JP6784492B2 - Manufacturing method of MEA with resin frame - Google Patents
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Description
本発明は、固体高分子電解質膜を第1電極及び第2電極で挟んだ段差MEAと、前記段差MEAの外周に接合される樹脂枠部材とを備える燃料電池用の樹脂枠付きMEAの製造方法に関する。 The present invention is a method for manufacturing a MEA with a resin frame for a fuel cell, which comprises a step MEA in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a first electrode and a second electrode, and a resin frame member bonded to the outer periphery of the step MEA. Regarding.
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体(MEA)を備えている。アノード電極及びカソード電極は、それぞれ触媒層(電極触媒層)とガス拡散層(多孔質カーボン)とを有している。 Generally, a polymer electrolyte fuel cell employs a solid polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. A fuel cell is provided with an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode electrode is arranged on one surface of a solid polymer electrolyte membrane and a cathode electrode is arranged on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane. There is. The anode electrode and the cathode electrode each have a catalyst layer (electrode catalyst layer) and a gas diffusion layer (porous carbon).
電解質膜・電極構造体は、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持されることにより、発電セル(単位燃料電池)が構成されている。発電セルは、所定の数だけ積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして、燃料電池電気自動車に使用されている。 The electrolyte membrane / electrode structure is sandwiched between separators (bipolar plates) to form a power generation cell (unit fuel cell). By stacking a predetermined number of power generation cells, for example, they are used in a fuel cell electric vehicle as an in-vehicle fuel cell stack.
電解質膜・電極構造体では、一方のガス拡散層が固体高分子電解質膜よりも小さな平面寸法に設定されるとともに、他方のガス拡散層が前記固体高分子電解質膜と略同一の平面寸法に設定される、所謂、段差MEAを構成する場合がある。その際、比較的高価な固体高分子電解質膜の使用量を削減させるとともに、薄膜状で強度が低い前記固体高分子電解質膜を保護するために、樹脂枠部材を組み込んだ樹脂枠付きMEAが採用されている。 In the electrolyte membrane / electrode structure, one gas diffusion layer is set to a smaller planar dimension than the solid polymer electrolyte membrane, and the other gas diffusion layer is set to substantially the same planar dimension as the solid polymer electrolyte membrane. It may form a so-called step MEA. At that time, in order to reduce the amount of the relatively expensive solid polymer electrolyte membrane used and to protect the thin film-like solid polymer electrolyte membrane having low strength, a MEA with a resin frame incorporating a resin frame member is adopted. Has been done.
例えば、特許文献1に開示されている樹脂枠付き電解質膜・電極構造体が知られている。この樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、段差MEAの段差部側である固体高分子電解質膜の外周縁部と樹脂枠部材の段部側である内周突部とが、接着剤により互いに固定されている。
For example, an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame disclosed in
ところで、固体高分子電解質膜の外周縁部に接着剤が塗布されると、時間の経過に伴って前記接着剤と前記固体高分子電解質膜との接着反応が進行してしまう。このため、固体高分子電解質膜と樹脂枠部材とを圧着させて接着剤を押し広げる際、接着反応が進行した部分(反応領域)と未反応の部分(未反応領域)との間に明確な界面が発生する場合がある。従って、接着剤が加圧及び加熱されて硬化し、接着層が形成された際、前記接着層が界面で剥離し易くなり、接着強度が低下するという問題がある。
By the way, when the adhesive is applied to the outer peripheral edge of the solid polymer electrolyte membrane, the adhesion reaction between the adhesive and the solid polymer electrolyte membrane proceeds with the passage of time. Therefore, when the solid polymer electrolyte membrane and the resin frame member are crimped to spread the adhesive, it is clear between the portion where the adhesive reaction has progressed (reaction region) and the unreacted portion (unreacted region). Interfaces may occur. Therefore, when the adhesive is pressurized and heated to cure and an adhesive layer is formed, there is a problem that the adhesive layer is easily peeled off at the interface and the adhesive strength is lowered.
本発明は、この種の課題を解決するものであり、接着層に反応領域を形成させないことにより、固体高分子電解質膜と樹脂枠部材とを接着するための接着剤を固体高分子電解質膜の外周面にのみ塗布して当該接着剤を押し広げた場合と比較して、段差MEAと樹脂枠部材との接着強度を高めることが可能な樹脂枠付きMEAの製造方法を提供することを目的とする。
The present invention solves this kind of problem, and an adhesive for adhering a solid polymer electrolyte film and a resin frame member by not forming a reaction region in the adhesive layer is applied to the solid polymer electrolyte film. intended to be applied only to the outer peripheral surface in comparison with the case where spread the adhesive, to provide a method of manufacturing the stepped MEA and resin frame member bonding strength enables Rukoto enhance resin framed MEA And.
