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CN102113157A - 电解质膜/电极结构体以及燃料电池 - Google Patents

电解质膜/电极结构体以及燃料电池 Download PDF

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CN102113157A
CN102113157A CN2009801306859A CN200980130685A CN102113157A CN 102113157 A CN102113157 A CN 102113157A CN 2009801306859 A CN2009801306859 A CN 2009801306859A CN 200980130685 A CN200980130685 A CN 200980130685A CN 102113157 A CN102113157 A CN 102113157A
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Honda Motor Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种电解质膜/电极结构体以及燃料电池。构成燃料电池(10)的电解质膜/电极结构体(12)具备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)的阳极侧电极(20)及阴极侧电极(22)。在第一电极(20)中，设置有与固体高分子电解质膜(18)的一个面(18a)抵接且使所述固体高分子电解质膜(18)的外周框架状地露出的电极催化剂层(20a)和气体扩散层(20b)，在第二电极(22)中，设置有与所述固体高分子电解质膜(18)的另一个面(18b)抵接的电极催化剂层(22a)和气体扩散层(22b)。在固体高分子电解质膜(18)中，在从气体扩散层(20b)的外周突出的框架状面上配置有增强片部件(24)。

Description

电解质膜/电极结构体以及燃料电池
技术领域
本发明涉及一种在固体高分子电解质膜的两面配置了第一和第二电极的电解质膜/电极结构体、以及利用第一和第二隔板夹持所述电解质膜/电极结构体的燃料电池。
背景技术
一般，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。这种燃料电池通过隔板(双极板)来夹持电解质膜/电极结构体(MEA)，该电解质膜/电极结构体在固体高分子电解质膜的两侧分别配置了由催化剂层(电极催化剂)和气体扩散层(多孔质碳)构成的阳极侧电极和阴极侧电极。通常，使用层叠了规定数量的这种燃料电池的燃料电池堆。
在上述的电解质膜/电极结构体中，使用了薄膜状的固体高分子电解质膜。因此，需要防止由于施加到固体高分子电解质膜的反应气体的差压和机械压力导致所述固体高分子电解质膜破损。
因此，例如，公知有特开平5-21077号公报所公开的固体高分子电解质型燃料电池的密封结构。如图4所示，该燃料电池在固体高分子电解质膜1的两侧配置了阳极电极2和阴极电极3，并且在所述阳极电极2和所述阴极电极3上配置了形成有燃料气体通路4a的隔板4和形成有氧化剂气体通路5a的隔板5。
在固体高分子电解质膜1的周缘部分的两面上，配备了由框架状的氟树脂系薄片构成的保护膜6。通过热压加工对固体高分子电解质膜1和阳极电极2以及阴极电极3进行合成时，一体合成该保护膜6。在隔板4、5之间，框架状地包围阳极电极2和阴极电极3地配备有气体密封件7。
但是，在上述的特开平5-21077号公报中，保护膜6由厚度在50μm以下的薄膜片构成，因此利用气体密封件7夹持固体高分子电解质膜1的两侧时，可能得不到足够的强度。特别是在使用凸缘状的气体密封件7作为垫片时，因互相对置的凸缘部的位置偏移等，容易在固体高分子电解质膜1中产生剪切力。由此，粘贴了保护膜6的固体高分子电解质膜1的外缘部会变形，存在所述固体高分子电解质膜1中引起破损且密封性降低的问题。
