CN109148913A - 燃料电池和制造燃料电池的方法 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池和制造燃料电池的方法，该燃料电池包括膜电极组件和树脂框架，该方法包括：在用于获得膜电极组件的膜电极组件片材中，并且其中包括至少催化电极层的多孔层被布置在电解质膜的至少一个表面上，在包括形成膜电极组件的外周的一部分的区域中将密封剂涂布到多孔层上以密封多孔层的气孔；通过在该区域中切割膜电极组件片材来获得包括膜电极组件的堆叠构件；并且利用粘合剂来将树脂框架粘接到堆叠构件中的多孔层的涂布有密封剂的部分。

Description

燃料电池和制造燃料电池的方法

技术领域

本发明涉及燃料电池和制造燃料电池的方法。

背景技术

在燃料电池中，通过向形成在电解质膜的不同表面上的阳极和阴极供应不同的反应气体而引起电化学反应，并且获得电动势。因此，为了在燃料电池中维持足够的电力生成性能，期望气密地密封形成在电解质膜的两个表面上的每种反应气体的流路，使得反应气体不会彼此混合。作为用于维持布置在电解质膜的表面上的反应气体的流路(其中电解质膜置于该流路之间)的密封性的构造的实例，已知如下构造，其中电解质膜被暴露而未用催化电极层覆盖的暴露区域被设置在电解质膜的一个表面的外周部中，并且在该暴露区域中利用粘合剂进行气体密封(例如，参考日本未审专利申请公开No.2015-115131(JP 2015-115131A))。

图19是示出了现有技术中已知的示意性密封结构的示意性截面图。图19示出了构成燃料电池的单电池的外周部的结构。图19中的燃料电池包括由电解质膜11、分别布置在电解质膜11的表面上的阳极12和阴极13、以及堆叠在阳极12和阴极13的外侧上的气体扩散层14和气体扩散层15构成的堆叠体。燃料电池还包括树脂框架20，该树脂框架20被布置成围绕堆叠体的外周。未形成阴极13的暴露区域α被布置在电解质膜11的一个表面(图19中的阴极13侧上的表面)的外周部中。在图19中的燃料电池中，电解质膜11在暴露区域α中利用粘合剂122接合到树脂框架20。在这样的构造中，电解质膜11和树脂框架20可以在它们之间不置有多孔体(诸如，阳极12、阴极13、气体扩散层14、15等)的情况下接合在一起。由此，通过利用粘合剂122将电解质膜11和树脂框架20彼此足够接近地接合在一起，在电解质膜11的外周部中能够实现分别布置在电解质膜11的表面上的反应气体的流路之间的足够的气密性。

发明内容

当如图19所示将电解质膜11和树脂框架20彼此粘接时，在电解质膜11的暴露区域α中存在不被阴极13和气体扩散层15或者粘合剂122和树脂框架20覆盖的暴露位置。该暴露位置由图19中的箭头β表示。当使用燃料电池时，燃料电池反复经受温度的增加和降低，或者湿度的增加和降低，并且电解质膜11反复膨胀和收缩。由此，应力集中于暴露位置β，并且电解质膜11有可能损坏。当电解质膜11损坏时，气密性可能在电解质膜11的损坏部分中劣化。由此，期望提供一种用于维持电解质膜的外周部中的气密性并且即使在使用燃料电池时也维持气密性的技术。

本发明可以实施如下。

本发明的第一方面涉及一种制造燃料电池的方法，该燃料电池包括：膜电极组件，在该膜电极组件中催化电极层分别形成在电解质膜的两个表面上；和树脂框架，该树脂框架被接合到膜电极组件的外周部。该方法包括：在用于获得膜电极组件并且包括电解质膜和催化电极层的膜电极组件片材中，并且其中包括至少催化电极层的多孔层被布置在电解质膜的至少一个表面上，在包括将要形成膜电极组件的外周的一部分的区域中将密封剂涂布到多孔层上以密封在该区域中的多孔层的气孔；通过在该区域中切割膜电极组件片材来获得包括膜电极组件的堆叠构件；并且利用粘合剂来将堆叠构件中的多孔层的涂布有密封剂的部分和树脂框架接合。多孔层的气孔包括至少催化电极层的气孔。用根据本发明的第一方面的方法，能够在膜电极组件的外周部中的堆叠构件和树脂框架被彼此接合的部分(即，电解质膜的外周部)中增加气密的可靠性。即使当使用燃料电池时电解质膜反复膨胀和收缩时，通过抑制对电解质膜的损坏也可以维持气密性。

在根据本发明的第一方面的方法中，燃料电池还可以包括气体扩散层，气体扩散层被分别堆叠在膜电极组件中的催化电极层上。膜电极组件片材和堆叠构件中的每一个均可以包括被堆叠在催化电极层上的气体扩散层作为多孔层。当通过在包括将要形成膜电极组件的外周的所述部分的区域中将密封剂涂布到多孔层上来密封多孔层的气孔时，可以通过涂布密封剂来密封在该区域中的催化电极层和气体扩散层中的每一个层的气孔。用根据本发明的第一方面的方法，能够在电解质膜的外周部中增加气密的可靠性。

在本发明的第一方面的方法中，当通过在包括将要形成膜电极组件的外周的所述部分的区域中将密封剂涂布到多孔层上来密封多孔层的气孔时，(i)可以将作为密封剂的第一密封剂涂布到所述膜电极组件片材以密封在该区域中的催化电极层的气孔；并且(ii)然后，可以将作为密封剂的、具有比第一密封剂高的粘度的第二密封剂涂布到膜电极组件片材中的涂布有第一密封剂的区域上以密封在该区域中的气体扩散层的气孔。用根据本发明的第一方面的方法，由于第一密封剂的粘度被设定为低于第二密封剂的粘度，所以能够通过将第一密封剂涂布到气体扩散层上来增加密封催化电极层的气孔的操作的可靠性。此外，由于第二密封剂的粘度被设定为高于第一密封剂的粘度，所以当将第二密封剂涂布到膜电极组件片材时，能够抑制气体扩散层中的第二密封剂扩散超过期望范围。由此，能够抑制在燃料电池中生成电力时通过密封部阻碍向催化电极层供应反应气体的情况。

