JP7285293B2 - MEA with resin frame and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、樹脂枠付きＭＥＡ及びその製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an MEA with a resin frame and a manufacturing method thereof.
例えば、特許文献１には、燃料電池用の発電セルの樹脂枠付きＭＥＡが開示されている。この樹脂枠付きＭＥＡは、ＭＥＡと、樹脂枠部材とを備える。ＭＥＡは、電解質膜と、電解質膜の両側に配設された一組の電極とを有する。樹脂枠部材は、ＭＥＡの外周部から外方に突出するように当該外周部に設けられている。 For example, Patent Literature 1 discloses an MEA with a resin frame of a power generation cell for a fuel cell. This resin-framed MEA includes an MEA and a resin frame member. The MEA has an electrolyte membrane and a set of electrodes disposed on either side of the electrolyte membrane. The resin frame member is provided on the outer peripheral portion of the MEA so as to protrude outward from the outer peripheral portion of the MEA.
樹脂枠付きＭＥＡは、１組のセパレータの間に挟まれる。これにより、発電セルが形成される。１組のセパレータの素材は、例えば、ステンレス鋼等の金属である。 The resin-framed MEA is sandwiched between a pair of separators. A power generation cell is thus formed. The material of the set of separators is, for example, metal such as stainless steel.
電解質膜の素材が固体高分子である場合、電解質膜内をプロトンが伝導する。この伝導は、電解質膜が湿潤状態であるときに生じる。そこで、電解質膜を湿潤状態に保つため、ＭＥＡに供給する反応ガスに水蒸気が混合される。セパレータの素材が金属材である場合には、この水蒸気に金属材の一部が溶出する可能性がある。金属材がステンレス鋼である場合、溶出が起こると、鉄イオン（Ｆｅ2+）又は銅イオン（Ｃｕ2+）等の金属イオンが生じる。 When the material of the electrolyte membrane is a solid polymer, protons conduct through the electrolyte membrane. This conduction occurs when the electrolyte membrane is wet. Therefore, water vapor is mixed with the reaction gas supplied to the MEA in order to keep the electrolyte membrane in a wet state. If the material of the separator is a metal material, there is a possibility that part of the metal material will be eluted into this water vapor. When the metal material is stainless steel, metal ions such as iron ions (Fe 2+ ) or copper ions (Cu 2+ ) are produced when leaching occurs.
上述したような樹脂枠付きＭＥＡでは、上記の金属イオンが電解質膜の外周端から電解質膜内を通り、電解質膜の中央領域（ＭＥＡの発電領域を形成する部分）に進入することがある。このような事態が発生すると、電解質膜の中央領域が劣化する懸念がある。 In the MEA with a resin frame as described above, the metal ions may pass through the electrolyte membrane from the outer peripheral edge of the electrolyte membrane and enter the central region of the electrolyte membrane (the portion forming the power generation region of the MEA). If such a situation occurs, there is concern that the central region of the electrolyte membrane will deteriorate.
本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the problems described above.
本発明の一態様は、燃料電池用の発電セルの樹脂枠付きＭＥＡであって、
電解質膜と、前記電解質膜の第１面に配設された第１電極と、前記電解質膜の第２面に配設された第２電極とを有するＭＥＡと、
前記ＭＥＡの外周部から外方に突出するように当該外周部に取り付けられた樹脂枠部材と、
を備え、
前記電解質膜は、前記樹脂枠部材の内周部と重なる外周重なり部を有し、
前記外周重なり部に、イオンの流通を阻止するイオン流通阻止部が設けられ、
前記イオン流通阻止部は、前記ＭＥＡの発電領域を取り囲む環状形状である、樹脂枠付きＭＥＡである。
One aspect of the present invention is an MEA with a resin frame for a power generating cell for a fuel cell,
an MEA having an electrolyte membrane, a first electrode disposed on a first side of the electrolyte membrane, and a second electrode disposed on a second side of the electrolyte membrane;
a resin frame member attached to the outer peripheral portion of the MEA so as to protrude outward from the outer peripheral portion;
with
the electrolyte membrane has an outer peripheral overlapping portion overlapping an inner peripheral portion of the resin frame member;
An ion circulation blocking portion that blocks circulation of ions is provided in the outer peripheral overlapping portion,
The ion flow blocking portion is an MEA with a resin frame, which has an annular shape surrounding the power generation region of the MEA.
本発明の他の態様は、燃料電池用の発電セルの樹脂枠付きＭＥＡの製造方法であって、
前記樹脂枠付きＭＥＡは、
電解質膜と、前記電解質膜の第１面に配設された第１電極と、前記電解質膜の第２面に配設された第２電極とを有するＭＥＡと、
前記ＭＥＡの外周部から外方に突出するように当該外周部に取り付けられた樹脂枠部材と、
を備え、
当該製造方法は、
前記第１電極に前記電解質膜を積層することにより積層体を得る積層工程と、
前記第１電極が積層された前記電解質膜の前記外周部に前記樹脂枠部材の内周部を重ねて前記電解質膜に外周重なり部を形成し、前記電解質膜の前記外周重なり部に前記樹脂枠部材の前記内周部を接合する接合工程と、
前記積層工程の後で、イオンの流通を阻止するイオン流通阻止部を、前記電解質膜の前記外周重なり部に設ける阻止部形成工程と、
を含み、
前記イオン流通阻止部を、前記ＭＥＡの発電領域を取り囲む環状形状に形成する、樹脂枠付きＭＥＡの製造方法である。
Another aspect of the present invention is a method for manufacturing an MEA with a resin frame for a power generating cell for a fuel cell, comprising:
The resin-framed MEA is
an MEA having an electrolyte membrane, a first electrode disposed on a first side of the electrolyte membrane, and a second electrode disposed on a second side of the electrolyte membrane;
a resin frame member attached to the outer peripheral portion of the MEA so as to protrude outward from the outer peripheral portion;
with
The manufacturing method is
a lamination step of obtaining a laminate by laminating the electrolyte membrane on the first electrode;
The inner peripheral portion of the resin frame member is superimposed on the outer peripheral portion of the electrolyte membrane on which the first electrode is laminated to form an outer peripheral overlapping portion on the electrolyte membrane, and the resin frame is formed on the outer peripheral overlapping portion of the electrolyte membrane. a joining step of joining the inner peripheral portions of the members;
After the lamination step, a blocking portion forming step of providing an ion flow blocking portion for blocking the flow of ions in the outer peripheral overlapping portion of the electrolyte membrane;
including
In the method for manufacturing a resin-framed MEA, the ion flow blocking portion is formed in an annular shape surrounding a power generation region of the MEA.
本発明によれば、ＭＥＡの外周部に、イオンの流通を阻止するためのイオン流通阻止部が位置する。このイオン流通阻止部は、電解質膜の外周端から中央領域へのイオンの進入を抑制する。これにより、ＭＥＡの外周側からのイオンの進入によって電解質膜の中央領域が劣化することを抑えることができる。 According to the present invention, the ion flow blocking portion for blocking the flow of ions is positioned on the outer peripheral portion of the MEA. This ion flow blocking portion prevents ions from entering the central region from the outer peripheral edge of the electrolyte membrane. As a result, it is possible to suppress the deterioration of the central region of the electrolyte membrane due to the entry of ions from the outer peripheral side of the MEA.
図１は、第１実施形態に係る樹脂枠付きＭＥＡ１０を備えた発電セル１２の分解斜視図である。発電セル１２は、燃料電池スタック１４の単位セルである。燃料電池スタック１４は、複数の発電セル１２を有する。複数の発電セル１２は、矢印Ａ方向に積層されている。燃料電池スタック１４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。
FIG. 1 is an exploded perspective view of a
発電セル１２は、横長の長方形状を有する。発電セル１２は、樹脂枠付きＭＥＡ１０（樹脂枠付き電解質膜・電極構造体）と、第１セパレータ部材１６及び第２セパレータ部材１８とを有する。樹脂枠付きＭＥＡ１０は、第１セパレータ部材１６と第２セパレータ部材１８との間に配設されている。
The
第１セパレータ部材１６及び第２セパレータ部材１８の各々は、金属薄板の断面を波形にプレス成形して形成される。この金属薄板は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板又はめっき処理鋼板である。当該金属薄板は、表面に防食用の表面処理が施されたステンレス鋼板又は表面に防食用の表面処理が施されたアルミニウム板であってもよい。第１セパレータ部材１６と第２セパレータ部材１８とは、図示しない複数の接合ラインにより互いに接合されて接合セパレータ２０を形成する。
Each of the
図１及び図２において、樹脂枠付きＭＥＡ１０は、ＭＥＡ２２（電解質膜・電極構造体）と、樹脂枠部材２４とを備える。樹脂枠部材２４は、ＭＥＡ２２の外周部２２ｏから外方に突出するように当該外周部２２ｏに取り付けられている。
1 and 2, the
図２に示すように、ＭＥＡ２２は、電解質膜２６と、第１電極２８と、第２電極３０とを有する。第１電極２８は、例えば、アノードである。第２電極３０は、例えば、カソードである。これとは逆に、第１電極２８をカソードとし、且つ第２電極３０をアノードとしてもよい。
