专利名称：燃料电池用粘接材料及燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池的层间的接合用的粘接材料及通过粘接材料将层间接合的燃料电池。
背景技术：
通常，燃料电池具有如下结构利用具有防水层的一对气体扩散层夹持在电解质膜的各个面上形成(涂敷)有催化剂层的膜/电极接合体(Membrane Electrode Assembly,以下也称为“MEA”)。以往，已知有通过在碳上吸附氟系聚合物而形成防水层并在MEA与气体扩散层之间配置防水层来进行热压接(热压)，由此制造出将各层接合的燃料电池的方
法。
发明内容
在上述现有技术中，由于热压接时的热量而使构成燃料电池的各层的水分气化，各层可能因干燥而变形或劣化。而且，根据热压接，电解质膜以干燥收缩的状态而与其他的层接合，因此由于接合后的运转时的吸水而在电解质膜产生的内部应力容易变大。另一方面，在上述现有技术中，离聚物主要由热运动而扩散，在层间缠结，由此来实现层间的接合，因此在比离聚物的玻璃化温度低的常温下的压接中无法得到充分的接合强度。而且，燃料电池的层间的接合要求确保高的电子导电性(低电阻)。本发明为了解决上述的课题而作出，其目的在于提供一种即使通过常温下的压接也能够确保燃料电池的层间的接合性和电子传导性的技术。为了解决上述课题的至少一部分，本发明可以作为以下的方式或适用例来实现。[适用例I]一种粘接材料，是燃料电池的层间的接合用的粘接材料，包括粘接性树脂；导电性粒子；及导电性树脂。该粘接材料包括粘接性树脂、导电性树脂、导电性粒子，因此具有粘附性，即使通过常温下的压接也能够提高燃料电池的层间的高分子材料彼此的密接性及缠结密度，能够实现燃料电池的层间的牢固的接合。而且，在燃料电池的层间接合中使用仅包含导电性粒子的粘接材料作为导电性材料时，在层间的接合性上有时存在问题，但由于该粘接材料不仅包括导电性粒子而且包括导电性树脂作为导电性材料，因此通过使用该粘接材料而能够实现燃料电池的层间的接合性与电子传导性这两者。[适用例2]在适用例I记载的粘接材料中，所述导电性粒子的平均直径大于所述燃料电池的催化剂载体的平均直径。该粘接材料由于导电性粒子的平均直径大于燃料电池的催化剂载体的平均直径，因此粘接材料中的位于导电性粒子的周围的包含粘接性树脂及导电性树脂的粘附材料难以进入燃料电池的催化剂层内的空隙。因此，即使在燃料电池的层间的接合中使用该粘接材料，也能够抑制气体扩散性的下降，从而能够抑制燃料电池的性能下降。[适用例3]在适用例I或适用例2记载的粘接材料中，所述粘接材料中的所述粘接性树脂的浓度为35%以上。如此，能够使粘接材料具有良好的接合性。[适用例4]在适用例3记载的粘接材料中，所述粘接材料中的所述导电性粒子的浓度为3%以下。如此，能够将粘接材料形成为容易涂敷在燃料电池的层上的膏剂状。[适用例5]在适用例4记载的粘接材料中，
所述粘接材料中的所述导电性树脂的浓度为50%以上。如此，能够使粘接材料适合于进行无加湿高温运转的燃料电池的层间接合用。需要说明的是，本发明能够以各种形态实现，例如，能够以燃料电池用粘接材料、燃料电池、燃料电池系统、燃料电池或燃料电池系统的制造方法等方式实现。
图I是简要表示能够适用本发明的实施方式的粘接材料的燃料电池100的剖面结构的说明图。图2是示意性地表示催化剂层与气体扩散层之间的粘接面的状态的说明图。图3是表示各状态下的电解质膜112的宽度W的变化的说明图。图4是表示在第二性能评价中使用的层叠体的概要的说明图。图5是表示第二性能评价的结果的说明图。
具体实施例方式A.燃料电池的结构图I是简要表示能够适用本发明的实施方式的粘接材料的燃料电池100的剖面结构的说明图。燃料电池100具备膜/电极接合体(以下，也称为“MEA”)110和形成在MEAllO的各个面上的防水层(防水层122及124)及气体扩散层(气体扩散层126及128)。MEAllO具有在电解质膜112的各个面上形成(涂敷)有催化剂层(催化剂层114及116)的结构。通常，燃料电池100在夹着未图示的隔板而层叠有多个燃料电池的电池组结构的状态下使用。本实施方式的燃料电池100是固体高分子型燃料电池。电解质膜112是通过固体高分子材料例如具备全氟磺酸的氟系树脂而形成的离子交换膜，在湿润状态下具有良好的质子传导性。催化剂层114、116具备例如钼或钼合金作为催化剂。更具体而言，催化剂层114、116包括担载上述催化剂的碳粒子和电解质材料(离聚物)。气体扩散层126、128是具有气体透过性的导电性构件，作为向MEAl 10供给反应气体(含有氢的燃料气体及含有氧的氧化气体)的流路而发挥作用。气体扩散层126、128可以通过碳纸、碳布、或金属网、发泡金属而形成。防水层122、124形成在气体扩散层126、128的与MEAllO相对的一侧的表面上。防水层122、124通过碳粒子和由聚四氟乙烯(PTFE PolytetrafIuoroethylene)等防水性树脂构成的树脂粒子形成，促进从MEAl 10、气体扩散层126、128的过剩的水分的排出。