在根据本发明的第一方面的方法中，当通过在包括将要形成膜电极组件的外周的部分的区域中将密封剂涂布到多孔层上来密封多孔层的气孔时，可以作为膜电极组件片材，使用多孔层布置在电解质膜的两个表面上的膜电极组件片材来将密封剂涂布到多孔层。用根据本发明的第一方面的方法，能够在电解质膜的外周部中增加气密的可靠性。

本发明的第二方面涉及一种燃料电池，该燃料电池包括：膜电极组件，在膜电极组件中，催化电极层被分别形成在电解质膜的两个表面上；以及树脂框架，该树脂框架被接合到膜电极组件的外周部。包括至少催化电极层并且具有在多孔层中的外周部中的气孔的多孔层被布置在电解质膜的至少一个表面上，该气孔被利用密封剂密封。树脂框架被利用粘合剂粘接到多孔层的外周部。

在根据本发明的第二方面的燃料电池中，多孔层可以包括被堆叠在催化电极层上的气体扩散层。催化电极层和气体扩散层中的每一个层的气孔在多孔层的外周部中可以被利用密封剂密封。

在根据本发明的第二方面的燃料电池中，外周部中的气孔被利用密封剂密封的多孔层可以被布置在电解质膜的两个表面上。

除了制造燃料电池的方法之外，本发明还可以以各种形式实施。本发明可以以诸如燃料电池、集成有树脂框架的膜电极组件及其制造方法、以及集成有树脂框架的膜电极气体扩散层组件及其制造方法的形式来实施。

附图说明

下面将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，附图中相同的附图标记表示相同的元件，并且在附图中：

图1是示出了燃料电池的示意性构造的分解立体图；

图2是示出了燃料电池的示意性构造的示意性截面图；

图3是示出了MEGA和树脂框架被接合在一起的部分的状态的示意性截面图；

图4是示出了制造燃料电池的方法的流程图；

图5是示出了在制造燃料电池中间的每个步骤的状态的示意性截面图；

图6是示出了在制造燃料电池中间的每个步骤的状态的平面图；

图7是示意性地示出了制造装置的构造的说明图；

图8是示出了在制造燃料电池中间的每个步骤的状态的示意性截面图；

图9是示出了在制造燃料电池中间的每个步骤的状态的示意截面图；

图10是示意性地示出了制造装置的构造的说明图；

图11是示出了制造燃料电池的方法的流程图；

图12是示出了在制造燃料电池中间的每个步骤的状态的示意截面图；

图13是示出了在制造燃料电池中间的状态的示意性截面图；

图14是示意性地示出了制造装置的构造的说明图；

图15是示出了在制造燃料电池中间的每个步骤的状态的示意性截面图；

图16是示出了在制造燃料电池中间的状态的示意性截面图；

图17是示出了在制造燃料电池中间的每个步骤的状态的示意性截面图；

图18是示出了在制造燃料电池中间的每个步骤的状态的示意性截面图；以及

图19是示出了现有技术中的燃料电池的密封结构的示意性截面图。

具体实施方式

A.第一实施例

A-1燃料电池的总体构造

图1是示出了如本发明的第一实施例的燃料电池的示意性构造的分解立体图。图2是示出了第一实施例的燃料电池的示意性构造的示意性截面图。在下文中，将基于图1和图2描述燃料电池的总体构造。在图1和图2中示出了单燃料电池(单电池)100的构造。第一实施例的燃料电池通过堆叠多个单燃料电池100而形成为堆叠结构。在说明书中，单燃料电池或者其中单燃料电池被堆叠的燃料电池堆将被称为燃料电池。虽然第一实施例的燃料电池是固体高分子燃料电池，但第一实施例的燃料电池可以是其他类型的燃料电池，诸如固体氧化物燃料电池。

单燃料电池100包括膜电极组件10(在下文中，被称为MEA 10)、气体扩散层14、15、气体分离器40、50以及树脂框架20。如图2所示，MEA 10由电解质膜11以及作为分别形成在电解质膜11的表面上的催化电极层的阳极12和阴极13构成。MEA 10被夹在气体扩散层14、15之间。气体扩散层14、15被堆叠在MEA 10上的结构被称为膜电极气体扩散层组件(MEGA)18。MEGA 18被夹在其两侧上的气体分离器40、50之间。树脂框架20被布置在气体分离器40、50之间并且被接合到MEA 10(MEGA 18)的外周部。在图2中未示出树脂框架20。

电解质膜11由聚合物电解质材料形成(例如，由氟化树脂形成的质子导电离子交换膜)并且在潮湿状态下呈现出有利的质子导电性。阳极12和阴极13中的每一个均是具有气孔的多孔体，并且通过用具有质子导电性的聚合物电解质涂覆导电颗粒(诸如，碳颗粒)而形成，涂覆的导电颗粒带有催化剂(诸如，铂或铂合金)。包括在阳极12和阴极13中的聚合物电解质可以是与构成电解质膜11的聚合物电解质相同类型的聚合物或不同类型的聚合物。

气体扩散层14、15中的每一个均由具有透气性和电子导电性的构件形成，并且可以由金属构件(诸如，金属泡沫和金属网)或者碳构件(诸如，碳布和碳纸)形成。

气体分离器40、50中的每一个均由不透气的导电构件形成，例如，碳构件(诸如，通过压缩碳而获得的不透气的高密度碳)或金属构件(诸如压制成形的不锈钢)。反应气体在其中流动的流路沟槽28在气体分离器40的面向MEGA 18的表面上，并且反应气体在其中流动的流路沟槽29在气体分离器50的面向MEGA 18的表面上形成。在图1中未示出在气体分离器40的表面上的流路沟槽28。用于形成电池内气体流路的多孔体可以布置在气体分离器40和气体扩散层14之间以及气体分离器50和气体扩散层15之间。在这种情况下，可以不设置流路沟槽28、29。

