JP7609031B2 - Fuel cell unit cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池単位セルに関する。 The present invention relates to a fuel cell unit cell.
燃料電池は、電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側及びカソード側の電極触媒層とからなる膜電極接合体(以下、「MEA」とも記載する)を、セパレーターを介して複数個積層して構成される。MEAの両側には、燃料ガス又は酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層(以下、「GDL」とも記載する)が配置される。GDLが両側に配置されたMEAを、全体として膜電極及びガス拡散層接合体(以下、「MEGA」とも記載する)と称する場合がある。MEGAは、一対のセパレーターによって挟持されている。MEA又はMEGAを、燃料電池単位セル、燃料電池セル又は単電池とも称する。 A fuel cell is constructed by stacking multiple membrane electrode assemblies (hereinafter also referred to as "MEA"), each consisting of an electrolyte membrane and an anode-side and cathode-side electrode catalyst layer that sandwiches the electrolyte membrane, with separators between them. Gas diffusion layers (hereinafter also referred to as "GDL") are arranged on both sides of the MEA to provide fuel gas or oxidant gas and to collect electricity generated by electrochemical reactions. The MEA with GDLs arranged on both sides may be referred to as a membrane electrode and gas diffusion layer assembly (hereinafter also referred to as "MEGA"). The MEGA is sandwiched between a pair of separators. The MEA or MEGA is also referred to as a fuel cell unit cell, fuel cell cell, or single cell.
MEGAは薄く、曲がりやすいことから、例えば、MEGAの保護又は製造コストの削減を目的として、MEGAの外周において該MEGAを支持する支持フレームを配置した構成を有するMEGA(以下、「フレームMEGA」とも記載する)が知られている。フレームMEGAの構成を有する燃料電池単位セルは、通常は、MEGAと支持フレームとを接着剤を用いて接着することにより製造される。 Because MEGAs are thin and easily bent, MEGAs (hereinafter also referred to as "frame MEGAs") are known that have a support frame that supports the MEGA on its outer periphery for the purpose of protecting the MEGA or reducing manufacturing costs. Fuel cell unit cells having a frame MEGA configuration are usually manufactured by bonding the MEGA and the support frame with an adhesive.
例えば、特許文献1は、電解質膜の両側に電極触媒層がそれぞれ形成された膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側面上にそれぞれ配置されたガス拡散層と、熱可塑性樹脂によって形成され、前記膜電極接合体の外周において前記膜電極接合体を支持する支持フレームとを備えた燃料電池セルの製造方法であって、前記膜電極接合体の一側面上にガス拡散層が配置され、前記膜電極接合体の他側面上にガス拡散層が配置されていない前記膜電極接合体を準備する工程と、前記膜電極接合体の他側面の外周縁部上に、ラジカル重合型の紫外線硬化性を有する接着剤からなる接着剤層を形成する工程と、前記支持フレームに該支持フレームの温度上昇を抑止する冷却プレートを密着させつつ、前記接着剤層に紫外線を照射し、紫外線が照射された前記接着剤層を介して前記膜電極接合体と前記支持フレームとを接着する工程とを含む燃料電池セルの製造方法を記載する。 For example, Patent Document 1 describes a method for manufacturing a fuel cell comprising a membrane electrode assembly in which an electrode catalyst layer is formed on each side of an electrolyte membrane, gas diffusion layers arranged on both sides of the membrane electrode assembly, and a support frame formed of a thermoplastic resin and supporting the membrane electrode assembly on the outer periphery of the membrane electrode assembly, the method including the steps of: preparing the membrane electrode assembly in which a gas diffusion layer is arranged on one side of the membrane electrode assembly and no gas diffusion layer is arranged on the other side of the membrane electrode assembly; forming an adhesive layer made of a radical polymerization type ultraviolet-curable adhesive on the outer periphery of the other side of the membrane electrode assembly; and irradiating the adhesive layer with ultraviolet light while closely adhering a cooling plate that suppresses a temperature rise of the support frame to the support frame, and bonding the membrane electrode assembly and the support frame via the ultraviolet-irradiated adhesive layer.
