JP6133094B2 - Manufacturing method of fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、電解質膜・電極構造体を囲繞する樹脂製枠部材を具備する燃料電池及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell including a resin frame member surrounding an electrolyte membrane / electrode structure and a method for manufacturing the same.
固体高分子形燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜をアノード電極とカソード電極で挟持した電解質膜・電極構造体(以下、MEAとも表記する)を具備する。周知の通り、アノード電極及びカソード電極の各々は、前記電解質膜に臨む電極触媒層と、該電極触媒層に積層されたガス拡散層とを有する。 The polymer electrolyte fuel cell includes an electrolyte membrane / electrode structure (hereinafter also referred to as MEA) in which an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode. As is well known, each of the anode electrode and the cathode electrode has an electrode catalyst layer facing the electrolyte membrane and a gas diffusion layer laminated on the electrode catalyst layer.
この種のMEAにおいて、アノード電極又はカソード電極の一方のガス拡散層が固体高分子電解質膜よりも小さな表面積に設定されるとともに、残余の一方のガス拡散層が前記電解質膜と同一の表面積に設定される、いわゆる段差MEAを構成する場合がある。その際、比較的高価な電解質膜の使用量を削減するとともに、薄膜状で低強度の前記電解質膜を保護するために、段差MEAの外壁を樹脂製枠部材で囲繞するようにしている。 In this type of MEA, one gas diffusion layer of the anode electrode or the cathode electrode is set to have a smaller surface area than the solid polymer electrolyte membrane, and the remaining one gas diffusion layer is set to the same surface area as the electrolyte membrane. In some cases, a so-called step MEA is formed. At that time, the outer wall of the step MEA is surrounded by a resin frame member in order to reduce the amount of use of the relatively expensive electrolyte membrane and to protect the thin membrane and low strength electrolyte membrane.
樹脂製枠部材と段差MEAの間は、クロスリーク等が起こることを回避するべく、高いガス遮断性が求められる。そこで、例えば、特許文献1に記載されるように樹脂製枠部材と段差MEAを接着剤で接着し、該接着剤を介して互いが密接するようにしている。
A high gas barrier property is required between the resin frame member and the step MEA in order to avoid the occurrence of a cross leak or the like. Therefore, for example, as described in
経時変化によって接着剤の接着強度が低下すると、樹脂製枠部材と段差MEAの密接を保つことが困難となり、ガス遮断性が低下する。これを回避するべく、接着剤を塗工したときの初期接着強度が十分に大きくなるようにしている。初期接着強度が大きいと、経時変化で接着強度がある程度低下したとしてもなお、密接を保ち得る十分な接着強度を維持し得るからである。 When the adhesive strength of the adhesive is lowered due to a change with time, it is difficult to keep the resin frame member and the step MEA in close contact with each other, and the gas barrier property is lowered. In order to avoid this, the initial adhesive strength when the adhesive is applied is sufficiently increased. This is because if the initial adhesive strength is large, even if the adhesive strength is reduced to some extent due to the change over time, sufficient adhesive strength that can maintain close contact can be maintained.
ここで、初期接着強度は、接着剤の塗工条件の影響を受けて変化し易い。すなわち、塗工条件が変化すると、初期接着強度のバラツキが大きくなる。初期接着強度が許容値を下回るものが多く製造されるようになると、燃料電池の歩留まりが低下することになる。 Here, the initial adhesive strength is likely to change under the influence of the coating condition of the adhesive. That is, when the coating conditions change, the initial adhesive strength varies greatly. If many of the initial adhesive strengths are less than the allowable value are manufactured, the yield of the fuel cell will be reduced.
このような理由から、塗工作業時には、温度や湿度等の諸条件を厳密に管理する必要がある。このため、温度や湿度を略一定に保ち得る作業室ないし作業チャンバが必要となり、設備投資が高騰するという不具合がある。また、このような厳密な管理を行うこと自体が、塗工作業を煩雑にしている。 For these reasons, it is necessary to strictly control conditions such as temperature and humidity during the coating operation. For this reason, a work room or a work chamber in which the temperature and humidity can be kept substantially constant is necessary, and there is a problem that the capital investment increases. Further, such strict management itself complicates the coating work.
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、厳密な管理を必要とせず、しかも、初期接着強度が十分に大きく且つそのバラツキが小さい燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made to solve the problems described above, without requiring strict management, moreover, intended to initial adhesive strength is to provide a sufficiently large and a manufacturing method of the variation is small fuel cells And
前記の目的を達成するために、本発明は、固体高分子膜からなる電解質膜を第1電極と第2電極の間に介装した電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の外壁を囲繞する樹脂製枠部材とを具備する燃料電池において、
前記第1電極は、前記電解質膜に臨む第1電極触媒層と、前記第1電極触媒層の外方に配設される第1ガス拡散層とを有し、且つ前記第2電極は、前記電解質膜に臨む第2電極触媒層と、前記第2電極触媒層の外方に配設される第2ガス拡散層とを有し、
前記第2電極が、前記電解質膜に比して小面積に設定され、
前記樹脂製枠部材には、前記第1電極及び前記電解質膜を収容する凹部と、前記第2電極が挿入される挿入孔とが形成され、
さらに、前記第2電極の外周から突出した前記電解質膜の外縁部と、前記外縁部に対向する前記凹部の内壁との間に接着層が設けられ、
前記接着層が設けられる前記凹部の内壁の表面エネルギが、60mN/m以上であることを特徴とする。
To achieve the above object, the present invention provides an electrolyte membrane / electrode structure in which an electrolyte membrane made of a solid polymer membrane is interposed between a first electrode and a second electrode, and the electrolyte membrane / electrode structure. In a fuel cell comprising a resin frame member surrounding an outer wall of
The first electrode includes a first electrode catalyst layer facing the electrolyte membrane, a first gas diffusion layer disposed outside the first electrode catalyst layer, and the second electrode includes the first electrode A second electrode catalyst layer facing the electrolyte membrane, and a second gas diffusion layer disposed outside the second electrode catalyst layer,
The second electrode is set to have a smaller area than the electrolyte membrane;
The resin frame member is formed with a recess for accommodating the first electrode and the electrolyte membrane, and an insertion hole into which the second electrode is inserted,
Furthermore, an adhesive layer is provided between the outer edge of the electrolyte membrane protruding from the outer periphery of the second electrode and the inner wall of the recess facing the outer edge,
The surface energy of the inner wall of the recess provided with the adhesive layer is 60 mN / m or more.