树脂框架20使用热塑性树脂形成为框架形状。在树脂框架20的中央处的开口部20a是保持MEA 10(MEGA 18)的区域。例如，可以使用选自聚丙烯(PP)、酚醛树脂、环氧树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)的树脂作为构成树脂框架20的材料。后文将详细描述树脂框架20和MEA 10(MEGA 18)接合在一起的部分的状态。通过例如布置密封构件(未示出)来密封树脂框架20和与树脂框架20相邻的气体分离器40、50之间的空间。

在燃料电池中还形成有电池内制冷剂流路(未示出)。例如，这种制冷剂流路可以形成在所有堆叠的单电池之间，或者可以每当预定数量的单电池堆叠时形成。

用于形成歧管的歧管孔31至36被布置在气体分离器40、50和树脂框架20中的每一个的外周附近，使得形成在气体分离器40、50和树脂框架20中的一个上的歧管孔31至36在包括MEA 10和气体分离器40、50的构件的堆叠方向(单燃料电池100的堆叠方向；简称为堆叠方向)上与形成在气体分离器40、50和树脂框架20中的另一个上的歧管孔31至36分别重叠。即，歧管孔31至36形成用于在电池之间供应或排出反应气体的流路(气体歧管)以及用于对制冷剂流路供应或排出制冷剂的流路(制冷剂歧管)，作为经过气体分离器40、50和树脂框架20的流路。

A-2树脂框架和MEA被接合在一起的部分的结构

图3是示出了在第一实施例的燃料电池中MEGA 18和树脂框架20被接合在一起的部分的状态的示意截面图。图3所示的截面的位置被示出为图1中的III-III截面。在第一实施例中，MEGA 18和树脂框架20被接合在一起的部分在MEGA 18的整个外周上具有与图3相同的结构。

在第一实施例中，MEGA 18和树脂框架20通过由粘合剂形成的粘合部22接合在一起。例如，可以使用光固化型粘合剂(更具体地，紫外线(UV)固化型粘合剂)作为构成粘合部22的粘合剂。在使用UV固化型粘合剂的情况下，当MEGA 18和树脂框架20被接合在一起时，可以抑制用于固化粘合剂的加热，并由此可以抑制MEGA 18暴露于不期望的高温。由此，UV固化型粘合剂是期望的。具体地，可以使用例如聚异丁烯(PIB)基粘合剂或硅橡胶基粘合剂作为UV固化型粘合剂。也可以使用包括热塑性树脂或热固性树脂的粘合剂作为构成粘合部22的粘合剂，只要在将MEGA 18和树脂框架20接合在一起时用于固化粘合剂的加热程度在许用范围内即可。

在第一实施例中，气孔被密封剂密封的密封部25被形成在作为催化电极层中的一个的阴极13的外周部中。即，在本实施例中，阴极13是“发明内容”中的“多孔层”的示例。而作为多孔层的催化电极层是图3中的阴极13，阳极12可以是多孔层，并且密封部25可以布置在阳极12中。树脂框架20利用粘合剂(粘合部22)被粘接到布置有密封部25的催化电极层的外周部。

在密封部25中，例如，可以使用热固性树脂作为用于密封阴极13的气孔的密封剂。从抑制在固化密封剂时施加到MEGA 18的热量的观点考虑，期望使用在低加热温度下热固化的密封剂。从提高燃料电池的生产率的观点考虑，期望使用快速固化的密封剂。固化后的密封剂理想地具有高柔性。当使用燃料电池时，燃料电池反复经受温度的增加和降低，或者湿度的增加和降低。由此，电解质膜11反复地膨胀和收缩，并且应力被施加到电解质膜11的端部。此时，当包括在布置于电解质膜11的外周部中的密封部25中的密封剂的硬度高时，电解质膜11的外周部可能在其与密封部25的边界处损坏。由此，从即使当在电解质膜11中产生这种应力时也抑制对电解质膜11的损坏的观点考虑，期望的是密封剂在固化后的柔性高。从这样的观点考虑，密封剂可以例示为聚异丁烯(PIB)或硅橡胶。从增加密封剂和粘合部22之间的粘合性的观点考虑，期望的是使用与包括在构成粘合部22的粘合剂中的树脂相同族的树脂(例如，粘合剂和密封剂两者包括PIB，或者两者包括硅橡胶)。可以使用热塑性树脂作为密封剂，只要在固化密封剂时施加到MEA 10的温度在许用范围内即可。

如图3所示，在第一实施例的MEGA 18中，阴极13侧上的气体扩散层15的外周与MEA10的外周分离，并且被布置成与MEA 10的外周相比更靠近MEGA 18的中央部分。由此，在阴极13的垂直于堆叠方向的外表面上，密封部25的形成在阴极13的外周部中的至少一部分暴露在MEGA 18的表面上而未被气体扩散层15覆盖。在第一实施例中，通过在MEGA 18的外周部中将密封部25和粘合部22接合在一起来维持MEGA 18的外周上的气密性。后文将详细描述通过粘合部22和密封部25将树脂框架20和MEGA 18接合在一起的方法。

在第一实施例的燃料电池中，微孔层(MPL)16、17分别被布置在气体扩散层14的在阳极12侧的表面上以及气体扩散层15的在阴极13侧的表面上。MPL 16、17可以通过将包括导电颗粒(诸如，碳颗粒)以及防水树脂(诸如，聚四氟乙烯(PTFE))的糊剂涂布到气体扩散层14、15中的每一个的表面而形成。MPL 16、17具有保护催化电极层和电解质膜11的功能，以及将随着电力生成而产生的水引导到气体扩散层14、15中以通过逐渐增加从催化电极层侧到气体扩散层14、15中的每一个的内部的气孔率而从催化电极层排出水的功能。由于MPL16、17是可选的，所以在第一实施例和第二实施例以及后文描述的后续实施例中，MPL16、17可以不布置在气体扩散层14、15的表面上。

A-3制造燃料电池的方法

图4是示出了第一实施例的制造燃料电池的方法的流程图。图5是示出了当使用图4所示的方法制造燃料电池时的制造中间的每个步骤的状态的示意性截面图。图6是示出了制造燃料电池中间的每个步骤的状态的平面图。图7是示意性地示出了执行图4所示的步骤S100至步骤S130的制造装置70的构造的说明图。制造装置70包括密封剂涂布单元72、固化单元74和切割单元75。如图7所示，制造装置70执行其单元中的各种过程，同时以卷对卷方式连续输送膜电极组件片材60。膜电极组件片材60是包括MEA 10的带状层。在下文中，将基于图4至图7描述制造燃料电池的方法。