前記のように、支持フレームを有する燃料電池単位セルが開発されている。しかしながら、従来技術の燃料電池単位セルにはいくつかの課題が存在した。例えば、MEGAと支持フレームとを接着する接着剤として、液体接着剤を用いる場合、接着性は十分であるものの、燃料電池の運転に伴って発生する熱により、接着剤中の揮発成分が電極触媒層中の触媒金属(例えば白金)と反応して、分解ガスを生じる場合がある。このような反応で生じる分解ガスは、触媒金属を被毒し、燃料電池の出力低下を招く可能性がある。また、固体接着剤(例えば、ホットメルト接着剤)を用いる場合、前記のような問題は回避し得るものの、燃料電池の運転時における燃料電池単位セル内部の環境下、例えば水熱環境下では、接着性が低下し、接着剤が電解質膜から剥離しやすくなる場合がある。これらの問題が生じると、結果として燃料電池単位セルの接着性、耐熱性及び/又は生産性が低下し得る。 As described above, fuel cell unit cells having a support frame have been developed. However, there were several problems with the conventional fuel cell unit cells. For example, when a liquid adhesive is used as an adhesive for bonding the MEGA and the support frame, the adhesive has sufficient adhesion, but the heat generated during the operation of the fuel cell may cause the volatile components in the adhesive to react with the catalytic metal (e.g., platinum) in the electrode catalyst layer to generate decomposition gas. The decomposition gas generated by such a reaction may poison the catalytic metal and cause a decrease in the output of the fuel cell. In addition, when a solid adhesive (e.g., a hot melt adhesive) is used, the above-mentioned problems can be avoided, but in the environment inside the fuel cell unit cell during operation of the fuel cell, for example, in a hydrothermal environment, the adhesive may decrease in adhesion and the adhesive may easily peel off from the electrolyte membrane. If these problems occur, the adhesion, heat resistance and/or productivity of the fuel cell unit cell may decrease as a result.
それ故、本発明は、接着性、耐熱性及び/又は生産性を兼ね備えた接着層を有する燃料電池単位セルを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention aims to provide a fuel cell unit cell having an adhesive layer that combines adhesiveness, heat resistance, and/or productivity.
本発明者らは、前記課題を解決するための手段を種々検討した。本発明者らは、接着剤の主剤としてポリビニルブチラールを用いることにより、接着性、耐熱性及び/又は生産性を兼ね備えた接着層を有する燃料電池単位セルを得られることを見出した。本発明者らは、前記知見に基づき、本発明を完成した。 The inventors have investigated various means for solving the above problems. They have found that by using polyvinyl butyral as the main agent of the adhesive, it is possible to obtain a fuel cell unit cell having an adhesive layer that combines adhesiveness, heat resistance, and/or productivity. Based on the above findings, the inventors have completed the present invention.
すなわち、本発明は、以下の態様及び実施形態を包含する。
(1)電解質膜と、該電解質膜の両面に積層されている一対の電極触媒層とを有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を支持する支持フレームと、
前記膜電極接合体と前記支持フレームとを接着する接着層と、
を備える燃料電池単位セルであって、
前記膜電極接合体の少なくとも一方の面において、前記電極触媒層が、前記電解質膜の外周側面の内側に積層されており、前記接着層が、前記電解質膜の外周側面と前記支持フレームとを互いに接着するように配置されており、
前記接着層が、ポリビニルブチラールを含むホットメルト接着層である、
前記燃料電池単位セル。
That is, the present invention includes the following aspects and embodiments.
(1) a membrane electrode assembly having an electrolyte membrane and a pair of electrode catalyst layers laminated on both sides of the electrolyte membrane;
A support frame for supporting the membrane electrode assembly;
an adhesive layer that bonds the membrane electrode assembly and the support frame;
A fuel cell unit cell comprising:
the electrode catalyst layer is laminated on an inside of an outer peripheral side surface of the electrolyte membrane on at least one surface of the membrane electrode assembly, and the adhesive layer is arranged so as to bond the outer peripheral side surface of the electrolyte membrane and the support frame to each other;
The adhesive layer is a hot melt adhesive layer containing polyvinyl butyral.
The fuel cell unit cell.
本発明により、接着性、耐熱性及び/又は生産性を兼ね備えた接着層を有する燃料電池単位セルを提供することが可能となる。 The present invention makes it possible to provide a fuel cell unit cell having an adhesive layer that combines adhesiveness, heat resistance, and/or productivity.
