膜电极接合体及膜电极接合体的制造方法
膜电极接合体及膜电极接合体的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及膜电极接合体及膜电极接合体的制造方法。
【背景技术】
[0002]构成燃料电池的单电池通过将隔板及膜电极接合体(MEA:membrane electrodeassembly)交替层叠而形成。膜电极接合体具有高分子电解质膜、催化剂层及气体扩散层。但是，由于强度较弱，因此，在周围设置加强用的树脂框，但由于成形树脂框时的树脂压，树脂可能侵入到催化剂层和气体扩散层的边界面而产生成形不良。因此，通过将气体扩散层及催化剂层的周缘部截面设为锥形状，缓和树脂压而抑制树脂的侵入(例如，参照专利文献 I。)。
[0003]现有技术文献
[0004]专利文献
[0005]专利文献1:(日本)特开2009 - 181951号公报
[0006]发明所要解决的课题
[0007]但是，气体扩散层及催化剂层的厚度为数十ym，因此，相对于厚度方向的锥形状加工困难，难于可靠地抑制树脂侵入催化剂层和气体扩散层的边界面而产生成形不良的情况。
【发明内容】
[0008]本发明是为了解决伴随上述现有技术的课题而创立的，其目的在于，提供一种可抑制与膜电极接合体的外周缘一体化的树脂框成形时的成形不良的膜电极接合体及膜电极接合体的制造方法。
[0009]用于实现上述目的的本发明的一方式的膜电极接合体具有:高分子电解质膜；催化剂层，其配置于所述高分子电解质膜的表面；气体扩散层，其配置于所述催化剂层的与配置有所述高分子电解质膜的面相反侧的面，所述气体扩散层具有以不呈现锐角的方式而被倒角的角部。
[0010]用于实现所述目的的本发明的另一方式的膜电极接合体的制造方法具有:在高分子电解质膜的表面层叠催化剂层的工序；在所述催化剂层的与配置有所述高分子电解质膜的面相反侧的面层叠气体扩散层的工序；倒角工序，在倒角工序中，所述气体扩散层的角部以不呈现锐角的方式被倒角。
[0011]根据本发明，将在高分子电解质膜配置层叠有催化剂层及气体扩散层的层叠体即膜电极接合体配置于成形模的模腔，向膜电极接合体的外周缘注入熔融状态的成形树脂，在成形与膜电极接合体的外周缘一体化的树脂框时，膜电极接合体中的被倒角的角部缓和因成形树脂的注入或成形树脂的流动引起的树脂压力。因此，可以防止膜电极接合体的角部的变形例如因气体扩散层的翘曲变形引起的成形树脂的侵入。即，能提供可抑制与膜电极接合体的外周缘一体化的树脂框成形时的成形不良的膜电极接合体及膜电极接合体的制造方法。
[0012]本发明的再其它的目的、特征及特质通过参照以后的说明及附图所示例的优选的实施方式将变得明朗。
【附图说明】
[0013]图1是用于说明本发明实施方式的燃料电池的分解立体图；
[0014]图2是用于说明图1所示的燃料电池的电池结构的剖面图；
[0015]图3是用于说明图2所示的与膜电极接合体的外周缘一体化的树脂框的形状的剖面图；
[0016]图4是用于说明图3所示的膜电极接合体的形状的平面图；
[0017]图5是用于说明图4所示的倒角时产生的树脂压的概念图；
[0018]图6是用于说明未被倒角的比较例中的树脂压的概念图；
[0019]图7是用于说明本发明实施方式的燃料电池的制造方法中的适用于树脂框成形的成形装置的剖面图；
[0020]图8是用于说明本发明实施方式的燃料电池的制造方法的树脂框成形工序中的合模的剖面图；
[0021]图9是用于说明本发明实施方式的燃料电池的制造方法的树脂框成形工序中的树脂注入的剖面图；
[0022]图10是用于说明比较例的树脂注入的剖面图；
[0023]图11是用于说明本发明实施方式的变形例I的平面图；
[0024]图12是用于说明本发明实施方式的变形例2的平面图；
[0025]图13是用于说明本发明实施方式的变形例3的剖面图；
[0026]图14是用于说明本发明实施方式的变形例4的剖面图；
[0027]图15是用于说明本发明实施方式的变形例5的平面图；
[0028]图16是用于说明本发明实施方式的变形例6的平面图；
[0029]图17是用于说明本发明实施方式的变形例7的平面图。
[0030]符号说明
[0031]10燃料电池
[0032]20堆积部
[0033]22 单电池
[0034]30，30A?30G，130膜电极接合体
[0035]3IA ?3ID 角部
[0036]32高分子电解质膜
[0037]33A ?33D 角部
[0038]34、36催化剂层
[0039]40、45，46气体扩散层
[0040]42，47气体流路空间
[0041]50、55 隔板
[0042]52，57 肋
[0043]60树脂框
[0044]70联接板
[0045]75加强板
[0046]80集电板
[0047]85垫片
[0048]90端板
[0049]95螺栓
[0050]100成形装置
[0051]110固定模
[0052]112中央模腔面
[0053]114外周模腔面
[0054]116树脂注入口
[0055]120移动模
[0056]122中央模腔面
[0057]124外周模腔面
[0058]128注塑单元
[0059]D成形不良
[0060]S空间(模腔)
【具体实施方式】
[0061]以下，参照【附图说明】本发明的实施方式。
[0062]图1是用于说明本发明实施方式的燃料电池的分解立体图。
[0063]本发明实施方式的燃料电池10由例如以氢为燃料的固体高分子形燃料电池构成，可用作电源。固体高分子形燃料电池(PEFC)优选可以小型化、高密度化及高输出化，且作为限定搭载空间的车辆等移动体的驱动用电源，特别优选用于系统的启动及停止或频繁地产生输出变动的汽车用途。在该情况下，例如，可以搭载于汽车(燃料电池车)的车体中央部的座位下、后部行李箱的下部、车辆前方的发动机室。从较大地取得车内空间及行李箱的观点来看，优选为座位下的搭载。
[0064]如图1所示，燃料电池10具有:堆积部20、联接板70、加强板75、集电板80、垫片85、端板90及螺栓95。堆积部20由单电池22的层叠体构成。
[0065]联接板70配置于堆积部20的底面及上面，加强板75配置于堆积部20的两侧。即，联接板70及加强板75构成包围堆积部20的周围的外壳。
[0066]集电板80由致密质碳或铜板等气体不透过的导电性部件形成，设有用于输出在堆积部20中产生的电动势的输出端子，且配置于单电池22的层叠方向的两端即堆积部20的正面及背面。
[0067]垫片85配置于在堆积部20的背面配置的集电板80的外侧。
[0068]端板90由具备刚性的材料、例如钢等金属材料形成，配置于在堆积部20的正面配置的集电板80的外侧和垫片85的外侧。端板90为了使由氢构成的燃 料气体、由氧构成的氧化剂气体及由冷却水构成的制冷剂流通而具有:燃料气体导入口、燃料气体排出口、氧化剂气体导入口、氧化剂气体排出口、冷却水导入口及冷却水排出口。
[0069]螺栓95用于将端板90、联接板70及加强板75联接，并使该联接力沿单电池22的层叠方向作用，由此，将位于内部的堆积部20保持成按压状态。螺栓95的数量及螺栓孔的位置可以适当变更。另外，联接机构不限定于螺合，也可以应用其它手段。