本発明は、段差MEAと樹脂枠部材とを有する燃料電池用の樹脂枠付きMEAの製造方法に関するものである。段差MEAでは、固体高分子電解質膜の一方の面には、第1電極が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面には、第2電極が設けられるとともに、前記第1電極の平面寸法は、前記第2電極の平面寸法よりも大きな寸法に設定されている。 The present invention relates to a method for manufacturing a MEA with a resin frame for a fuel cell having a stepped MEA and a resin frame member. In the step MEA, a first electrode is provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane, a second electrode is provided on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane, and a flat surface of the first electrode is provided. The dimensions are set to be larger than the plane dimensions of the second electrode.
第2電極は、固体高分子電解質膜の外周面を露呈させた状態で、他方の面に設けられる触媒層、及び前記触媒層の外周面を露呈させた状態で、該触媒層に設けられるガス拡散層を備えている。樹脂枠部材は、固体高分子電解質膜の、第2電極の外方に露呈する外周面に接着剤により接合されている。
The second electrode is provided on the catalyst layer with the outer peripheral surface of the solid polymer electrolyte membrane exposed and the catalyst layer provided on the other surface, and the gas provided on the catalyst layer with the outer peripheral surface of the catalyst layer exposed. It has a diffusion layer. The resin frame member is bonded to the outer peripheral surface of the solid polymer electrolyte membrane exposed to the outside of the second electrode with an adhesive .
この製造方法では、前記固体高分子電解質膜の前記一方の面に、前記第1電極を設けるとともに、前記固体高分子電解質膜の前記他方の面に、前記ガス拡散層の外周端から前記触媒層の前記外周面を突出させて前記第2電極を設けることにより、前記段差MEAを製造する第1工程と、前記樹脂枠部材を成形する第2工程と、前記第1工程の後、前記固体高分子電解質膜の前記外周面に前記接着剤が塗布されないように前記触媒層の前記外周面にのみ前記接着剤を塗布する第3工程と、前記第2工程及び前記第3工程の後、前記段差MEAと前記樹脂枠部材とを重ねて、加圧及び加熱することにより、前記接着剤を前記触媒層の前記外周面から前記固体高分子電解質膜の前記外周面上に流動させて前記固体高分子電解質膜の前記外周面と該樹脂枠部材とを接合する接着層を形成する第4工程と、を有する。
In this production method, the first electrode is provided on the one surface of the solid polymer electrolyte membrane, and the catalyst layer is provided on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane from the outer peripheral end of the gas diffusion layer. After the first step of manufacturing the step MEA, the second step of molding the resin frame member, and the first step by projecting the outer peripheral surface of the above and providing the second electrode, the solid height After the third step of applying the adhesive only to the outer peripheral surface of the catalyst layer so that the adhesive is not applied to the outer peripheral surface of the molecular electrolyte membrane, and the second step and the third step, the step. By stacking the MEA and the resin frame member, applying pressure and heating, the adhesive is allowed to flow from the outer peripheral surface of the catalyst layer onto the outer peripheral surface of the solid polymer electrolyte membrane, and the solid polymer is allowed to flow. a fourth step of forming an adhesive layer for bonding the outer peripheral surface and the resin frame member of the electrolyte membrane, that having a.
また、この製造方法では、前記第3工程において、接着剤は、触媒層上でガス拡散層の外周端面に接して配置される第1接着ラインと、前記触媒層上で該触媒層の外周端部に配置される第2接着ラインとに塗布されることが好ましい。
Further, in this manufacturing method, in the third step, the adhesive has a first adhesive line arranged on the catalyst layer in contact with the outer peripheral end surface of the gas diffusion layer, and an outer peripheral end of the catalyst layer on the catalyst layer. It is preferably applied to the second adhesive line arranged in the portion.
さらに、この製造方法では、前記接着剤のうち前記第1接着ラインに塗布された部分は、前記第4工程の際に前記樹脂枠部材よりも前記固体高分子電解質膜とは反対側にはみ出さないことが好ましい。
さらにまた、前記第4工程において、前記固体高分子電解質膜の前記外周面には、前記接着剤が存在しない非接合領域が設けられていることが好ましい。
Further, in this manufacturing method, the portion of the adhesive applied to the first adhesive line protrudes from the resin frame member on the side opposite to the solid polymer electrolyte membrane during the fourth step. It is preferable that there is no such thing.
Furthermore, in the fourth step, it is preferable that the outer peripheral surface of the solid polymer electrolyte membrane is provided with a non-bonding region in which the adhesive does not exist.