以下、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。 A preferred embodiment of the present invention is described in detail below.
<1. 燃料電池単位セル>
本発明者らは、支持フレームを有する燃料電池単位セルにおいて、膜電極接合体と支持フレームとを接着する接着剤の主剤としてポリビニルブチラールを用いることにより、接着性、耐熱性及び/又は生産性を兼ね備えた接着層を有する燃料電池単位セルを得られることを見出した。それ故、本発明の一態様は、燃料電池単位セルに関する。
<1. Fuel cell unit cell>
The present inventors have found that, in a fuel cell unit cell having a support frame, by using polyvinyl butyral as a main agent of an adhesive that bonds a membrane electrode assembly and a support frame, it is possible to obtain a fuel cell unit cell having an adhesive layer that combines adhesiveness, heat resistance, and/or productivity. Therefore, one aspect of the present invention relates to a fuel cell unit cell.
本態様の燃料電池単位セルの一実施形態を示す断面図を図1に示す。図1に示すように、燃料電池単位セル10は、電解質膜4と、電解質膜4の両面に積層されている一対の電極触媒層5とを有する膜電極接合体1と、膜電極接合体1を支持する支持フレーム2と、膜電極接合体1と支持フレーム2とを接着する接着層3とを備える。一対の電極触媒層5のうち、一方がアノード側の電極触媒層であり、他方がカソード側の電極触媒層である。
A cross-sectional view showing one embodiment of a fuel cell unit cell of this aspect is shown in FIG. 1. As shown in FIG. 1, a fuel
燃料電池単位セル10では、膜電極接合体1の少なくとも一方の面において、電極触媒層5は、電解質膜4の外周側面の内側に積層されている。例えば、膜電極接合体1の一方の面において、電極触媒層5が、電解質膜4の外周側面の内側に積層されており、他方の面において、電極触媒層5が、電解質膜4の外周側面の全体に亘って延在するように積層されていることができる。或いは、膜電極接合体の両方の面において、電極触媒層が、電解質膜の外周側面の内側に積層されていてもよい。
In the fuel
燃料電池単位セル10では、接着層3は、電解質膜4の外周側面と支持フレーム2とを互いに接着するように配置されている。例えば、膜電極接合体1の一方の面において、電極触媒層5が、電解質膜4の外周側面の内側に積層されている場合、接着層3は、該一方の面の電解質膜4の外周側面と支持フレーム2とを互いに接着するように配置され、他方の面において、電極触媒層5が、電解質膜4の外周側面の全体に亘って延在するように積層されていることができる。或いは、他方の面においても、電極触媒層が、電解質膜の外周側面の内側に積層されていてもよい。
In the fuel
燃料電池単位セル10において、支持フレーム2は、接着層3を介して電解質膜4の外周側面と接着されていれば、具体的な配置は特に限定されない。例えば、図1に示すように、支持フレーム2は、膜電極接合体1の外周において、膜電極接合体1から離間して配置されていてもよい。或いは、支持フレームは、膜電極接合体の外周において、膜電極接合体と当接するように配置されていてもよい。
In the fuel
本態様の燃料電池単位セルは、ガス拡散層及びセパレーター等の燃料電池単位セルに適用される任意の部材をさらに有することができる。例えば、図1に示すように、一実施形態において、燃料電池単位セル10は、電極触媒層5の外周側面に積層されている一対のガス拡散層6、及びガス拡散層6の外周側面に配置される一対のセパレーター7を有してもよい。本実施形態の場合、ガス拡散層6及びセパレーター7によって画定されるガス流路8を更に有することができる。カソード側の電極触媒層側に配置されるガス拡散層及びセパレーターによって画定されるガス流路には、酸化ガスが流通し、アノード側の電極触媒層側に配置されるガス拡散層及びセパレーターによって画定されるガス流路には、燃料ガスが流通する。このような構成により、膜電極接合体において電気化学反応が進行して、起電力を生じる。
The fuel cell unit cell of this embodiment may further have any member applied to the fuel cell unit cell, such as a gas diffusion layer and a separator. For example, as shown in FIG. 1, in one embodiment, the fuel
本態様の燃料電池単位セルにおいて、接着層は、ポリビニルブチラールを含む。この場合、ポリビニルブチラールは、主剤として接着層に含まれる。すなわち、本態様の燃料電池単位セルにおける接着層は、ホットメルト接着層である。前記特徴を有する接着層は、液体接着剤の使用において生じ得る、熱による触媒金属の被毒及び燃料電池の出力低下を実質的に回避し得る。また、以下の実施例に示すように、ポリビニルブチラールを含む接着層は、接着性が高く、且つエチレン-ビニルアルコール共重合体(以下、「EVOH」とも記載する)及びポリアミドのような公知の材料を主剤として含む接着層と比較して耐熱性及び生産性も高い。それ故、ポリビニルブチラールを含む接着層を用いることにより、接着性、耐熱性及び/又は生産性を兼ね備えた接着層を有する燃料電池単位セルを得ることができる。 