このような表面エネルギを有する内壁には、接着層が強固に付着する。すなわち、凹部の内壁と接着層との間で剥離が生じ難い。一方、接着層と電解質膜は馴染みが良好であり、従って、接着層と、電解質膜の外縁部との間での剥離も生じ難い。 The adhesive layer adheres firmly to the inner wall having such surface energy. That is, peeling hardly occurs between the inner wall of the recess and the adhesive layer. On the other hand, the adhesive layer and the electrolyte membrane are well-familiar, and therefore, peeling between the adhesive layer and the outer edge of the electrolyte membrane hardly occurs.
このため、電解質膜の外縁部と、凹部の内壁(樹脂製枠部材)との間の初期接着強度が大きい。従って、接着層が経時変化を起こし、このために接着強度がある程度低下したとしてもなお、十分な接着強度を維持することができる。 For this reason, the initial adhesive strength between the outer edge part of an electrolyte membrane and the inner wall (resin frame member) of a recessed part is large. Therefore, even if the adhesive layer undergoes a change with time, and the adhesive strength is reduced to some extent, sufficient adhesive strength can be maintained.
従って、段差MEAと樹脂製枠部材との密着、ひいてはガス遮断性が保たれるので、クロスリーク等が起こることを長期間にわたって回避することができる。このため、燃料電池の良好な発電特性を維持することも可能である。 Accordingly, the close contact between the step MEA and the resin frame member, and hence the gas barrier property, is maintained, so that it is possible to avoid the occurrence of a cross leak or the like over a long period of time. For this reason, it is also possible to maintain good power generation characteristics of the fuel cell.
また、本発明は、固体高分子膜からなる電解質膜を第1電極と第2電極の間に介装した電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の外壁を囲繞する樹脂製枠部材とを具備する燃料電池の製造方法において、
前記第1電極として、前記電解質膜の一端面に、前記電解質膜に臨む第1電極触媒層と、前記第1電極触媒層の外方に配設される第1ガス拡散層とを有するものを作製する工程と、
前記第2電極として、前記電解質膜の他端面に、前記電解質膜に臨む第2電極触媒層と、前記第2電極触媒層の外方に配設される第2ガス拡散層とを有し、且つ前記電解質膜に比して小面積であるものを作製する工程と、
前記樹脂製枠部材として、前記第1電極及び前記電解質膜を収容する凹部と、前記第2電極が挿入される挿入孔とが形成され、且つ前記凹部の内壁中の、前記第2電極の外周から突出した前記電解質膜の外縁部に対向する部位の表面エネルギが60mN/m以上であるものを作製する工程と、
前記樹脂製枠部材の、表面エネルギが60mN/m以上である前記部位と、前記電解質膜の前記外縁部とを、接着層を介して接着する工程と、
を有することを特徴とする。
The present invention also provides an electrolyte membrane / electrode structure in which an electrolyte membrane made of a solid polymer membrane is interposed between a first electrode and a second electrode, and a resin that surrounds an outer wall of the electrolyte membrane / electrode structure. In a method for manufacturing a fuel cell comprising a frame member,
The first electrode includes a first electrode catalyst layer facing the electrolyte membrane and a first gas diffusion layer disposed outside the first electrode catalyst layer on one end surface of the electrolyte membrane. A manufacturing process;
The second electrode has a second electrode catalyst layer facing the electrolyte membrane on the other end surface of the electrolyte membrane, and a second gas diffusion layer disposed outside the second electrode catalyst layer, And producing a small area compared to the electrolyte membrane;
As the resin frame member, a recess for accommodating the first electrode and the electrolyte membrane and an insertion hole for inserting the second electrode are formed, and an outer periphery of the second electrode in the inner wall of the recess A step of producing a surface energy of 60 mN / m or more of a portion facing the outer edge of the electrolyte membrane protruding from
Bonding the portion of the resin frame member having a surface energy of 60 mN / m or more and the outer edge portion of the electrolyte membrane via an adhesive layer;
It is characterized by having.
このような工程を経ることにより、段差MEAと樹脂製枠部材の初期接着強度が大きな組立体を容易に得ることができる。しかも、この場合、初期接着強度のバラツキが小さいので、組立体を歩留まりよく製造することができる。従って、燃料電池を効率よく得ることが可能となる。 By passing through such a process, an assembly with high initial adhesive strength between the step MEA and the resin frame member can be easily obtained. Moreover, in this case, since the variation in the initial adhesive strength is small, the assembly can be manufactured with a high yield. Therefore, a fuel cell can be obtained efficiently.