当制造燃料电池时，首先，制备膜电极组件片材60(步骤S100)。除了MEA 10之外，第一实施例的膜电极组件片材60还包括气体扩散层14，但不包括气体扩散层15(参考图5)。在步骤S100中，将膜电极组件片材卷62制备为膜电极组件片材60(参考图7)。膜电极组件片材卷62是通过将膜电极组件片材60卷绕成卷状而获得的，在膜电极组件片材60中，包括MEA10和气体扩散层14的堆叠结构连续形成为带状。膜电极组件片材卷62用于连续获得多个MEA 10。

在步骤S100之后，在密封剂涂布单元72中，将密封剂涂布到包括在膜电极组件片材60中的阴极13上(步骤S110)。步骤S110被称为第一步骤。图6示出了从膜电极组件片材60的形成有阴极13的表面侧观察的膜电极组件片材60的状态。在图5和图6中，阴极13的在步骤S110中涂布密封剂的区域被示出为密封剂涂布区域24。

在包括形成MEA 10的外周的部分的区域上执行步骤S110中的密封剂的涂布。形成MEA 10的外周的部分是当从带状膜电极组件片材60获得MEA 10时形成每个MEA 10的外周的部分。更具体地，形成MEA 10的外周的部分是当通过切割带状膜电极组件片材60以获得每个MEA 10时切割膜电极组件片材60以获得每个MEA10的部分。因此，如图6所示，多个具有矩形框架形状的密封剂涂布区域24被设置成使得密封剂涂布区域24在膜电极组件片材60的输送方向上连续形成，同时相邻的密封剂涂布区域24共用一个边。

可以使用上文描述的密封剂作为密封剂，并且在步骤S110中，在密封剂具有流动性的状态下进行密封剂的涂布。因此，在阴极13中的每个密封剂涂布区域24中通过密封剂来密封阴极13的气孔。

在图7中，在密封剂涂布单元72中，使用包括辊状丝网和刮板72a的辊丝网印刷装置涂布密封剂，并利用该密封剂执行印刷。然而，涂布密封剂的方法不受特别限制，只要可以通过该方法形成具有期望形状的密封剂涂布区域24即可。例如，可以将使用辊涂机的方法、使用典型的丝网印刷装置的方法、使用模涂机的方法或者将密封剂挤压到需要布置密封部25的区域同时利用模具压制该区域的方法用作涂布密封剂的方法。

在制造装置70的固化单元74中，固化在步骤S110中涂布的密封剂(步骤S120)。当密封剂被固化时，密封剂涂布区域24形成密封部25(参见图5和图6)。如图7所示，第一实施例的制造装置70通过对膜电极组件片材60进行热压而使固化单元74中的密封剂固化。

在步骤S120之后，在制造装置70的切割单元75中，切割膜电极组件片材60(步骤S130)。在涂布有密封剂的区域执行膜电极组件片材60的切割。因此，获得包括与每个燃料电池(单电池)对应的一个MEA 10的堆叠构件64(参考图6和图7)。在所获得的堆叠构件64中，密封部25形成在包括切割区段的外周部中(参考图5中的S130)。步骤S130被称为第二步骤。

在步骤S130之后，将气体扩散层15堆叠在每个堆叠构件64的阴极13上(步骤S140)，并且获得MEGA 18。在第一实施例中，堆叠构件64和气体扩散层15中的每一个在平面图中均具有矩形形状。气体扩散层15小于堆叠构件64。当在步骤S140中堆叠气体扩散层15时，气体扩散层15被布置成使得其四个外周边与堆叠构件64的四个外周边分离。因此，密封部25的布置在阴极13的外周部中的至少一部分暴露在所获得的MEGA 18的外表面上(参考图5)。

在步骤S140之后，将包括堆叠构件64的MEGA 18和树脂框架20接合在一起(步骤S150)。即，利用粘合剂将MEGA 18的包括切割区段的端部粘接到树脂框架20。因此，作为MEGA 18的涂布有密封剂的部分的密封部25被粘接到树脂框架20。步骤S150被称为第三步骤。

可以使用上文描述的粘合剂作为粘合剂。使用粘合剂的粘合方法不受特别限制，只要通过该方法将MEGA 18和树脂框架20接合在一起即可。例如，可以使用丝网印刷装置将粘合剂布置在MEGA 18和树脂框架20之间。可替代地，可以使用模具将MEGA 18的外周部和树脂框架20的内周部布置在模具中，并且可以用粘合剂填充模具的内部。然后，粘合剂可以被固化。例如，当使用紫外(UV)固化型粘合剂作为粘合剂时，可以执行UV辐射。

如上文所述，密封部25的布置在阴极13的外周部中的至少一部分暴露在MEGA 18中。由此，在密封部25的暴露部中(即，在密封部25的垂直于堆叠方向的表面和密封部25的平行于堆叠方向的表面(密封部25的在其厚度方向上的表面)两者上)将粘合部22粘接到密封部25(参考图5中的S150)。因此，MEGA 18的外周部在MEGA18和树脂框架20之间被气密地密封。

在步骤S150之后，使用与树脂框架20接合的MEGA 18来组装燃料电池(步骤S160)，并且完成燃料电池。具体地，通过堆叠包括与树脂框架20接合的MEGA 18以及气体分离器40、50的构件来组装单燃料电池100，并且通过堆叠单燃料电池100来制造燃料电池堆。

在第一实施例的燃料电池以及制造燃料电池的方法中，当MEGA18和树脂框架20被接合在一起时，利用粘合剂将树脂框架20和在阴极13中气孔被密封的密封部25彼此粘接。由此，在密封部25和树脂框架20彼此粘接的部分中抑制了气体通过多孔层(阴极13)的泄漏，并且可以提高气密的可靠性。因此，能够抑制阳极侧和阴极侧上的气体之间的混合。通过用包括密封部25和粘合部22的催化电极层无间隙地覆盖来保护电解质膜11的外周部。由此，即使当使用燃料电池时由于电解质膜11的反复膨胀和收缩而导致在电解质膜11中产生应力时，通过抑制对电解质膜11的损坏也可以维持气密性。