In the fuel cell unit cell of this embodiment, the adhesive layer contains polyvinyl butyral. In this case, polyvinyl butyral is contained in the adhesive layer as a main component. That is, the adhesive layer in the fuel cell unit cell of this embodiment is a hot melt adhesive layer. The adhesive layer having the above characteristics can substantially avoid the poisoning of the catalyst metal due to heat and the decrease in the output of the fuel cell, which may occur when using a liquid adhesive. In addition, as shown in the following examples, the adhesive layer containing polyvinyl butyral has high adhesion and is also high in heat resistance and productivity compared to adhesive layers containing known materials such as ethylene-vinyl alcohol copolymer (hereinafter also referred to as "EVOH") and polyamide as main components. Therefore, by using an adhesive layer containing polyvinyl butyral, a fuel cell unit cell having an adhesive layer that combines adhesion, heat resistance, and/or productivity can be obtained.
本発明の各態様において、接着層の接着性は、例えば、該接着層を用いて調製した試験を所定の条件下で引張試験に供し、破断及び剥離等の発生を観察することにより、評価することができる。 In each embodiment of the present invention, the adhesiveness of the adhesive layer can be evaluated, for example, by subjecting a test piece prepared using the adhesive layer to a tensile test under specified conditions and observing the occurrence of breakage, peeling, etc.
本発明の各態様において、接着層の耐熱性は、例えば、接着層に含まれる材料(例えば、主剤)の融点を指標に評価することができる。接着層に含まれる材料(例えば、主剤)の融点は、例えば、示差走査熱量計により、測定することができる。 In each aspect of the present invention, the heat resistance of the adhesive layer can be evaluated, for example, using the melting point of the material (e.g., the base agent) contained in the adhesive layer as an index. The melting point of the material (e.g., the base agent) contained in the adhesive layer can be measured, for example, by a differential scanning calorimeter.
本発明の各態様において、接着層の生産性は、例えば、接着層に含まれる材料(例えば、主剤)のガラス転移点を指標に評価することができる。接着層に含まれる材料(例えば、主剤)のガラス転移点は、例えば、示差走査熱量計により、測定することができる。 In each aspect of the present invention, the productivity of the adhesive layer can be evaluated, for example, using the glass transition point of the material (e.g., the base agent) contained in the adhesive layer as an index. The glass transition point of the material (e.g., the base agent) contained in the adhesive layer can be measured, for example, by a differential scanning calorimeter.
接着層に含まれるポリビニルブチラールは、以下に示す繰り返し構造を有することが好ましい。 The polyvinyl butyral contained in the adhesive layer preferably has the repeating structure shown below.
前記式において、mは、ブチラール基比率(mol%)であり、nは、水酸基比率(mol%)であり、lは、アセチル基比率(mol%)である。m、n及びlは、ポリビニルブチラール高分子全体の総モル数に対する各基のモル数の比率である。ブチラール基比率(m)は、50~60の範囲であることが好ましい。水酸基比率(n)は、37~47の範囲であることが好ましい。アセチル基比率(l)は、1~4の範囲であることが好ましい。前記特徴を有するポリビニルブチラールを含む接着層を用いることにより、接着性、耐熱性及び/又は生産性を兼ね備えた接着層を有する燃料電池単位セルを得ることができる。 In the above formula, m is the butyral group ratio (mol%), n is the hydroxyl group ratio (mol%), and l is the acetyl group ratio (mol%). m, n, and l are the ratios of the number of moles of each group to the total number of moles of the entire polyvinyl butyral polymer. The butyral group ratio (m) is preferably in the range of 50 to 60. The hydroxyl group ratio (n) is preferably in the range of 37 to 47. The acetyl group ratio (l) is preferably in the range of 1 to 4. By using an adhesive layer containing polyvinyl butyral having the above characteristics, a fuel cell unit cell having an adhesive layer that combines adhesion, heat resistance, and/or productivity can be obtained.
