[发明专利]燃料电池用膜电极接合体、高分子电解质型燃料电池用单元、高分子电解质型燃料电池及膜电极接合体的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池中使用的膜电极接合体、膜电极接合体的制造方法及高分子电解质型燃料电池。尤其涉及膜电极接合体主体部的周缘部接合有衬垫的膜电极接合体、高分子电解质型燃料电池用单元、高分子电解质型燃料电池及膜电极接合体的制造方法。

背景技术

高分子电解质型燃料电池(以下，称为PEFC)是通过使含有氢的燃料气体、和空气等含有氧的氧化剂气体发生电化学反应而同时产生电力和热量的装置。

PEFC通常层叠单元而构成。一个单元中，用一对板状导电性隔离件，具体来说用阳极隔离件和阴极隔离件包夹膜电极接合体。膜电极接合体具备膜电极接合体主体部、和在该膜电极接合体主体部的周缘部延伸且包围膜电极接合体主体部而设置的框体。膜电极接合体主体部包括高分子电解质膜和形成于其两面的一对电极层。还有，在电极层的两面分别与燃料气体和氧化剂气体接触，发生电化学反应。另一方面，框体具备衬垫，密封该衬垫和隔离件之间，阻隔或抑制燃料气体及氧化剂气体向外部的漏出。

作为具有该结构的燃料电池单元，例如，公开在特开2001-155745号公报或专利第3368907号公报中。在特开2001-155745号公报中公开的燃料电池单元中公开了覆盖膜电极接合体主体部的端面并密封该端面地成形的衬垫。但是，就该衬垫来说，在电极层的周缘部不过于不足地设置均一地密封的密封材料需要劳力，不适合大量生产。另外，由于衬垫覆盖膜电极接合体主体部的电极层的端面，因此，被该衬垫覆盖的端面的部分不对发电起到贡献作用，导致效率降低的问题。

因此，通过以不覆盖膜电极接合体主体部的电极的端部的方式设置衬垫，能够通过该衬垫使电极层的整个面使用于发电。在专利第3368907号公报的图3中公开的膜电极接合体公开了设置于电极层和衬垫(气体密封材料)之间的膜电极接合体。

但是，在专利第3368907号公报的图3中公开的膜电极接合体中，构成膜电极接合体主体部的高分子电解质膜从该间隙突出在表面。另外公开了若高分子电解质膜露出在表面，则由于燃料气体和氧化剂气体的压力差，导致电解质膜破裂，丧失气体的密封功能。因此，在专利第3368907号公报中，在该高分子电解质膜露出的部分设置片状保护层。

但是，在制造上难以将该保护层没有间隙地设置至高分子电解质膜的表面的电极层周缘，将其一部分插入电极层的下侧而设置(参照专利第3368907号公报的图2)。通过这样设置保护层，提高高分子电解质膜的强度，但该高分子电解质膜和电极层不直接接触的部分不能对发电起到贡献作用，其结果，导致不能提高发电效率。

为了消除上述问题，申请人在先前申请的申请(2005-105742号、未公开)中，公开了一种衬垫结构，其具有：沿框体的内缘基本上以环状形成的环状部、及从该环状部通过框体的内缘部及高分子电解质膜的周缘部之上而与电极层的侧面接合地延伸而形成的延伸部。通过该结构，如该申请的图6(d)所示，高分子电解质膜不会露出在表面，消除上述问题。

但是，电极层通常不是由一层结构构成，而是在高分子电解质膜的上层叠有催化剂层、C层、气体扩散层的多层结构。还有，为了有效利用催化剂层，通常气体扩散层构成为比催化剂层大，配置为从催化剂层的周缘突出。还有，由于该气体扩散层的突出部分，电极层的侧面不形成一个面，实际上，该部分不被衬垫被覆，形成高分子电解质膜露出的状态。通过了扩散层的燃料气体和氧化剂气体进入位于该扩散层的突出部分的下侧的间隙，还成为燃料气体和氧化剂气体通过该间隙而漏出的原因。

发明内容

从而，本发明的所要解决的技术问题在于提供消除上述问题，且能够防止高分子电解质膜的露出的燃料电池用膜电极接合体、高分子电解质型燃料电池用单元、高分子电解质型燃料电池及膜电极接合体的制造方法。

根据本发明的第一方式可知，提供一种燃料电池用膜电极接合体，其中，具备：膜电极接合体主体部，其具备高分子电解质膜和一对电极层，所述一对电极层在所述高分子电解质膜的两表面的比周缘部靠内侧的中央区域分别层叠有催化剂层、和面积比所述催化剂层大且周缘从所述催化剂层突出的扩散层，在所述扩散层的突出部分和高分子电解质膜的周缘部之间设置有间隙；

板状热塑性树脂制框体，其形成为相对于所述一对电极层具有间隔地包夹所述高分子电解质膜的周缘部且包围所述高分子电解质膜的外缘；以及

热塑性树脂制衬垫，其分别设置在所述框体的两面，