As shown in FIG. 2,
第１電極２８は、電解質膜２６の第１面２６ａに配置されている。第２電極３０は、電解質膜２６の第２面２６ｂに配置されている。電解質膜２６は、例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）である。固体高分子電解質膜は、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。電解質膜２６は、第１電極２８及び第２電極３０に挟持される。電解質膜２６は、フッ素系電解質又はＨＣ（炭化水素）系電解質であってもよい。
The
第１電極２８は、第１電極触媒層３２と、第１ガス拡散層３４とを有する。第１電極触媒層３２は、電解質膜２６の第１面２６ａに接合されている。第１ガス拡散層３４は、第１電極触媒層３２に積層されている。第２電極３０は、第２電極触媒層３６と、第２ガス拡散層３８とを有する。第２電極触媒層３６は、電解質膜２６の第２面２６ｂに接合されている。第２ガス拡散層３８は、第２電極触媒層３６に積層されている。
The
第１電極触媒層３２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を含む。当該多孔質カーボン粒子は、イオン導電性高分子バインダを介して互いに物理的に結合されている。多孔質カーボン粒子は、この状態で、第１ガス拡散層３４の表面に一様に塗布されている。第２電極触媒層３６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を含む。当該多孔質カーボン粒子は、イオン導電性高分子バインダを介して互いに物理的に結合されている。多孔質カーボン粒子は、この状態で、第２ガス拡散層３８の表面に一様に塗布されている。第１ガス拡散層３４及び第２ガス拡散層３８は、カーボンペーパ又はカーボンクロス等を含む。
The first
樹脂枠部材２４は、電気的絶縁性を有する。樹脂枠部材２４の素材としては、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が挙げられる。
The
樹脂枠部材２４は、四角環状の部材である（図１参照）。樹脂枠部材２４の内周部２４ｉは、第１電極２８の外周部２８ｏと第２電極３０の外周部３０ｏとの間に配置される。具体的に、樹脂枠部材２４の内周部２４ｉは、電解質膜２６の外周部２６ｏと第２電極３０の外周部３０ｏとによって挟持される。樹脂枠部材２４の第１面２４ａは、電解質膜２６の外周部２６ｏに向いている。樹脂枠部材２４の第２面２４ｂは、第２電極３０の外周部３０ｏに向いている。なお、樹脂枠部材２４の内周部２４ｉは、電解質膜２６の外周部２６ｏと第１電極２８の外周部２８ｏとによって挟持されてもよい。
The
電解質膜２６の外周部２６ｏは、樹脂枠部材２４の内周部２４ｉに重なる外周重なり部４０を有する。外周重なり部４０は、樹脂枠部材２４の内周部２４ｉに沿って環状（四角環状）に延在している。ＭＥＡ２２の外周部２２ｏは、電解質膜２６の外周重なり部４０を厚さ方向（矢印Ａ方向）に貫通する溝４２を有する。
The outer peripheral portion 26 o of the
溝４２は、ＭＥＡ２２の発電領域４４を囲む。換言すれば、溝４２は、電解質膜２６の外周に沿って環状（四角環状）に延在している。つまり、溝４２は、電解質膜２６を、中央領域４６（ＭＥＡ２２の発電領域４４を形成する部分）と、外周端部４８とに分離する。なお、発電領域４４は、ＭＥＡ２２のうち電解質膜２６の第１面２６ａに第１電極２８が接触し、且つ電解質膜２６の第２面２６ｂに第２電極３０が接触している領域を指す。
溝４２は、電解質膜２６の第２面２６ｂに開口している。溝４２の底部４２ａは、第１ガス拡散層３４の内部に位置している。すなわち、溝４２は、電解質膜２６と第１電極触媒層３２とを厚さ方向に貫通している。換言すれば、溝４２の深さＤ１は、電解質膜２６の厚さＤ２よりも大きい。溝４２の幅Ｗは、電解質膜２６の厚さＤ２よりも大きい。
ただし、溝４２の深さＤ１及び幅Ｗは、適宜に設定可能である。つまり、溝４２の底部４２ａは、第１電極触媒層３２と第１ガス拡散層３４との境界に位置してもよい。また、溝４２の底部４２ａは、第１電極触媒層３２の内部に位置してもよい。さらに、溝４２の底部４２ａは、電解質膜２６と第１電極触媒層３２との境界に位置してもよい。溝４２は、少なくとも電解質膜２６を貫通していればよい。
However, the depth D1 and width W of the
溝４２には、イオン（例えば、鉄イオン等の金属イオン）の流通を阻止するための樹脂製の第１イオン流通阻止部５０が位置する。すなわち、第１実施形態において、第１イオン流通阻止部５０は、電解質膜２６の外周重なり部４０の溝４２内に有体物として設けられている。このように、第１イオン流通阻止部５０は物理的障壁である。
In the
この場合、第１イオン流通阻止部５０は、樹脂製の接着層５２に一体的に繋がっている。接着層５２は、電解質膜２６の外周重なり部４０と樹脂枠部材２４の内周部２４ｉとを互いに接合する。つまり、第１イオン流通阻止部５０は、接着層５２を形成する接着剤５４が溝４２に充填されて硬化されることによって形成される。なお、第１イオン流通阻止部５０は、接着層５２と一体に繋がることなく分離していてもよい。また、第１イオン流通阻止部５０を構成する樹脂材料と接着剤５４とは、互いに異なった素材であってもよい。さらに、第１イオン流通阻止部５０の素材は無機材料であってもよい。
In this case, the first ion
接着剤５４は、液体であってもよいし、固体であってもよい。また、接着剤５４は、熱硬化性樹脂であってもよいし、熱可塑性樹脂であってもよい。具体的に、接着剤５４として用いられる樹脂材料（第１イオン流通阻止部５０を形成する樹脂材料）としては、例えば、シリコーン樹脂系、フッ素樹脂系、エポキシ樹脂系等が挙げられる。 The adhesive 54 may be liquid or solid. Also, the adhesive 54 may be a thermosetting resin or a thermoplastic resin. Specifically, examples of the resin material used as the adhesive 54 (the resin material forming the first ion blocking portion 50) include silicone resins, fluororesins, and epoxy resins.
このような樹脂枠付きＭＥＡ１０では、樹脂枠部材２４の第１面２４ａは、接着層５２を介して電解質膜２６の外周重なり部４０に接合されている。樹脂枠部材２４の第２面２４ｂは、第２電極３０の外周部３０ｏに当接している（接触している）。
In such a resin-framed
図１に示すように、各発電セル１２の長辺方向の一端縁部は、酸化剤ガス供給連通孔６０ａ、冷却媒体供給連通孔６２ａ、燃料ガス排出連通孔６４ｂを有している。各発電セル１２の長辺方向の一端縁部は、各発電セル１２の矢印Ｂ１方向の端縁部である。酸化剤ガス供給連通孔６０ａ、冷却媒体供給連通孔６２ａ、燃料ガス排出連通孔６４ｂは、各発電セル１２の短辺方向に配列している。各発電セル１２の短辺方向は、矢印Ｃ方向に沿っている。
As shown in FIG. 1, one edge in the long side direction of each
酸化剤ガス供給連通孔６０ａには、一方の反応ガスである酸化剤ガス（例えば、酸素含有ガス）が矢印Ａ２方向に向かって流通する。冷却媒体供給連通孔６２ａには、冷却媒体（例えば、純水、エチレングリコール又はオイル等）が矢印Ａ２方向に向かって流通する。燃料ガス排出連通孔６４ｂには、他方の反応ガスである燃料ガス（例えば、水素含有ガス）が矢印Ａ１方向に向かって流通する。
An oxidizing gas (for example, an oxygen-containing gas), which is one of the reaction gases, flows through the oxidizing gas
各発電セル１２の長辺方向の他端縁部は、燃料ガス供給連通孔６４ａ、冷却媒体排出連通孔６２ｂ、酸化剤ガス排出連通孔６０ｂを有する。各発電セル１２の長辺方向の他端縁部は、各発電セル１２の矢印Ｂ２方向の端縁部である。燃料ガス供給連通孔６４ａ、冷却媒体排出連通孔６２ｂ、酸化剤ガス排出連通孔６０ｂは、矢印Ｃ方向に配列している。
The other edge in the long side direction of each
燃料ガス供給連通孔６４ａには、燃料ガスが矢印Ａ２方向に向かって流通する。冷却媒体排出連通孔６２ｂには、冷却媒体が矢印Ａ１方向に向かって流通する。酸化剤ガス排出連通孔６０ｂには、酸化剤ガスが矢印Ａ１方向に向かって流通する。
The fuel gas flows in the arrow A2 direction through the fuel gas
上述した連通孔（酸化剤ガス供給連通孔６０ａ等）の数、配置、形状及び大きさは、図示の例に限定されない。連通孔（酸化剤ガス供給連通孔６０ａ等）の数、配置、形状及び大きさは、燃料電池スタック１４に要求される仕様に応じて、適宜設定される。
The number, arrangement, shape and size of the communication holes (the oxidant gas
図１及び図２に示すように、第１セパレータ部材１６は、金属板状の第１セパレータ本体６６を備える。第１セパレータ本体６６は、長方形状を有する。第１セパレータ本体６６の樹脂枠付きＭＥＡ１０に向かう面６６ａには、発電セル１２の長辺方向（矢印Ｂ方向）に延在する酸化剤ガス流路６８（反応ガス流路）がプレス成形されている。酸化剤ガス流路６８は、酸化剤ガス供給連通孔６０ａと酸化剤ガス排出連通孔６０ｂとに流体的に連通する。酸化剤ガス流路６８は、第１電極２８に酸化剤ガスを供給する。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
第２セパレータ部材１８は、金属板状の第２セパレータ本体７０を備える。第２セパレータ本体７０は、長方形状を有する。第２セパレータ本体７０の樹脂枠付きＭＥＡ１０に向かう面７０ａには、発電セル１２の長辺方向（矢印Ｂ方向）に延在する燃料ガス流路７２（反応ガス流路）がプレス成形されている。燃料ガス流路７２は、燃料ガス供給連通孔６４ａと燃料ガス排出連通孔６４ｂとに流体的に連通する。燃料ガス流路７２は、第２電極３０に燃料ガスを供給する。
The
図１に示すように、互いに接合される第１セパレータ本体６６の面６６ｂと第２セパレータ本体７０の面７０ｂとの間には、冷却媒体流路７４が位置する。冷却媒体流路７４は、冷却媒体供給連通孔６２ａと冷却媒体排出連通孔６２ｂとに流体的に連通する。冷却媒体流路７４は、酸化剤ガス流路６８が形成された第１セパレータ本体６６の裏面形状と、燃料ガス流路７２が形成された第２セパレータ本体７０の裏面形状とが重なり合って形成される。
As shown in FIG. 1, a
このように構成される発電セル１２は、以下のように動作する。
The
まず、図１に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔６０ａに供給される。燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔６４ａに供給される。冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔６２ａに供給される。
First, as shown in FIG. 1, the oxidant gas is supplied to the oxidant gas
酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔６０ａから第１セパレータ部材１６の酸化剤ガス流路６８に導入される。その後、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路６８に沿って矢印Ｂ２方向に移動し、ＭＥＡ２２の第１電極２８に供給される。
The oxidant gas is introduced into the
一方、図１に示すように、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔６４ａから第２セパレータ部材１８の燃料ガス流路７２に導入される。その後、燃料ガスは、燃料ガス流路７２に沿って矢印Ｂ１方向に移動し、ＭＥＡ２２の第２電極３０に供給される。
On the other hand, as shown in FIG. 1, the fuel gas is introduced into the fuel
従って、各ＭＥＡ２２では、第１電極２８に供給される酸化剤ガスと、第２電極３０に供給される燃料ガスとが、第１電極触媒層３２及び第２電極触媒層３６内で電気化学反応により消費される。この結果、発電が行われる。
Therefore, in each
次いで、図１に示すように、第１電極２８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路６８から酸化剤ガス排出連通孔６０ｂへと流動する。その後、酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔６０ｂに沿って矢印Ａ１方向に排出される。同様に、第２電極３０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス流路７２から燃料ガス排出連通孔６４ｂへと流動する。その後、燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔６４ｂに沿って矢印Ａ１方向に排出される。
Next, as shown in FIG. 1, the oxidant gas supplied to the
電解質膜２６を湿潤状態に保つため、燃料ガス及び酸化剤ガスに水蒸気が添加される。従って、燃料ガス及び酸化剤ガスは比較的高湿である。
Water vapor is added to the fuel gas and oxidant gas to keep the
冷却媒体供給連通孔６２ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ本体６６と第２セパレータ本体７０との間に形成された冷却媒体流路７４に導入される。冷却媒体は、冷却媒体流路７４に導入された後、矢印Ｂ２方向に流通する。この冷却媒体は、ＭＥＡ２２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔６２ｂから排出される。
The cooling medium supplied to the cooling medium
次に、第１実施形態に係る樹脂枠付きＭＥＡ１０の製造方法について説明する。
Next, a method for manufacturing the resin-framed
図３Ａに示すように、第１実施形態に係る樹脂枠付きＭＥＡ１０の製造方法は、積層工程、溝形成工程及び充填接合工程を含む。後述するように、充填接合工程には、接合工程が含まれる。
As shown in FIG. 3A, the manufacturing method of the resin-framed