接着層は、前記で説明したポリビニルブチラールに加えて、ゴムフィラー、架橋剤、可塑剤、熱安定剤、加水分解防止剤及び相溶剤等の1種以上のさらなる成分を含んでもよい。 In addition to the polyvinyl butyral described above, the adhesive layer may contain one or more additional components such as a rubber filler, a crosslinking agent, a plasticizer, a heat stabilizer, a hydrolysis inhibitor, and a compatibilizer.
接着層の形状は、特に限定されず、例えばシート状のような任意の形状であることができる。また、接着層は、1層構造でもよく、多層構造でもよい。接着層がシート状の形状である場合、厚さは、通常は10~100 μmの範囲である。この場合、接着層の厚さは、10 μm以上であることが好ましく、20 μm以上であることがより好ましく、30 μm以上であることがさらに好ましく、40 μm以上であることが特に好ましい。また、接着層の厚さは、100 μm以下であることが好ましく、90 μm以下であることがより好ましく、70 μm以下であることがさらに好ましく、50 μm以下であることが特に好ましい。 The shape of the adhesive layer is not particularly limited, and can be any shape, such as a sheet. The adhesive layer may have a single layer structure or a multilayer structure. When the adhesive layer is in a sheet shape, the thickness is usually in the range of 10 to 100 μm. In this case, the thickness of the adhesive layer is preferably 10 μm or more, more preferably 20 μm or more, even more preferably 30 μm or more, and particularly preferably 40 μm or more. The thickness of the adhesive layer is preferably 100 μm or less, more preferably 90 μm or less, even more preferably 70 μm or less, and particularly preferably 50 μm or less.
本態様の燃料電池単位セルにおいて、電解質膜は、燃料電池単位セルの電解質層として通常使用される任意の材料から形成することができる。このような材料としては、例えば、フッ素系のイオン伝導性を有する高分子、例えば、パーフルオロスルホン酸基を有するプロトン導電性を有するイオン交換高分子(すなわち、パーフルオロスルホン酸ポリマー)を挙げることができる。 In the fuel cell unit cell of this embodiment, the electrolyte membrane can be formed from any material that is typically used as an electrolyte layer in a fuel cell unit cell. Examples of such materials include fluorine-based polymers with ion conductivity, such as ion exchange polymers with perfluorosulfonic acid groups and proton conductivity (i.e., perfluorosulfonic acid polymers).
本態様の燃料電池単位セルにおいて、電極触媒層は、触媒金属が担体に担持されている電極触媒によって形成することができる。 In this embodiment of the fuel cell unit cell, the electrode catalyst layer can be formed from an electrode catalyst in which a catalytic metal is supported on a carrier.
触媒金属は、燃料電池単位セルの電極触媒として通常使用される任意の材料から形成することができる。このような触媒金属としては、例えば、Pt、Pd及びRh等、並びに1種以上のこれらの金属を含む合金等を挙げることができる。 The catalytic metal can be formed from any material that is typically used as an electrode catalyst in a fuel cell unit cell. Examples of such catalytic metals include Pt, Pd, and Rh, as well as alloys containing one or more of these metals.
担体は、燃料電池単位セルの電極触媒層として通常使用される任意の材料から形成することができる。このような担体としては、例えば、炭素担体、例えば、グラッシーカーボン、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛又は人造黒鉛等から形成される炭素粒子を挙げることができる。 The support can be made of any material that is typically used as an electrode catalyst layer in a fuel cell unit cell. Examples of such supports include carbon supports, such as carbon particles made of glassy carbon, carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, or artificial graphite.