发明内容
本发明为了解决上述问题而完成，目的在于提供一种易实现薄片化，并且尽可能防止固体高分子电解质膜的损坏且能够确保良好的发电性能的电解质膜/电极结构体以及燃料电池。
本发明涉及在固体高分子电解质膜的两面上配置有第一电极和表面积比该第一电极大的第二电极的电解质膜/电极结构体。
在第一电极中，设置有与固体高分子电解质膜的一个面抵接且使所述固体高分子电解质膜的外周框架状地露出的第一催化剂层和第一扩散层，在第二电极中，设置有与所述固体高分子电解质膜的另一个面抵接的第二催化剂层和第二扩散层。
而且，将第二气体扩散层的平面设定得比第一气体扩散层的平面大，并且在固体高分子电解质膜上，在从所述第一气体扩散层的外周突出的框架状面上配置有增强片部件。
此外，本发明还涉及燃料电池，其具备在固体高分子电解质膜的两面上配置了第一电极和表面积比该第一电极大的第二电极的电解质膜/电极结构体，并且通过第一和第二隔板夹持所述电解质膜/电极结构体。
在第一电极中，设置有与固体高分子电解质膜的一个面抵接且使所述固体高分子电解质膜的外周框架状地露出的第一催化剂层和第一扩散层，在第二电极中，设置有与所述固体高分子电解质膜的另一个面抵接的第二催化剂层和第二扩散层。
而且，将第二气体扩散层的平面设定得比第一气体扩散层的平面大，并且在固体高分子电解质膜上，在从所述第一气体扩散层的外周突出的框架状面上配置有增强片部件。第一凸状密封件介于增强片部件和第一隔板之间，另一方面，第二凸状密封件介于所述第一隔板和第二隔板之间。
根据本发明，在固体高分子电解质膜的两面分别配置有表面积不同的第一电极和第二电极的电解质膜/电极结构体、即所谓的高低差MEA中，在向所述固体高分子电解质膜的第一电极的外周露出的框架状面上配置了增强片部件。因此，能够提高高低差MEA外缘部的强度，并且能够尽可能防止固体高分子电解质膜的损坏。
而且，由于构成高低差MEA，因此在所述高低差MEA的外缘部，不会产生因密封件偏移引起的剪切力。由此，能够很好地确保密封性和耐久性。
附图说明
图1是本发明的实施方式的燃料电池的主要部分的分解立体说明图。
图2是所述燃料电池的图1中的II-II线截面说明图。
图3是构成所述燃料电池的电解质膜/电极结构体的部分剖视说明图。
图4是特开平5-21077号公报所公开的密封结构的说明图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的实施方式的燃料电池10具备：本实施方式的电解质膜/电极结构体12；和对该电解质膜/电极结构体12进行夹持的第一和第二隔板14、16。第一和第二隔板14、16例如由钢板、不锈钢板、铝板、镀膜处理钢板或者在其金属表面上实施了用于防腐蚀的表面处理后的金属板或碳部件等构成。
电解质膜/电极结构体12具备固体高分子电解质膜18、对所述固体高分子电解质膜18进行夹持的阳极侧电极(第一电极)20以及阴极侧电极(第二电极)22。阳极侧电极20具有比阴极侧电极22小的表面积，并且在固体高分子电解质膜18的从所述阳极侧电极20的外周向外部露出的框架状面上配置有增强片部件24。
如图3所示，在阳极侧电极20中，设置有与固体高分子电解质膜18的一个面18a抵接且使所述固体高分子电解质膜18的外周框架状地露出的电极催化剂层(第一催化剂层)20a和气体扩散层(第一气体扩散层)20b。在阴极侧电极22中，设置有与固体高分子电解质膜18的另一个面18b抵接的电极催化剂层(第二催化剂层)22a和气体扩散层(第二气体扩散层)22b。另外，电极催化剂层20a、22a也可以由多个层构成。
将气体扩散层22b的平面设定为比气体扩散层20b的平面大，并且所述气体扩散层22b从电极催化剂层22a的外周突出，覆盖固体高分子电解质膜18的整个另一个面18b。