在第一实施例中，在以卷对卷方式连续输送膜电极组件片材60的同时连续制造多个堆叠构件64。由此，可以提高制造燃料电池的效率。当如上文所述制造堆叠构件64时，在第一实施例中，通过在密封部25中切割膜电极组件片材60将相邻的堆叠构件64彼此分离。因此，在膜电极组件片材60中抑制了不用作每个堆叠构件64的区域的出现，并且可以提高燃料电池的材料的使用效率。在步骤S130中切割时的切割位置可能不匹配MEGA 18的外周。在切割之后，每个堆叠构件64的外周可以被修整。

B.第二实施例

图8是以与图5相同的方式示出了第二实施例的制造燃料电池中间的每个步骤的状态的示意性截面图。第二实施例的燃料电池具有与第一实施例的燃料电池相同的构造。由此，第一实施例中的共同部分将用相同的附图标记表示，并且不进行详细描述。在第二实施例的制造燃料电池的方法中，第一实施例中的共同步骤将由相同的步骤编号表示，并且将不进行详细描述。在第二实施例中，也可以使用与图7所示的制造装置70相同的制造装置，从而以如第一实施例中的卷到卷方式连续制造多个堆叠构件。

当制造第二实施例的燃料电池时，首先，制备膜电极组件片材160(步骤S100)。与第一实施例不同，第二实施例的膜电极组件片材160具有不仅堆叠有气体扩散层14而且堆叠有气体扩散层15的MEGA的结构(参考图8的S100)。

将密封剂涂布到包括在膜电极组件片材160中的气体扩散层中的一个(在第二实施例中，气体扩散层15)上(步骤S110)。涂布有密封剂的区域的布置与图6所示的第一实施例中的布置相同。因此，在密封剂涂布区域124中使用密封剂密封包括在阴极13和气体扩散层15中的气孔，该密封剂涂布区域124为在阴极13和气体扩散层15中涂布密封剂的区域。即，第二实施例中的阴极13和气体扩散层15是“发明内容”中的“多孔层”的示例。在步骤S110中，通过在阳极12侧上将密封剂涂布到气体扩散层14上可以密封阳极12和气体扩散层14的气孔。

可以使用与第一实施例中相同的密封剂作为密封剂，并且可以使用与第一实施例中相同的方法涂布密封剂。在第二实施例中，需要通过将密封剂涂布到气体扩散层上来密封气体扩散层和催化电极层两者的气孔。由此，在步骤S110中，可以将密封剂的流动性(粘度)调节成使得可以密封气体扩散层和催化电极层两者的气孔。可以通过改变例如将被与密封剂混合的溶剂的量(密封剂中的树脂浓度)来调节密封剂的粘度。也可以使用在涂布时的密封剂的温度来调节密封剂的粘度。

在膜电极组件片材160中，气体扩散层14、15中的每一个的气孔率可以例如为70％至80％。当MPL 16、17被布置在气体扩散层14、15中时，MPL 16、17中的每一个的气孔率可以例如为30％至40％。催化电极层(阳极12和阴极13)的气孔率可以例如为10％至30％。当将密封剂涂布到膜电极组件片材160中的气体扩散层上时，密封剂的粘度可以例如为10000mPa·s至20000mPa·s。

在步骤S110中，可以通过调节在涂布密封剂时的压力来增加密封从气体扩散层到催化电极层的气孔的操作的可靠性。例如，如在使用图7所示的辊丝网印刷装置的情况中，当通过丝网印刷涂布密封剂时，可以利用印刷装置的刮板72a的速度或角度来调节密封剂的推压力。可替代地，当使用模涂机时，或者当将膜电极组件片材160布置在模具中并且将密封剂挤入模具中以形成密封剂涂布区域124时，可以通过调节密封剂的注入压力来增加密封气孔的操作的可靠性。在这种情况下，密封剂的注入压力可以例如为0.2MPa至0.5MPa。

将在步骤S110中涂布的密封剂被固化以从密封剂涂布区域124形成密封部125(步骤S120)。可以通过例如以与第一实施例相同的方式热压来固化密封剂。在步骤S120之后，切割膜电极组件片材160(步骤S130)，并且获得堆叠构件164。

第二实施例的堆叠构件164是MEGA 18的示例。由此，在第二实施例中不执行图4中的堆叠气体扩散层的步骤S140。在步骤S130之后，将堆叠构件164和树脂框架20接合在一起(步骤S150)。布置在阴极13和气体扩散层15中的每一个的外周部中的密封部125暴露在堆叠构件164的外表面上。由此，粘合部22在密封部125的暴露部分中(即，在密封部125的垂直于堆叠方向的表面以及密封部125的平行于堆叠方向的表面(密封部125的在其厚度方向上的表面)两者上)被粘接到密封部125。因此，堆叠构件164(MEGA 18)的外周部在堆叠构件164和树脂框架20之间被气密地密封。在步骤S150之后，使用与树脂框架20接合的MEGA 18来组装燃料电池(步骤S160)，并且完成燃料电池。

在第二实施例的燃料电池和制造燃料电池的方法中，除了与第一实施例相同的效果之外，还可以实现以下效果。即，由于不仅催化电极层(阴极13)被密封部125密封而且气体扩散层也被密封部125密封，并且密封部125被粘接到粘合部22，所以可以进一步增加在MEGA18的外周部中的密封的可靠性。

此外，由于使用气体扩散层被预先连续堆叠在MEA 10的两个表面上的膜电极组件片材160，所以不需要将气体扩散层15单独地堆叠在阴极13上，这与第一实施例不同。由此，制造步骤可以更简化。

虽然在第一实施例和第二实施例中通过热压在步骤S120中固化密封剂，但可以使用不同的方法来固化密封剂。例如，当使用可以在室温下固化的密封剂时，可以不执行特殊加热步骤。具体地，在第二实施例中，当在催化电极层和气体扩散层中形成密封部125时，通过在固化时向密封剂涂布区域124施加压力(参考图8中的S120)，可以进一步减小所获得的密封部125的厚度。当密封部125的厚度减小以便增加在包括于MEGA 18中的气体扩散层中的密封部125的刚性时，在密封部125的内侧上由密封部125包围的区域中的表面压力(即，在电力生成区域中的表面压力)在通过堆叠包括MEGA 18的每个构件来组装燃料电池时可以被更容易地维持。