[0070]图2是用于说明图1所示的燃料电池的电池结构的剖面图，图3是用于说明与图2所示的膜电极接合体的外周缘一体化的树脂框的形状的剖面图，图4是用于说明图3所示的膜电极接合体的形状的平面图，图5是用于说明图4所示的倒角时产生的树脂压的概念图，图6是用于说明未被倒角的比较例中的树脂压的概念图。
[0071]单电池22具有膜电极接合体30、隔板50、55及树脂框60。
[0072]如图2所示，膜电极接合体30具有高分子电解质膜32、作为电极(阴极或阳极)发挥作用的催化剂层34、36及气体扩散层40、45。
[0073]催化剂层34是含有催化剂成分、担载催化剂成分的导电性的催化剂载体及高分子电解质且进行氢的氧化反应的阴极催化剂层，并配置于高分子电解质膜32的一侧。催化剂层36是含有催化剂成分、担载催化剂成分的导电性的催化剂载体及高分子电解质且进行氧的还原反应的阳极催化剂层，并配置于高分子电解质膜32的另一侧。
[0074]高分子电解质膜32具有:使在催化剂层(阳极催化剂层)36生成的质子选择性地透过催化剂层(阴极催化剂层)34的功能及作为用于不使向阳极侧供给的燃料气体和向阴极侧供给的氧化剂气体混合的隔壁的功能。
[0075]气体扩散层40、45向催化剂层34、36供给气体，因此，如图2所示，由金属制的导电性多孔质基材构成，且配置于催化剂层34、36的与配置有高分子电解质膜32的面相反侧的面。由此，气体扩散层40配置于催化剂层34和隔板50之间，气体扩散层45配置于催化剂层36和隔板55之间。气体扩散层40、45为金属制，因此，容易提高气体扩散层的强度。另外，气体扩散层40、45优选由组合多个线材的网(金属网)构成。在该情况下，容易减薄气体扩散层。
[0076]从气体的供给性及电池电压的观点来看，构成气体扩散层40、45的网的网眼优选为100以上，更优选为100?500。从催化剂层34、36及隔板50、55相对于肋52、57 (后述)的抵接面积即电池内的电阻的观点来看，网的线径优选为25?ΙΙΟμπι。网的编织方法(编织方法)没有特别限定，例如也可以应用平织、斜织、平纹织、斜纹织。另外，也可以不进行编织，而将线材彼此通过例如熔接固定，从而形成网。
[0077]膜电极接合体30为矩形形状，如图4所示，气体扩散层45中的4个角部31Α?31D以不呈现锐角的方式被倒角。倒角通过例如以45度倾斜地切断角部31Α?31D而实施，角部31Α?31D由不是直角的两个钝角即135度构成。由此，可以以单纯的构造简单且容易地实现倒角。如果切断角度由角部31Α?31D比90度大的钝角构成，则不是特别限定于45度。此外，催化剂层34、36为高价，因此，与被倒角后的角部31Α?31D的形状对应地配置。
[0078]角部31Α?31D的倒角为了抑制与膜电极接合体30的外周缘一体化的加强用的树脂框60成形时的成形不良而实施。即，如后述，在将膜电极接合体30配置于成形模的模腔，且向膜电极接合体30的外周缘注入熔融状态的成形树脂而成形与膜电极接合体30的外周缘一体化的树脂框60时，膜电极接合体30的钝角的角部与未进行倒角的比较例的膜电极接合体130(参照图6)的情况相比，缓和因成形树脂的注入或成形树脂的流动引起的树脂压力(参照图5)。因此，可以防止膜电极接合体30的角部的变形、例如因气体扩散层45的翘曲变形产生的成形树脂的侵入，从而抑制成形不良。此外，关于图5及图6，利用箭头的大小表示比图6的情况缓和图5的树脂压力的情况。
[0079]树脂框60为框架状，以包围膜电极接合体30的外周的方式一体地配置，增加膜电极接合体30的机械强度，且提高膜电极接合体30的操作性。如图3所示，树脂框60为上下非对称，与隔板50、55的外周形状对应。另外，树脂框60为了提高阳极侧的强度，而以其一部分覆盖阳极侧气体扩散层45的方式延长。
[0080]如图2所示，隔板50、55具有肋52、57，具有串联地电连接单电池的功能及作为将燃料气体、氧化剂气体及制冷剂相互遮断的隔壁的功能，且是与膜电极接合体30大致相同的形状。隔板50、55通过对例如不锈钢钢板实施冲压加工而形成。不锈钢钢板在易于实施复杂的机械加工且导电性良好的方面优选，也可以根据需要而实施耐腐蚀性的涂层。
[0081]隔板50是配置于膜电极接合体30的阴极侧的阴极隔板，与催化剂层34相对。隔板55是配置于膜电极接合体30的阳极侧的阳极隔板，与催化剂层36相对。隔板50、55具有用于使燃料气体、氧化剂气体及制冷剂流通的多个岐管。岐管与配置于端板90的燃料气体导入口、燃料气体排出口、氧化剂气体导入口、氧化剂气体排出口、冷却水导入口及冷却水排出口连通。
[0082]肋52、57通过由隔板50、55的一部分构成的具有矩形状截面的突出部构成。肋52,57通过对例如作为隔板50、55原材料的不锈钢钢板实施冲压加工而一体形成。
[0083]肋52与位于膜电极接合体30和隔板50之间的气体流路空间42并排地配置。气体流路空间42用于向催化剂层34供给氧化剂气体。肋57与位于膜电极接合体30和隔板55之间的气体流路空间47并排地配置。气体流路空间47用于向催化剂层36供给燃料气体。
[0084]接着，对各构成部件的材质及尺寸等进行详细叙述。
[0085]高分子电解质膜32可以应用由全氟碳磺酸系聚合物构成的氟系高分子电解质膜、具有磺酸基的烃系树脂膜、含浸有磷酸或离子性液体等电解质成分的多孔膜。全氟碳磺酸系聚合物是例如:Naf1n(注册商标，DuPont株式会社制)、Aciphex (注册商标，旭化成株式会社制)、Flem1n (注册商标，旭硝子株式会社制)、Gore select系列(注册商标，日本Gore株式会社)等。多孔质状的膜由聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)形成。
[0086]高分子电解质膜32的厚度没有特别限定，但从强度、持久性及输出特性的观点来看，优选为5 μ m?300 μ m，更优选为10?200 μ m。
[0087]用于催化剂层(阴极催化剂层)34的催化剂成分只要对氧的还原反应具有催化剂作用，就没有特别限定。用于催化剂层(阳极催化剂层)36的催化剂成分只要对氢的氧化反应具有催化剂作用，就没有特别限定。
[0088]具体的催化剂成分选自例如:铂、钌、铱、铑、钯、锇、钨、铅、铁、铬、钴、镍、锰、钒、
钼、镓、铝等金属及它们的合金等。或也可以使用不含有贵重金属的催化剂。为了提高催化剂活性、对一氧化碳等的耐毒性、耐热性等，催化剂成分优选至少含有铂。适用于阴极催化剂层及阳极催化剂层的催化剂成分不需要相同，可以适当变更。
[0089]用于催化剂层34、36的催化剂的导电性载体只要具有在希望的分散状态下担载催化剂成分的比表面积及作为集电体具有充分的电子导电性，就没有特别限定，但优选主成分为碳粒子。碳粒子由例 如碳黑、活性炭、焦炭、天然石墨、人造石墨构成。