積層工程（ステップＳ１）では、図４に示すように、第１電極２８に電解質膜２６を積層することにより積層体８０を得る。電解質膜２６は、第１電極２８と同じ大きさの平面寸法（外形寸法）を有する。なお、積層工程では、ホットプレスによって第１電極２８と電解質膜２６とを互いに接合する。具体的に、第１電極２８に電解質膜２６を積層した状態で加熱しながら荷重を付与する。
In the stacking step (step S1), as shown in FIG. 4, a
積層工程で得られた積層体８０において、電解質膜２６の第１面２６ａは第１電極触媒層３２に当接する。積層体８０において、電解質膜２６の第２面２６ｂは露出している。
In the laminate 80 obtained by the lamination step, the
続いて、溝形成工程（図３ＡのステップＳ２）では、図５Ａに示すように、積層体８０をレーザ加工することにより加工積層体８２を形成する。具体的に、溝形成工程では、レーザ加工装置１００から電解質膜２６の外周部２６ｏ（電解質膜２６の第２面２６ｂ）に加工用のレーザ光Ｌを照射する。続いて、当該レーザ光Ｌを電解質膜２６の外周に沿って一周させる。これにより、電解質膜２６の外周部２６ｏには、電解質膜２６の外周に沿って連続した四角環状の溝４２が形成される（図５Ｂ参照）。
Subsequently, in the groove forming step (step S2 in FIG. 3A), as shown in FIG. 5A, the processed
溝４２の形成方法は、上述したレーザ加工に限定されない。溝形成工程では、電解質膜２６の外周部２６ｏ（電解質膜２６の第２面２６ｂ）をカッターで機械加工することによって溝４２を形成してもよい。また、溝形成工程では、電解質膜２６の外周部２６ｏ（電解質膜２６の第２面２６ｂ）に薬品を塗布して当該電解質膜２６を溶融させることによって溝４２を形成してもよい。
The method for forming the
その後、充填接合工程（図３ＡのステップＳ３）では、イオンの流通を阻止するための第１イオン流通阻止部５０を形成する樹脂材料を溝４２に充填し、ＭＥＡ２２の外周部２２ｏに樹脂枠部材２４の内周部２４ｉを接合する。このとき、溝４２が樹脂枠部材２４の内周部２４ｉによって覆われ、且つ電解質膜２６の外周部２６ｏに樹脂枠部材２４の内周部２４ｉが重なる。
After that, in the filling and joining step (step S3 in FIG. 3A), the
具体的に、充填接合工程は、図３Ｂに示すように、充填工程と接合工程とを含む。充填工程（ステップＳ４）では、図６に示すように、ディスペンサ１０２から供給された接着剤５４（樹脂材料）を溝４２に充填する。このとき、電解質膜２６の外周部２６ｏの外面（電解質膜２６の第２面２６ｂ）にも接着剤５４を塗布する。
Specifically, the filling and bonding process includes a filling process and a bonding process, as shown in FIG. 3B. In the filling step (step S4), as shown in FIG. 6, the
接合工程（図３ＢのステップＳ５）では、図７に示すように、溝形成工程により得られた加工積層体８２と、樹脂枠部材２４と、第２電極３０とを準備する。なお、樹脂枠部材２４の一端縁部は、酸化剤ガス供給連通孔６０ａ、冷却媒体供給連通孔６２ａ及び燃料ガス排出連通孔６４ｂを有する。樹脂枠部材２４の他端縁部は、燃料ガス供給連通孔６４ａ、冷却媒体排出連通孔６２ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔６０ｂを有する。樹脂枠部材２４の中央部は、開口部８４を有する。
In the bonding step (step S5 in FIG. 3B), as shown in FIG. 7, the processed
その後、電解質膜２６の外周部２６ｏと第２電極３０の外周部３０ｏとの間に樹脂枠部材２４の内周部２４ｉを配置して互いに接合する。この接合は、例えば、ホットプレスによって行われる。具体的に、厚さ方向に重ねられた第１電極２８、電解質膜２６、樹脂枠部材２４及び第２電極３０を加熱し、且つ荷重を付与する。
After that, the inner
これにより、図８に示すように、電解質膜２６の第２面２６ｂと第２電極３０とが互いに接合されてＭＥＡ２２が形成される。また、電解質膜２６の外周部２６ｏには、樹脂枠部材２４の内周部２４ｉに重なる外周重なり部４０が形成される。
Thereby, as shown in FIG. 8, the
さらに、電解質膜２６の外周部２６ｏと樹脂枠部材２４の内周部２４ｉとによって接着剤５４が挟まれるため、接着剤５４が電解質膜２６の外方に向かって流動し、さらに、電解質膜２６の内方（中央領域４６）に向かって流動する。その後、接着剤５４が硬化することにより、電解質膜２６の外周重なり部４０と樹脂枠部材２４の内周部２４ｉとの間に接着層５２が形成される。また、溝４２に充填された接着剤５４も硬化する。その結果、第１イオン流通阻止部５０が形成される。これにより、樹脂枠付きＭＥＡ１０が形成される。接合工程が終了すると、樹脂枠付きＭＥＡ１０の製造方法の一連の動作フローが終了する。
Furthermore, since the adhesive 54 is sandwiched between the outer peripheral portion 26o of the
上述したような燃料電池スタック１４では、燃料電池スタック１４を構成する部材からイオンが発生することがある。このイオンが、ＭＥＡ２２の外周部が配置された空間に進入する可能性がある。上記のイオンは、例えば、第１セパレータ部材１６及び第２セパレータ部材１８から発生した鉄イオン（Ｆｅ2+）又は銅イオン（Ｃｕ2+）等の金属イオンである。このような金属イオンは、第１セパレータ部材１６及び第２セパレータ部材１８の金属成分が、反応ガスに含まれる水蒸気に溶出することで生じる。
In the
第１実施形態は、以下の効果を奏する。 The first embodiment has the following effects.
ＭＥＡ２２の外周部２２ｏは、外周重なり部４０を厚さ方向に貫通する溝４２を有する。溝４２には、イオンの流通を阻止するための第１イオン流通阻止部５０が位置する。すなわち、電解質膜２６の外周重なり部４０に第１イオン流通阻止部５０が設けられる。
The outer peripheral portion 22o of the
このような構成によれば、電解質膜２６の外周重なり部４０に第１イオン流通阻止部５０が位置する。従って、電解質膜２６の外周端から中央領域４６（ＭＥＡ２２の発電領域４４を形成する部分）への鉄イオン又は銅イオン等の進入を抑えることができる。これにより、ＭＥＡ２２の外周側からのイオンの進入によって電解質膜２６の中央領域４６が劣化することを抑えることができる。
According to such a configuration, the first ion
溝４２及び第１イオン流通阻止部５０は、ＭＥＡ２２の発電領域４４を囲む。
The
このような構成によれば、電解質膜２６の外周端から中央領域４６へのイオンの進入を効果的に抑えることができる。
With such a configuration, it is possible to effectively suppress the entry of ions from the outer peripheral end of the
樹脂枠部材２４の内周部２４ｉは、第１電極２８の外周部２８ｏと第２電極３０の外周部３０ｏとによって挟持されている。
An inner
このような構成によれば、電解質膜２６の外周部２６ｏを樹脂枠部材２４と第２電極３０の外周部３０ｏとによって効果的に覆うことができる。そのため、イオンが第２電極３０の外周部３０ｏから電解質膜２６に導かれることを抑えることができる。
With such a configuration, the outer peripheral portion 26 o of the
樹脂枠部材２４の第１面２４ａは、電解質膜２６の外周重なり部４０に接合されている。樹脂枠部材２４の第２面２４ｂは、第２電極３０の外周部３０ｏに対して接合されている。
The
このような構成によれば、イオンが樹脂枠部材２４の第１面２４ａと電解質膜２６の外周重なり部４０との間を介して内方に流入することを抑えることができる。また、イオンが樹脂枠部材２４の第２面２４ｂと第２電極３０の外周部３０ｏとの間を介して内方に流入することを抑えることができる。
According to such a configuration, it is possible to prevent ions from flowing inward through the space between the
第１イオン流通阻止部５０を形成する材料は、樹脂枠部材２４の内周部２４ｉと電解質膜２６の外周重なり部４０とを互いに接合する接着剤５４である。
The material forming the first
このような構成によれば、接着剤５４を溝４２に充填することにより第１イオン流通阻止部５０を形成することができるため、樹脂枠付きＭＥＡ１０の製造工程を簡素化することができる。
According to such a configuration, since the first
第１電極２８の外周部２８ｏは、電解質膜２６の外周重なり部４０に対して重なる。溝４２は、電解質膜２６の外周重なり部４０と第１電極２８の外周部２８ｏとに形成されている。
The outer peripheral portion 28 o of the
このような構成によれば、電解質膜２６の外周端から中央領域４６へのイオンの進入を効果的に抑えることができる。
With such a configuration, it is possible to effectively suppress the entry of ions from the outer peripheral edge of the
樹脂枠付きＭＥＡ１０の製造方法は、積層工程、溝形成工程及び充填接合工程を含む。積層工程では、第１電極２８に電解質膜２６を積層することにより積層体８０を得る。溝形成工程では、積層工程の後で積層体８０の外周部に電解質膜２６の外周部２６ｏを厚さ方向に貫通する溝４２を形成する。充填接合工程では、イオンの流通を阻止するための第１イオン流通阻止部５０を形成する樹脂材料を溝４２に充填する。この状態で、電解質膜２６の外周部２６ｏに樹脂枠部材２４の内周部２４ｉが重なるように、ＭＥＡ２２の外周部２２ｏに樹脂枠部材２４の内周部２４ｉを接合する。また、充填接合工程では、電解質膜２６の外周部２６ｏに樹脂枠部材２４の内周部２４ｉと重なる外周重なり部４０が形成されるとともに外周重なり部４０に溝４２が位置する。
The manufacturing method of the resin-framed
このような方法によれば、電解質膜２６の外周端から中央領域４６（ＭＥＡ２２の発電領域４４を形成する部分）へのイオンの進入を抑えることができる樹脂枠付きＭＥＡ１０を簡単に製造することができる。
According to such a method, it is possible to easily manufacture the resin-framed
溝形成工程では、溝４２が電解質膜２６の外周に沿って環状に延在するように電解質膜２６の外周部２６ｏに溝４２を形成する。
In the groove forming step, the
このような方法によれば、電解質膜２６の外周端から中央領域４６へのイオンの進入を効果的に抑えることができる。
According to such a method, it is possible to effectively suppress the entry of ions from the outer peripheral end of the
溝形成工程では、レーザ加工によって電解質膜２６の外周部２６ｏに溝４２を形成する。
In the groove forming step,
このような方法によれば、電解質膜２６の外周部２６ｏに溝４２を容易に形成することができる。
According to such a method, the
充填接合工程は、充填工程と、接合工程とを含む。充填工程では、接着剤５４を溝４２に充填する。接合工程では、充填工程の後で、電解質膜２６の外周重なり部４０と樹脂枠部材２４の内周部２４ｉとによって接着剤５４を挟持することにより、ＭＥＡ２２の外周部２２ｏに樹脂枠部材２４を接合する。
The filling and bonding process includes a filling process and a bonding process. In the filling step, the
このような方法によれば、充填工程において接着剤５４を溝４２に簡単且つ確実に充填することができる。
According to such a method, it is possible to easily and reliably fill the
第１実施形態に係る樹脂枠付きＭＥＡ１０の製造方法は、上述した方法に限定されない。図９に示すように、充填接合工程は、塗布工程と接合工程とを含んでもよい。この場合、塗布工程（ステップＳ６）では、図１０に示すように、樹脂枠部材２４の第１面２４ａの内周部分に液状の接着剤５４を塗布する。
The method for manufacturing the resin-framed
接合工程（図９のステップＳ７）では、塗布工程の後で、電解質膜２６の外周重なり部４０と樹脂枠部材２４の内周部２４ｉとによって接着剤５４を挟持する。これにより、接着剤５４が流動し溝４２に充填される（流れ込む）ため、ＭＥＡ２２の外周部２２ｏに樹脂枠部材２４の内周部２４ｉが接合される。このような方法であっても、上述した樹脂枠付きＭＥＡ１０を製造することができる。
In the bonding step (step S7 in FIG. 9), the adhesive 54 is sandwiched between the outer peripheral overlapping
図１１に示すように、樹脂枠付きＭＥＡ１０において、第２電極３０の外周端は、樹脂枠部材２４の内周端よりも内方に位置してもよい。すなわち、樹脂枠部材２４の内周部２４ｉは、第１電極２８の外周部２８ｏと第２電極３０の外周部３０ｏとによって挟持されていなくてもよい。
As shown in FIG. 11 , in the resin-framed
次に、第２実施形態につき説明する。以下において特に説明していない要素の構成は、第１実施形態において説明した要素と同一の構成である。従って、ことわりのない限り、各要素につき、第１実施形態で示した名称及び参照符号を準用する。 Next, a second embodiment will be described. Elements not specifically described below have the same configurations as the elements described in the first embodiment. Therefore, the names and reference numerals shown in the first embodiment apply mutatis mutandis to each element unless otherwise specified.