在从电极催化剂层22a的外周突出的气体扩散层22b与固体高分子电解质膜18之间设置有粘接层26a。该粘接层26a例如可以使用氟系粘接剂。气体扩散层20b从电极催化剂层20a的外周突出，并且在增强片部件24的内周侧，构成介于从所述电极催化剂层20a的外周突出的所述气体扩散层20b与固体高分子电解质膜18之间的重叠部24a。
该增强片部件24呈框架状，并且由PPS(聚苯硫醚树脂)或PEEK系(聚醚醚酮树脂)等工程塑料或特级工程塑料构成。
在增强片部件24和固体高分子电解质膜18之间设置有粘接层26b，并且在重叠部24a上，在所述增强片部件24和气体扩散层20b之间设置有粘接层26c。将增强片部件24和粘接层26b、26c总的厚度设定成与电极催化剂层20a的厚度相等。另外，粘接层26c也可以浸渗在气体扩散层20b中。这是因为能够防止来自气体扩散层20b的端部的气体泄漏。
电极催化剂层22a的外周端部无间隙地抵接在粘接层26a的内周端部上，另一方面，电极催化剂层20a的外周端部无间隙地抵接在粘接层26b、26c的内周端部上。粘接层26a的内周被设定在与粘接层26c(和26b)的内周相比，在固体高分子电解质膜18的面方向外侧的全周内突出了距离H的位置上。电极催化剂层20a、22a通过在多孔质碳粒子的表面上担载铂粒子并涂敷到固体高分子电解质膜18的两面上而形成。
如图1所示，在燃料电池10的箭头B方向(图1中的水平方向)的一个端缘部，在作为层叠方向的箭头A方向上互相连通，且在箭头C方向(铅直方向)上排列设置有：用于提供氧化剂气体例如含氧气体的氧化剂气体入口连通孔30a、用于提供冷却介质的冷却介质入口连通孔32a、以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。
在燃料电池10的箭头B方向的另一端缘部，在箭头A方向上互相连通，并且在箭头C方向上排列设置有用于提供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以及用于排出氧化剂气体的氧化剂气体出口连通孔30b。
在第二隔板16的面向电解质膜/电极结构体12的面16a上，设置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。
在第一隔板14的面向电解质膜/电极结构体12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和第二隔板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。
如图1和图2所示，在第一隔板14的面14a、14b上，围绕该第一隔板14的外周端部而一体化形成有第一密封部件42，并且在第二隔板16的面16a、16b上围绕该第二隔板16的外周端部而一体化形成有第二密封部件44。
如图2所示，第一密封部件42具有：介于增强片部件24和第一隔板14之间的第一凸状密封件42a、介于所述第一隔板14和第二隔板16之间的第二凸状密封件42b。第二密封部件44构成平面密封件。另外，也可以代替第二凸状密封件42b而在第二密封部件44上设置第二凸状密封件(未图示)。
对于第一和第二密封部件42、44，例如采用EPDM、NBR、氟橡胶、硅酮橡胶、氟代硅酮橡胶、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、衬垫材料或者封装材料。
如图1所示，在第一隔板14中形成将燃料气体入口连通孔34a和燃料气体流路38连通的供给孔部46、将所述燃料气体流路38和燃料气体出口连通孔34b连通的排出孔部48。
以下，说明组装了该电解质膜/电极结构体12的燃料电池10的动作。
首先，如图1所示，向氧化剂气体入口连通孔30a提供含氧气体等氧化剂气体，并且向燃料气体入口连通孔34a提供含氢气体等燃料气体。并且，向冷却介质入口连通孔32a提供纯水或乙二醇、油等冷却介质。