接着層が設けられる凹部の内壁の表面エネルギを60mN/m以上とするには、表面エネルギが60mN/m以上である素材を用いて樹脂製枠部材を作製すればよい。ただし、表面エネルギが60mN/m未満である素材を用いて樹脂製枠部材を作製し、その後、凹部の内壁の表面エネルギを60mN/m以上に向上させるようにしてもよい。この場合には、前記内壁に対し、例えば、表面改質処理を施せばよい。 In order to set the surface energy of the inner wall of the concave portion provided with the adhesive layer to 60 mN / m or more, a resin frame member may be manufactured using a material having a surface energy of 60 mN / m or more. However, a resin frame member may be manufactured using a material having a surface energy of less than 60 mN / m, and then the surface energy of the inner wall of the recess may be improved to 60 mN / m or more. In this case, for example, a surface modification process may be performed on the inner wall.
この種の表面改質処理としては、例えば、オゾン処理や紫外線処理が挙げられるが、とりわけ、プラズマ処理が好ましい。この場合、良好な接着強度が比較的長期間にわたって維持されるからである。 Examples of this type of surface modification treatment include ozone treatment and ultraviolet treatment, and plasma treatment is particularly preferable. In this case, good adhesive strength is maintained for a relatively long period.
表面エネルギを向上させる別の手法としては、粗面化処理が挙げられる。一層具体的には、ショットピーニング処理や研磨等である。この場合、凹部の内壁は他の部位よりも粗面化される。 As another method for improving the surface energy, there is a roughening treatment. More specifically, it is shot peening or polishing. In this case, the inner wall of the recess is roughened more than other parts.
本発明によれば、樹脂製枠部材において、第2電極の外周から突出した電解質膜の外縁部に対向する凹部の内壁の表面エネルギを、60mN/m以上とするようにしている。このため、該内壁に対し、電解質膜が接着層を介して強固に接着する。すなわち、初期接着強度が大きくなる。 According to the present invention, in the resin frame member, the surface energy of the inner wall of the recess facing the outer edge of the electrolyte membrane protruding from the outer periphery of the second electrode is set to 60 mN / m or more. For this reason, the electrolyte membrane is firmly bonded to the inner wall via the adhesive layer. That is, the initial adhesive strength is increased.
従って、接着層が経時変化によって接着強度がある程度低下したとしてもなお、十分な接着強度が保たれる。従って、樹脂製枠部材とMEAとの間の密着性が保たれ、その結果、クロスリーク等が起こることを長期間にわたって回避することができる。 Accordingly, even if the adhesive strength of the adhesive layer is lowered to some extent due to changes over time, sufficient adhesive strength is maintained. Therefore, the adhesion between the resin frame member and the MEA is maintained, and as a result, it is possible to avoid the occurrence of cross leak and the like over a long period of time.
しかも、初期接着強度のバラツキは小さい。このため、MEAを樹脂製枠部材に接着した組立体を歩留まりよく製造することができるので、燃料電池を効率よく製造することができる。 Moreover, the variation in the initial adhesive strength is small. For this reason, the assembly in which the MEA is bonded to the resin frame member can be manufactured with a high yield, so that the fuel cell can be manufactured efficiently.
以下、本発明に係る燃料電池の製造方法につき、該製造方法によって得られる燃料電池との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
Hereinafter, a manufacturing method of the fuel cells according to the present invention, DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A preferred embodiment in relation to a fuel cell obtained by the manufacturing method will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
本実施の形態に係る燃料電池は、図1に示す電解質膜・電極構造体(段差MEA)10が樹脂製枠部材12に支持された組立体14を具備する。すなわち、この組立体14が1組のセパレータ(図示せず)で挟持されることにより、単位セルが構成される。なお、図1は、組立体14の概略縦断面である。
The fuel cell according to the present embodiment includes an
段差MEA10につき説明すると、この段差MEA10は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜(固体高分子膜)に水が含浸された電解質膜16と、前記電解質膜16を挟持するアノード電極18(第1電極)及びカソード電極20(第2電極)とを有する。電解質膜16は、炭化水素化合物からなるものであってもよい。
The
アノード電極18は、電解質膜16の一端面に接着される第1電極触媒層22と、該第1電極触媒層22に積層される第1中間層24と、第1ガス拡散層26とを有する。第1電極触媒層22、第1中間層24及び第1ガス拡散層26は、電解質膜16と同一の外形寸法に設定される。すなわち、電解質膜16、第1電極触媒層22、第1中間層24及び第1ガス拡散層26の表面積は、互いに同一である。このため、アノード電極18側では、電解質膜16はアノード電極18に覆われ、露呈した部位はない。
The
一方、カソード電極20は、電解質膜16の他端面に接着される第2電極触媒層28と、該第2電極触媒層28に積層される第2中間層30と、第2ガス拡散層32とを有する。第2電極触媒層28、第2中間層30及び第2ガス拡散層32は互いに同一の外形寸法(表面積)に設定され、且つ電解質膜16の外形寸法(表面積)に比して小さく設定される。このため、電解質膜16の外縁部は、第2電極触媒層28、第2中間層30及び第2ガス拡散層32(カソード電極20)から外方に突出する。
On the other hand, the
第1電極触媒層22及び第2電極触媒層28は、例えば、カーボンブラックに白金粒子を担持した触媒粒子が電解質膜16の両端面に形成されることによって構成される。
The first
第1中間層24及び第2中間層30は、例えば、アノード電極18及びカソード電極20の排水性及び保水性の均衡を図るための層である。この場合、第1中間層24及び第2中間層30は、電子伝導性物質と撥水性樹脂とを含む多孔質性の層として設けられる。
The 1st intermediate |
なお、電子伝導性物質の好適な例としてはカーボン類が挙げられる。また、撥水性樹脂の素材としては、ETFE(テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体)、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、PVF(ポリフッ化ビニル)、ECTFE(クロロトリフルオロエチレン・エチレン共重合体)、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)、FEP(テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体)をはじめとする結晶性フッ素樹脂や、非晶質フッ素樹脂、シリコーン樹脂等が例示される。 In addition, carbons are mentioned as a suitable example of an electron conductive substance. In addition, as a material of the water repellent resin, ETFE (tetrafluoroethylene / ethylene copolymer), PVDF (polyvinylidene fluoride), PVF (polyvinyl fluoride), ECTFE (chlorotrifluoroethylene / ethylene copolymer), PTFE. (Polytetrafluoroethylene), PFA (tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer), FEP (tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer) and other crystalline fluororesins and amorphous fluororesins Examples thereof include silicone resins.