本発明によれば、第3工程において、接着剤は、固体高分子電解質膜の外周面に接着剤が塗布されないように第2電極を構成するガス拡散層の外周端から外方に突出する触媒層の外周面にのみ塗布されている。そして、第4工程において、接着剤を触媒層の外周面から固体高分子電解質膜の外周面上に流動させて固体高分子電解質膜の外周面と樹脂枠部材とを接合する接着層を形成している。このため、接着層に反応領域が形成されない。従って、固体高分子電解質膜と樹脂枠部材とを接着するための接着剤を固体高分子電解質膜の外周面にのみ塗布して当該接着剤を押し広げた場合と比較して、段差MEAと樹脂枠部材との接着強度を高めることができる。
According to the present invention, in the third step, the adhesive is a catalyst that projects outward from the outer peripheral edge of the gas diffusion layer constituting the second electrode so that the adhesive is not applied to the outer peripheral surface of the solid polymer electrolyte membrane. It is applied only to the outer peripheral surface of the layer. Then, in the fourth step, an adhesive is allowed to flow from the outer peripheral surface of the catalyst layer onto the outer peripheral surface of the solid polymer electrolyte membrane to form an adhesive layer that joins the outer peripheral surface of the solid polymer electrolyte membrane and the resin frame member. ing. Therefore , a reaction region is not formed in the adhesive layer . Therefore, as compared with the case where the adhesive for adhering the solid polymer electrolyte membrane and the resin frame member is applied only to the outer peripheral surface of the solid polymer electrolyte membrane and the adhesive is spread out , the step MEA and the resin can Rukoto enhance the adhesive strength between the frame member.
図1及び図2に示すように、本発明の製造方法が適用される樹脂枠付きMEA(電解質膜・電極構造体)10は、横長(又は縦長)の長方形状の固体高分子型発電セル(燃料電池)12に組み込まれる。複数の発電セル12は、例えば、矢印A方向(水平方向)又は矢印C方向(重力方向)に積層されて燃料電池スタックが構成される。燃料電池スタックは、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車(図示せず)に搭載される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the MEA (electrolyte membrane / electrode structure) 10 with a resin frame to which the manufacturing method of the present invention is applied is a horizontally (or vertically long) rectangular solid polymer type power generation cell ( It is incorporated in the fuel cell) 12. The plurality of
発電セル12は、樹脂枠付きMEA10をアノードセパレータ14及びカソードセパレータ16で挟持する。アノードセパレータ14及びカソードセパレータ16は、横長(又は縦長)の長方形状を有する。アノードセパレータ14及びカソードセパレータ16は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成される。
The
長方形状の樹脂枠付きMEA10は、段差MEA10aを備える。図2に示すように、段差MEA10aは、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜18と、前記固体高分子電解質膜18を挟持するアノード電極(第1電極)20及びカソード電極(第2電極)22とを有する。固体高分子電解質膜18は、陽イオン交換膜であり、フッ素系電解質の他、HC(炭化水素)系電解質を使用してもよい。
The rectangular MEA10 with a resin frame includes a stepped MEA10a. As shown in FIG. 2, the step MEA10a is, for example, an anode electrode (first electrode) sandwiching the solid
カソード電極22は、固体高分子電解質膜18及びアノード電極20よりも小さな平面寸法(外形寸法)を有するとともに、前記固体高分子電解質膜18と前記アノード電極20とは、同一の平面寸法を有する。なお、上記の構成に代えて、アノード電極20は、固体高分子電解質膜18及びカソード電極22よりも小さな平面寸法を有するように構成してもよい。その際、アノード電極20は、第2電極となり、カソード電極22は、第1電極となる。
The
図2に示すように、アノード電極20は、固体高分子電解質膜18の一方の面18aに接合される第1電極触媒層20aと、前記第1電極触媒層20aに積層される第1ガス拡散層20bとを設ける。第1電極触媒層20a及び第1ガス拡散層20bは、同一の平面寸法(外形寸法)を有するとともに、固体高分子電解質膜18と同一(又は同一未満)の平面寸法に設定される。なお、第1電極触媒層20aは、第1ガス拡散層20bよりも小さな平面寸法(又は大きな平面寸法)に設定されてもよい。
As shown in FIG. 2, the
カソード電極22は、第2電極触媒層22aと第2ガス拡散層22bとを設ける。第2電極触媒層22aは、固体高分子電解質膜18の面18bに、前記固体高分子電解質膜18の外周面18beを露呈させた状態で接合される。第2ガス拡散層22bは、第2電極触媒層22aに、前記第2電極触媒層22aの外周面22aeを露呈させた状態で積層される。第2電極触媒層22aは、第2ガス拡散層22bの平面寸法よりも大きな平面寸法を有するとともに、固体高分子電解質膜18の平面寸法よりも小さな平面寸法に設定される。
The