図１２は、発電セル１１０の要部縦断面図である。発電セル１１０は、第２実施形態に係る樹脂枠付きＭＥＡ１２０を有する。樹脂枠付きＭＥＡ１２０は、ＭＥＡ１２２（電解質膜・電極構造体）と、樹脂枠部材１２４とを有する。樹脂枠部材１２４は、ＭＥＡ１２２の外周部１２２ｏから外方に突出するように当該外周部１２２ｏに取り付けられている。
FIG. 12 is a vertical cross-sectional view of the main part of the
この場合、樹脂枠部材１２４は、枠状の第１シート１２６と、枠状の第２シート１２８とを有する。第１シート１２６と第２シート１２８との間には、接着層１３０が介在する。第１シート１２６と第２シート１２８とは、接着層１３０を介して接合され且つ積層されている。第１シート１２６及び第２シート１２８の素材としては、第１実施形態における樹脂枠部材２４の素材と同様の樹脂材料が挙げられる。
In this case, the
第２シート１２８の外形寸法は、第１シート１２６の外形寸法よりも大きい。このため、第２シート１２８の一部は、第１シート１２６の内周端１３２よりもＭＥＡ１２２に向かって突出する。以下、この一部を「内周部１３４」と表記する。内周部１３４は、電解質膜２６を向く第１面１３４ａと、第２電極３０を向く第２面１３４ｂとを有する。接着層１３０は、第２シート１２８の、第１シート１２６を向く面の全体に設けられている。従って、接着層１３０は、内周部１３４の第１面１３４ａにも設けられている。
The outer dimensions of the
電解質膜２６の外周部２６ｏの外周重なり部４０は、第２シート１２８の内周部１３４の第１面１３４ａに重なる。内周部１３４に接着層１３０が設けられているので、該接着層１３０を介して、内周部１３４と外周重なり部４０とが接合される。第２シート１２８の内周部１３４の第２面１３４ｂには、第２電極３０の外周部３０ｏが重なる。すなわち、第２面１３４ｂには、第２電極３０の第２電極触媒層３６が接触する。なお、第１シート１２６は、ＭＥＡ１２２に当接していない。
The outer
第２実施形態において、電解質膜２６は、官能基を有する固体高分子の薄膜からなる。官能基を有する固体高分子の好適な具体例としては、パーフルオロスルホン酸が挙げられる。図１３に、パーフルオロスルホン酸の化学構造式を示す。この場合、官能基はスルホン酸基（－ＳＯ3Ｈ）である。スルホン酸基は、親水基である。
In the second embodiment, the
第１電極触媒層３２及び第２電極触媒層３６は、第１実施形態と同様に、多孔質カーボン粒子を物理的に結合するイオン導電性高分子バインダを含む。イオン導電性高分子バインダの好適な具体例は、電解質膜２６の固体高分子と同様に、パーフルオロスルホン酸（図１３参照）である。
The first
電解質膜２６の外周重なり部４０の外縁部には、第２イオン流通阻止部１４０が四角環状（環状形状）に設けられている。第２電極触媒層３６の外縁部には、第３イオン流通阻止部１４２が四角環状（環状形状）に設けられている。これら第２イオン流通阻止部１４０及び第３イオン流通阻止部１４２につき、説明する。
A second ion
第２イオン流通阻止部１４０は、電解質膜２６の外縁部が化学的に変質された第１変質部である。換言すれば、第２イオン流通阻止部１４０は、化学的障壁である。具体的に、電解質膜２６の素材がパーフルオロスルホン酸である場合、第２イオン流通阻止部１４０では、スルホン酸基に対して、鉄イオン又は銅イオン以外のカチオンが化学的に結合している。カチオンの好適な具体例としては、セシウムイオン（Ｃｓ+）、鉛イオン（Ｐｂ2+）、銀イオン（Ａｇ+）又はアルカリ土類金属のイオンが挙げられる。これらのカチオンが化学的に結合したスルホン酸基では、親水性が低下する。この中でも、アルカリ土類金属のイオンが特に好ましい。この場合、低コストであり且つカチオンを容易に得ることができるからである。アルカリ土類金属のイオンの好適な具体例は、マグネシウムイオン（Ｍｇ2+）、カルシウムイオン（Ｃａ2+）、ストロンチウムイオン（Ｓｒ2+）、バリウムイオン（Ｂａ2+）である。
The second
第３イオン流通阻止部１４２は、第２電極触媒層３６の外縁部に含まれるイオン導電性高分子が化学的に変質された第２変質部である。すなわち、第３イオン流通阻止部１４２もまた、化学的障壁である。具体的に、イオン導電性高分子の素材がパーフルオロスルホン酸である場合、第３イオン流通阻止部１４２では、上記と同様に、スルホン酸基に対して鉄イオン又は銅イオン以外のカチオンが化学的に結合している。このため、第３イオン流通阻止部１４２においても、親水性が低下している。カチオンの好適な具体例は、上記と同様にセシウムイオン（Ｃｓ+）、鉛イオン（Ｐｂ2+）、銀イオン（Ａｇ+）、マグネシウムイオン（Ｍｇ2+）、カルシウムイオン（Ｃａ2+）、ストロンチウムイオン（Ｓｒ2+）、バリウムイオン（Ｂａ2+）である。
The third ion
発電セル１１０は、発電セル１２と同様に動作する。燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体の流通経路は、第１実施形態と同様である（図１参照）。このため、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体の流通経路についての詳細な説明を省略する。
The
次に、第２実施形態に係る樹脂枠付きＭＥＡ１２０の製造方法について説明する。
Next, a method for manufacturing the resin-framed
図１４に示すように、第２実施形態に係る樹脂枠付きＭＥＡ１２０の製造方法は、積層工程と、接合工程と、阻止部形成工程とを有する。
As shown in FIG. 14, the method of manufacturing the resin-framed
第２実施形態における積層工程（ステップＳ１０）では、図１５に示すように、第１電極２８に電解質膜２６が積層される。このとき、第１電極２８は、電解質膜２６の第１面２６ａに設けられる。その後、電解質膜２６の第２面２６ｂに第２電極３０が積層される。電解質膜２６の第２面２６ｂに第２電極３０を積層した後、電解質膜２６の第１面２６ａに第１電極２８を積層してもよい。以上により、ＭＥＡ１２２が得られる。
In the stacking step (step S10) in the second embodiment, the
その一方で、接着層１３０を介して、第１シート１２６と第２シート１２８とを接合する。これにより、樹脂枠部材１２４が作製される。
Meanwhile, the
次に、図１５に示すように、電解質膜２６の外周重なり部４０に対し、第２シート１２８の内周部１３４を重ねる。このとき、第２シート１２８の第１面１３４ａを外周重なり部４０に向ける。内周部１３４に接着層１３０が設けられているので、該接着層１３０を介して、内周部１３４と外周重なり部４０とが接合される。
Next, as shown in FIG. 15, the inner
その後、第２シート１２８の内周部１３４の第２面１３４ｂに対し、第２電極３０の外周部３０ｏを重ねる。その結果、第２電極３０の第２電極触媒層３６が第２面１３４ｂに接触する。
After that, the outer peripheral portion 30 o of the
次に、接合工程（ステップＳ２０）を行う。接合工程では、図１６に示すホットプレス装置１５０を用いる。ホットプレス装置１５０は、基台１５２と、可動金型１５４とを備える。可動金型１５４は、基台１５２に対して接近又は離間する方向に変位することが可能である。
Next, a bonding step (step S20) is performed. In the bonding process, a
ＭＥＡ１２２は、第１電極２８と第２電極３０との間に第２シート１２８の内周部１３４を挟み込んだ状態で、基台１５２上に載置される。このとき、第１電極２８を下側に向け、且つ第２電極３０を上側に向ける。その後、所定の温度に加熱された可動金型１５４を、基台１５２に向かって下降させる。この下降により、ＭＥＡ１２２の外周部と、第２シート１２８の内周部１３４とが、基台１５２と可動金型１５４との間に挟まれる。従って、ＭＥＡ１２２の外周部と、第２シート１２８の内周部１３４とが加圧される。上記したように可動金型１５４が加熱されているので、ＭＥＡ１２２の外周部と、第２シート１２８の内周部１３４とに熱が付与される。
The
このようにして、ＭＥＡ１２２の外周部と、第２シート１２８の内周部１３４とに対し、ホットプレスが行われる。その結果、電解質膜２６の外周重なり部４０が、接着層１３０を介して、第２シート１２８の内周部１３４に接合される。これにより、ＭＥＡ１２２と樹脂枠部材１２４とが接合される。
In this manner, hot pressing is performed on the outer peripheral portion of the
第２実施形態では、次に、阻止部形成工程（ステップＳ３０）を行う。ここでは、第１変質部である第２イオン流通阻止部１４０と、第２変質部である第３イオン流通阻止部１４２とを形成する場合を例示する。
In the second embodiment, next, a blocking portion forming step (step S30) is performed. Here, a case of forming a second ion
阻止部形成工程では、図１７に示すように、電解質膜２６の外周重なり部４０の外縁部の側面に対し、上記したカチオンを含む溶液１６０を塗布する。塗布は、例えば、スプレー塗布である。この場合、電解質膜２６の外周重なり部４０の外縁部の側面に溶液１６０が噴霧される。カチオンの好適な具体例の１つは、上記したようにバリウムイオンである。バリウムイオンを含む溶液１６０の好適な具体例は、塩化バリウム（ＢａＣｌ2）の水溶液である。ただし、バリウムイオンを含む溶液１６０の溶媒は、水に限定されない。バリウムイオンの源であるバリウム塩は、塩化バリウムに限定されない。代替的に、セシウムイオン、鉛イオン、銀イオン、マグネシウムイオン、カルシウムイオン又はストロンチウムイオンを含む溶液を用いてもよい。
In the blocking portion forming step, as shown in FIG. 17, the above-described
電解質膜２６の素材が図１３に示すパーフルオロスルホン酸である場合、電解質膜２６は、スルホン酸基を官能基として有する。カチオンがアルカリ土類金属のイオンである場合、該イオンは、２個のスルホン酸基のＨ+と置換すると推察される。この場合、２個のスルホン酸基同士の距離が縮まる。その結果、電解質膜２６の一部が若干収縮する。また、上記の置換により、電解質膜２６の一部の親水性が低下する。その結果、電解質膜２６の一部に第１変質部が形成される。バリウムイオンを用いた場合、電解質膜２６の親水性の低下が顕著である。
When the material of the
溶液１６０は、電解質膜２６の外周重なり部４０の外縁部の側面全体にわたって塗布される。これにより、外周重なり部４０に、四角環状の第１変質部（第２イオン流通阻止部１４０）が形成される。同様に、第１電極２８の外縁部の側面全体にわたって溶液１６０を塗布する。なお、第１電極２８に溶液１６０が付着することがあり得る。この場合、第１電極触媒層３２にバインダとして含まれるイオン導電性高分子が化学的に変質する。その結果、第１電極触媒層３２に、化学的障壁としてのイオン流通阻止部が形成される。
The
同様にして、第２電極３０の外縁部の側面に対し、上記したカチオンを含む溶液１６０を塗布する（図１７参照）。塗布は、例えば、スプレー塗布である。カチオンの好適な具体例は、上記したようにバリウムイオンである。代替的に、セシウムイオン、鉛イオン、銀イオン、マグネシウムイオン、カルシウムイオン又はストロンチウムイオンを含む溶液を用いてもよい。
Similarly, the above-described
第２電極触媒層３６には、イオン導電性高分子バインダが含まれている。イオン導電性高分子バインダの素材がパーフルオロスルホン酸である場合、上記と同様に、スルホン酸基に対してカチオンが化学的に結合する。例えば、２個のスルホン酸基のＨ+が、アルカリ土類金属のイオンに置換される。この場合、２個のスルホン酸基同士の距離が縮まる。その結果、第２電極触媒層３６の一部が若干収縮する。また、上記の置換により、第２電極触媒層３６の一部の親水性が低下する。その結果、第２電極触媒層３６の一部に第２変質部が形成される。バリウムイオンを用いた場合、第２電極触媒層３６の親水性の低下が顕著である。