第1ガス拡散層26及び第2ガス拡散層32は、例えば、多数の繊維状カーボンがセルロース質に含有されることで構成されたカーボンペーパーを基材とする。この基材に、例えば、FEP等からなる撥水性樹脂を含有させた構成としてもよい。
The 1st
樹脂製枠部材12は、上記のように構成される段差MEA10の外壁を囲繞するように配設される。この樹脂製枠部材12は、何らかの表面改質処理を施すことなく、その表面エネルギが60mN/m以上である素材からなるものが好適である。そのような素材としては、ポリビニルアルコール、メラニン樹脂、親水性樹脂、金属材料等が挙げられる。また、樹脂材料中に、親水性を有する異種材を分散させたものであってもよい。
The
樹脂製枠部材12は、必ずしも上記したような素材からなるものである必要はない。表面エネルギが60mN/m未満である素材であっても、表面改質処理を施すことによって60mN/m以上とすることができるからである。なお、表面エネルギを60mN/m以上とすべき部位や、表面エネルギを向上させるための表面改質処理については後述する。
The
表面改質処理が施されていない時点での表面エネルギが60mN/m未満であるものの、樹脂製枠部材12の材質として好適に採用し得る素材としては、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)、シリコーンゴム、フッ素ゴム又はEPDM(エチレンプロピレンゴム)等を挙げることができる。
Although the surface energy when the surface modification treatment is not performed is less than 60 mN / m, examples of materials that can be suitably used as the material of the
樹脂製枠部材12は、例えば、溶融樹脂を用いた射出成形によって作製することができる。又は、樹脂フィルムから作製するようにしてもよい。
The
樹脂製枠部材12には、図1における下端面から上端面に向かうようにして、凹部34が陥没形成される。また、凹部34の内壁の一部である天井面から、外壁の一部である上端面にかけては、該凹部34に連なるようにして挿入孔36が貫通形成される。
A
凹部34には、アノード電極18の全体(第1ガス拡散層26、第1中間層24及び第1電極触媒層22)と、電解質膜16と、カソード電極20の第2電極触媒層28が収容される。従って、電解質膜16において、第2電極触媒層28の外周から突出した外縁部が凹部34の天井面(内壁の一部)に対向する。
The
ここで、凹部34の天井面の表面エネルギは60mN/m以上である。なお、天井面の表面エネルギを60mN/m以上とするには、樹脂製枠部材12を、表面エネルギが60mN/m以上である素材から作製すればよい。又は、表面エネルギが60mN/m未満である素材から樹脂製枠部材12を作製した後、少なくとも凹部34の天井面に対して表面改質処理を施せばよい。
Here, the surface energy of the ceiling surface of the
そして、電解質膜16の突出した外縁部と、凹部34の天井面との間には接着層38が介在する。この接着層38は、例えば、シリコーン系、エポキシ系、アクリル系、ウレタン系等の各種接着剤からなる。又は、加熱により溶融し、冷却により固化して接着力を得るホットメルト接着剤であってもよい。
An
接着層38(接着剤)は、表面エネルギが上記したような大きさである凹部34の天井面に対して強固に付着する。従って、電解質膜16の外縁部と、凹部34の天井面(すなわち、樹脂製枠部材12)との初期接着強度が大きくなる。しかも、初期接着強度のバラツキも小さい。
The adhesive layer 38 (adhesive) adheres firmly to the ceiling surface of the
また、挿入孔36には、カソード電極20の第2中間層30と第2ガス拡散層32が挿入される。挿入孔36の内壁と、第2中間層30と第2ガス拡散層32の外壁との間に隙間が形成されるときには、例えば、高分子材料からなる接着剤を充填するようにしてもよい。
Further, the second
本実施の形態に係る燃料電池は、以上のように構成される組立体14が1組のセパレータで挟持された単位セルを具備するものであり、次に、その作用効果につき、該燃料電池の動作との関係で説明する。
The fuel cell according to the present embodiment includes a unit cell in which the
この燃料電池を発電する際には、前記セパレータを介して段差MEA10に反応ガスが供給される。すなわち、アノード電極18の第1ガス拡散層26に燃料ガス(例えば、水素)が供給されるとともに、カソード電極20の第2ガス拡散層32に酸化剤ガス(例えば、空気)が供給される。燃料ガスが第1中間層24を通過して第1電極触媒層22に到達すると、該燃料ガス中の水素が第1電極触媒層22にて電離する反応が起こる。これにより、プロトンと水素が生成する。プロトンは、電解質膜16のプロトン伝導作用により、第2電極触媒層28に移動する。
When power is generated from this fuel cell, the reaction gas is supplied to the
一方、酸化剤ガスは、第2中間層30を通過して第2電極触媒層28に到達する。この第2電極触媒層28において、酸化剤ガス中の酸素と、該第2電極触媒層28に移動してきたプロトンと、アノード電極18から取り出され、モータ等の外部負荷を付勢してカソード電極20に到達した電子とが反応し、水が生成する。
On the other hand, the oxidant gas passes through the second
以上のようにして燃料電池が発電する間、経時変化によって接着層38の接着強度が初期接着強度から低下することがある。
As described above, during the power generation of the fuel cell, the adhesive strength of the
しかしながら、接着層38の初期接着強度が大きいので、接着強度がある程度低下したとしてもなお、段差MEA10と樹脂製枠部材12とが接着層38を介して密接する。このため、段差MEA10と樹脂製枠部材12の間のガス遮断性が維持されるので、クロスリーク等が起こることを長期間にわたって回避することができる。従って、クロスリークに起因して燃料電池の発電特性が低下することを防止することもできる。
However, since the initial adhesive strength of the
以上のように、凹部34の天井面の表面エネルギを60mN/m以上とした本実施の形態によれば、段差MEA10と樹脂製枠部材12の密接を長期間にわたって維持することが可能となる。従って、燃料電池の良好な発電特性を長期間にわたって維持することができるという効果が得られる。
As described above, according to the present embodiment in which the surface energy of the ceiling surface of the
次に、本実施の形態に係る燃料電池の製造方法につき説明する。 Next, a method for manufacturing the fuel cell according to the present embodiment will be described.