第1電極触媒層20aは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、第1ガス拡散層20bの表面に一様に塗布されて形成される。第2電極触媒層22aは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、第2ガス拡散層22bの表面に一様に塗布されて形成される。
The first
第1ガス拡散層20bは、多孔性と導電性を有するマイクロポーラス層20b(m)と、カーボンペーパ又はカーボンクロス等のカーボン層20b(c)とから形成される。第2ガス拡散層22bは、多孔性と導電性を有するマイクロポーラス層22b(m)と、カーボンペーパ又はカーボンクロス等のカーボン層22b(c)とから形成される。第2ガス拡散層22bの平面寸法は、第1ガス拡散層20bの平面寸法よりも小さく設定される。
The first
第1電極触媒層20a及び第2電極触媒層22aは、固体高分子電解質膜18の両面に形成される。なお、マイクロポーラス層20b(m)及び22b(m)は、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。
The first
樹脂枠付きMEA10は、固体高分子電解質膜18の外周面18beに接合される全面が均一な厚さを有するフィルム状の樹脂枠部材(樹脂成形体又は樹脂フィルム)24を備える。樹脂枠部材24の内周端面24eとカソード電極22の第2ガス拡散層22bの外周端面22beとは、離間する。
The
樹脂枠部材24は、例えば、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、PPA(ポリフタルアミド)、PEN(ポリエチレンナフタレート)、PES(ポリエーテルサルフォン)、LCP(リキッドクリスタルポリマー)、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、m−PPE(変性ポリフェニレンエーテル樹脂)、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PBT(ポリブチレンテレフタレート)又は変性ポリオレフィン等で構成される。
The
樹脂枠部材24は、固体高分子電解質膜18の外周面18beに接合される接着面24aを設ける。固体高分子電解質膜18の外周面18beと樹脂枠部材24の接着面24aとの間には、例えば、液状のフッ素エラストマー等の接着剤26aによる接着剤層26が設けられる。
The
樹脂枠部材24の内周端面24eとカソード電極22の第2ガス拡散層22bの外周端面22beとの間には、第2電極触媒層22a上に位置して接着剤26aによる接着剤層26sが設けられる。接着剤層26は、段差MEA10aと樹脂枠部材24との接合強度を保持するものであり、接着剤層26sは、第2電極触媒層22aが外気に触れることを阻止するものである。なお、接着剤層26と接着剤層26sとは、繋がっていてもよい。
An
図1に示すように、発電セル12の矢印B方向(図1中、水平方向)の一端縁部には、それぞれ積層方向である矢印A方向に個別に連通して、酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体入口連通孔32a及び燃料ガス出口連通孔34bが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔30aは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、冷却媒体入口連通孔32aは、冷却媒体を供給する。燃料ガス出口連通孔34bは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体入口連通孔32a及び燃料ガス出口連通孔34bは、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。
As shown in FIG. 1, one end edge portion of the
発電セル12の矢印B方向の他端縁部には、それぞれ矢印A方向に個別に連通して、燃料ガスを供給する燃料ガス入口連通孔34a、冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔32b、及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔30bが設けられる。燃料ガス入口連通孔34a、冷却媒体出口連通孔32b及び酸化剤ガス出口連通孔30bは、矢印C方向に配列して設けられる。
At the other end of the
樹脂枠部材24の外周端は、酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体入口連通孔32a、燃料ガス出口連通孔34b、燃料ガス入口連通孔34a、冷却媒体出口連通孔32b及び酸化剤ガス出口連通孔30bの内側に位置して各連通孔は形成されない。
The outer peripheral end of the
カソードセパレータ16の樹脂枠付きMEA10に向かう面16aには、酸化剤ガス入口連通孔30aと酸化剤ガス出口連通孔30bとに連通して矢印B方向に延在する複数本の酸化剤ガス流路36が設けられる。
A plurality of oxidant gas flow paths extending in the direction of arrow B communicating with the oxidant gas
アノードセパレータ14の樹脂枠付きMEA10に向かう面14aには、燃料ガス入口連通孔34aと燃料ガス出口連通孔34bとに連通して矢印B方向に延在する複数本の燃料ガス流路38が形成される。互いに隣接するアノードセパレータ14の面14bとカソードセパレータ16の面16bとの間には、冷却媒体入口連通孔32aと冷却媒体出口連通孔32bとに連通して矢印B方向に延在する複数本の冷却媒体流路40が形成される。
A plurality of fuel
図1及び図2に示すように、アノードセパレータ14の面14a、14bには、このアノードセパレータ14の外周端部を周回して、第1シール部材42が一体化される。カソードセパレータ16の面16a、16bには、このカソードセパレータ16の外周端部を周回して、第2シール部材44が一体化される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
図2に示すように、第1シール部材42は、樹脂枠付きMEA10を構成する樹脂枠部材24に当接する第1凸状シール42aと、カソードセパレータ16の第2シール部材44に当接する第2凸状シール42bとを有する。第1シール部材42は、樹脂枠部材24とは反対側に突出する第3凸状シール42c及び第4凸状シール42dを有する。
As shown in FIG. 2, the
第2シール部材44は、第2凸状シール42bに当接する面がセパレータ面に沿って平面状に延在する平面シールを構成する。なお、第2凸状シール42bに代えて、第2シール部材44に凸状シール(図示せず)を設けてもよい。
The
第1シール部材42及び第2シール部材44には、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。
The
次いで、樹脂枠付きMEA10を製造するための本発明の第1の実施形態に係る製造方法について、以下に説明する。 Next, the manufacturing method according to the first embodiment of the present invention for manufacturing the MEA10 with a resin frame will be described below.