C.第三实施例

图9是以与图5相同的方式示出了第三实施例的制造燃料电池中间的每个步骤的状态的示意性截面图。图10是示意性地示出了执行制造步骤中的步骤S100至步骤S130的制造装置270的构造的说明图。制造装置270包括密封剂涂布单元272、固化单元74和切割单元75。如图10所示，制造装置270在其单元中执行各种过程，同时以卷对卷方式连续输送包括MEA 10的带状层。第三实施例的燃料电池具有与第一实施例的燃料电池相同的构造。由此，第一实施例和第二实施例中的公共部件将由相同的附图标记表示，并且将不进行详细描述。在第三实施例的制造燃料电池的方法中，第一实施例和第二实施例中的公共步骤将由相同的步骤编号表示，并且将不进行详细描述。

当制造第三实施例的燃料电池时，首先，将与第二实施例中相同的膜电极组件片材160制备为膜电极组件片材卷162(步骤S100)。在密封剂涂布单元272中，将密封剂涂布到包括在膜电极组件片材160中的一对气体扩散层中的每一个上(步骤S110)。涂布密封剂的区域的布置与图6所示的第一实施例中的区域的布置相同。通过将密封剂涂布到表面所形成的密封剂涂布区域124被布置在堆叠方向上匹配的位置处(参考图9中的S110)。因此，在密封剂涂布区域124中使用密封剂来密封阴极13和气体扩散层15中的气孔以及阳极12和气体扩散层14中的气孔。即，第三实施例中的阴极13和气体扩散层15以及阳极12和气体扩散层14是“发明内容”中的“多孔层”的示例。可以以与第二实施例相同的方式执行将密封剂涂布到气体扩散层上。

在步骤S110中涂布的密封剂被固化以从密封剂涂布区域124形成密封部125(步骤S120)。通过例如如第一实施例中的热压，可以固化密封剂。在步骤S120之后，在密封部125中切割膜电极组件片材160(步骤S130)，并且获得堆叠构件264。

以与第二实施例相同的方式执行步骤S130之后的步骤。密封部125暴露于第三实施例的堆叠构件264的在阳极侧和阴极侧上的两个外表面上。由此，在步骤S150中，在密封部125的在两侧上的暴露部中将粘合部22粘接到密封部125。因此，堆叠构件264(MEGA 18)的外周部在堆叠构件264和树脂框架20之间被气密地密封。

在第三实施例的燃料电池和制造燃料电池的方法中，除了与第一实施例和第二实施例相同的效果之外，还可以实现以下效果。即，由于催化电极层和气体扩散层在MEGA 18的两个表面上被密封部125密封，并且催化电极层和气体扩散层中的密封部125在两侧上被粘接到粘合部22，所以可以进一步增加MEGA 18的外周部中的密封的可靠性。

D.第四实施例

图11是示出了第四实施例的制造燃料电池的方法的流程图。图12和图13是示出了当使用图11所示的方法制造燃料电池时以与图5相同的方式制造中间的每个步骤的状态的示意性截面图。图14是示意性地示出执行图11所示的步骤S100至步骤S130的制造装置370的构造的说明图。制造装置370包括密封剂涂布单元372、373、固化单元74和切割单元75。如图14所示，制造装置370在其单元中执行各种过程，同时以卷对卷方式连续输送包括MEA 10的带状层。第四实施例的燃料电池具有与第一实施例的燃料电池相同的构造。由此，第一实施例和第二实施例中的公共部件将由相同的附图标记表示，并且将不进行详细描述。在第四实施例的制造燃料电池的方法中，第一实施例中的共同步骤将由相同的步骤编号表示，并且将不进行详细描述。

在第四实施例中，使用第一密封剂和第二密封剂作为密封剂。当制造第四实施例的燃料电池时，首先，制备与第二实施例相同的膜电极组件片材160(步骤S100)。在密封剂涂布单元372中，将第一密封剂涂布到包括在膜电极组件片材160中的一对气体扩散层中的每一个上(步骤S112)。所涂布的第一密封剂从气体扩散层渗透到催化电极层。因此，在阳极12和阴极13中形成密封剂涂布区域326，并且通过第一密封剂密封阳极12和阴极13的气孔(参考图12中的S112)。然后，在密封剂涂布单元373中，在步骤S112中涂布第一密封剂的区域中将第二密封剂涂布到包括在膜电极组件片材160中的气体扩散层中的每一个上(步骤S114)。因此，在气体扩散层14、15中形成密封剂涂布区域327，并且通过第二密封剂密封气体扩散层14、15的气孔(参考图12中的S114)。即，第四实施例中的阴极13和气体扩散层15以及阳极12和气体扩散层14是“发明内容”中的“多孔层”的示例。步骤S112被称为第一步骤中的第四步骤，并且步骤S114被称为第一步骤中的第五步骤。

在步骤S112中使用的第一密封剂的粘度被调节成使得当将第一密封剂涂布到气体扩散层14、15上时，第一密封剂渗透到阳极12和阴极13以密封阳极12和阴极13的气孔。在步骤S114中使用的第二密封剂的粘度被调节成高于第一密封剂的粘度。可以使用与第一实施例相同的密封剂作为第一密封剂和第二密封剂，并且可以使用与第一实施例相同的方法涂布密封剂。可以使用不同类型的密封剂作为第一密封剂和第二密封剂，但期望使用与第一密封剂和第二密封剂相同类型的密封剂(包括来自同一族的树脂的密封剂)。例如，期望的是，第一密封剂和第二密封剂两者都包括PIB或硅橡胶。可以通过改变例如将被与密封剂混合的溶剂的量(密封剂中的树脂浓度)来调节第一密封剂和第二密封剂中的每一个的粘度。也可以使用在涂布时的密封剂的温度来调节密封剂的粘度。