先ず、段差MEA10を得るべく、電解質膜16の一端面にアノード電極18を設け、且つ他端面にカソード電極20を設ける。このためには、はじめに、電解質膜16の一端面に第1電極触媒層22を設け、且つ他端面に第2電極触媒層28を設ける。
First, in order to obtain the
第1電極触媒層22を得るには、白金等の電極触媒と溶媒との混合物にバインダ溶液を投入し、所定のインク粘度となるまで混合した電極インクを調製する。その後、この電極インクを、例えば、スクリーン印刷によってPETシートに塗工する。また、第2電極触媒層28を設けるための電極インクもこれに準拠して調製し、スクリーン印刷等によって、前記PETシートとは別のPETシートに塗工する。なお、第1電極触媒層22となる電極インクと、第2電極触媒層28となる電極インクとで電極触媒の量を相違させるようにしてもよい。
In order to obtain the first
この際、第1電極触媒層22となる電極インクの塗工面積は、乾燥硬化によって得られる第1電極触媒層22の表面積が電解質膜16の表面積と略一致するように設定される。
At this time, the coating area of the electrode ink to be the first
一方、第2電極触媒層28は、上記したように電解質膜16よりも小面積である。従って、第2電極触媒層28となる電極インクの塗工面積は、乾燥硬化によって得られる第2電極触媒層28の表面積が、第1電極触媒層22及び電解質膜16の表面積よりも小さく設定される。
On the other hand, the second
次いで、電解質膜16の一端面及び他端面の各々に、各電極インクが電解質膜16に接触するようにしてPETシートを添着する。この状態でホットプレスを行って電極インクを転写・乾燥硬化させた後、PETシートを剥離する。これにより、電解質膜16の一端面に第1電極触媒層22が設けられ、且つ他端面に第2電極触媒層28が設けられる。
Next, a PET sheet is attached to each of the one end surface and the other end surface of the
その一方で、第1中間層24及び第1ガス拡散層26の第1重畳体と、第2中間層30及び第2ガス拡散層32の第2重畳体を作製する。すなわち、例えば、カーボンブラック及びPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)粒子を含む混合物をエチレングリコールに均一に分散させたスラリーを調製する。このスラリーを2枚のカーボンペーパーの各々に塗布して乾燥することにより、前記カーボンペーパーを第1ガス拡散層26又は第2ガス拡散層32とする第1重畳体と、且つ前記スラリーの乾燥硬化物である第1中間層24又は第2中間層30とする第2重畳体とが得られる。
Meanwhile, a first superimposed body of the first
2枚のカーボンペーパーは、表面積が互いに相違するように切り出される。すなわち、第1ガス拡散層26となるカーボンペーパーは、電解質膜16と略同一面積で切り出され、一方、第2ガス拡散層32となるカーボンペーパーは、電解質膜16及び第1ガス拡散層26よりも小面積で切り出される。カーボンペーパー同士にこのような面積差があるため、必然的に、第1中間層24が第2中間層30に比して大面積となる。
The two carbon papers are cut so that the surface areas are different from each other. That is, the carbon paper that becomes the first
次いで、第1中間層24が第1電極触媒層22に当接するように配置され、且つ第2中間層30が第2電極触媒層28に当接するように配置される。この状態でホットプレスが行われることにより第1中間層24が第1電極触媒層22に接着し、且つ第2中間層30が第2電極触媒層28に接着する。その結果、段差MEA10が作製される。
Next, the first
第1電極触媒層22又は第2電極触媒層28となる2種の電極インクは、順不同で調製し得る。第1重畳体及び第2重畳体の作製順序も同様に順不同である。勿論、複数の作業者によって2種の電極インクを同時に調製してもよいし、第1重畳体及び第2重畳体を同時に調製してもよい。
The two types of electrode ink to be the first
その一方で、凹部34及び挿入孔36が形成された樹脂製枠部材12を作製する。このためには、例えば、上記したような素材の溶融樹脂を用い、所定の形状のキャビティを形成する金型で射出成形を行えばよい。又は、樹脂製フィルムから樹脂製枠部材12を設けるようにしてもよい。
On the other hand, the
素材それ自体が60mN/m以上の表面エネルギを示すものである場合には、表面改質処理を施す必要はない。一方、表面エネルギが60mN/m未満である素材を用いた場合、少なくとも、凹部34の内壁中、電解質膜16の外縁部に対向する部位となる天井面の表面エネルギを60mN/m以上に向上させる。
When the material itself exhibits a surface energy of 60 mN / m or more, it is not necessary to perform a surface modification treatment. On the other hand, when a material having a surface energy of less than 60 mN / m is used, at least the surface energy of the ceiling surface, which is the portion facing the outer edge of the
表面エネルギをこのように向上させる好適な手法としては、表面改質処理が挙げられる。その具体例は、プラズマ処理、オゾン処理、紫外線(UV)処理等である。 A suitable method for improving the surface energy in this way is a surface modification treatment. Specific examples thereof include plasma treatment, ozone treatment, and ultraviolet (UV) treatment.