[0090]用于催化剂层34、36的高分子电解质只要是至少具有较高的质子传导率的部件，就没有特别限定，例如，可以应用聚合物骨架的全部或一部分中含有氟原子的氟系电解质，或聚合物骨架中不含有氟原子的烃系电解质。用于催化剂层34、36的高分子电解质也可以与用于高分子电解质膜32的高分子电解质相同，也可以不同，但从提高催化剂层34、36相对于高分子电解质膜32的密合性的观点来看，优选为相同。
[0091]构成气体扩散层40、45的导电性材料没有特别限定，但也可以适当使用例如与适用于隔板50、55的构成材料相同的材料。另外，构成气体扩散层40、45的导电性材料也可以应用表面被金属覆盖的材料，在该情况下，表面金属可使用与上述相同的材料，芯材优选具有导电性。例如，可以将导电性的高分子材料或导电性碳原材料应用于芯材。
[0092]气体扩散层40、45的表面也可以实施防腐蚀处理、防水处理、亲水处理。亲水处理例如为金或碳的涂层，可以抑制气体扩散层40、45的腐蚀。
[0093]防水处理例如为防水剂的涂层，可以减少气体扩散层40、45的开孔部的水的滞留，抑制因水引起的气体供给的阻碍或溢流，且使气体相对于催化剂层34、36的稳定供给可靠，抑制电池电压的急剧降低，并使电池电压稳定。防水剂为例如氟系的高分子材料、聚丙烯、聚乙烯。氟系的高分子材料为PTFE、PVDF、聚六氟丙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)等。
[0094]亲水处理为例如亲水剂的涂层，由于使来自催化剂层34、36的液水吸引至流路侦牝因此，可以减少催化剂层34、36的堵水，抑制电池电压的急剧降低，并使电池电压稳定。亲水剂为例如硅烷偶联剂或聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)。也可以对气体扩散层40、45的隔板侧的面实施亲水处理，并对催化剂层侧的面实施防水处理。
[0095]构成树脂框60的树脂也可以应用热可塑性树脂或热固化树脂。热可塑性树脂例如为由:液晶聚合物(LCP)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚砜(PES)、聚砜(PSF)、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)、聚氨酯、聚烯烃等聚合物或共聚物构成的塑料或弹性体。另外，也可以将这些热可塑性树脂并用两种以上(混合物)，或适当混入填料。热固化树脂例如为:密胺树脂、环氧树脂、苯酚树脂、二环戊二烯树脂、硅橡胶、氟橡胶、三元乙丙橡胶(EPDM)等塑料或弹性体。
[0096]隔板50、55不限定于由不锈钢钢板构成的方式，也可以应用不锈钢钢板以外的金属材料、致密碳石墨或碳板等碳。为不锈钢钢板以外的金属材料、例如铝板或包层材料。此夕卜，在应用碳的情况下，肋52，57也可以通过例如切削加工而形成。
[0097]接着，说明本发明实施方式的燃料电池的制造方法。
[0098]图7是用于说明本发明实施方式的燃料电池的制造方法中的适用于树脂框成形的成形装置的剖面图。
[0099]本发明实施方式的燃料电池的制造方法具有:气体扩散层形成工序、第一层叠工序、第二层叠工序、倒角工序及树脂框成形工序。
[0100]气体扩散层形成工序中，利用由组合多个金属制的线材的网构成的导电性多孔质基材，形成气体扩散层40、45。第I层叠工序中，在高分子电解质膜32的表面层叠催化剂层34,36ο第2层叠工序中，在催化剂层34、36的与配置高分子电解质膜32的面相反侧的面层叠气体扩散层40、45。
[0101 ] 倒角工序中，以气体扩散层45的4个角部3IA?3ID不呈现锐角的方式进行倒角。倒角通过倾斜地消除角部并设为钝角而实施。由此，可以以单纯的构造简单且容易地实现倒角。倒角工序不限定于在第2层叠工序之后即将气体扩散层40、45层叠于催化剂层34、36之后进行配置的方式，也可以在第2层叠工序之前进行配置。
[0102]树脂框成形工序中，在倒角工序之后，将作为在高分子电解质膜层叠有催化剂层及气体扩散层的层叠体即膜电极接合体30配置于成形模的模腔，向膜电极接合体30的外周缘注入熔融状态的成形树脂，从而成形与膜电极接合体30的外周缘一体化的加强用的树脂框60。
[0103]此时，膜电极接合体30的钝角的角部缓和树脂压力，因此，可以防止膜电极接合体30的角部的变形、例如因气体扩散层45的翘曲变形引起的成形树脂的侵入。S卩，可以提供可抑制与膜电极接合体的外周缘一体化的树脂框成形时的成形不良的膜电极接合体的制造方法。
[0104]另外，利用与膜电极接合体30的外周缘一体化的树脂框60，加强膜电极接合体30的强度，因此，可以得到提高操作性的膜电极接合体30。
[0105]具体而言，倒角工序中，将膜电极接合体30中的阳极侧的气体扩散层45的4个角部3IA?3ID进行取倒角。倒角通过以例如45度倾斜地切断角部3IA?3ID而实施，角部31A?31D由两个钝角即135度构成。
[0106]树脂框成形工序中，例如，利用图7所示的成形装置100，在高分子电解质膜层叠有催化剂层及气体扩散层的层叠体即膜电极接合体30的外周端部成形树脂框60。成形装置100由具有固定模110、移动模120及注塑单元128的注塑成形机构成。
[0107]固定模110具有:载置膜电极接合体30的阴极侧气体扩散层40的中央模腔面112、位于中央模腔面112的外周的外周模腔面114、用于向内部导入熔融状态的成形树脂的树脂注入口 116。中央模腔面112比膜电极接合体30的阴极侧气体扩散层40大若干地设定。
[0108]移动模120相对于固定模110可接近分离地构成，具有:与膜电极接合体30的阳极侧气体扩散层45相对的中央模腔面122、位于中央模腔面122的外周的外周模腔面124。中央模腔面122以如下方式构成:在合模固定模110及移动模120时，与膜电极接合体30的阳极侧气体扩散层45抵接，并与抵接于阴极侧气体扩散层40抵接的固定模110的中央模腔面112 —起夹持膜电极接合体30。中央模腔面122比膜电极接合体30的阳极侧气体扩散层45小若干地设定。
[0109]在合模固定模110及移动模120时，由固定模110的外周模腔面114和移动模120的外周模腔面124形成的空间(模腔)S规定树脂框60的形状。
[0110]注塑单元128用于将熔融状态的成形树脂供给至合模的固定模110及移动模120的内部，可以与树脂注入口 116连通。注塑单元128例如具有:收纳成形树脂的料斗、用于加热熔融成形树脂的加热器、用于注塑(注入)加热熔融的成形树脂的螺杆及缸、用于驱动螺杆的电动机。
[0111]接着，详细叙述树脂框成形工序。
[0112]图8是用于说明树脂框成形工序中的合模的剖面图，图9是用于说明树脂框成形工序中的树脂注入的剖面图，图10是用于说明比较例的树脂注入的剖面图。
[0113]首先，使固定模110及移动模120升温(加热)到规定温度。另一方面，向注塑单元128的料斗中供给成形树脂，并升温到规定温度进行熔融。
[0114]使阴极侧气体扩散层40下降，并将膜电极接合体30载置定位到固定模110的中央模腔面112上。膜电极接合体30的固定通过例如吸引机构(未图示)实施。