段差MEA10aが作製される一方、樹脂枠部材24は、フィルム(例えば、PPSシート)をトムソン刃で枠状に切断した部材が用意される。段差MEA10aを作製するには、まず、カーボンペーパからなるカーボン層20b(c)の平坦面に、カーボンブラックとPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)粒子との混合物からなるスラリーを塗布し、乾燥させて下地層であるマイクロポーラス層20b(m)が形成される。
While the step MEA10a is produced, the
マイクロポーラス層20b(m)にカーボン層20b(c)が接合されることにより、第1ガス拡散層20bが形成される。同様に、マイクロポーラス層22b(m)が形成され、前記マイクロポーラス層22b(m)にカーボン層22b(c)が接合されることにより、第2ガス拡散層22bが形成される。
The first
一方、電極触媒に溶媒を加えた後、イオン導電性高分子バインダ溶液として、例えば、パーフルオロアルキレンスルホン酸高分子化合物の溶液が投入される。そして、所定のインク粘度になるまで、溶媒を添加することにより、アノード電極インク及びカソード電極インクが作成される。 On the other hand, after adding the solvent to the electrode catalyst, for example, a solution of a perfluoroalkylene sulfonic acid polymer compound is added as an ionic conductive polymer binder solution. Then, the anode electrode ink and the cathode electrode ink are produced by adding the solvent until the ink has a predetermined viscosity.
そこで、図3に示すように、アノード電極インクは、PETフィルム50aにスクリーン印刷により塗工され、加熱乾燥されることにより、第1電極触媒層20aを設けたアノード電極シート52が形成される。第1電極触媒層20aは、固体高分子電解質膜18と同一の平面寸法に設定される。
Therefore, as shown in FIG. 3, the anode electrode ink is applied to the
同様に、カソード電極インクは、PETフィルム50bにスクリーン印刷により塗工され、加熱乾燥されることにより、第2電極触媒層22aを設けたカソード電極シート54が形成される。第2電極触媒層22aは、固体高分子電解質膜18よりも小さな平面寸法に設定される。
Similarly, the cathode electrode ink is applied to the
次いで、固体高分子電解質膜18が、アノード電極シート52及びカソード電極シート54に挟持された状態で、ホットプレスが行われる。そして、PETフィルム50a、50bが剥離されることにより、接合体(CCM)(catalyst coated membrane)が形成される。
Next, the hot press is performed with the solid
さらに、第1ガス拡散層20bと第2ガス拡散層22bとは、マイクロポーラス層20b(m)、22b(m)間にCCMを挟持し、ホットプレスにより一体化されて段差MEA10aが作製される(図2参照)。その際、固体高分子電解質膜18の面18bでは、第2電極触媒層22aの外周面22aeが、第2ガス拡散層22bの外周端部から露出し、前記固体高分子電解質膜18の外周面18beが前記第2電極触媒層22aの外周端部から露出する。
Further, the first
図4に示すように、段差MEA10aは、カソード電極22が上方に向くように配置される。第2電極触媒層22aの外周面22aeには、全周に亘って図示しないディスペンサーを用いて、液状の接着剤26aa及び液状の接着剤26abによる2つの接着ラインの塗工が施される。
As shown in FIG. 4, the step MEA10a is arranged so that the
接着剤26aaは、第2ガス拡散層22bの外周端面22beに接するように所定の幅寸法h1で、第1接着ラインに沿って塗工が行われる。接着剤26abは、第2電極触媒層22aの外周端部に近接する位置に所定の幅寸法h2で、第2接着ラインに沿って塗工が行われる。接着剤26abの幅寸法h2は、接着剤26aaの幅寸法h1よりも大きな値に設定される(h1<h2)。
The adhesive 26aa is coated along the first adhesive line with a predetermined width dimension h1 so as to be in contact with the outer peripheral end surface 22be of the second
次に、図5に示すように、樹脂枠部材24が段差MEA10a上に配置されるとともに、図示しないサーボプレス機により、加圧及び加熱処理される。このため、接着剤26aaは、樹脂枠部材24の内周端面24eとカソード電極22の外周端面22beとの間に流動する一方、接着剤26abは、第2電極触媒層22aの外周端部から固体高分子電解質膜18の外周面18be上に流動する。従って、接着剤26aaが硬化して接着剤層26sが形成されるとともに、接着剤26abが硬化して接着剤層26が形成され、樹脂枠付きMEA10が製造される(図2参照)。
Next, as shown in FIG. 5, the
そこで、上記の樹脂枠付きMEA10を短冊状に切削した試験片を、90℃の水中に3000時間だけ浸漬した後、23℃で50%RHの環境下に12時間放置した。さらに、第1ガス拡散層20bが剥離された後、第2ガス拡散層22bが剥離された試験片が得られ、島津製作所製のオートグラフにて、樹脂枠部材24の端部とCCMの端部とが個別に把持されて180゜のピール強度が計測された。
Therefore, the test piece obtained by cutting the MEA10 with a resin frame into a strip shape was immersed in water at 90 ° C. for 3000 hours and then left at 23 ° C. for 12 hours in an environment of 50% RH. Further, after the first