この中、プラズマ処理が特に好ましい。この場合、凹部34の天井面と接着層38との間の接着強度が長期間にわたって保たれるので、電解質膜16の外縁部が凹部34の天井面から剥離し難い。すなわち、樹脂製枠部材12と段差MEA10の密着を長期間にわたって維持することができる。
Of these, plasma treatment is particularly preferred. In this case, since the adhesive strength between the ceiling surface of the
プラズマ処理を行うには、凹部34の天井面にプラズマを照射すればよい。プラズマの照射は、凹部34の表面エネルギが60mN/m以上に向上するまで継続される。その照射時間は、素材に応じて相違する。
In order to perform the plasma treatment, the ceiling surface of the
同様に、オゾン処理を行う場合には凹部34の天井面にオゾンを供給すればよく、UV処理を行う場合には凹部34の天井面に紫外線を照射すればよい。勿論、いずれの処理も、凹部の表面エネルギが60mN/m以上に向上するまで継続される。
Similarly, ozone may be supplied to the ceiling surface of the
なお、表面エネルギは、JIS K 6768の規定に則って測定すればよい。 In addition, what is necessary is just to measure surface energy according to the prescription | regulation of JISK6768.
次いで、凹部34の天井面と、電解質膜16の突出した外縁部との間に接着剤を配置する。典型的には、凹部34の天井面に接着剤を塗工する。なお、ホットメルト接着剤を用いる場合には、ホットメルトシートを配置すればよい。
Next, an adhesive is disposed between the ceiling surface of the
次いで、段差MEA10を、カソード電極20側から樹脂製枠部材12の凹部34に挿入する。電解質膜16の外縁部が凹部34の天井面に当接すると、段差MEA10のそれ以上の進入が阻止される。この際、アノード電極18、電解質膜16、及び第2電極触媒層28が凹部34に収容され、且つカソード電極20の第2中間層30及び第2ガス拡散層32が挿入孔36に挿入される。
Next, the
この状態で、接着剤を硬化させて接着層38とすることにより、段差MEA10と樹脂製枠部材12が接着層38を介して強固に接着され、且つ互いに密着した組立体14が得られるに至る。
In this state, the adhesive is cured to form the
以上のように、本実施の形態によれば、凹部34の内壁中、電解質膜16の外縁部に対向する天井面の表面エネルギを60mN/m以上とすることにより、段差MEA10と樹脂製枠部材12を接着する接着層38の初期接着強度が十分に大きくなる。このため、接着層38を設ける際、温度や湿度等を厳密に管理する必要は特にない。
As described above, according to the present embodiment, the
従って、温度や湿度を略一定に保ち得る作業室ないし作業チャンバを設ける必要も特にない。これにより、設備投資を低廉化し得る。 Therefore, there is no need to provide a working chamber or working chamber that can keep the temperature and humidity substantially constant. Thereby, capital investment can be reduced.
しかも、この場合、初期接着強度のバラツキが小さい。このために組立体14を歩留まりよく製造することができるので、燃料電池を効率よく製造することができるという利点がある。
In addition, in this case, the variation in the initial adhesive strength is small. For this reason, since the
本発明は、上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。 The present invention is not particularly limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
例えば、凹部34の天井面に対してショットピーニング処理又はブラスト処理を施すことで粗面化を行い、これにより、該天井面の表面エネルギを60mN/m以上に向上させるようにしてもよい。
For example, the ceiling surface of the
また、上記の実施の形態では、アノード電極18を表面積が広大な第1電極とし、且つカソード電極20を表面積が狭小な第2電極としているが、これとは逆に、カソード電極20を表面積が広大な第1電極とし、且つアノード電極18を表面積が狭小な第2電極としてもよい。
In the above embodiment, the
さらに、第1中間層24及び第2中間層30を割愛するようにしてもよい。
Further, the first
さらにまた、凹部34にアノード電極18及び電解質膜16のみを収容し、挿入孔36にカソード電極20の全体を挿入するようにしてもよいことは勿論である。
Furthermore, it goes without saying that only the
そして、樹脂製枠部材12を溶融してその肉の一部を第1ガス拡散層26、第2ガス拡散層32に浸透させるようにしてもよい。
Then, the
はじめに、段差MEA10を作製した。すなわち、先ず、東レ社製のカーボンペーパーであるTGP−H060から、外形寸法が100mm×140mmである大切片と、73×113mmである小切片とを切り出した。その一方で、カーボンブラックとPTFE粒子を重量比で4:6で混合した混合粒子をエチレングリコールに略均一に分散させ、スラリーを得た。このスラリーを、前記大切片及び前記小切片の各々に塗布して乾燥し、大切片(カーボンペーパー)からなる第1ガス拡散層26上に第1中間層24が積層された大面積重畳体と、小切片(カーボンペーパー)からなる第2ガス拡散層32上に第2中間層30が積層された小面積重畳体とを得た。
First, a
また、n−プロパノール:水=1:2(体積比)の混合溶媒に、重量比で該混合溶媒の1/10の白金粒子を添加した。その後、イオン伝導性ポリマー溶液であるDE2020(デュポン社製のパーフルオロスルホン酸高分子化合物溶液の商品名)を、白金粒子:ポリマー成分=1:1.5(重量比)でさらに添加し、遊星ボールミルにて80rpm、120分間の回転混合を行った。以上により、カソード用電極インクを得た。 Further, 1/10 platinum particles of the mixed solvent in a weight ratio were added to a mixed solvent of n-propanol: water = 1: 2 (volume ratio). Thereafter, DE2020 (trade name of perfluorosulfonic acid polymer compound solution manufactured by DuPont), which is an ion conductive polymer solution, was further added at platinum particles: polymer component = 1: 1.5 (weight ratio), and planets were added. Rotational mixing was performed at 80 rpm for 120 minutes with a ball mill. The cathode electrode ink was thus obtained.