[0115]移动模120向固定模110接近，并如图8所示，将固定模110及移动模120合模。由此，利用固定模1 10的外周模腔面114和移动模120的外周模腔面124，形成与树脂框60的形状对应的空间(模腔)S。
[0116]如图9所示，利用注塑单元128，将熔融状态的树脂即树脂框60原材料经由固定模110的树脂注入口 116注入到空间S(参照图8)。
[0117]此时，将气体扩散层45的4个角部3IA?3ID倒角，缓和树脂压力，可防止膜电极接合体30的角部的变形、例如因气体扩散层45的翘曲变形引起的成形树脂的侵入。即，本实施方式中，通过进行倒角缓和树脂压，因此，可以抑制膜电极接合体30的变形，且抑制成形不良，从而降低不良品的产生。另一方面。在未被倒角的比较例130的情况下，不能缓和树脂压(参照图6)，而如图10所示，膜电极接合体130可能变形，从而产生成形不良D。
[0118]而且，保持规定时间的压力。然后，当冷却到规定温度时，进行开模，取出将树脂框60 一体配置于外周端部的膜电极接合体30。
[0119]接着，说明本发明实施方式的变形例I?7。
[0120]图11是用于说明变形例I的平面图。
[0121]倒角不限定于以全部角部31A?31D为对象的方式，也可以如膜电极接合体30A那样，仅以气体扩散层45的一部分(角部31A)为对象。例如，在成形树脂框60时，只在特定角部产生翘曲变形的情况下优异。
[0122]图12是用于说明变形例2的平面图。
[0123]倒角的部位不限定于阳极侧的气体扩散层45，根据需要，高分子电解质膜32及阴极侧的气体扩散层40也同样可以进行倒角。此外，符号33A?33D表示高分子电解质膜32中的被倒角的角部。
[0124]图13及图14是用于说明变形例3及变形例4的剖面图。
[0125]阳极侧(气体扩散层45及催化剂层36)的尺寸不限定于比阴极侧(气体扩散层40及催化剂层34)小的方式，例如也可以设为相同尺寸，或使阳极侧的尺寸比阴极侧大。
[0126]图15?17是用于说明变形例5?7的平面图。
[0127]用于以不呈现锐角的方式形成的倒角不限定于倾斜地切断角部31A?31D的方式，也可以如图15所示的膜电极接合体30E那样，圆滑地加工成圆弧状。在该情况下，也可以以单纯的构造简单且容易地实现倒角。另外，用于以不呈现锐角的方式形成的倒角也可以根据需要如图16所示的膜电极接合体30F那样，以角部31A?31D由3个以上的钝角构成的方式切断，或如图17所示的膜电极接合体30G那样，阶梯状地切断，由此进行实施。
[0128]如以上，根据本实施方式的膜电极接合体及膜电极接合体的制造方法，将在高分子电解质膜上层叠有催化剂层及气体扩散层的层叠体即膜电极接合体配置于成形模的模腔，并向膜电极接合体的外周缘注入熔融状态的成形树脂，且成形与膜电极接合体的外周缘一体化的树脂框时，膜电极接合体的被倒角的角部缓和因成形树脂的注入或成形树脂的流动引起的树脂压力。因此，可以防止膜电极接合体的角部的变形、例如因气体扩散层的翘曲变形引起的成形树脂的侵入。即，可以抑制与膜电极接合体的外周缘一体化的树脂框成形时的成形不良的情况。
[0129]另外，在膜电极接合体具有配置于膜电极接合体的外周缘且与膜电极接合体一体化的树脂框的情况下，由于加强膜电极接合体的强度，因此，提高操作性。
[0130]在膜电极接合体的气体扩散层由金属制的导电性多孔质基材构成的情况下，容易提高气体扩散层的强度。
[0131]在导电性多孔质基材由组合有多个线材的网构成的情况下，容易使气体扩散层轻量化。
[0132]在以不呈现锐角的方式被倒角的角部由钝角的角部或曲面状的角部构成的情况下，可以以单纯的构造简单且容易地实现倒角。
[0133]在膜电极接合体的制造方法中的倒角工序之后，还具有成形与膜电极接合体的外周缘一体化的树脂框的成形工序的情况下，由于加强膜电极接合体的强度，因此，可以得到提高操作性的膜电极接合体。
[0134]本发明不限定于上述的实施方式，可以在本发明请求的范围内进行各种改变。例如，气体扩散层也可以应用:冲孔金属、扩展金属、蚀刻金属或碳多孔体、导电性树脂多孔体。另外，树脂框的成形不限定于应用注塑成形的方式，也可以适当利用例如RIM成形(反应注塑成形:React1n Inject1n Molding)或传递模塑。
[0135]本申请基于在2012年12月27日申请的日本专利申请号2012 — 285047号，这些公开内容被参照并作为整体被编入。
【主权项】
1.一种膜电极接合体，具有: 高分子电解质膜； 催化剂层，其配置于所述高分子电解质膜的表面； 气体扩散层，其配置于所述催化剂层的与配置有所述高分子电解质膜的面相反侧的面， 所述气体扩散层具有以不呈现锐角的方式被倒角的角部。2.如权利要求1所述的膜电极接合体，其中， 被倒角的所述角部由钝角的角部或曲面状的角部构成。3.如权利要求1或2所述的膜电极接合体，其中， 还具有加强用的树脂框，该树脂框配置于在所述高分子电解质膜层叠有所述催化剂层及所述气体扩散层的层叠体的外周缘，且与所述层叠体一体化。4.如权利要求1?3中任一项所述的膜电极接合体，其中， 所述气体扩散层由金属制的导电性多孔质基材构成。5.一种膜电极接合体的制造方法，具有: 在高分子电解质膜的表面层叠催化剂层的工序； 在所述催化剂层的与配置有所述高分子电解质膜的面相反侧的面层叠气体扩散层的工序； 所述气体扩散层的角部以不呈现锐角的方式被倒角的倒角工序。6.如权利要求5所述的膜电极接合体的制造方法，其中， 所述倒角工序是在将所述气体扩散层层叠于所述催化剂层之前。7.如权利要求5所述的膜电极接合体的制造方法，其中， 所述倒角工序是在将所述气体扩散层层叠于所述催化剂层之后。8.如权利要求5?7中任一项所述的膜电极接合体的制造方法，其中， 还具有在所述倒角工序之后，将在所述高分子电解质膜层叠有所述催化剂层及所述气体扩散层的层叠体配置于成形模的模腔，朝向所述层叠体的外周缘注入熔融状态的成形树月旨，从而成形与所述层叠体的外周缘一体化的树脂框的工序。9.如权利要求5?8中任一项所述的膜电极接合体的制造方法，其中， 还具有利用由组合有多个金属制的线材的网构成的导电性多孔质基材形成所述气体扩散层的工序。
【专利摘要】本发明提供一种可抑制与膜电极接合体的外周缘一体化的树脂框成形时的成形不良的膜电极接合体及膜电极接合体的制造方法。膜电极接合体(30)具有：高分子电解质膜(32)、配置于高分子电解质膜(32)的表面的催化剂层、配置于催化剂层的与配置有高分子电解质膜(32)的面相反侧的面的气体扩散层(45)，气体扩散层(45)具有以不呈现锐角的方式而被倒角的角部(31A～31D)。
【IPC分类】H01M8/10, H01M4/86, H01M4/88, H01M8/02
【公开号】CN104885275
【申请号】CN201380068000
【发明人】山本将也, 加岛仁史, 堀部哲史, 豊岛剑一, 野村智哉, 高根朋幸, 河野绫
【申请人】日产自动车株式会社, 日本戈尔有限公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2013年12月20日