The second
溶液１６０は、第２電極３０の外縁部の側面全体にわたって塗布される。これにより、第２電極触媒層３６に、四角環状の第２変質部（第３イオン流通阻止部１４２）が形成される。
The
以上により、第２イオン流通阻止部１４０と、第３イオン流通阻止部１４２とを有する樹脂枠付きＭＥＡ１２０が得られる。第２イオン流通阻止部１４０及び第３イオン流通阻止部１４２は、四角環状（環状形状）である。第２イオン流通阻止部１４０及び第３イオン流通阻止部１４２は、この形状に基づき、ＭＥＡ１２２の発電領域４４を取り囲む。
As described above, the resin-framed
接合工程と阻止部形成工程とを逆の順序で実施してもよい。すなわち、阻止部形成工程を先に行い、その後、接合工程を行うことも可能である。 The joining step and the blocking portion forming step may be performed in reverse order. That is, it is also possible to first perform the blocking portion forming step and then perform the bonding step.
発電セル１１０を有する燃料電池スタック１４を運転するときには、第１実施形態と同様に、燃料ガス及び酸化剤ガスに水蒸気が添加される。第１セパレータ部材１６及び第２セパレータ部材１８の金属成分が、反応ガスに含まれる水蒸気に溶出した場合、鉄イオン（Ｆｅ2+）又は銅イオン（Ｃｕ2+）等の金属イオンが生じる。
When operating the
第２実施形態は、以下の効果を奏する。 The second embodiment has the following effects.
電解質膜２６の外周重なり部４０の外周部には、第２イオン流通阻止部１４０が設けられている。第２電極触媒層３６の外周部には、第３イオン流通阻止部１４２が設けられている。
A second ion
第２イオン流通阻止部１４０及び第３イオン流通阻止部１４２では、親水性が低下している。このため、第２イオン流通阻止部１４０及び第３イオン流通阻止部１４２では、水分の流通パスが減少している。従って、水蒸気に溶出した鉄イオン又は銅イオン等が第２イオン流通阻止部１４０及び第３イオン流通阻止部１４２を通過することは困難である。
The second ion
また、上記したカチオンは、スルホン酸基に強固に結合する。このため、鉄イオン又は銅イオン等がスルホン酸基に結合したカチオンに置換することは困難である。従って、鉄イオン又は銅イオン等がスルホン酸基に沿って移動することも困難である。 In addition, the cations described above strongly bond to the sulfonic acid groups. Therefore, it is difficult for iron ions, copper ions, or the like to be substituted with cations bonded to sulfonic acid groups. Therefore, it is also difficult for iron ions, copper ions, etc. to migrate along the sulfonic acid groups.
以上のような理由から、鉄イオン又は銅イオン等は、第２イオン流通阻止部１４０及び第３イオン流通阻止部１４２によって堰き止められる。従って、電解質膜２６の外周端から中央領域４６（特にＭＥＡ１２２の発電領域４４）に鉄イオン又は銅イオン等が進入することが抑制される。これにより、電解質膜２６の中央領域４６が鉄イオン又は銅イオン等の影響を受けて劣化することを抑制することができる。
For the reasons described above, iron ions, copper ions, and the like are blocked by the second ion
第２イオン流通阻止部１４０は、電解質膜２６において、化学的に変質された一部分である。第３イオン流通阻止部１４２は、第２電極触媒層３６に含まれるイオン導電性高分子において、化学的に変質された一部分である。イオン流通阻止部を物理的障壁として設ける場合、機械加工が必要である。これに対し、第２イオン流通阻止部１４０及び第３イオン流通阻止部１４２は化学的障壁であるので、第２イオン流通阻止部１４０及び第３イオン流通阻止部１４２を設けるための機械加工が不要である。
The second
電解質膜２６等を化学的に変質させるためには、例えば、アルカリ土類金属のイオン等のカチオンを含む溶液１６０を電解質膜２６に塗布する。これにより、第１変質部（第２イオン流通阻止部１４０）及び第２変質部（第３イオン流通阻止部１４２）を容易に形成することができる。
In order to chemically alter the
なお、図１８に示す樹脂枠付きＭＥＡ２００のように、第１実施形態における第１イオン流通阻止部５０と、第２実施形態における第２変質部（第３イオン流通阻止部１４２）との双方を設けることも可能である。
Note that both the first ion
以上説明したように、本実施形態は、燃料電池用の発電セル（１２、１１０）の樹脂枠付きＭＥＡ（１０、１２０、２００）であって、
電解質膜（２６）と、前記電解質膜の第１面（２６ａ）に配設された第１電極（２８）と、前記電解質膜の第２面（２６ｂ）に配設された第２電極（３０）とを有するＭＥＡ（２２、１２２）と、
前記ＭＥＡの外周部（２２ｏ、１２２ｏ）から外方に突出するように当該外周部に取り付けられた樹脂枠部材（２４、１２４）と、
を備え、
前記電解質膜は、前記樹脂枠部材の内周部（２４ｉ、１３４）と重なる外周重なり部（４０）を有し、
前記外周重なり部に、イオンの流通を阻止するイオン流通阻止部（５０、１４０）が設けられ、
前記イオン流通阻止部は、前記ＭＥＡの発電領域（４４）を取り囲む環状形状である、樹脂枠付きＭＥＡを開示する。
As described above, the present embodiment is an MEA (10, 120, 200) with a resin frame for a power generation cell (12, 110) for a fuel cell,
An electrolyte membrane (26), a first electrode (28) disposed on a first surface (26a) of said electrolyte membrane, and a second electrode (30) disposed on a second surface (26b) of said electrolyte membrane. ), and an MEA (22, 122) having
a resin frame member (24, 124) attached to the outer peripheral portion (22o, 122o) of the MEA so as to protrude outward from the outer peripheral portion (22o, 122o);
with
The electrolyte membrane has an outer periphery overlapping portion (40) that overlaps the inner periphery (24i, 134) of the resin frame member,
An ion circulation blocking part (50, 140) for blocking circulation of ions is provided in the outer peripheral overlapping part,
Disclosed is an MEA with a resin frame, in which the ion flow blocking portion has an annular shape surrounding a power generation region (44) of the MEA.
イオン流通阻止部は、電解質膜において、発電領域よりも外周で鉄イオン又は銅イオン等を堰き止める。従って、ＭＥＡの発電領域に鉄イオン又は銅イオン等が進入することが抑制される。これにより、ＭＥＡの発電領域が鉄イオン又は銅イオン等の影響を受けて劣化することが抑制される。すなわち、ＭＥＡを化学的に保護することができる。 The ion flow blocking portion blocks iron ions, copper ions, or the like in the outer periphery of the power generation region in the electrolyte membrane. Therefore, entry of iron ions, copper ions, or the like into the power generation region of the MEA is suppressed. This suppresses deterioration of the power generation region of the MEA due to the influence of iron ions, copper ions, or the like. That is, the MEA can be chemically protected.
イオン流通阻止部の一つの典型例は、物理的障壁である。物理的障壁の具体例としては、凸形状部分が挙げられる。すなわち、本実施形態は、前記ＭＥＡの前記外周部は、少なくとも前記電解質膜の前記外周重なり部を厚さ方向に貫通する溝（４２）を有し、
前記イオン流通阻止部が、前記溝に進入した凸形状部分（５０）である、樹脂枠付きＭＥＡを開示する。
One typical example of an ion flow blocker is a physical barrier. A specific example of a physical barrier is a convex portion. That is, in the present embodiment, the outer peripheral portion of the MEA has a groove (42) penetrating at least the outer peripheral overlapping portion of the electrolyte membrane in the thickness direction,
Disclosed is an MEA with a resin frame, wherein the ion blocking portion is a convex portion (50) that enters the groove.
電解質膜から第１電極にわたって前記溝を形成してもよい。すなわち、本実施形態は、前記第１電極の外周部は、前記電解質膜の前記外周重なり部に重なり、
前記溝は、前記電解質膜の前記外周重なり部と前記第１電極の前記外周部とに形成されている樹脂枠付きＭＥＡを開示する。この場合、イオン流通阻止部は、溝において、第１電極に到達した部分まで進入する。
The groove may be formed from the electrolyte membrane to the first electrode. That is, in the present embodiment, the outer peripheral portion of the first electrode overlaps the outer peripheral overlapping portion of the electrolyte membrane,
The groove is disclosed in the MEA with a resin frame formed in the outer peripheral overlapping portion of the electrolyte membrane and the outer peripheral portion of the first electrode. In this case, the ion flow blocking portion enters the groove to reach the first electrode.