さらに、このカソード用電極インクをPETフィルム上にスクリーン印刷で塗布した。この際、白金量が0.5mg/cm2となるようにした。その後、60℃で10分間加熱し、次いで、減圧下にて100℃で15分間加熱し、カソード側電極触媒層(第2電極触媒層28)を得た。 Further, this cathode electrode ink was applied on a PET film by screen printing. At this time, the platinum amount was set to 0.5 mg / cm 2 . Then, it heated at 60 degreeC for 10 minute (s), then, heated at 100 degreeC under reduced pressure for 15 minutes, and obtained the cathode side electrode catalyst layer (2nd electrode catalyst layer 28).
その一方で、アノード側電極触媒層を形成した。すなわち、先ず、白金粒子:ポリマー成分=1:1(重量比)となるようにしたこと以外は上記に準拠してアノード用電極インクを得た。次いで、このアノード用電極インクを前記PETフィルムとは別のPETフィルム上にスクリーン印刷で塗布した。この際、白金量が0.2mg/cm2となるようにした。その後、60℃で10分間加熱し、次いで、減圧下にて100℃で15分間加熱し、アノード側電極触媒層(第1電極触媒層22)を得た。 Meanwhile, an anode side electrode catalyst layer was formed. That is, first, an anode electrode ink was obtained in accordance with the above except that platinum particles: polymer component = 1: 1 (weight ratio). Subsequently, this anode electrode ink was applied by screen printing onto a PET film different from the PET film. At this time, the platinum amount was set to 0.2 mg / cm 2 . Then, it heated at 60 degreeC for 10 minute (s), and then, heated at 100 degreeC under reduced pressure for 15 minutes, and obtained the anode side electrode catalyst layer (1st electrode catalyst layer 22).
そして、電解質膜16であるナフィオンNRE−211(デュポン社製)の両端面に、アノード側電極触媒層、カソード側電極触媒層をそれぞれ当接させ、この状態で、120℃、2.0MPaの条件下で8分間のホットプレスを行うことで、電解質膜16にアノード側電極触媒層、カソード側電極触媒層を接着した。その後、PETフィルムを剥離した。
Then, the anode-side electrode catalyst layer and the cathode-side electrode catalyst layer are brought into contact with both end surfaces of Nafion NRE-211 (manufactured by DuPont), which is the
次いで、前記大面積重畳体の前記第1中間層24をアノード側電極触媒層に当接させ、且つ前記小面積重畳体の前記第2中間層30をカソード側電極触媒層に当接させた。この状態で、120℃、2.0MPaの条件下で12分間のホットプレスを行うことにより、電解質膜16の両端面に、大切片(第1ガス拡散層26)、第1中間層24、アノード側電極触媒層(第1電極触媒層22)の各表面積が電解質膜16の表面積と略同一である大面積のアノード電極18と、小切片(第2ガス拡散層32)、第2中間層30、カソード側電極触媒層(第2電極触媒層28)同士が略同一面積であり、且つ電解質膜16に比して小面積であるカソード電極20をそれぞれ形成し、段差MEA10を得た。この時点で、電解質膜16の外縁部がカソード電極20の外周から突出していた。
Next, the first
さらに、この段差MEA10につきトリミングを行い、最大の外形寸法を79.5mm×119.5mmとした。
Further, the
以上とは別に、東レ社製のA−900(PPS)を用いて射出成形を行い、上端面側の外形寸法が100mm×140mm、凹部34の開口寸法が80mm×120mm、挿入孔36の開口寸法が74×114mmである樹脂製枠部材12を作製した。
Separately from the above, injection molding is performed using A-900 (PPS) manufactured by Toray Industries, Inc., the outer dimension on the upper end surface side is 100 mm × 140 mm, the opening dimension of the
次いで、ヤマト科学社製のプラズマ装置YAP−510を用いて、凹部34の天井面にプラズマを所定時間照射した。その後、パシフィック化学社製のTension Checkerを用い、JIS K 6768に準拠して表面エネルギを測定した。
Subsequently, plasma was irradiated to the ceiling surface of the recessed
この測定用の樹脂製枠部材12とは別に、同一素材からなる樹脂製枠部材12を作製し、その凹部34の天井面に対して同一条件下でプラズマ照射を行った。その後、電解質膜16の突出した外縁部と、樹脂製枠部材12における凹部34の天井面との間に、スリーボンド社製のTB1220G(商品名)からなる接着剤を、幅が3mm、厚みが90μmとなるように塗布した。この塗布には、ムサシエンジニアリング社製のディスペンサML−606GXを用いた。
Separately from the
さらに、樹脂製枠部材12上に、PTFEシート及び平板を介して5kgの重錘を載置し、130℃とした乾燥炉内に120分間保持してTB1220Gを硬化させて接着層38を形成して、組立体14を得た。
Further, a 5 kg weight is placed on the
この状態から、段差MEA10を、接着部が2cm幅となるように短冊状に切断した。さらに、大切片(第1ガス拡散層26)及び第1中間層24と、小切片(第2ガス拡散層32)及び第2中間層30を除去し、樹脂製枠部材12に対して、アノード側電極触媒層(第1電極触媒層22)及びカソード側電極触媒層(第2電極触媒層28)が残留した電解質膜16が接着された状態とした。
From this state, the
そして、島津製作所社製のオートグラフAGS−Jの2個の把持部に、樹脂製枠部材12と、電極触媒層が残留した電解質膜16を個別に把持した。その後、樹脂製枠部材12と電解質膜16を互いが離間する方向に引っ張り、180°ピール強度を求めた。これを、10個のサンプルで繰り返した。
And the resin-made
プラズマ照射時間、プラズマ照射後における凹部34の天井面の表面エネルギと、ピール強度の平均値、ピール強度のバラツキ(標準偏差)との関係を図2に図表として示す。この図2から、前記天井面の表面エネルギを60mN/m以上とすることにより、ピール強度に優れ、且つそのバラツキが小さな接着部が得られることが諒解される。
The relationship between the plasma irradiation time, the surface energy of the ceiling surface of the