在图14中，在密封剂涂布单元372、373中，使用辊丝网印刷装置涂布密封剂，辊丝网印刷装置包括辊状丝网和刮板72a、73a并且使用该密封剂进行印刷。然而，涂布密封剂的方法不受特别限制，只要可以通过该方法形成具有期望形状的每个密封部325即可。在步骤S112和步骤S114中，可以调节在涂布密封剂时的压力。因此，能够增加利用穿过气体扩散层14、15的第一密封剂来密封阳极12和阴极13的气孔的操作，以及使用具有比第一密封剂高的粘度的第二密封剂来密封气体扩散层的气孔的操作的可靠性。例如，当如在使用如图14所示的辊丝网印刷装置的情况下通过丝网印刷涂布密封剂时，可以利用印刷装置的刮板72a、73a的速度或角度来调节密封剂的推压力。可替代地，当使用模涂机时，或者当将膜电极组件片材160布置在模具中并且将密封剂挤入模具中以形成密封剂涂布区域124时，可以通过调节密封剂的注入压力来增加密封气孔的操作的可靠性。

在步骤S112和步骤S114中涂布的第一密封剂和第二密封剂被固化以从密封剂涂布区域326、327形成密封部325(步骤S120)。通过例如如第一实施例中的热压，可以固化密封剂。在步骤S120之后，切割膜电极组件片材160(步骤S130)，并且获得堆叠构件364(参考图12和图14的S130)。

以与第二实施例相同的方式执行步骤S130之后的步骤。密封部325暴露于第四实施例的堆叠构件364的在阳极侧和阴极侧的两个外表面上。由此，在步骤S150中，在密封部325的在两侧上的暴露部中将粘合部22粘接到密封部325(参考图13)。因此，堆叠构件364(MEGA18)的外周部在堆叠构件364和树脂框架20之间被气密地密封。

在第四实施例的燃料电池和制造燃料电池的方法中，除了与第一至第三实施例相同的效果之外，还可以实现以下效果。即，由于第一密封剂的粘度被设定为低于第二密封剂的粘度，所以能够通过将第一密封剂涂布到气体扩散层14、15上来增加密封催化电极层的气孔的操作的可靠性。此外，由于第二密封剂的粘度被设定为高于第一密封剂的粘度，所以每个催化电极层的气孔率高于普通催化电极层的气孔率。另外，当将第二密封剂涂布到每个气体扩散层，该气体扩散层的每个气孔的直径大于每个催化电极层的气孔直径时，能够抑制第二密封剂在每个气体扩散层中的扩散超过期望范围。由此，能够抑制在燃料电池中生成电力时通过密封部阻碍向催化电极层供应反应气体的情况。

E.第五实施例

图15和图16是示出了第五实施例的以与图5相同的方式制造燃料电池中间的每个步骤的状态的示意性截面图。除了密封部325形成在一个催化电极层和一个气体扩散层(在图15和图16中，阴极13和气体扩散层15)，第五实施例的燃料电池具有与第四实施例的燃料电池相同的构造。在第五实施例中，生产了在阴极13和气体扩散层15中形成有密封部325的堆叠构件464(参考图15的S130)，并且堆叠构件464和树脂框架20通过密封部325和粘合部22接合在一起(参考图16)。因此，即使当密封部325被布置在电解质膜11的一个表面侧上的催化电极层和气体扩散层中时，也能够实现与第一至第四实施例相同的效果。

F.第六实施例

图17是示出了第六实施例的以与图5相同的方式制造燃料电池中间的每个步骤的状态的示意性截面图。第六实施例的燃料电池具有与第一至第三实施例的燃料电池相同的构造。由此，第一至第三实施例中的公共部件将由相同的附图标记表示，并且将不进行详细描述。在第六实施例的制造燃料电池的方法中，第一至第三实施例中的共同步骤将由相同的步骤编号表示，并且将不进行详细描述。

当制造第六实施例的燃料电池时，首先，制备膜电极组件片材560，而不是第一至第三实施例中的膜电极组件片材60或160(步骤S100)。第六实施例的膜电极组件片材560具有MEA 10的结构并且不包括气体扩散层(参考图17中的S100)。

将密封剂涂布到包括在膜电极组件片材560中的一对催化电极层中的每一个上(步骤S110)。涂布有密封剂的区域的布置与图6所示的第一实施例中的区域的布置相同。通过将密封剂涂布到表面而形成的密封剂涂布区域24被布置在堆叠方向上匹配的位置处。因此，在每个密封剂涂布区域24中利用密封剂来密封阴极13和阳极12中的气孔。即，第六实施例中的阴极13和阳极12是“发明内容”中的“多孔层”的示例。可以使用与第一实施例相同的密封剂作为密封剂，并且可以使用与第一实施例相同的方法涂布密封剂。

将在步骤S110中涂布的密封剂固化以从密封剂涂布区域24形成密封部25(步骤S120)。通过例如如在第一实施例中的热压，可以固化密封剂。

在第六实施例中，在步骤S120之后，将气体扩散层14、15的多孔层分别堆叠在膜电极组件片材560的表面上(参考图17中的第四步)。然后，切割堆叠有气体扩散层14、15的膜电极组件片材560(步骤S130)，并且获得堆叠构件564(参考图17的S130)。在步骤S130之后，将堆叠构件564和树脂框架20接合在一起(步骤S150)。在堆叠构件564中，布置在阳极12和阴极13的外周部中的密封部25暴露在堆叠构件564的切割区段上。由此，粘合部22在密封部25的暴露部(即，每个密封部25的平行于堆叠方向的表面(每个密封部25在其厚度方向上的表面))中被粘接到密封部25。因此，堆叠构件564(MEGA 18)的外周部在堆叠构件564和树脂框架20之间被气密地密封。在步骤S150之后，使用接合到树脂框架20的MEGA 18来组装燃料电池(步骤S160)，并且完成燃料电池。

在第六实施例的燃料电池和制造燃料电池的方法中，可以维持MEGA 18的外周部中的气密性的可靠性，并且可以与第一实施例中一样抑制当使用燃料电池时对电解质膜11的损坏。由于在步骤S130中的切割之前以卷对卷方式堆叠气体扩散层14、15，所以对于每个MEA10不需要执行在MEA 10上堆叠气体扩散层的操作，并且可以简化堆叠气体扩散层的操作。通过在电解质膜11的两个表面侧上将密封部25和粘合部22彼此粘接，可以增加气密性。