本実施形態は、前記イオン流通阻止部を形成する前記凸形状部分が、前記樹脂枠部材の前記内周部と前記電解質膜の前記外周重なり部とを互いに接合する接着剤（５４）によって設けられている、樹脂枠付きＭＥＡを開示する。 In the present embodiment, the convex portion forming the ion flow blocking portion is provided by an adhesive (54) that joins the inner peripheral portion of the resin frame member and the outer peripheral overlapping portion of the electrolyte membrane to each other. A resin-framed MEA is disclosed.
接着剤の一部をイオン流通阻止部とする場合、凸形状部分を形成するための材料を接着剤と別に電解質膜に塗布する必要がない。このため、イオン流通阻止部を作製することが容易である。 When a portion of the adhesive is used as the ion blocking portion, it is not necessary to apply a material for forming the convex portion to the electrolyte membrane separately from the adhesive. Therefore, it is easy to produce the ion flow blocking portion.
イオン流通阻止部の別の典型例は、化学的障壁である。この場合、電解質膜の外周重なり部の一部を化学的に変質させる。すなわち、本実施形態は、前記イオン流通阻止部は、前記電解質膜の前記外周重なり部の一部が化学的に変質された環状形状の第１変質部（１４０）である、樹脂枠付きＭＥＡを開示する。 Another typical example of an ion flow blocker is a chemical barrier. In this case, a part of the peripheral overlapping portion of the electrolyte membrane is chemically altered. That is, in the present embodiment, the resin-framed MEA is provided in which the ion flow blocking portion is an annular first altered portion (140) formed by chemically altering a portion of the outer peripheral overlapping portion of the electrolyte membrane. Disclose.
燃料電池における電解質膜の素材の典型例は、官能基を有する固体高分子である。この場合、官能基に鉄イオン又は銅イオン以外の何らかのカチオンを化学的に結合することにより、電解質膜を化学的に変質させることができる。すなわち、本実施形態は、電解質膜の素材が、官能基を有する固体高分子であり、前記第１変質部は、前記官能基が鉄イオン又は銅イオン以外のカチオンと化学的に結合した部分である、樹脂枠付きＭＥＡを開示する。 A typical example of a material for an electrolyte membrane in a fuel cell is a solid polymer having functional groups. In this case, the electrolyte membrane can be chemically altered by chemically bonding some cation other than iron ions or copper ions to the functional groups. That is, in this embodiment, the material of the electrolyte membrane is a solid polymer having a functional group, and the first altered portion is a portion where the functional group is chemically bonded to a cation other than iron ions or copper ions. A resin-framed MEA is disclosed.
電解質膜の素材の典型的な具体例は、スルホン酸基を有する固体高分子（例えば、パーフルオロスルホン酸）である。また、カチオンとしては、セシウムイオン、鉛イオン、銀イオン又はアルカリ土類金属のイオンが好適である。すなわち、本実施形態は、前記官能基がスルホン酸基であり、且つ前記カチオンがセシウムイオン、鉛イオン、銀イオン又はアルカリ土類金属のイオンである、樹脂枠付きＭＥＡを開示する。 A typical example of the electrolyte membrane material is a solid polymer having sulfonic acid groups (eg, perfluorosulfonic acid). Cesium ions, lead ions, silver ions, or alkaline earth metal ions are suitable as cations. That is, this embodiment discloses a resin-framed MEA, wherein the functional group is a sulfonic acid group, and the cation is a cesium ion, a lead ion, a silver ion, or an alkaline earth metal ion.
本実施形態は、前記第２電極は電極触媒層（３６）を有し、前記電極触媒層は、電極触媒と、官能基を有するイオン導電性高分子とを含む層であり、
前記電極触媒層の外周部における前記イオン導電性高分子が化学的に変質された環状形状の第２変質部（１４２）を有する、樹脂枠付きＭＥＡを開示する。
In this embodiment, the second electrode has an electrode catalyst layer (36), the electrode catalyst layer is a layer containing an electrode catalyst and an ion-conductive polymer having a functional group,
Disclosed is a resin-framed MEA having an annular second altered portion (142) in which the ion conductive polymer in the outer peripheral portion of the electrode catalyst layer is chemically altered.
イオン導電性高分子は、電極触媒層中でイオンの伝導を支援する。イオン導電性高分子を化学的に変質させることにより、第２変質部が形成される。なお、イオン導電性高分子は、典型的にはバインダとして電極触媒層に含まれている。 The ion-conducting polymer supports the conduction of ions in the electrode catalyst layer. A second altered portion is formed by chemically altering the ion conductive polymer. The ion-conductive polymer is typically contained in the electrode catalyst layer as a binder.
第２変質部は、鉄イオン又は銅イオン等を堰き止める。すなわち、第２変質部は、化学的障壁としてのイオン流通阻止部となる。この場合、第２変質部により、鉄イオン又は銅イオン等が第２電極に沿って電解質膜に移動することが抑制される。従って、電解質膜を一層効果的に保護することができる。 The second alteration section dams up iron ions, copper ions, or the like. That is, the second altered portion becomes an ion flow blocking portion as a chemical barrier. In this case, the second altered portion suppresses migration of iron ions, copper ions, or the like to the electrolyte membrane along the second electrode. Therefore, the electrolyte membrane can be protected more effectively.
イオン導電性高分子を化学的に変質させるには、例えば、イオン導電性高分子の官能基に、鉄イオン又は銅イオン以外のカチオンを化学的に結合させる。すなわち、本実施形態は、前記第２変質部が、前記官能基が鉄イオン又は銅イオン以外のカチオンと化学的に結合して形成された樹脂枠付きＭＥＡを開示する。 In order to chemically modify the ion-conductive polymer, for example, cations other than iron ions or copper ions are chemically bonded to the functional groups of the ion-conductive polymer. That is, the present embodiment discloses a resin-framed MEA in which the second altered portion is formed by chemically bonding the functional groups with cations other than iron ions or copper ions.
イオン導電性高分子の典型例は、スルホン酸基を有する固体高分子（例えば、パーフルオロスルホン酸）である。この場合、カチオンとしては、セシウムイオン、鉛イオン、銀イオン又はアルカリ土類金属のイオンが好適である。すなわち、本実施形態は、前記官能基がスルホン酸基であり、且つ前記カチオンがセシウムイオン、鉛イオン、銀イオン又はアルカリ土類金属のイオンである樹脂枠付きＭＥＡを開示する。 A typical example of the ion-conducting polymer is a solid polymer having sulfonic acid groups (for example, perfluorosulfonic acid). In this case, cesium ions, lead ions, silver ions or alkaline earth metal ions are suitable as cations. That is, the present embodiment discloses a resin-framed MEA in which the functional group is a sulfonic acid group, and the cation is a cesium ion, a lead ion, a silver ion, or an alkaline earth metal ion.
また、本実施形態は、燃料電池用の発電セル（１２、１１０）の樹脂枠付きＭＥＡ（１０、１２０、２００）の製造方法であって、
前記樹脂枠付きＭＥＡは、
電解質膜（２６）と、前記電解質膜の第１面（２６ａ）に配設された第１電極（２８）と、前記電解質膜の第２面（２６ｂ）に配設された第２電極（３０）とを有するＭＥＡ（２２、１２２）と、
前記ＭＥＡの外周部（２２ｏ、１２２ｏ）から外方に突出するように当該外周部に取り付けられた樹脂枠部材（２４、１２４）と、
を備え、
当該製造方法は、
前記第１電極に前記電解質膜を積層することにより積層体（８０）を得る積層工程と、
前記第１電極が積層された前記電解質膜の前記外周部に前記樹脂枠部材の内周部（２４ｉ）を重ねて前記電解質膜に外周重なり部（４０）を形成し、前記電解質膜の前記外周重なり部に前記樹脂枠部材の前記内周部を接合する接合工程と、
前記積層工程の後で、イオンの流通を阻止するイオン流通阻止部（５０、１４０、１４２）を、前記電解質膜の前記外周重なり部に設ける阻止部形成工程と、
を含み、
前記イオン流通阻止部を、前記ＭＥＡの発電領域（４４）を取り囲む環状形状に形成する、樹脂枠付きＭＥＡの製造方法を開示する。
Further, the present embodiment is a method for manufacturing an MEA (10, 120, 200) with a resin frame for a power generation cell (12, 110) for a fuel cell,
The resin-framed MEA is
An electrolyte membrane (26), a first electrode (28) disposed on a first surface (26a) of said electrolyte membrane, and a second electrode (30) disposed on a second surface (26b) of said electrolyte membrane. ), and an MEA (22, 122) having
a resin frame member (24, 124) attached to the outer peripheral portion (22o, 122o) of the MEA so as to protrude outward from the outer peripheral portion (22o, 122o);
with
The manufacturing method is
a stacking step of stacking the electrolyte membrane on the first electrode to obtain a stack (80);
The inner peripheral portion (24i) of the resin frame member is overlapped with the outer peripheral portion of the electrolyte membrane on which the first electrode is laminated to form an outer peripheral overlapping portion (40) on the electrolyte membrane, and the outer peripheral portion of the electrolyte membrane is formed. a joining step of joining the inner peripheral portion of the resin frame member to the overlapping portion;
After the lamination step, a blocking portion forming step of providing an ion flow blocking portion (50, 140, 142) for blocking the flow of ions in the outer peripheral overlapping portion of the electrolyte membrane;
including
Disclosed is a method for manufacturing a resin-framed MEA, in which the ion flow blocking portion is formed in an annular shape surrounding a power generation region (44) of the MEA.
なお、接合工程よりも先に阻止部形成工程を行う場合もある。これとは逆に、阻止部形成工程よりも先に接合工程を行う場合もある。このため、接合工程及び阻止部形成工程の順序は限定されない。 In some cases, the blocking portion forming step may be performed prior to the joining step. Conversely, the bonding process may be performed prior to the blocking portion forming process. Therefore, the order of the joining step and the blocking portion forming step is not limited.
以上の工程を行うことにより、イオン流通阻止部を有する樹脂枠付きＭＥＡを容易に得ることができる。 By performing the above steps, a resin-framed MEA having an ion flow blocking portion can be easily obtained.
イオン流通阻止部を、物理的障壁となる凸形状部分として得るには、電解質膜の外周重なり部に溝を形成する。この溝に進入する凸形状部分を形成し、イオン流通阻止部とする。すなわち、本実施形態は、前記阻止部形成工程は、
少なくとも前記電解質膜の前記外周重なり部を厚さ方向に貫通する環状形状の溝（４２）を形成する溝形成工程を有し、
前記接合工程を、前記イオン流通阻止部を形成する材料を前記溝に充填した状態で行い、
前記イオン流通阻止部を、前記溝に進入した凸形状部分として得る、樹脂枠付きＭＥＡの製造方法を開示する。
In order to obtain the ion flow blocking portion as a convex portion that serves as a physical barrier, a groove is formed in the outer peripheral overlapping portion of the electrolyte membrane. A convex portion that enters the groove is formed to serve as an ion flow blocking portion. That is, in the present embodiment, the blocking portion forming step includes:
a groove forming step of forming an annular groove (42) penetrating at least the outer peripheral overlapping portion of the electrolyte membrane in the thickness direction;
performing the bonding step in a state in which the groove is filled with a material forming the ion flow blocking portion;
Disclosed is a method of manufacturing a resin-framed MEA in which the ion flow blocking portion is obtained as a convex portion that enters the groove.