また、ポリプラスチック社製のベクトラLCP B130(液晶ポリマーの商品名)を用いたことを除いては上記に準拠し、プラズマ照射時間、プラズマ照射後における凹部34の天井面の表面エネルギと、ピール強度の平均値、ピール強度のバラツキ(標準偏差)との関係を調べた。
Further, except that Vectra LCP B130 (trade name of liquid crystal polymer) manufactured by Polyplastics was used, the plasma irradiation time, the surface energy of the ceiling surface of the
さらに、ベクトラLCP B130を用いて樹脂製枠部材12を作製した後、320番の紙ヤスリによって凹部34の天井面を研磨し、エタノールで洗浄したことを除いては上記に準拠してピール強度測定用のサンプルを作製した。このサンプルについては、研磨時間、研磨後における凹部34の天井面の表面エネルギと、ピール強度の平均値、ピール強度のバラツキ(標準偏差)との関係を調べた。
Further, after the
さらにまた、PPS製のフィルムを用いて樹脂製枠部材12を作製したことを除いては上記と同様にして、ピール強度測定用のサンプルを作製した。このサンプルについても、プラズマ照射時間、プラズマ照射後における凹部34の天井面の表面エネルギと、ピール強度の平均値、ピール強度のバラツキ(標準偏差)との関係を求めた。
Furthermore, a sample for measuring peel strength was prepared in the same manner as described above except that the
そして、ベクトラLCP B130を用いて樹脂製枠部材12を作製した後、凹部34の天井面に離型剤を塗布したことを除いては上記に準拠してピール強度測定用のサンプルを作製した。このサンプルについては、塗布後における凹部34の天井面の表面エネルギと、ピール強度の平均値、ピール強度のバラツキ(標準偏差)との関係を調べた。
And after producing the resin-made
以上の結果を、図2に併せて示す。上記と同様に、いずれの場合においても、前記天井面の表面エネルギを60mN/m以上とすることにより、ピール強度に優れ、且つそのバラツキが小さな接着部が得られることが明らかである。 The above results are also shown in FIG. Similarly to the above, in any case, it is apparent that an adhesive part having excellent peel strength and small variation can be obtained by setting the surface energy of the ceiling surface to 60 mN / m or more.
10…段差MEA 12…樹脂製枠部材
14…組立体 16…電解質膜
18…アノード電極 20…カソード電極
22…第1電極触媒層 24…第1中間層
26…第1ガス拡散層 28…第2電極触媒層
30…第2中間層 32…第2ガス拡散層
34…凹部 36…挿入孔
38…接着層
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記第1電極として、前記電解質膜の一端面に、前記電解質膜に臨む第1電極触媒層と、前記第1電極触媒層の外方に配設される第1ガス拡散層とを有するものを作製する工程と、
前記第2電極として、前記電解質膜の他端面に、前記電解質膜に臨む第2電極触媒層と、前記第2電極触媒層の外方に配設される第2ガス拡散層とを有し、且つ前記電解質膜に比して小面積であるものを作製する工程と、
前記樹脂製枠部材として、前記第1電極及び前記電解質膜を収容する凹部と、前記第2電極が挿入される挿入孔とが形成され、且つ前記凹部の内壁中の、前記第2電極の外周から突出した前記電解質膜の外縁部に対向する部位の表面エネルギが60mN/m以上であるものを作製する工程と、
前記樹脂製枠部材の、表面エネルギが60mN/m以上である前記部位と、前記電解質膜の前記外縁部とを、接着層を介して接着する工程と、
を有し、
表面エネルギが60mN/m以上である前記部位を、前記凹部の内壁に表面改質処理を施すことで得ることを特徴とする燃料電池の製造方法。 An electrolyte membrane / electrode structure in which an electrolyte membrane made of a solid polymer membrane is interposed between a first electrode and a second electrode, and a resin frame member surrounding an outer wall of the electrolyte membrane / electrode structure. In the fuel cell manufacturing method,
The first electrode includes a first electrode catalyst layer facing the electrolyte membrane and a first gas diffusion layer disposed outside the first electrode catalyst layer on one end surface of the electrolyte membrane. A manufacturing process;
The second electrode has a second electrode catalyst layer facing the electrolyte membrane on the other end surface of the electrolyte membrane, and a second gas diffusion layer disposed outside the second electrode catalyst layer, And producing a small area compared to the electrolyte membrane;
As the resin frame member, a recess for accommodating the first electrode and the electrolyte membrane and an insertion hole for inserting the second electrode are formed, and an outer periphery of the second electrode in the inner wall of the recess A step of producing a surface energy of 60 mN / m or more of a portion facing the outer edge of the electrolyte membrane protruding from
Bonding the portion of the resin frame member having a surface energy of 60 mN / m or more and the outer edge portion of the electrolyte membrane via an adhesive layer;
I have a,
Method for manufacturing a fuel cell surface energy of the region is 60 mN / m or more, and the resulting Rukoto by performing surface modification treatment on the inner wall of the recess.
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