【公告号】CA2898195A1, EP2940767A1, WO2014103963A1
【技术领域】
[0001]本发明涉及膜电极接合体及膜电极接合体的制造方法。
【背景技术】
[0002]构成燃料电池的单电池通过将隔板及膜电极接合体(MEA:membrane electrodeassembly)交替层叠而形成。膜电极接合体具有高分子电解质膜、催化剂层及气体扩散层。但是，由于强度较弱，因此，在周围设置加强用的树脂框，但由于成形树脂框时的树脂压，树脂可能侵入到催化剂层和气体扩散层的边界面而产生成形不良。因此，通过将气体扩散层及催化剂层的周缘部截面设为锥形状，缓和树脂压而抑制树脂的侵入(例如，参照专利文献 I。)。
[0003]现有技术文献
[0004]专利文献
[0005]专利文献1:(日本)特开2009 - 181951号公报
[0006]发明所要解决的课题
[0007]但是，气体扩散层及催化剂层的厚度为数十ym，因此，相对于厚度方向的锥形状加工困难，难于可靠地抑制树脂侵入催化剂层和气体扩散层的边界面而产生成形不良的情况。
【发明内容】
[0008]本发明是为了解决伴随上述现有技术的课题而创立的，其目的在于，提供一种可抑制与膜电极接合体的外周缘一体化的树脂框成形时的成形不良的膜电极接合体及膜电极接合体的制造方法。
[0009]用于实现上述目的的本发明的一方式的膜电极接合体具有:高分子电解质膜；催化剂层，其配置于所述高分子电解质膜的表面；气体扩散层，其配置于所述催化剂层的与配置有所述高分子电解质膜的面相反侧的面，所述气体扩散层具有以不呈现锐角的方式而被倒角的角部。
[0010]用于实现所述目的的本发明的另一方式的膜电极接合体的制造方法具有:在高分子电解质膜的表面层叠催化剂层的工序；在所述催化剂层的与配置有所述高分子电解质膜的面相反侧的面层叠气体扩散层的工序；倒角工序，在倒角工序中，所述气体扩散层的角部以不呈现锐角的方式被倒角。
[0011]根据本发明，将在高分子电解质膜配置层叠有催化剂层及气体扩散层的层叠体即膜电极接合体配置于成形模的模腔，向膜电极接合体的外周缘注入熔融状态的成形树脂，在成形与膜电极接合体的外周缘一体化的树脂框时，膜电极接合体中的被倒角的角部缓和因成形树脂的注入或成形树脂的流动引起的树脂压力。因此，可以防止膜电极接合体的角部的变形例如因气体扩散层的翘曲变形引起的成形树脂的侵入。即，能提供可抑制与膜电极接合体的外周缘一体化的树脂框成形时的成形不良的膜电极接合体及膜电极接合体的制造方法。
[0012]本发明的再其它的目的、特征及特质通过参照以后的说明及附图所示例的优选的实施方式将变得明朗。
【附图说明】
[0013]图1是用于说明本发明实施方式的燃料电池的分解立体图；
[0014]图2是用于说明图1所示的燃料电池的电池结构的剖面图；
[0015]图3是用于说明图2所示的与膜电极接合体的外周缘一体化的树脂框的形状的剖面图；
[0016]图4是用于说明图3所示的膜电极接合体的形状的平面图；
[0017]图5是用于说明图4所示的倒角时产生的树脂压的概念图；
[0018]图6是用于说明未被倒角的比较例中的树脂压的概念图；
[0019]图7是用于说明本发明实施方式的燃料电池的制造方法中的适用于树脂框成形的成形装置的剖面图；
[0020]图8是用于说明本发明实施方式的燃料电池的制造方法的树脂框成形工序中的合模的剖面图；
[0021]图9是用于说明本发明实施方式的燃料电池的制造方法的树脂框成形工序中的树脂注入的剖面图；
[0022]图10是用于说明比较例的树脂注入的剖面图；
[0023]图11是用于说明本发明实施方式的变形例I的平面图；
[0024]图12是用于说明本发明实施方式的变形例2的平面图；
[0025]图13是用于说明本发明实施方式的变形例3的剖面图；
[0026]图14是用于说明本发明实施方式的变形例4的剖面图；
[0027]图15是用于说明本发明实施方式的变形例5的平面图；
[0028]图16是用于说明本发明实施方式的变形例6的平面图；
[0029]图17是用于说明本发明实施方式的变形例7的平面图。
[0030]符号说明
[0031]10燃料电池
[0032]20堆积部
[0033]22 单电池
[0034]30，30A?30G，130膜电极接合体
[0035]3IA ?3ID 角部
[0036]32高分子电解质膜
[0037]33A ?33D 角部
[0038]34、36催化剂层
[0039]40、45，46气体扩散层
[0040]42，47气体流路空间
[0041]50、55 隔板
[0042]52，57 肋
[0043]60树脂框
[0044]70联接板
[0045]75加强板
[0046]80集电板
[0047]85垫片
[0048]90端板
[0049]95螺栓
[0050]100成形装置
[0051]110固定模
[0052]112中央模腔面
[0053]114外周模腔面
[0054]116树脂注入口
[0055]120移动模
[0056]122中央模腔面
[0057]124外周模腔面
[0058]128注塑单元
[0059]D成形不良
[0060]S空间(模腔)
【具体实施方式】
[0061]以下，参照【附图说明】本发明的实施方式。
[0062]图1是用于说明本发明实施方式的燃料电池的分解立体图。
[0063]本发明实施方式的燃料电池10由例如以氢为燃料的固体高分子形燃料电池构成，可用作电源。固体高分子形燃料电池(PEFC)优选可以小型化、高密度化及高输出化，且作为限定搭载空间的车辆等移动体的驱动用电源，特别优选用于系统的启动及停止或频繁地产生输出变动的汽车用途。在该情况下，例如，可以搭载于汽车(燃料电池车)的车体中央部的座位下、后部行李箱的下部、车辆前方的发动机室。从较大地取得车内空间及行李箱的观点来看，优选为座位下的搭载。
[0064]如图1所示，燃料电池10具有:堆积部20、联接板70、加强板75、集电板80、垫片85、端板90及螺栓95。堆积部20由单电池22的层叠体构成。
[0065]联接板70配置于堆积部20的底面及上面，加强板75配置于堆积部20的两侧。即，联接板70及加强板75构成包围堆积部20的周围的外壳。
[0066]集电板80由致密质碳或铜板等气体不透过的导电性部件形成，设有用于输出在堆积部20中产生的电动势的输出端子，且配置于单电池22的层叠方向的两端即堆积部20的正面及背面。
[0067]垫片85配置于在堆积部20的背面配置的集电板80的外侧。
[0068]端板90由具备刚性的材料、例如钢等金属材料形成，配置于在堆积部20的正面配置的集电板80的外侧和垫片85的外侧。端板90为了使由氢构成的燃 料气体、由氧构成的氧化剂气体及由冷却水构成的制冷剂流通而具有:燃料气体导入口、燃料气体排出口、氧化剂气体导入口、氧化剂气体排出口、冷却水导入口及冷却水排出口。
[0069]螺栓95用于将端板90、联接板70及加强板75联接，并使该联接力沿单电池22的层叠方向作用，由此，将位于内部的堆积部20保持成按压状态。螺栓95的数量及螺栓孔的位置可以适当变更。另外，联接机构不限定于螺合，也可以应用其它手段。