溝は、例えば、レーザ加工によって形成することができる。すなわち、本実施形態は、前記溝形成工程では、レーザ加工によって前記電解質膜の前記外周重なり部に前記溝を形成する、樹脂枠付きＭＥＡの製造方法を開示する。レーザ加工によれば、溝を形成することが容易である。 The grooves can be formed, for example, by laser processing. That is, the present embodiment discloses a method of manufacturing a resin-framed MEA, in which, in the groove forming step, the groove is formed in the outer peripheral overlapping portion of the electrolyte membrane by laser processing. Laser processing facilitates the formation of grooves.
本実施形態は、前記イオン流通阻止部を、前記樹脂枠部材の前記内周部と前記電解質膜の前記外周重なり部とを互いに接合する接着剤（５４）から作製する、樹脂枠付きＭＥＡの製造方法を開示する。 This embodiment manufactures a resin-framed MEA, wherein the ion flow blocking portion is made of an adhesive (54) that joins the inner peripheral portion of the resin frame member and the outer peripheral overlapping portion of the electrolyte membrane to each other. Disclose how.
この場合、接着剤の一部をイオン流通阻止部とするので、凸形状部分を形成するための材料を電解質膜に塗布する必要がない。このため、イオン流通阻止部を作製する作業が簡素となる。 In this case, since a portion of the adhesive is used as the ion blocking portion, it is not necessary to apply a material for forming the convex portion to the electrolyte membrane. This simplifies the work of fabricating the ion flow blocking portion.
イオン流通阻止部を化学的障壁として得るには、電解質膜の外周重なり部の一部を化学的に変質させる。すなわち、本実施形態は、前記イオン流通阻止部を、前記電解質膜の前記外周重なり部の一部を環状形状に化学的に変質させた第１変質部（１４２）として形成する、樹脂枠付きＭＥＡの製造方法を開示する。 In order to obtain the ion blocking portion as a chemical barrier, a portion of the outer peripheral overlapping portion of the electrolyte membrane is chemically altered. That is, in the present embodiment, the resin-framed MEA forms the ion flow blocking portion as a first altered portion (142) obtained by chemically altering a portion of the outer peripheral overlapping portion of the electrolyte membrane into an annular shape. is disclosed.
上記したように、燃料電池における電解質膜の素材が、官能基を有する固体高分子である場合、鉄イオン又は銅イオン以外のカチオンを官能基に化学的に結合させる。すなわち、本実施形態は、前記電解質膜の素材が、官能基を有する固体高分子であり、前記官能基を鉄イオン又は銅イオン以外のカチオンと化学的に結合させることで前記第１変質部を得る、樹脂枠付きＭＥＡの製造方法を開示する。 As described above, when the material of the electrolyte membrane in the fuel cell is a solid polymer having functional groups, cations other than iron ions or copper ions are chemically bonded to the functional groups. That is, in the present embodiment, the material of the electrolyte membrane is a solid polymer having a functional group, and the functional group is chemically bonded to cations other than iron ions or copper ions to form the first altered portion. Disclosed is a method for manufacturing a resin-framed MEA.
電解質膜の素材がスルホン酸基を有する固体高分子（例えば、パーフルオロスルホン酸）である場合、スルホン酸基に対して、セシウムイオン、鉛イオン、銀イオン又はアルカリ土類金属のイオンを結合させる。すなわち、本実施形態は、前記官能基がスルホン酸基であり、前記スルホン酸基をセシウムイオン、鉛イオン、銀イオン又はアルカリ土類金属のイオンと化学的に結合させることで前記第１変質部を得る、樹脂枠付きＭＥＡの製造方法を開示する。 When the material of the electrolyte membrane is a solid polymer having sulfonic acid groups (for example, perfluorosulfonic acid), cesium ions, lead ions, silver ions, or alkaline earth metal ions are bound to the sulfonic acid groups. . That is, in the present embodiment, the functional group is a sulfonic acid group, and the sulfonic acid group is chemically combined with cesium ions, lead ions, silver ions, or alkaline earth metal ions to form the first altered portion. is disclosed.
本実施形態は、前記カチオンを含む液（１６０）を前記電解質膜に塗布する工程を有する樹脂枠付きＭＥＡの製造方法を開示する。 This embodiment discloses a method for manufacturing a resin-framed MEA, which has a step of applying the liquid (160) containing the cations to the electrolyte membrane.
これにより、カチオンをスルホン酸基に容易に供与することができる。従って、簡素な作業でカチオンをスルホン酸基に結合させることが可能である。換言すれば、電解質膜の一部を化学的に変質させることが容易である。なお、バリウムイオンを含む液の好適な具体例としては、塩化バリウムの水溶液が挙げられる。 This makes it possible to easily donate cations to the sulfonic acid groups. Therefore, it is possible to bind a cation to a sulfonic acid group by simple work. In other words, it is easy to chemically alter a portion of the electrolyte membrane. A preferred specific example of the liquid containing barium ions is an aqueous solution of barium chloride.
本実施形態は、前記第２電極が電極触媒層（３６）を有し、前記電極触媒層が、電極触媒と、官能基を有するイオン導電性高分子とを含む層であり、
前記第２電極の外周部における前記イオン導電性高分子の前記官能基を鉄イオン又は銅イオン以外のカチオンと化学的に結合させて環状形状の第２変質部（１４２）を得る工程を有する、樹脂枠付きＭＥＡの製造方法を開示する。
In this embodiment, the second electrode has an electrode catalyst layer (36), the electrode catalyst layer is a layer containing an electrode catalyst and an ion-conductive polymer having a functional group,
a step of chemically bonding the functional groups of the ion-conductive polymer in the outer peripheral portion of the second electrode with cations other than iron ions or copper ions to obtain a second altered portion (142) having an annular shape; Disclosed is a method for manufacturing a resin-framed MEA.
第２変質部により、化学的障壁としてのイオン流通阻止部が第２電極に形成される。第２変質部も鉄イオン又は銅イオン等を堰き止めるので、鉄イオン又は銅イオン等が第２電極に沿って電解質膜に移動することが抑制される。従って、電解質膜を一層効果的に保護することができる。 An ion flow blocking portion as a chemical barrier is formed in the second electrode by the second altered portion. Since the second altered portion also blocks iron ions, copper ions, or the like, migration of the iron ions, copper ions, or the like along the second electrode to the electrolyte membrane is suppressed. Therefore, the electrolyte membrane can be protected more effectively.
イオン導電性高分子がスルホン酸基を有する高分子（例えば、パーフルオロスルホン酸）である場合、スルホン酸基に対してセシウムイオン、鉛イオン、銀イオン又はアルカリ土類金属のイオンを結合させる。すなわち、本実施形態は、前記イオン導電性高分子が前記官能基としてスルホン酸基を有し、前記スルホン酸基にセシウムイオン、鉛イオン、銀イオン又はアルカリ土類金属のイオンを化学的に結合させて前記第２変質部を得る、樹脂枠付きＭＥＡの製造方法を開示する。 When the ion-conductive polymer is a polymer having sulfonic acid groups (for example, perfluorosulfonic acid), cesium ions, lead ions, silver ions, or alkaline earth metal ions are bound to the sulfonic acid groups. That is, in this embodiment, the ion conductive polymer has a sulfonic acid group as the functional group, and cesium ions, lead ions, silver ions, or alkaline earth metal ions are chemically bonded to the sulfonic acid group. Disclosed is a method for manufacturing an MEA with a resin frame, in which the second altered portion is obtained by allowing the resin frame to be formed.
本実施形態は、前記カチオンを含む液（１６０）を前記第２電極に塗布する工程を有する樹脂枠付きＭＥＡの製造方法を開示する。 This embodiment discloses a method of manufacturing a resin-framed MEA, which has a step of applying the liquid (160) containing the cation to the second electrode.
この場合においても上記と同様に、カチオンをスルホン酸基に容易に供与することができる。従って、簡素な作業でカチオンをスルホン酸基に結合させることが可能である。すなわち、第２電極の一部を化学的に変質させることが容易である。第２電極の一部を化学的に変質させる場合の液の好適な具体例も、上記と同様に塩化バリウムの水溶液である。 Also in this case, cations can be easily donated to the sulfonic acid groups as in the above case. Therefore, it is possible to bind a cation to a sulfonic acid group by simple work. That is, it is easy to chemically alter a portion of the second electrode. A suitable specific example of the liquid for chemically altering a part of the second electrode is also an aqueous solution of barium chloride as described above.
第１変質部及び第２変質部の双方を形成してもよい。この場合、第２変質部を形成する工程を、阻止部形成工程に含めることが可能である。例えば、カチオンを含む液を電解質膜の外周重なり部に塗布し、且つカチオンを含む液を第２電極の外周部に塗布する。 Both the first altered portion and the second altered portion may be formed. In this case, the step of forming the second altered portion can be included in the step of forming the blocking portion. For example, a liquid containing cations is applied to the outer peripheral overlapping portion of the electrolyte membrane, and a liquid containing cations is applied to the outer peripheral portion of the second electrode.
なお、本発明は、上述した実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を取り得る。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can take various configurations without departing from the gist of the present invention.
例えば、第１実施形態において、第２実施形態と同様に、２個の部材を接合した樹脂枠部材１２４を用いてもよい。これとは逆に、第２実施形態において、第１実施形態と同様に、単一個の部材からなる樹脂枠部材２４を用いてもよい。
For example, in the first embodiment, as in the second embodiment, the
１０、１２０…樹脂枠付きＭＥＡ １２、１１０…発電セル
１４…燃料電池スタック １６…第１セパレータ部材
１８…第２セパレータ部材 ２２、１２２…ＭＥＡ
２４、１２４…樹脂枠部材 ２６…電解質膜
２８…第１電極 ３０…第２電極
３２…第１電極触媒層 ３６…第２電極触媒層
４０…外周重なり部 ４２…溝
４４…発電領域 ５０…第１イオン流通阻止部
５２、１３０…接着層 ５４…接着剤
８０…積層体 １００…レーザ加工装置
１４０…第２イオン流通阻止部 １４２…第３イオン流通阻止部
１５０…ホットプレス装置
DESCRIPTION OF
24, 124...
Claims (21)
電解質膜と、前記電解質膜の第１面に配設された第１電極と、前記電解質膜の第２面に配設された第２電極とを有するＭＥＡと、
前記ＭＥＡの外周部から外方に突出するように当該外周部に取り付けられた樹脂枠部材と、
を備え、
前記電解質膜は、前記樹脂枠部材の内周部と重なる外周重なり部を有し、
前記外周重なり部に、イオンの流通を阻止するイオン流通阻止部が、前記外周重なり部の厚さ方向の全領域にわたって設けられ、
前記イオン流通阻止部は、前記ＭＥＡの発電領域を取り囲む環状形状である、樹脂枠付きＭＥＡ。 An MEA with a resin frame of a power generation cell for a fuel cell,
an MEA having an electrolyte membrane, a first electrode disposed on a first side of the electrolyte membrane, and a second electrode disposed on a second side of the electrolyte membrane;
a resin frame member attached to the outer peripheral portion of the MEA so as to protrude outward from the outer peripheral portion;
with
the electrolyte membrane has an outer peripheral overlapping portion overlapping an inner peripheral portion of the resin frame member;
An ion circulation blocking portion that blocks the circulation of ions is provided in the outer peripheral overlapping portion over the entire area in the thickness direction of the outer peripheral overlapping portion ,
The resin-framed MEA, wherein the ion blocking portion has an annular shape surrounding a power generation region of the MEA.