一方、図6に示すように、比較用段差MEA10a(ref.)により、比較片が作成された。比較片は、接着剤26a(ref.)が、固体高分子電解質膜18の外周面18be上に、第2電極触媒層22aの外周端部に近接する領域に亘って所定の幅寸法h2で塗工された。その他の製造工程は、上記の第1の実施形態と同様である。この結果、比較片の剥離強度に対して、試験片の剥離強度は、3倍以上の強度が得られた。
On the other hand, as shown in FIG. 6, a comparison piece was created by the comparison step MEA10a (ref.). In the comparative piece, the adhesive 26a (ref.) Is applied on the outer peripheral surface 18be of the solid
具体的には、比較片では、図6に示すように、接着剤26a(ref.)が、固体高分子電解質膜18の外周面18be上に塗工されている。このため、接着剤26a(ref.)は、外周面18beとの接触部位の反応が徐々に進行し、反応領域56が生成されている。
Specifically, in the comparative piece, as shown in FIG. 6, the adhesive 26a (ref.) Is coated on the outer peripheral surface 18be of the solid
次いで、図7に示すように、段差MEA10a(ref.)に樹脂枠部材24が加圧及び加熱処理される際、接着剤26a(ref.)が固体高分子電解質膜18の外周面18be上を押し広げられている。その際、流動する接着剤26a(ref.)と反応領域56とが明確に分離し、これらの間に明確な界面58が形成される場合がある。従って、接着剤26a(ref.)が加圧及び加熱されて硬化し、接着剤層26が形成された際、前記接着剤層26が界面58で剥離し易くなり、接着強度が低下してしまう。
Next, as shown in FIG. 7, when the
これに対して、第1の実施形態では、図4に示すように、段差MEA10aと樹脂枠部材24とを接着剤26abにより接合する際、前記接着剤26abは、第2電極触媒層22aの外周面22aeに塗布されている。これにより、接着剤26abと固体高分子電解質膜18とが接触する時間を可及的に短尺化させることができ、接着品質のばらつきを低減させることが可能になる。このため、簡単な工程で、段差MEA10aと樹脂枠部材24とを強固且つ確実に接着することができるという効果が得られる。
On the other hand, in the first embodiment, as shown in FIG. 4, when the
次に、このように構成される発電セル12の動作について、以下に説明する。
Next, the operation of the
まず、図1に示すように、酸化剤ガス入口連通孔30aには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔34aには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔32aには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔30aからカソードセパレータ16の酸化剤ガス流路36に導入され、矢印B方向に移動して段差MEA10aのカソード電極22に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔34aからアノードセパレータ14の燃料ガス流路38に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路38に沿って矢印B方向に移動し、段差MEA10aのアノード電極20に供給される。
Therefore, the oxidant gas is introduced into the oxidant
従って、段差MEA10aでは、カソード電極22に供給される酸化剤ガスと、アノード電極20に供給される燃料ガスとが、第2電極触媒層22a及び第1電極触媒層20a内で電気化学反応により消費されて、発電が行われる。
Therefore, in the
次いで、カソード電極22に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔30bに沿って矢印A方向に排出される。同様に、アノード電極20に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔34bに沿って矢印A方向に排出される。
Next, the oxidant gas supplied to and consumed by the
また、冷却媒体入口連通孔32aに供給された冷却媒体は、アノードセパレータ14とカソードセパレータ16との間の冷却媒体流路40に導入された後、矢印B方向に流通する。この冷却媒体は、段差MEA10aを冷却した後、冷却媒体出口連通孔32bから排出される。
Further, the cooling medium supplied to the cooling medium
次に、樹脂枠付きMEA10を製造するための本発明の第2の実施形態に係る製造方法について、以下に説明する。なお、第2の実施形態では、上記の第1の実施形態と同様に製造されており、同一の工程については、その詳細な説明は省略する。 Next, the manufacturing method according to the second embodiment of the present invention for manufacturing the MEA10 with a resin frame will be described below. In the second embodiment, it is manufactured in the same manner as in the first embodiment described above, and detailed description of the same steps will be omitted.