[0070]图2是用于说明图1所示的燃料电池的电池结构的剖面图，图3是用于说明与图2所示的膜电极接合体的外周缘一体化的树脂框的形状的剖面图，图4是用于说明图3所示的膜电极接合体的形状的平面图，图5是用于说明图4所示的倒角时产生的树脂压的概念图，图6是用于说明未被倒角的比较例中的树脂压的概念图。
[0071]单电池22具有膜电极接合体30、隔板50、55及树脂框60。
[0072]如图2所示，膜电极接合体30具有高分子电解质膜32、作为电极(阴极或阳极)发挥作用的催化剂层34、36及气体扩散层40、45。
[0073]催化剂层34是含有催化剂成分、担载催化剂成分的导电性的催化剂载体及高分子电解质且进行氢的氧化反应的阴极催化剂层，并配置于高分子电解质膜32的一侧。催化剂层36是含有催化剂成分、担载催化剂成分的导电性的催化剂载体及高分子电解质且进行氧的还原反应的阳极催化剂层，并配置于高分子电解质膜32的另一侧。
[0074]高分子电解质膜32具有:使在催化剂层(阳极催化剂层)36生成的质子选择性地透过催化剂层(阴极催化剂层)34的功能及作为用于不使向阳极侧供给的燃料气体和向阴极侧供给的氧化剂气体混合的隔壁的功能。
[0075]气体扩散层40、45向催化剂层34、36供给气体，因此，如图2所示，由金属制的导电性多孔质基材构成，且配置于催化剂层34、36的与配置有高分子电解质膜32的面相反侧的面。由此，气体扩散层40配置于催化剂层34和隔板50之间，气体扩散层45配置于催化剂层36和隔板55之间。气体扩散层40、45为金属制，因此，容易提高气体扩散层的强度。另外，气体扩散层40、45优选由组合多个线材的网(金属网)构成。在该情况下，容易减薄气体扩散层。
[0076]从气体的供给性及电池电压的观点来看，构成气体扩散层40、45的网的网眼优选为100以上，更优选为100?500。从催化剂层34、36及隔板50、55相对于肋52、57 (后述)的抵接面积即电池内的电阻的观点来看，网的线径优选为25?ΙΙΟμπι。网的编织方法(编织方法)没有特别限定，例如也可以应用平织、斜织、平纹织、斜纹织。另外，也可以不进行编织，而将线材彼此通过例如熔接固定，从而形成网。
[0077]膜电极接合体30为矩形形状，如图4所示，气体扩散层45中的4个角部31Α?31D以不呈现锐角的方式被倒角。倒角通过例如以45度倾斜地切断角部31Α?31D而实施，角部31Α?31D由不是直角的两个钝角即135度构成。由此，可以以单纯的构造简单且容易地实现倒角。如果切断角度由角部31Α?31D比90度大的钝角构成，则不是特别限定于45度。此外，催化剂层34、36为高价，因此，与被倒角后的角部31Α?31D的形状对应地配置。
[0078]角部31Α?31D的倒角为了抑制与膜电极接合体30的外周缘一体化的加强用的树脂框60成形时的成形不良而实施。即，如后述，在将膜电极接合体30配置于成形模的模腔，且向膜电极接合体30的外周缘注入熔融状态的成形树脂而成形与膜电极接合体30的外周缘一体化的树脂框60时，膜电极接合体30的钝角的角部与未进行倒角的比较例的膜电极接合体130(参照图6)的情况相比，缓和因成形树脂的注入或成形树脂的流动引起的树脂压力(参照图5)。因此，可以防止膜电极接合体30的角部的变形、例如因气体扩散层45的翘曲变形产生的成形树脂的侵入，从而抑制成形不良。此外，关于图5及图6，利用箭头的大小表示比图6的情况缓和图5的树脂压力的情况。
[0079]树脂框60为框架状，以包围膜电极接合体30的外周的方式一体地配置，增加膜电极接合体30的机械强度，且提高膜电极接合体30的操作性。如图3所示，树脂框60为上下非对称，与隔板50、55的外周形状对应。另外，树脂框60为了提高阳极侧的强度，而以其一部分覆盖阳极侧气体扩散层45的方式延长。
[0080]如图2所示，隔板50、55具有肋52、57，具有串联地电连接单电池的功能及作为将燃料气体、氧化剂气体及制冷剂相互遮断的隔壁的功能，且是与膜电极接合体30大致相同的形状。隔板50、55通过对例如不锈钢钢板实施冲压加工而形成。不锈钢钢板在易于实施复杂的机械加工且导电性良好的方面优选，也可以根据需要而实施耐腐蚀性的涂层。
[0081]隔板50是配置于膜电极接合体30的阴极侧的阴极隔板，与催化剂层34相对。隔板55是配置于膜电极接合体30的阳极侧的阳极隔板，与催化剂层36相对。隔板50、55具有用于使燃料气体、氧化剂气体及制冷剂流通的多个岐管。岐管与配置于端板90的燃料气体导入口、燃料气体排出口、氧化剂气体导入口、氧化剂气体排出口、冷却水导入口及冷却水排出口连通。
[0082]肋52、57通过由隔板50、55的一部分构成的具有矩形状截面的突出部构成。肋52,57通过对例如作为隔板50、55原材料的不锈钢钢板实施冲压加工而一体形成。
[0083]肋52与位于膜电极接合体30和隔板50之间的气体流路空间42并排地配置。气体流路空间42用于向催化剂层34供给氧化剂气体。肋57与位于膜电极接合体30和隔板55之间的气体流路空间47并排地配置。气体流路空间47用于向催化剂层36供给燃料气体。
[0084]接着，对各构成部件的材质及尺寸等进行详细叙述。
[0085]高分子电解质膜32可以应用由全氟碳磺酸系聚合物构成的氟系高分子电解质膜、具有磺酸基的烃系树脂膜、含浸有磷酸或离子性液体等电解质成分的多孔膜。全氟碳磺酸系聚合物是例如:Naf1n(注册商标，DuPont株式会社制)、Aciphex (注册商标，旭化成株式会社制)、Flem1n (注册商标，旭硝子株式会社制)、Gore select系列(注册商标，日本Gore株式会社)等。多孔质状的膜由聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)形成。
[0086]高分子电解质膜32的厚度没有特别限定，但从强度、持久性及输出特性的观点来看，优选为5 μ m?300 μ m，更优选为10?200 μ m。
[0087]用于催化剂层(阴极催化剂层)34的催化剂成分只要对氧的还原反应具有催化剂作用，就没有特别限定。用于催化剂层(阳极催化剂层)36的催化剂成分只要对氢的氧化反应具有催化剂作用，就没有特别限定。
[0088]具体的催化剂成分选自例如:铂、钌、铱、铑、钯、锇、钨、铅、铁、铬、钴、镍、锰、钒、
钼、镓、铝等金属及它们的合金等。或也可以使用不含有贵重金属的催化剂。为了提高催化剂活性、对一氧化碳等的耐毒性、耐热性等，催化剂成分优选至少含有铂。适用于阴极催化剂层及阳极催化剂层的催化剂成分不需要相同，可以适当变更。
[0089]用于催化剂层34、36的催化剂的导电性载体只要具有在希望的分散状态下担载催化剂成分的比表面积及作为集电体具有充分的电子导电性，就没有特别限定，但优选主成分为碳粒子。碳粒子由例 如碳黑、活性炭、焦炭、天然石墨、人造石墨构成。
[0090]用于催化剂层34、36的高分子电解质只要是至少具有较高的质子传导率的部件，就没有特别限定，例如，可以应用聚合物骨架的全部或一部分中含有氟原子的氟系电解质，或聚合物骨架中不含有氟原子的烃系电解质。用于催化剂层34、36的高分子电解质也可以与用于高分子电解质膜32的高分子电解质相同，也可以不同，但从提高催化剂层34、36相对于高分子电解质膜32的密合性的观点来看，优选为相同。