B.燃料电池的制造方法本实施方式的燃料电池100通过以下的方法制造。首先，准备MEAllO和形成有防水层122、124的气体扩散层126、128。接下来，在MEAl 10的表面(即催化剂层114、116的表面)和形成有防水层122、124的气体扩散层126、128的表面中的至少一方涂敷粘接材料。在此，所使用的粘接材料是将粘接性树脂和导电性树脂与溶剂一起混合并进而将作为导电性粒子的导电性碳混合进行吸附/分散从而制成的粘附性膏剂材料。作为粘接性树脂，使用例如东亚合成公司的M-300，作为导电性树脂，使用例如Chemitrek公司的enocoat BP105,作为导电性碳，使用例如KETJEN BLACK INTERNATIONAL公司的科琴黑(KETJEN BLACK)EC-600JD。而且，作为溶剂，使用例如乙醇。
在粘接材料的涂敷之后，将MEAllO与形成有防水层122、124的气体扩散层126、128层叠，以常温(例如20°C ±15°C)压接。通过以上的工序，制造出将各层接合的燃料电池 100 (图 I)。图2是示意性地表示催化剂层与气体扩散层之间的粘接面的状态的说明图。图2Ca)表示配置在催化剂层114与阳极或阴极侧的防水层122及气体扩散层126之间的粘接材料AM。而且，在图2 (b)中，将图2 (a)的Xl部放大表示。如图2 (b)所示，催化剂层114包括作为催化剂载体的碳粒子CC和位于碳粒子CC的周围的离聚物10。而且，粘接材料AM包括导电性碳CP和由粘接性树脂及导电性树脂构成且位于导电性碳CP的周围的粘附材料RE。在此，在本实施例中，如图2 (b)所示,粘接材料AM中的导电性碳CP的平均粒径Rp大于催化剂层114的作为催化剂载体的碳粒子CC的平均粒径Re。当粘接材料AM中的导电性碳CP的平均粒径Rp与作为催化剂载体的碳粒子CC的平均粒径Re相同或比碳粒子CC的平均粒径Re小时，粘接材料AM中的位于导电性碳CP的周围的粘附材料RE容易进入催化剂层114内的空隙，由于粘附材料RE将催化剂层114内的空隙填埋而可能够会引起气体扩散性的下降。在本实施例中，由于粘接材料AM中的导电性碳CP的平均粒径Rp大于作为催化剂载体的碳粒子CC的平均粒径Re，因此粘接材料AM中的位于导电性碳CP的周围的粘附材料RE难以进入催化剂层114内的空隙，即使在催化剂层与气体扩散层之间的接合中使用包含粘接性树脂、导电性树脂、导电性碳在内的粘接材料，也能够抑制气体扩散性的下降，从而能够抑制燃料电池的性能下降。如以上说明那样，在本实施方式中，在燃料电池100的层间(具体而言，MEAllO的催化剂层114、116与形成有防水层122、124的气体扩散层126、128之间)的接合中使用的粘接材料包含粘接性树脂、导电性树脂、导电性碳。因此，该粘接材料具有粘附性，利用常温的压接也能够提高燃料电池100的层间的高分子材料彼此的密接性及缠结密度，不依赖于离聚物的种类、催化剂的种类、气体扩散层的种类等，而能够实现燃料电池100的层间的牢固的接合。另外，在本实施方式中，通过使用上述粘接材料能够制造利用常温的压接将层间牢固地接合的燃料电池100，因此能够抑制由于热量而构成燃料电池的各层的水分发生气化且各层因干燥而变形或劣化的情况。另外，在本实施方式中，通过使用上述粘接材料，能够制造利用常温下的压接而将层间牢固地接合的燃料电池100，因此在电解质膜112产生的内部应力降低，能够进一步提高燃料电池100的层间的接合性。图3是表示各状态下的电解质膜112的宽度W的变化的说明图。在图3的最上段表示常温且常湿(例如相对湿度65%±20%)下的接合前的电解质膜112的宽度W1。而且，图3的第4段表示利用常温下的压接来进行燃料电池100的接合的情况下的接合时的电解质膜112的宽度W4。宽度Wl与宽度W4大致相同。在图3的第2段表示利用热压接(热压)来进行燃料电池100的接合的情况下的接合时的电解质膜112的宽度W2。