図8に示すように、第2電極触媒層22aの外周面22aeには、全周に亘って図示しないディスペンサーを用いて、液状の接着剤26aa及び液状の接着剤26acによる2つの接着ラインの塗工が施される。
As shown in FIG. 8, the outer peripheral surface 22ae of the second
接着剤26acは、第2電極触媒層22aの外周面22aeから固体高分子電解質膜18の外周面18beに亘って所定の幅寸法h3(h1<h3)で、第2接着ラインに沿って塗工が行われる。その際、固体高分子電解質膜18の外周面18beに塗布される接着剤面積S1は、前記外周面18beにおける前記固体高分子電解質膜18と樹脂枠部材24との接着面積S2(図9参照)の60%以下に設定される。
The adhesive 26ac is applied along the second adhesive line with a predetermined width dimension h3 (h1 <h3) from the outer peripheral surface 22ae of the second
さらに、図9に示すように、樹脂枠部材24及び段差MEA10aは、加圧及び加熱処理される。このため、接着剤26aaは、樹脂枠部材24の内周端面24eとカソード電極22の外周端面22beとの間に流動する一方、接着剤26acは、固体高分子電解質膜18の外周面18be上を外周端に向かって流動する。
Further, as shown in FIG. 9, the
この場合、接着剤26acの一部(接着剤面積S1)は、予め固体高分子電解質膜18の外周面18be上に塗工されており、時間の経過に伴って反応領域56が生成されている。従って、接着剤26acが固体高分子電解質膜18の外周面18be上を押し広げられる際、流動する前記接着剤26acと反応領域56との間に界面58が形成されている。
In this case, a part of the adhesive 26ac (adhesive area S1) is previously coated on the outer peripheral surface 18be of the solid
ここで、第2の実施形態では、固体高分子電解質膜18の外周面18beに予め塗布される接着剤面積S1は、前記外周面18beにおける接着面積S2の60%以下に設定されている。これにより、固体高分子電解質膜18と樹脂枠部材24とは、接着面積S2の40%以上の接合強度の高い接合領域を維持することができ、接着剤層26の剥離を良好に抑制することが可能になる。
Here, in the second embodiment, the adhesive area S1 applied in advance to the outer peripheral surface 18be of the solid
図10には、接着剤層26の接合領域{(接着面積S2−接着剤面積S1)/接着面積S2}×100%と剥離耐久性との関係が示されている。剥離耐久性とは、接合領域が100%である場合のピール強度を100としたとき、各接合領域でのピール強度の割合である。
FIG. 10 shows the relationship between the bonding region {(adhesive area S2-adhesive area S1) / adhesive area S2} × 100% of the
図10に示すように、接合領域が40%以上、すなわち、接着剤面積S1が接着面積S2の60%以下である際、良好なピール強度を保持することができる。このため、簡単な工程で、段差MEA10aと樹脂枠部材24とを強固且つ確実に接着することができる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
As shown in FIG. 10, when the bonding region is 40% or more, that is, the adhesive area S1 is 60% or less of the adhesive area S2, good peel strength can be maintained. Therefore, the same effect as that of the first embodiment can be obtained, such that the
図11は、本発明の製造方法が適用される他の樹脂枠付きMEA(電解質膜・電極構造体)80の要部断面説明図である。なお、樹脂枠付きMEA10と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。 FIG. 11 is a cross-sectional explanatory view of a main part of another MEA (electrolyte film / electrode structure) 80 with a resin frame to which the manufacturing method of the present invention is applied. The same components as the MEA10 with a resin frame are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
樹脂枠付きMEA80は、段差MEA80a及び樹脂枠部材82を備え、前記段差MEA80aと前記樹脂枠部材82とは、接着剤層26により接合される。
The MEA80 with a resin frame includes a step MEA80a and a
樹脂枠部材82は、長方形の枠形状を有するとともに、段差MEA80aの厚さ(矢印A方向の寸法)と略同一の厚さを有する外周部82aを設ける。外周部82aには、内周基端部82sから段部を介してカソード電極22側に膨出する薄肉状に形成された内側膨出部82bが設けられる。内側膨出部82bは、内周基端部82sから内方に所定の長さを有して延在し、固体高分子電解質膜18の外周面18beを覆って配置される。
The
このように構成される樹脂枠付きMEA80は、第1及び第2の実施形態に係る製造方法により製造される。従って、樹脂枠付きMEA10を用いた場合と同様の効果を得ることができる。 The MEA80 with a resin frame configured as described above is manufactured by the manufacturing method according to the first and second embodiments. Therefore, the same effect as when the MEA10 with a resin frame is used can be obtained.