[0091]构成气体扩散层40、45的导电性材料没有特别限定，但也可以适当使用例如与适用于隔板50、55的构成材料相同的材料。另外，构成气体扩散层40、45的导电性材料也可以应用表面被金属覆盖的材料，在该情况下，表面金属可使用与上述相同的材料，芯材优选具有导电性。例如，可以将导电性的高分子材料或导电性碳原材料应用于芯材。
[0092]气体扩散层40、45的表面也可以实施防腐蚀处理、防水处理、亲水处理。亲水处理例如为金或碳的涂层，可以抑制气体扩散层40、45的腐蚀。
[0093]防水处理例如为防水剂的涂层，可以减少气体扩散层40、45的开孔部的水的滞留，抑制因水引起的气体供给的阻碍或溢流，且使气体相对于催化剂层34、36的稳定供给可靠，抑制电池电压的急剧降低，并使电池电压稳定。防水剂为例如氟系的高分子材料、聚丙烯、聚乙烯。氟系的高分子材料为PTFE、PVDF、聚六氟丙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)等。
[0094]亲水处理为例如亲水剂的涂层，由于使来自催化剂层34、36的液水吸引至流路侦牝因此，可以减少催化剂层34、36的堵水，抑制电池电压的急剧降低，并使电池电压稳定。亲水剂为例如硅烷偶联剂或聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)。也可以对气体扩散层40、45的隔板侧的面实施亲水处理，并对催化剂层侧的面实施防水处理。
[0095]构成树脂框60的树脂也可以应用热可塑性树脂或热固化树脂。热可塑性树脂例如为由:液晶聚合物(LCP)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚砜(PES)、聚砜(PSF)、聚醚醚酮(PEEK)、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)、聚氨酯、聚烯烃等聚合物或共聚物构成的塑料或弹性体。另外，也可以将这些热可塑性树脂并用两种以上(混合物)，或适当混入填料。热固化树脂例如为:密胺树脂、环氧树脂、苯酚树脂、二环戊二烯树脂、硅橡胶、氟橡胶、三元乙丙橡胶(EPDM)等塑料或弹性体。
[0096]隔板50、55不限定于由不锈钢钢板构成的方式，也可以应用不锈钢钢板以外的金属材料、致密碳石墨或碳板等碳。为不锈钢钢板以外的金属材料、例如铝板或包层材料。此夕卜，在应用碳的情况下，肋52，57也可以通过例如切削加工而形成。
[0097]接着，说明本发明实施方式的燃料电池的制造方法。
[0098]图7是用于说明本发明实施方式的燃料电池的制造方法中的适用于树脂框成形的成形装置的剖面图。
[0099]本发明实施方式的燃料电池的制造方法具有:气体扩散层形成工序、第一层叠工序、第二层叠工序、倒角工序及树脂框成形工序。
[0100]气体扩散层形成工序中，利用由组合多个金属制的线材的网构成的导电性多孔质基材，形成气体扩散层40、45。第I层叠工序中，在高分子电解质膜32的表面层叠催化剂层34,36ο第2层叠工序中，在催化剂层34、36的与配置高分子电解质膜32的面相反侧的面层叠气体扩散层40、45。
[0101 ] 倒角工序中，以气体扩散层45的4个角部3IA?3ID不呈现锐角的方式进行倒角。倒角通过倾斜地消除角部并设为钝角而实施。由此，可以以单纯的构造简单且容易地实现倒角。倒角工序不限定于在第2层叠工序之后即将气体扩散层40、45层叠于催化剂层34、36之后进行配置的方式，也可以在第2层叠工序之前进行配置。
[0102]树脂框成形工序中，在倒角工序之后，将作为在高分子电解质膜层叠有催化剂层及气体扩散层的层叠体即膜电极接合体30配置于成形模的模腔，向膜电极接合体30的外周缘注入熔融状态的成形树脂，从而成形与膜电极接合体30的外周缘一体化的加强用的树脂框60。
[0103]此时，膜电极接合体30的钝角的角部缓和树脂压力，因此，可以防止膜电极接合体30的角部的变形、例如因气体扩散层45的翘曲变形引起的成形树脂的侵入。S卩，可以提供可抑制与膜电极接合体的外周缘一体化的树脂框成形时的成形不良的膜电极接合体的制造方法。
[0104]另外，利用与膜电极接合体30的外周缘一体化的树脂框60，加强膜电极接合体30的强度，因此，可以得到提高操作性的膜电极接合体30。
[0105]具体而言，倒角工序中，将膜电极接合体30中的阳极侧的气体扩散层45的4个角部3IA?3ID进行取倒角。倒角通过以例如45度倾斜地切断角部3IA?3ID而实施，角部31A?31D由两个钝角即135度构成。
[0106]树脂框成形工序中，例如，利用图7所示的成形装置100，在高分子电解质膜层叠有催化剂层及气体扩散层的层叠体即膜电极接合体30的外周端部成形树脂框60。成形装置100由具有固定模110、移动模120及注塑单元128的注塑成形机构成。
[0107]固定模110具有:载置膜电极接合体30的阴极侧气体扩散层40的中央模腔面112、位于中央模腔面112的外周的外周模腔面114、用于向内部导入熔融状态的成形树脂的树脂注入口 116。中央模腔面112比膜电极接合体30的阴极侧气体扩散层40大若干地设定。
[0108]移动模120相对于固定模110可接近分离地构成，具有:与膜电极接合体30的阳极侧气体扩散层45相对的中央模腔面122、位于中央模腔面122的外周的外周模腔面124。中央模腔面122以如下方式构成:在合模固定模110及移动模120时，与膜电极接合体30的阳极侧气体扩散层45抵接，并与抵接于阴极侧气体扩散层40抵接的固定模110的中央模腔面112 —起夹持膜电极接合体30。中央模腔面122比膜电极接合体30的阳极侧气体扩散层45小若干地设定。
[0109]在合模固定模110及移动模120时，由固定模110的外周模腔面114和移动模120的外周模腔面124形成的空间(模腔)S规定树脂框60的形状。
[0110]注塑单元128用于将熔融状态的成形树脂供给至合模的固定模110及移动模120的内部，可以与树脂注入口 116连通。注塑单元128例如具有:收纳成形树脂的料斗、用于加热熔融成形树脂的加热器、用于注塑(注入)加热熔融的成形树脂的螺杆及缸、用于驱动螺杆的电动机。
[0111]接着，详细叙述树脂框成形工序。
[0112]图8是用于说明树脂框成形工序中的合模的剖面图，图9是用于说明树脂框成形工序中的树脂注入的剖面图，图10是用于说明比较例的树脂注入的剖面图。
[0113]首先，使固定模110及移动模120升温(加热)到规定温度。另一方面，向注塑单元128的料斗中供给成形树脂，并升温到规定温度进行熔融。
[0114]使阴极侧气体扩散层40下降，并将膜电极接合体30载置定位到固定模110的中央模腔面112上。膜电极接合体30的固定通过例如吸引机构(未图示)实施。
[0115]移动模120向固定模110接近，并如图8所示，将固定模110及移动模120合模。由此，利用固定模1 10的外周模腔面114和移动模120的外周模腔面124，形成与树脂框60的形状对应的空间(模腔)S。