因此，氧化剂气体从氧化剂气体入口连通孔30a被导入到第二隔板16的氧化剂气体流路36中，并沿着箭头B方向移动而提供给电解质膜/电极结构体12的阴极侧电极22。另一方面，燃料气体从燃料气体入口连通孔34a经过供给孔部46被导入到第一隔板14的燃料气体流路38中。燃料气体沿着燃料气体流路38向箭头B方向移动，并被提供给电解质膜/电极结构体12的阳极侧电极20。
因此，在各电解质膜/电极结构体12中，提供给阴极侧电极22的氧化剂气体和提供给阳极侧电极20的燃料气体在电极催化剂层内通过电化学反应被消耗，从而进行发电。
接着，提供给阴极侧电极22而被消耗的氧化剂气体沿着氧化剂气体出口连通孔30b从箭头A方向被排出。同样，提供给阳极侧电极20而被消耗的燃料气体经过排出孔部48并沿着燃料气体出口连通孔34b而向箭头A方向被排出。
此外，提供给冷却介质入口连通孔32a的冷却介质被导入到第一隔板14和第二隔板16之间的冷却介质流路40之后，沿着箭头B方向流通。该冷却介质对电解质膜/电极结构体12进行冷却之后，从冷却介质出口连通孔32b被排出。
此时，本实施方式中，在固体高分子电解质膜18的两面分别配置了表面积不同的阳极侧电极20和阴极侧电极22的、构成所谓的高低差MEA的电解质膜/电极结构体12中，在所述固体高分子电解质膜18的向所述阳极侧电极20侧露出的框架状面上配置了增强片部件24。
因此，能够提高电解质膜/电极结构体12的外缘部的强度，并且能够起到尽可能防止固体高分子电解质膜18损坏的效果。另外，由于固体高分子电解质膜18的另一个面18b被作为第二气体扩散层的气体扩散层22支承，因此只要在一个面18a上设置增强片部件24即可。
并且，第一密封部件42具有介于增强片部件24和第一隔板14之间的第一凸状密封件42a、和介于所述第一隔板14和第二隔板16之间的第二凸状密封件42b(参照图2)。因此，在电解质膜/电极结构体12中，不会产生因密封件位置偏移等引起的剪切力，能够很好地确保密封性和耐久性。
而且，如图3所示，在阳极侧电极20中，与固体高分子电解质膜18粘接的增强片部件24上粘接有电极催化剂层20a和气体扩散层20b。并且，电极催化剂层20a的外周端部无间隙地抵接于粘接层26b、26c的内周端部和增强片部件24的内周端部。因此，通过将阳极侧电极20固定在牢固的增强片部件24上，从而容易实现粘接性的提高。
并且，增强片部件24的内周侧具有从气体扩散层20b的外周部进入内方的重叠部24a，从而抵接于电极催化剂层20a的外周端部。由此，固体高分子电解质膜18在发电部以外(电极催化剂层20a以外)的整个面上被可靠地增强，能够提高所述固体高分子电解质膜18的耐久性。
此外，阳极侧电极20的粘接层26c的内周和阴极侧电极22的粘接层26a的内周相对于层叠方向(箭头A方向)相互错开。具体而言，粘接层26a的内周被设定在与粘接层26c的内周相比，在固体高分子电解质膜18的面方向外侧全周内突出了距离H的位置。因此，能够很好地防止应力集中。另外，粘接层26a的内周也可以被设定在与粘接层26c的内周相比，在固体高分子电解质膜18的面方向内侧全周突出了距离H的位置。
并且，由于增强片部件24由工程塑料或特级工程塑料构成，因此能够防止在燃料电池10运行时高温度或高湿度等条件下固体高分子电解质膜18的劣化和密封压力等引起的变形。

Claims (11)

1.一种电解质膜/电极结构体，在固体高分子电解质膜(18)的两面上配置有第一电极(20)和表面积比该第一电极(20)大的第二电极(22)，该电解质膜/电极结构体(12)的特征在于，
在所述第一电极(20)中，设置有与所述固体高分子电解质膜(18)的一个面(18a)抵接且使该固体高分子电解质膜(18)的外周框架状地露出的第一催化剂层(20a)和第一气体扩散层(20b)，
在所述第二电极(22)中，设置有与所述固体高分子电解质膜(18)的另一个面(18b)抵接的第二催化剂层(22a)和第二气体扩散层(22b)，