10、80…樹脂枠付きMEA 10a、80a…段差MEA
12…発電セル 14、16…セパレータ
18…固体高分子電解質膜 18be…外周面
20…アノード電極 20a、22a…電極触媒層
20b、22b…ガス拡散層 22…カソード電極
24、82…樹脂枠部材 24a…接着面
26、26s…接着剤層 26a…接着剤
30a…酸化剤ガス入口連通孔 30b…酸化剤ガス出口連通孔
32a…冷却媒体入口連通孔 32b…冷却媒体出口連通孔
34a…燃料ガス入口連通孔 34b…燃料ガス出口連通孔
36…酸化剤ガス流路 38…燃料ガス流路
40…冷却媒体流路 42、44…シール部材
10, 80 ... MEA with
12 ...
Claims (4)
前記固体高分子電解質膜の、前記第2電極の外方に露呈する前記外周面に接着剤により接合される樹脂枠部材と、
を有する燃料電池用の樹脂枠付きMEAの製造方法であって、
前記固体高分子電解質膜の前記一方の面に、前記第1電極を設けるとともに、前記固体高分子電解質膜の前記他方の面に、前記ガス拡散層の外周端から前記触媒層の前記外周面を突出させて前記第2電極を設けることにより、前記段差MEAを製造する第1工程と、
前記樹脂枠部材を成形する第2工程と、
前記第1工程の後、前記固体高分子電解質膜の前記外周面に前記接着剤が塗布されないように前記触媒層の前記外周面にのみ前記接着剤を塗布する第3工程と、
前記第2工程及び前記第3工程の後、前記段差MEAと前記樹脂枠部材とを重ねて、加圧及び加熱することにより、前記接着剤を前記触媒層の前記外周面から前記固体高分子電解質膜の前記外周面上に流動させて前記固体高分子電解質膜の前記外周面と該樹脂枠部材とを接合する接着層を形成する第4工程と、を有する樹脂枠付きMEAの製造方法。 A first electrode is provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane, a second electrode is provided on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane, and the plane dimensions of the first electrode are the above. The second electrode is set to a size larger than the plane dimension of the second electrode, and the second electrode is provided with a catalyst layer and the catalyst layer provided on the other surface in a state where the outer peripheral surface of the solid polymer electrolyte membrane is exposed. A step MEA provided with a gas diffusion layer provided on the catalyst layer with the outer peripheral surface of the surface exposed.
A resin frame member bonded to the outer peripheral surface of the solid polymer electrolyte membrane exposed to the outside of the second electrode by an adhesive.
It is a manufacturing method of MEA with a resin frame for a fuel cell having
The first electrode is provided on the one surface of the solid polymer electrolyte membrane, and the outer peripheral surface of the catalyst layer is provided on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane from the outer peripheral end of the gas diffusion layer. The first step of manufacturing the step MEA by projecting and providing the second electrode, and
The second step of molding the resin frame member and
After the first step, a third step of applying the adhesive only to the outer peripheral surface of the catalyst layer so that the adhesive is not applied to the outer peripheral surface of the solid polymer electrolyte membrane .
After the second step and the third step, the step MEA and the resin frame member are overlapped with each other, and by pressurizing and heating the adhesive, the adhesive is applied from the outer peripheral surface of the catalyst layer to the solid polymer electrolyte. production of the outer peripheral surface and the fourth step and, that having a resin frame with MEA to form an adhesive layer for junction and the resin frame member of the by flowing solid polymer electrolyte film on the outer peripheral surface of the film Method.
前記接着剤のうち前記第1接着ラインに塗布された部分は、前記第4工程の際に前記樹脂枠部材よりも前記固体高分子電解質膜とは反対側にはみ出さない、樹脂枠付きMEAの製造方法。 The manufacturing method according to claim 2.
Of the adhesive, the portion applied to the first adhesive line does not protrude from the resin frame member to the side opposite to the solid polymer electrolyte membrane during the fourth step, and is a MEA with a resin frame. Production method.
前記第4工程において、前記固体高分子電解質膜の前記外周面には、前記接着剤が存在しない非接合領域が設けられている、樹脂枠付きMEAの製造方法。A method for producing a MEA with a resin frame, wherein in the fourth step, a non-bonding region in which the adhesive does not exist is provided on the outer peripheral surface of the solid polymer electrolyte membrane.
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