而且，在图3的第3段表示在接合后的燃料电池100的运转时，电解质膜112将水分吸收而发生了膨润时，假设电解质膜112为自由状态(未受限制的状态)时的电解质膜112的假想的宽度W3。从图3可知，在利用热压接来进行燃料电池100的接合的情况下，在运转时，在电解质膜112产生与宽度W3和宽度W2之差相当的内部变形(图中的变形量A)。相对于此，在利用常温下的压接来进行燃料电池100的接合的情况下，在运转时，在电解质膜112产生与宽度W3和宽度W4之差相当的内部变形(图中的变形量B)。从图3可知，变形量B比变形量A小。电解质膜112的内部应力与内部变形量成比例，因此在利用常温下的压接来进行燃料电池100的接合时，与利用热压接进行的情况相比，在运转时，能够降低在电解质膜产生的内部应力，其结果是，能够进一步提高燃料电池100的层间的接合性。
另外，在本实施方式中，在层间的接合中使用的粘接材料不仅包括导电性碳而且包括导电性树脂作为导电性材料，因此在燃料电池100中能够确保层间的接合性并确保层间的电子传导性。即，在粘接材料仅包含导电性碳作为导电性材料时，为了确保电子传导性而仅提高导电性碳的浓度(导电性碳量占粘接材料整体的比例，以下相同)时，无法将粘接材料膏剂化，为了使粘接材料膏剂化而也提高溶剂的浓度时，无法充分提高燃料电池100的层间的接合性。在本实施方式中，不是提高粘接材料中的导电性碳的浓度，而通过在粘接材料中包含导电性树脂来确保层间的电子传导性，从而能够得到可确保层间的接合性和电子传导性的粘接材料。另外，在本实施方式中，由于在燃料电池100的层间的接合中使用的粘接材料具有粘附性，因此与一般的热压接相比，能够利用小压力下的压接实现层间的更牢固的接合。因此，能够防止催化剂层114、116中的细孔被压扁而气体扩散性下降的情况，并且能够抑制由于气体扩散层126、128的表面的毛刺而在MEAllO形成贯通孔从而发生气体泄漏的情况。而且，与催化剂层114、116的载体直径相比，燃料电池100中的粘接材料的层厚充分小，因此不会发生粘接材料将催化剂层114、116中的细孔封闭而妨碍气体扩散性的情况。C.性能评价Cl.第一性能评价以上述的实施方式为基础，制作作为实施例的燃料电池用粘接材料，与比较例一起评价了性能。表I表示实施例及比较例中的粘接材料的配合比(各成分的浓度)。需要说明的是，在本性能评价中，使用chemitrek社的enocoat BP105作为导电性树脂,使用东亚合成公司的M-300作为粘接性树脂，使用乙醇作为溶剂，使用KETJEN -BLACK · INTERNATIONAL公司的科琴黑(KETJEN BLACK) EC-600JD作为导电性碳。表I
权利要求
1.一种粘接材料，是燃料电池的层间的接合用的粘接材料，包括 粘接性树脂； 导电性粒子；及 导电性树脂。
2.根据权利要求I所述的粘接材料，其中， 所述导电性粒子的平均直径大于所述燃料电池的催化剂载体的平均直径。
3.根据权利要求I或2所述的粘接材料，其中， 所述粘接材料中的所述粘接性树脂的浓度为35%以上。
4.根据权利要求3所述的粘接材料，其中， 所述粘接材料中的所述导电性粒子的浓度为3%以下。
5.根据权利要求4所述的粘接材料，其中， 所述粘接材料中的所述导电性树脂的浓度为50%以上。
6.一种燃料电池，具备 电解质膜； 配置在所述电解质膜的两面上的催化剂层；及 配置在所述催化剂层的与所述电解质膜相对的面的相反侧的面上且向所述催化剂层供给反应气体的气体扩散层， 所述催化剂层和所述气体扩散层使用粘接材料来接合， 所述粘接材料包含粘接性树脂、导电性粒子、导电性树脂。
7.根据权利要求6所述的燃料电池，其中， 所述导电性粒子的平均直径大于所述催化剂层的催化剂载体的平均直径。
8.根据权利要求6或7所述的燃料电池，其中， 所述粘接材料中的所述粘接性树脂的浓度为35%以上。
9.根据权利要求8所述的燃料电池，其中， 所述粘接材料中的所述导电性粒子的浓度为3%以下。
10.根据权利要求9所述的燃料电池，其中， 所述粘接材料中的所述导电性树脂的浓度为50%以上。
全文摘要
燃料电池的层间的接合用的粘接材料包括粘接性树脂、导电性粒子、及导电性树脂。
文档编号C09J9/02GK102823047SQ201080065888
公开日2012年12月12日 申请日期2010年4月1日 优先权日2010年4月1日
发明者关根忍 申请人:丰田自动车株式会社