本態様の燃料電池単位セルにおいて、支持フレームは、電気絶縁性及び気密性を有する任意の材料によって形成することができる。このような材料としては、例えば、熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂を挙げることができる。支持フレームを形成する材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン、環状ポリオレフィン系樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリエチレンナフタレート系樹脂(PEN)、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリフェニルスルホン(PPS)、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン又はポリスルホン等の熱可塑樹脂であることが好ましい。 In the fuel cell unit cell of this embodiment, the support frame can be formed from any material that is electrically insulating and airtight. Examples of such materials include thermosetting resins and thermoplastic resins. The material forming the support frame is preferably a thermoplastic resin such as polyethylene, polypropylene, cyclic polyolefin resin, polyphenylene ether resin, polyethylene naphthalate resin (PEN), polyetherimide, polyimide, polyphenylsulfone (PPS), polyethersulfone, polyphenylsulfone, or polysulfone.
本態様の燃料電池単位セルにおいて、ガス拡散層は、燃料電池単位セルのガス拡散層として通常使用される任意の材料から形成することができる。このような材料としては、例えば、導電性を有する多孔体を挙げることができる。このような多孔体としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス及びガラス状カーボンのようなカーボン多孔体、並びに金属メッシュ及び発泡金属のような金属多孔体を挙げることができる。 In the fuel cell unit cell of this embodiment, the gas diffusion layer can be formed from any material that is typically used as a gas diffusion layer in a fuel cell unit cell. Examples of such materials include conductive porous bodies. Examples of such porous bodies include carbon porous bodies such as carbon paper, carbon cloth, and glassy carbon, as well as metal porous bodies such as metal mesh and metal foam.
本態様の燃料電池単位セルにおいて、セパレーターは、燃料電池単位セルのセパレーターとして通常使用される任意の材料から形成することができる。このような材料としては、例えば、ガス不透過性の導電性材料を挙げることができる。このようなガス不透過性の導電性材料としては、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及びプレス成型した金属板等を挙げることができる。 In the fuel cell unit cell of this embodiment, the separator can be formed from any material that is typically used as a separator for a fuel cell unit cell. Examples of such materials include gas-impermeable conductive materials. Examples of such gas-impermeable conductive materials include dense carbon made by compressing carbon to make it gas-impermeable, and press-molded metal plates.
<2. 燃料電池単位セルの製造方法>
本発明の別の一態様は、前記で説明した本発明の一態様の燃料電池単位セルの製造方法に関する。本態様の方法は、電解質膜と該電解質膜の両面に積層されている一対の電極触媒層とを有する膜電極接合体を準備する工程、支持フレームを準備する工程、接着層を準備する工程、及び前記膜電極接合体と前記支持フレームとを前記接着層を介して接着する工程を含む。
2. Manufacturing method of fuel cell unit cell
Another aspect of the present invention relates to a method for producing the fuel cell unit cell of the aspect of the present invention described above. The method of this aspect includes the steps of preparing a membrane electrode assembly having an electrolyte membrane and a pair of electrode catalyst layers laminated on both sides of the electrolyte membrane, preparing a support frame, preparing an adhesive layer, and bonding the membrane electrode assembly and the support frame via the adhesive layer.
本態様の方法において、各部材を準備する工程は、前記で説明した特徴を有する各部材の材料を用いて、当該技術分野で公知の種々の方法によって実施することができる。 In the method of this embodiment, the process of preparing each component can be carried out by various methods known in the art using materials for each component having the characteristics described above.
本態様の製造方法において、膜電極接合体と支持フレームとを接着層を介して接着する工程は、当該技術分野で通常実施されるホットプレス等の手段で実施することができる。この場合、ホットプレスの温度は、前記で説明した接着層に含まれるポリビニルブチラールの融点に基づき適宜設定することができる。ホットプレスの温度は、例えば、80℃以上且つポリビニルブチラールの融点未満の温度であることが好ましい。 In the manufacturing method of this embodiment, the step of bonding the membrane electrode assembly and the support frame via an adhesive layer can be performed by means of hot pressing or the like that is commonly performed in the art. In this case, the hot pressing temperature can be appropriately set based on the melting point of the polyvinyl butyral contained in the adhesive layer described above. The hot pressing temperature is preferably, for example, 80°C or higher and lower than the melting point of polyvinyl butyral.
