結(jié)構(gòu)，并將上述結(jié)構(gòu)作為解決以往的課題的方式。
[0009]發(fā)明的效果
[0010]本發(fā)明的帶框架的膜電極接合體通過采用上述結(jié)構(gòu)，對于框架而言，在使作為與膜電極接合體接合的接合部分的內(nèi)周緣部的厚度大致等于主體部分的厚度的同時，利用臺階部形成厚壁，因此，針對作用于厚度方向的力能夠確保足夠的強度，能夠防止框架的破損。
【附圖說明】
[0011]圖1是說明本發(fā)明的燃料電池堆的立體圖(A)、分解狀態(tài)的立體圖(B)以及表示電池模塊和密封板件的立體圖(C)。
[0012]圖2是將構(gòu)成圖1所示的燃料電池堆的燃料電池用單元電池設(shè)為分解狀態(tài)來表示的立體圖。
[0013]圖3是表示用于說明本發(fā)明的帶框架的膜電極接合體的第I實施方式的主要部件的剖視圖(A)、臺階部附近的放大剖視圖(B)以及表示輸入壓差時的產(chǎn)生應力比的圖表。
[0014]圖4是從陰極側(cè)觀察到的框架和膜電極接合體的狀態(tài)的立體圖(A)和從陽極側(cè)觀察到的狀態(tài)的立體圖(B)。
[0015]圖5是說明框架的第2實施方式的三視圖(A)、說明第3實施方式的三視圖(B)以及說明第4實施方式的三視圖(C)。
[0016]圖6是本發(fā)明的帶框架的膜電極接合體的第5實施方式中的、帶框架的膜電極接合體的主要部件的剖視圖(A)和表示接合部分的三個例子的各個剖視圖(B)?(D)。
[0017]圖7是說明本發(fā)明的第6實施方式的燃料電池用單元電池的剖視圖(A)和表示第7實施方式的燃料電池用單元電池的剖視圖(B)。
【具體實施方式】
[0018](第丨實施方式)
[0019]對于圖1所示的燃料電池堆FS，特別是如圖1的(B)和圖1的(C)所示，該燃料電池堆FS具有:層疊多個單元電池C并一體化而成的至少兩個以上的電池模塊M和夾裝在電池模塊M相互之間的密封板件P。圖示例的單元電池C和密封板件P均構(gòu)成為具有大致相同的縱橫尺寸的矩形板狀。另外，在圖1的(C)中，示出了兩個電池模塊M和一個密封板件P，但實際上層疊了這些以上的數(shù)量的電池模塊M和密封板件P。
[0020]另外，燃料電池堆FS在電池模塊M的層疊方向的兩端部分別配置有端板56A、56B，在單元電池C的長邊側(cè)的層疊端面(圖1中的上下表面)設(shè)置有連結(jié)板57A、57B，同時，在短邊側(cè)的層疊端面上設(shè)置有加強板58A、58B。各連結(jié)板57A、57B和加強板58A、58B具有橫跨由電池模塊M和密封板件P構(gòu)成的層疊體A的層疊方向全長的大小，并利用未圖示的螺栓與兩個端板56A、56B相連結(jié)。
[0021]這樣一來，燃料電池堆FS構(gòu)成為圖1的(A)所示那樣的外殼一體型結(jié)構(gòu)，沿著層疊方向?qū)Ω麟姵啬KM和密封板件P進行限制、加壓以將規(guī)定的接觸面壓力施加到各個單元電池C上，從而良好地維持氣體密封性、導電性等。另外，圖示例的單元電池C在長邊側(cè)的相同位置具有電壓測量用的外部端子59。與此相對，在圖1中，位于上側(cè)的一方的連結(jié)板57A具有供各單元電池C的外部端子59進入的狹縫57S，分成了適當數(shù)量的連接器能夠與外部端子59連接(省略圖示)。
[0022]如圖2所示，單元電池C具有帶框架的膜電極接合體2和夾持該膜電極接合體2的一對(陽極側(cè)和陰極側(cè))分隔件3、4。膜電極接合體2具有利用一對電極層夾持電解質(zhì)膜而成的結(jié)構(gòu)，在膜電極接合體2的周圍具有樹脂制的框架I。另外，框架I和兩個分隔件3、4均是具有大致相同的縱橫尺寸的矩形板狀。另外，在后面詳細描述框架I和膜電極接合體2之間的接口 O
[0023]膜電極接合體2通常被稱作MEA(Membrane Electrode Assembly)，如圖3的(A)中示出的局部所示，具有利用燃料電極層(陽極)12和空氣電極層(陰極)13夾持由固體高分子構(gòu)成的電解質(zhì)膜11而成的結(jié)構(gòu)。雖然省略了圖示，但燃料電極層11和空氣電極層13自膜電極接合體2側(cè)分別具有催化劑層和由多孔質(zhì)體構(gòu)成的氣體擴散層。該膜電極接合體2在將陽極氣體(氫氣)供給到燃料電極層12的同時，將陰極氣體(空氣)供給到空氣電極層13，從而利用電化學反應來發(fā)電。
[0024]各分隔件3、4是具有表背翻轉(zhuǎn)形狀的金屬制的板構(gòu)件，例如是不銹鋼制，能夠通過沖壓加工而成形為適宜的形狀。各分隔件3、4的與膜電極接合體2對應的中央?yún)^(qū)域在短邊方向的截面上形成為波形狀。該波形狀如圖示那樣沿著長邊方向連續(xù)。各分隔件3、4在面向膜電極接合體2的一方的面上，波形山部與膜電極接合體2接觸，波形谷部成為陽極氣體或者陰極氣體的流路。
[0025]膜電極接合體2的框架I和各分隔件3、4在短邊側(cè)的兩端部分別具有各三個歧管孔Hl?H3、H4?H6。圖1和圖2的左側(cè)所示的各歧管孔Hl?H3是陰極氣體供給用(Hl)、冷卻用流體供給用(H2)以及陽極氣體排出用(H3)，在層疊方向上彼此連通并形成各自的流路。另外，圖1和圖2的右側(cè)所示的各歧管孔H4?H6是陽極氣體供給用(H4)、冷卻流體排出用(H5)以及陰極氣體排出用(H6)，在層疊方向上彼此連通并形成各自的流路。另外，也可以將供給用和排出用的一部分或者全部的位置關(guān)系顛倒。
[0026]另外，在框架I和各分隔件3、4的周緣部、歧管孔Hl?H6的周圍連續(xù)地配置有密封構(gòu)件S。這些密封構(gòu)件S也作為粘接劑發(fā)揮作用，因此，將框架I和膜電極接合體2與分隔件3、4氣密地相接合。另外，配置在歧管孔Hl?H6的周圍的密封構(gòu)件S用于維持各歧管的氣密性，而為了供給與各層間對應的流體，在適合的部位具有開口。
[0027]層疊規(guī)定數(shù)量的上述的單元電池C而形成電池模塊M。此時，在鄰接的單元電池C彼此之間形成有冷卻