G.第七实施例

图18是示出了第七实施例的以与图5相同的方式制造燃料电池中间的每个步骤的状态的示意性截面图。除了在一个催化电极层(在图18中，阴极13)中形成密封部25之后执行步骤S130中的切割，然后将气体扩散层堆叠在一个催化电极层上之外，第七实施例的燃料电池具有与第一实施例相同的构造。即，在第七实施例中，在将带状气体扩散层15堆叠在形成有密封部25的膜电极组件片材60上之后，通过执行步骤S130中的切割来生产堆叠构件664，并且利用粘合剂将堆叠构件664和树脂框架20粘接在一起。

即使采用这样的构造，也可以维持MEGA 18的外周部中的气密的可靠性，并且如在第一实施例中那样可以抑制当使用燃料电池时对电解质膜11的损坏。在第七实施例中，由于在步骤S130中的切割之前以卷对卷方式堆叠气体扩散层15，所以不需要对每个MEA 10执行将气体扩散层15堆叠在MEA 10上的操作，并且可以简化堆叠气体扩散层的操作。

H.其他实施例

虽然每个实施例中的密封部被布置在MEA 10或MEGA 18的整个外周(即，MEA 10或MEGA 18的外周的全部四个边)上，但本发明可以具有不同的构造。可以使用密封多孔层的密封部在MEA 10或MEGA 18的外周的一部分中进行密封，并且在其他部分中可以使用不同的方法维持气密性。当密封多孔层的密封部被包括在MEA 10或MEGA 18的外周的至少一部分中，并且密封部在该部分中被粘接到树脂框架时，可以在布置有密封部的部分中实现上述效果。

虽然燃料电池在每个实施例中具有气体扩散层，但本发明可以具有不同的构造。例如，考虑到这样的情况：其中，覆盖在MEA 10中用于电力生成的整个区域的多孔构件被布置成与MEA 10和气体分离器40、50两者接触，并且多孔构件形成使反应气体在单燃料电池中流动的流路。在这种情况下，可以不设置气体扩散层14、15。当采用这种构造时，密封部可以布置在作为多孔层的催化电极层的外周部中，并且可以利用粘合剂将密封部和树脂框架彼此粘接。

本发明不限于这些实施例，并且在不脱离其主旨的情况下可以被实现为各种构造。例如，与发明内容中公开的各方面的技术特征对应的实施例的技术特征可以被适当地替代或彼此组合。当这些技术特征在说明书中被描述为可选的时，可以不提供这些技术特征。

Claims (7)

1.一种制造燃料电池的方法，所述燃料电池包括：膜电极组件，在所述膜电极组件中催化电极层分别形成在电解质膜的两个表面上；和树脂框架，所述树脂框架被接合到所述膜电极组件的外周部，所述方法的特征在于包括：

在膜电极组件片材中，在包括将要形成所述膜电极组件的外周的一部分的区域中将密封剂涂布到多孔层上以密封在所述区域中的所述多孔层的气孔，所述多孔层的气孔包括至少所述催化电极层的气孔，所述膜电极组件片材用于获得所述膜电极组件并包括所述电解质膜和所述催化电极层，并且包括至少所述催化电极层的多孔层被布置在所述电解质膜的至少一个表面上；

通过在所述区域中切割所述膜电极组件片材来获得堆叠构件，所述堆叠构件包括所述膜电极组件；并且

利用粘合剂来将所述堆叠构件中的所述多孔层的涂布有所述密封剂的部分和所述树脂框架接合。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述燃料电池还包括气体扩散层，所述气体扩散层被分别堆叠在所述膜电极组件中的所述催化电极层上；

所述膜电极组件片材和所述堆叠构件中的每一个均包括被堆叠在所述催化电极层上的所述气体扩散层作为所述多孔层；并且

当通过在包括将要形成所述膜电极组件的外周的所述部分的所述区域中将所述密封剂涂布到所述多孔层上来密封所述多孔层的气孔时，通过涂布所述密封剂来密封在所述区域中的所述催化电极层和所述气体扩散层中的每一个层的气孔。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当通过在包括将要形成所述膜电极组件的外周的所述部分的所述区域中将所述密封剂涂布到所述多孔层上来密封所述多孔层的气孔时，

(i)将作为所述密封剂的第一密封剂涂布到所述膜电极组件片材以密封在所述区域中的所述催化电极层的气孔，并且

(ii)然后，将作为所述密封剂的、具有比所述第一密封剂高的粘度的第二密封剂涂布到所述膜电极组件片材中的涂布有所述第一密封剂的所述区域上以密封在所述区域中的所述气体扩散层的气孔。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其特征在于，当通过在包括将要形成所述膜电极组件的外周的所述部分的所述区域中将所述密封剂涂布到所述多孔层上来密封所述多孔层的气孔时，作为所述膜电极组件片材，使用所述多孔层被布置在所述电解质膜的两个表面上的膜电极组件片材来将所述密封剂涂布到所述多孔层。

5.一种燃料电池，其特征在于包括：

膜电极组件，在所述膜电极组件中，催化电极层被分别形成在电解质膜的两个表面上；和

树脂框架，所述树脂框架被接合到所述膜电极组件的外周部，其中：

包括至少所述催化电极层的多孔层具有在所述多孔层中的所述外周部中的气孔并且被布置在所述电解质膜的至少一个表面上，所述气孔包括至少所述催化电极层的气孔并且被利用密封剂密封；并且

所述树脂框架被利用粘合剂粘接到所述多孔层的外周部。

6.根据权利要求5所述的燃料电池，其特征在于：

所述多孔层包括被堆叠在所述催化电极层上的气体扩散层；并且所述催化电极层和所述气体扩散层的气孔在所述多孔层的外周部中被利用所述密封剂密封。

7.根据权利要求5或6所述的燃料电池，其特征在于，其中所述外周部中的所述气孔被利用所述密封剂密封的所述多孔层被布置在所述电解质膜的两个表面上。