前記ＭＥＡの前記外周部は、少なくとも前記電解質膜の前記外周重なり部を厚さ方向に貫通する溝を有し、
前記イオン流通阻止部が、前記溝に進入した凸形状部分である、樹脂枠付きＭＥＡ。 The MEA with a resin frame according to claim 1,
The outer peripheral portion of the MEA has a groove penetrating at least the outer peripheral overlapping portion of the electrolyte membrane in the thickness direction,
An MEA with a resin frame, wherein the ion flow blocking portion is a convex portion that enters the groove.
前記第１電極の外周部は、前記電解質膜の前記外周重なり部に重なり、
前記溝は、前記電解質膜の前記外周重なり部と前記第１電極の前記外周部とに形成されている樹脂枠付きＭＥＡ。 The MEA with a resin frame according to claim 2,
the outer peripheral portion of the first electrode overlaps the outer peripheral overlapping portion of the electrolyte membrane;
The MEA with a resin frame, wherein the groove is formed in the outer peripheral overlapping portion of the electrolyte membrane and the outer peripheral portion of the first electrode.
前記イオン流通阻止部を形成する前記凸形状部分が、前記樹脂枠部材の前記内周部と前記電解質膜の前記外周重なり部とを互いに接合する接着剤によって設けられている、樹脂枠付きＭＥＡ。 The MEA with a resin frame according to claim 2 or 3,
A MEA with a resin frame, wherein the convex portion forming the ion flow blocking portion is provided by an adhesive that joins the inner peripheral portion of the resin frame member and the overlapping outer peripheral portion of the electrolyte membrane to each other.
前記イオン流通阻止部は、前記電解質膜の前記外周重なり部の一部が化学的に変質された環状形状の第１変質部である、樹脂枠付きＭＥＡ。 The MEA with a resin frame according to claim 1,
The resin-framed MEA, wherein the ion flow blocking portion is an annular first altered portion formed by chemically altering a portion of the outer peripheral overlapping portion of the electrolyte membrane.
前記電解質膜の素材が、官能基を有する固体高分子であり、前記第１変質部は、前記官能基が鉄イオン又は銅イオン以外のカチオンと化学的に結合した部分である、樹脂枠付きＭＥＡ。 The MEA with a resin frame according to claim 5,
The resin-framed MEA, wherein the material of the electrolyte membrane is a solid polymer having a functional group, and the first modified portion is a portion where the functional group is chemically bonded to a cation other than iron ions or copper ions. .
前記官能基がスルホン酸基であり、且つ前記カチオンがセシウムイオン、鉛イオン、銀イオン又はアルカリ土類金属のイオンである、樹脂枠付きＭＥＡ。 The MEA with a resin frame according to claim 6,
A resin-framed MEA, wherein the functional groups are sulfonic acid groups, and the cations are cesium ions, lead ions, silver ions, or alkaline earth metal ions.
前記第２電極は電極触媒層を有し、
前記電極触媒層は、電極触媒と、官能基を有するイオン導電性高分子とを含む層であり、
前記電極触媒層の外周部における前記イオン導電性高分子が化学的に変質された環状形状の第２変質部を有する、樹脂枠付きＭＥＡ。 The MEA with a resin frame according to any one of claims 1 to 7,
The second electrode has an electrode catalyst layer,
The electrode catalyst layer is a layer containing an electrode catalyst and an ion-conductive polymer having a functional group,
An MEA with a resin frame, having an annular second altered portion in which the ion conductive polymer in the outer peripheral portion of the electrode catalyst layer is chemically altered.
前記第２変質部が、前記官能基が鉄イオン又は銅イオン以外のカチオンと化学的に結合して形成された樹脂枠付きＭＥＡ。 The MEA with a resin frame according to claim 8,
A resin-framed MEA in which the second altered portion is formed by chemically bonding the functional group to a cation other than iron ions or copper ions.
前記樹脂枠付きＭＥＡは、
電解質膜と、前記電解質膜の第１面に配設された第１電極と、前記電解質膜の第２面に配設された第２電極とを有するＭＥＡと、
前記ＭＥＡの外周部から外方に突出するように当該外周部に取り付けられた樹脂枠部材と、
を備え、
当該製造方法は、
前記第１電極に前記電解質膜を積層することにより積層体を得る積層工程と、
前記第１電極が積層された前記電解質膜の前記外周部に前記樹脂枠部材の内周部を重ねて前記電解質膜に外周重なり部を形成し、前記電解質膜の前記外周重なり部に前記樹脂枠部材の前記内周部を接合する接合工程と、
前記積層工程の後で、イオンの流通を阻止するイオン流通阻止部を、前記電解質膜の前記外周重なり部に、該外周重なり部の厚さ方向の全領域にわたって設ける阻止部形成工程と、
を含み、
前記イオン流通阻止部を、前記ＭＥＡの発電領域を取り囲む環状形状に形成する、樹脂枠付きＭＥＡの製造方法。 A method for manufacturing an MEA with a resin frame for a power generating cell for a fuel cell, comprising:
The resin-framed MEA is
an MEA having an electrolyte membrane, a first electrode disposed on a first side of the electrolyte membrane, and a second electrode disposed on a second side of the electrolyte membrane;
a resin frame member attached to the outer peripheral portion of the MEA so as to protrude outward from the outer peripheral portion;
with
The manufacturing method is
a lamination step of obtaining a laminate by laminating the electrolyte membrane on the first electrode;
The inner peripheral portion of the resin frame member is superimposed on the outer peripheral portion of the electrolyte membrane on which the first electrode is laminated to form an outer peripheral overlapping portion on the electrolyte membrane, and the resin frame is formed on the outer peripheral overlapping portion of the electrolyte membrane. a joining step of joining the inner peripheral portions of the members;
After the lamination step, a blocking portion forming step of providing an ion flow blocking portion for blocking the flow of ions in the outer peripheral overlapping portion of the electrolyte membrane over the entire region in the thickness direction of the outer peripheral overlapping portion ;
including
A method of manufacturing a resin-framed MEA, wherein the ion flow blocking portion is formed in an annular shape surrounding a power generation region of the MEA.
前記阻止部形成工程は、
少なくとも前記電解質膜の前記外周重なり部を厚さ方向に貫通する環状形状の溝を形成する溝形成工程を有し、
前記接合工程を、前記イオン流通阻止部を形成する材料を前記溝に充填した状態で行い、
前記イオン流通阻止部を、前記溝に進入した凸形状部分として得る、樹脂枠付きＭＥＡの製造方法。 A method for manufacturing a resin-framed MEA according to claim 11,
The blocking portion forming step includes:
a groove forming step of forming an annular groove penetrating at least the outer peripheral overlapping portion of the electrolyte membrane in a thickness direction;
performing the bonding step in a state in which the groove is filled with a material forming the ion flow blocking portion;
A method for manufacturing a resin-framed MEA, wherein the ion flow blocking portion is obtained as a convex portion that enters the groove.
前記溝形成工程では、レーザ加工によって前記電解質膜の前記外周重なり部に前記溝を形成する、樹脂枠付きＭＥＡの製造方法。 A method for manufacturing a MEA with a resin frame according to claim 12,
In the groove forming step, the groove is formed in the outer peripheral overlapping portion of the electrolyte membrane by laser processing.
前記イオン流通阻止部を、前記樹脂枠部材の前記内周部と前記電解質膜の前記外周重なり部とを互いに接合する接着剤から作製する、樹脂枠付きＭＥＡの製造方法。 14. A method for manufacturing a resin-framed MEA according to claim 12 or 13,
A method of manufacturing a resin-framed MEA, wherein the ion flow blocking portion is made of an adhesive that joins the inner peripheral portion of the resin frame member and the outer overlapping portion of the electrolyte membrane to each other.
前記イオン流通阻止部を、前記電解質膜の前記外周重なり部の一部を環状形状に化学的に変質させた第１変質部として形成する、樹脂枠付きＭＥＡの製造方法。 A method for manufacturing a MEA with a resin frame according to claim 11,
A method for manufacturing a resin-framed MEA, wherein the ion flow blocking portion is formed as a first altered portion obtained by chemically altering a portion of the outer peripheral overlapping portion of the electrolyte membrane into an annular shape.
前記電解質膜の素材が、官能基を有する固体高分子であり、前記官能基を鉄イオン又は銅イオン以外のカチオンと化学的に結合させることで前記第１変質部を得る、樹脂枠付きＭＥＡの製造方法。 A method for manufacturing a resin-framed MEA according to claim 15,
A resin-framed MEA in which the material of the electrolyte membrane is a solid polymer having a functional group, and the functional group is chemically bonded to cations other than iron ions or copper ions to obtain the first modified portion. Production method.
前記官能基がスルホン酸基であり、前記スルホン酸基をセシウムイオン、鉛イオン、銀イオン又はアルカリ土類金属のイオンと化学的に結合させることで前記第１変質部を得る、樹脂枠付きＭＥＡの製造方法。 A method for manufacturing a resin-framed MEA according to claim 16,
The resin-framed MEA, wherein the functional group is a sulfonic acid group, and the first modified portion is obtained by chemically bonding the sulfonic acid group to cesium ions, lead ions, silver ions, or alkaline earth metal ions. manufacturing method.
前記カチオンを含む液を前記電解質膜に塗布する工程を有する樹脂枠付きＭＥＡの製造方法。 A method for manufacturing a resin-framed MEA according to claim 17,
A method for producing a resin-framed MEA, comprising a step of applying the liquid containing the cation to the electrolyte membrane.
前記第２電極が電極触媒層を有し、前記電極触媒層が、電極触媒と、官能基を有するイオン導電性高分子とを含む層であり、
前記第２電極の外周部における前記イオン導電性高分子の前記官能基を、鉄イオン又は銅イオン以外のカチオンと化学的に結合させて環状形状の第２変質部を得る工程を有する、樹脂枠付きＭＥＡの製造方法。 A method for manufacturing a resin-framed MEA according to any one of claims 11 to 18,
The second electrode has an electrode catalyst layer, the electrode catalyst layer is a layer containing an electrode catalyst and an ion-conductive polymer having a functional group,
a step of chemically bonding the functional groups of the ion-conductive polymer in the outer peripheral portion of the second electrode with cations other than iron ions or copper ions to obtain an annular second altered portion. MEA manufacturing method.
前記イオン導電性高分子が前記官能基としてスルホン酸基を有し、前記スルホン酸基にセシウムイオン、鉛イオン、銀イオン又はアルカリ土類金属のイオンを化学的に結合させて前記第２変質部を得る、樹脂枠付きＭＥＡの製造方法。 A method for manufacturing a resin-framed MEA according to claim 19,
The ion-conductive polymer has a sulfonic acid group as the functional group, and the sulfonic acid group is chemically bonded with cesium ions, lead ions, silver ions, or alkaline earth metal ions to form the second altered portion. A method for manufacturing a resin-framed MEA.
前記カチオンを含む液を前記第２電極に塗布する工程を有する樹脂枠付きＭＥＡの製造方法。 A method for manufacturing a resin-framed MEA according to claim 20,
A method for manufacturing a resin-framed MEA, comprising a step of applying the liquid containing the cation to the second electrode.
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