[0116]如图9所示，利用注塑单元128，将熔融状态的树脂即树脂框60原材料经由固定模110的树脂注入口 116注入到空间S(参照图8)。
[0117]此时，将气体扩散层45的4个角部3IA?3ID倒角，缓和树脂压力，可防止膜电极接合体30的角部的变形、例如因气体扩散层45的翘曲变形引起的成形树脂的侵入。即，本实施方式中，通过进行倒角缓和树脂压，因此，可以抑制膜电极接合体30的变形，且抑制成形不良，从而降低不良品的产生。另一方面。在未被倒角的比较例130的情况下，不能缓和树脂压(参照图6)，而如图10所示，膜电极接合体130可能变形，从而产生成形不良D。
[0118]而且，保持规定时间的压力。然后，当冷却到规定温度时，进行开模，取出将树脂框60 一体配置于外周端部的膜电极接合体30。
[0119]接着，说明本发明实施方式的变形例I?7。
[0120]图11是用于说明变形例I的平面图。
[0121]倒角不限定于以全部角部31A?31D为对象的方式，也可以如膜电极接合体30A那样，仅以气体扩散层45的一部分(角部31A)为对象。例如，在成形树脂框60时，只在特定角部产生翘曲变形的情况下优异。
[0122]图12是用于说明变形例2的平面图。
[0123]倒角的部位不限定于阳极侧的气体扩散层45，根据需要，高分子电解质膜32及阴极侧的气体扩散层40也同样可以进行倒角。此外，符号33A?33D表示高分子电解质膜32中的被倒角的角部。
[0124]图13及图14是用于说明变形例3及变形例4的剖面图。
[0125]阳极侧(气体扩散层45及催化剂层36)的尺寸不限定于比阴极侧(气体扩散层40及催化剂层34)小的方式，例如也可以设为相同尺寸，或使阳极侧的尺寸比阴极侧大。
[0126]图15?17是用于说明变形例5?7的平面图。
[0127]用于以不呈现锐角的方式形成的倒角不限定于倾斜地切断角部31A?31D的方式，也可以如图15所示的膜电极接合体30E那样，圆滑地加工成圆弧状。在该情况下，也可以以单纯的构造简单且容易地实现倒角。另外，用于以不呈现锐角的方式形成的倒角也可以根据需要如图16所示的膜电极接合体30F那样，以角部31A?31D由3个以上的钝角构成的方式切断，或如图17所示的膜电极接合体30G那样，阶梯状地切断，由此进行实施。
[0128]如以上，根据本实施方式的膜电极接合体及膜电极接合体的制造方法，将在高分子电解质膜上层叠有催化剂层及气体扩散层的层叠体即膜电极接合体配置于成形模的模腔，并向膜电极接合体的外周缘注入熔融状态的成形树脂，且成形与膜电极接合体的外周缘一体化的树脂框时，膜电极接合体的被倒角的角部缓和因成形树脂的注入或成形树脂的流动引起的树脂压力。因此，可以防止膜电极接合体的角部的变形、例如因气体扩散层的翘曲变形引起的成形树脂的侵入。即，可以抑制与膜电极接合体的外周缘一体化的树脂框成形时的成形不良的情况。
[0129]另外，在膜电极接合体具有配置于膜电极接合体的外周缘且与膜电极接合体一体化的树脂框的情况下，由于加强膜电极接合体的强度，因此，提高操作性。
[0130]在膜电极接合体的气体扩散层由金属制的导电性多孔质基材构成的情况下，容易提高气体扩散层的强度。
[0131]在导电性多孔质基材由组合有多个线材的网构成的情况下，容易使气体扩散层轻量化。
[0132]在以不呈现锐角的方式被倒角的角部由钝角的角部或曲面状的角部构成的情况下，可以以单纯的构造简单且容易地实现倒角。
[0133]在膜电极接合体的制造方法中的倒角工序之后，还具有成形与膜电极接合体的外周缘一体化的树脂框的成形工序的情况下，由于加强膜电极接合体的强度，因此，可以得到提高操作性的膜电极接合体。
[0134]本发明不限定于上述的实施方式，可以在本发明请求的范围内进行各种改变。例如，气体扩散层也可以应用:冲孔金属、扩展金属、蚀刻金属或碳多孔体、导电性树脂多孔体。另外，树脂框的成形不限定于应用注塑成形的方式，也可以适当利用例如RIM成形(反应注塑成形:React1n Inject1n Molding)或传递模塑。
[0135]本申请基于在2012年12月27日申请的日本专利申请号2012 — 285047号，这些公开内容被参照并作为整体被编入。
【主权项】
1.一种膜电极接合体，具有: 高分子电解质膜； 催化剂层，其配置于所述高分子电解质膜的表面； 气体扩散层，其配置于所述催化剂层的与配置有所述高分子电解质膜的面相反侧的面， 所述气体扩散层具有以不呈现锐角的方式被倒角的角部。2.如权利要求1所述的膜电极接合体，其中， 被倒角的所述角部由钝角的角部或曲面状的角部构成。3.如权利要求1或2所述的膜电极接合体，其中， 还具有加强用的树脂框，该树脂框配置于在所述高分子电解质膜层叠有所述催化剂层及所述气体扩散层的层叠体的外周缘，且与所述层叠体一体化。4.如权利要求1?3中任一项所述的膜电极接合体，其中， 所述气体扩散层由金属制的导电性多孔质基材构成。5.一种膜电极接合体的制造方法，具有: 在高分子电解质膜的表面层叠催化剂层的工序； 在所述催化剂层的与配置有所述高分子电解质膜的面相反侧的面层叠气体扩散层的工序； 所述气体扩散层的角部以不呈现锐角的方式被倒角的倒角工序。6.如权利要求5所述的膜电极接合体的制造方法，其中， 所述倒角工序是在将所述气体扩散层层叠于所述催化剂层之前。7.如权利要求5所述的膜电极接合体的制造方法，其中， 所述倒角工序是在将所述气体扩散层层叠于所述催化剂层之后。8.如权利要求5?7中任一项所述的膜电极接合体的制造方法，其中， 还具有在所述倒角工序之后，将在所述高分子电解质膜层叠有所述催化剂层及所述气体扩散层的层叠体配置于成形模的模腔，朝向所述层叠体的外周缘注入熔融状态的成形树月旨，从而成形与所述层叠体的外周缘一体化的树脂框的工序。9.如权利要求5?8中任一项所述的膜电极接合体的制造方法，其中， 还具有利用由组合有多个金属制的线材的网构成的导电性多孔质基材形成所述气体扩散层的工序。
【专利摘要】本发明提供一种可抑制与膜电极接合体的外周缘一体化的树脂框成形时的成形不良的膜电极接合体及膜电极接合体的制造方法。膜电极接合体(30)具有：高分子电解质膜(32)、配置于高分子电解质膜(32)的表面的催化剂层、配置于催化剂层的与配置有高分子电解质膜(32)的面相反侧的面的气体扩散层(45)，气体扩散层(45)具有以不呈现锐角的方式而被倒角的角部(31A～31D)。
【IPC分类】H01M8/10, H01M4/86, H01M4/88, H01M8/02
【公开号】CN104885275
【申请号】CN201380068000
【发明人】山本将也, 加岛仁史, 堀部哲史, 豊岛剑一, 野村智哉, 高根朋幸, 河野绫
【申请人】日产自动车株式会社, 日本戈尔有限公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2013年12月20日
【公告号】CA2898195A1, EP2940767A1, WO2014103963A1
最新回复(0)