所述第二气体扩散层(22b)的平面被设定为比所述第一气体扩散层(20b)的平面大，并且
在所述固体高分子电解质膜(18)上，在从所述第一气体扩散层(20b)的外周突出的框架状面上配置有增强片部件(24)。
2.根据权利要求1所述的电解质膜/电极结构体，其特征在于，
所述第二气体扩散层(22b)从所述第二催化剂层(22a)的外周突出，覆盖所述固体高分子电解质膜(18)的另一个面(18b)，并且
在从所述第二催化剂层(22a)的外周突出的所述第二气体扩散层(22b)与所述固体高分子电解质膜(18)之间设置有粘接层(26a)。
3.根据权利要求1所述的电解质膜/电极结构体，其特征在于，
所述第一气体扩散层(20b)从所述第一催化剂层(20a)的外周突出，并且
在所述增强片部件(24)的内周侧，构成介于从所述第一催化剂层(20a)的外周突出的所述第一气体扩散层(20b)与所述固体高分子电解质膜(18)之间的重叠部(24a)。
4.根据权利要求3所述的电解质膜/电极结构体，其特征在于，
在所述重叠部(24a)上，在所述增强片部件(24)和所述第一气体扩散层(20b)之间设有粘接层(26c)。
5.根据权利要求3所述的电解质膜/电极结构体，其特征在于，
在所述增强片部件(24)和所述固体高分子电解质膜(18)之间设有粘接层(26b)。
6.根据权利要求5所述的电解质膜/电极结构体，其特征在于，
将所述增强片部件(24)和设置在该增强片部件(24)的两侧的各粘接层(26b、26c)的总的厚度设定为与所述第一催化剂层(20a)的厚度相等。
7.根据权利要求6所述的电解质膜/电极结构体，其特征在于，
所述第一电极(20)的所述粘接层(26b、26c)的内周和所述第二电极(22)的所述粘接层(26a)的内周，沿着所述固体高分子电解质膜(18)的面方向被设定在互不相同的位置上。
8.根据权利要求7所述的电解质膜/电极结构体，其特征在于，
所述第二电极(22)的所述粘接层(26a)的内周，位于比所述第一电极(20)的所述粘接层(26a、26c)的内周更靠外侧的位置。
9.根据权利要求2所述的电解质膜/电极结构体，其特征在于，
至少所述第二催化剂层(22a)的外周端部与所述第二电极(22)的所述粘接层(26a)的内周端部抵接。
10.根据权利要求5所述的电解质膜/电极结构体，其特征在于，
所述第一催化剂层(20a)的外周端部，抵接于所述第一电极(20)的所述粘接层(26b、26c)的内周端部和所述增强片部件(24)的内周端部。
11.一种燃料电池，具备在固体高分子电解质膜(18)的两面上配置有第一电极(20)和表面积比该第一电极(20)大的第二电极(22)的电解质膜/电极结构体(12)，并且通过第一和第二隔板(14、16)对所述电解质膜/电极结构体(12)进行夹持，该燃料电池(10)的特征在于，
在所述第一电极(20)中，设置有与所述固体高分子电解质膜(18)的一个面(18a)抵接且使该固体高分子电解质膜(18)的外周框架状地露出的第一催化剂层(20a)和第一气体扩散层(20b)，
在所述第二电极(22)中，设置有与所述固体高分子电解质膜(18)的另一个面(18b)抵接的第二催化剂层(22a)和第二气体扩散层(22b)，
所述第二气体扩散层(22b)的平面被设定为比所述第一气体扩散层(20b)的平面大，并且
在所述固体高分子电解质膜(18)上，在从所述第一气体扩散层(20b)的外周突出的框架状面上配置有增强片部件(24)，
第一凸状密封件(142a)介于所述增强片部件(24)和所述第一隔板(14)之间，另一方面，第二凸状密封件(42b)介于所述第一隔板(14)和所述第二隔板(16)之间。
CN200980130685.9A 2008-08-04 2009-07-22 电解质膜/电极结构体以及燃料电池 Active CN102113157B (zh)

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