以上、詳細に説明したように、本発明の一態様の燃料電池単位セルは、接着層において高い接着性、耐熱性及び/又は生産性を兼ね備える。このため、本発明の一態様の燃料電池単位セルは、例えば、自動車、船舶又は鉄道車両用の燃料電池に適用することができる。 As described above in detail, the fuel cell unit cell of one embodiment of the present invention has high adhesion, heat resistance, and/or productivity in the adhesive layer. Therefore, the fuel cell unit cell of one embodiment of the present invention can be applied to fuel cells for automobiles, ships, or railway vehicles, for example.
以下、実施例を用いて本発明をさらに具体的に説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれら実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail below using examples. However, the technical scope of the present invention is not limited to these examples.
<I:燃料電池単位セルの製造>
[I-1:実施例1]
電解質膜(厚さ25 μm、Nafion(登録商標)、DuPont社製)を、縦10 mm×横30 mmの矩形に裁断して、電解質膜片を調製した。
<I: Manufacturing of fuel cell unit cells>
[I-1: Example 1]
An electrolyte membrane (thickness 25 μm, Nafion (registered trademark), manufactured by DuPont) was cut into a rectangle measuring 10 mm in length and 30 mm in width to prepare an electrolyte membrane piece.
ブチラール基比率(m)55 mol%、水酸基比率(n)42 mol%、アセチル基比率(l)3 mol%であるポリビニルブチラール膜(厚さ40 μm)を、押出成形によって成型した。得られた膜を縦10 mm×横40 mmの矩形に裁断して、実施例1の接着層片を調製した。
A polyvinyl butyral film (thickness 40 μm) with a butyral group ratio (m) of 55 mol%, a hydroxyl group ratio (n) of 42 mol%, and an acetyl group ratio (l) of 3 mol% was molded by extrusion molding. The obtained film was cut into a rectangle of
電解質膜片と接着層片とを、長手方向の端部の縦10 mm×横10 mmの部分が互いに重なるように積層した。積層部分を、1 MPa、100℃、1分間の条件下でホットプレスした。これにより、電解質膜片及び接着層片の積層部分を熱圧着して、燃料電池単位セルを模した試験片を調製した。 The electrolyte membrane piece and adhesive layer piece were stacked so that the 10 mm x 10 mm sections of the longitudinal ends overlapped each other. The stacked sections were hot pressed under conditions of 1 MPa, 100°C, and 1 minute. In this way, the stacked sections of the electrolyte membrane piece and adhesive layer piece were thermocompressed to prepare a test specimen simulating a unit cell of a fuel cell.
[I-2:比較例1]
ポリアミドであるナイロン12からなる膜(厚さ40 μm)を、押出成形によって成型した。得られた膜を縦10 mm×横40 mmの矩形に裁断して、比較例1の接着層片を調製した。この接着層片を用いた他は実施例1と同様の材料及び手順で、比較例1の試験片を調製した。
[I-2: Comparative Example 1]
A film (thickness 40 μm) made of polyamide nylon 12 was molded by extrusion molding. The obtained film was cut into a rectangle of
[I-3:比較例2]
ポリアミドであるナイロン9からなる膜(厚さ40 μm)を、押出成形によって成型した。得られた膜を縦10 mm×横40 mmの矩形に裁断して、比較例2の接着層片を調製した。この接着層片を用いた他は実施例1と同様の材料及び手順で、比較例2の試験片を調製した。
[I-3: Comparative Example 2]
A film (40 μm thick) made of nylon 9, a polyamide, was molded by extrusion molding. The obtained film was cut into a rectangle of 10 mm length x 40 mm width to prepare an adhesive layer piece of Comparative Example 2. A test piece of Comparative Example 2 was prepared using the same materials and procedures as in Example 1, except that this adhesive layer piece was used.
[I-4:比較例3]
エチレン比率95 mol%であるエチレン-ビニルアルコール共重合体(EVOH)膜(厚さ40 μm)を、キャスト法によって成型した。得られた膜を縦10 mm×横40 mmの矩形に裁断して、比較例3の接着層片を調製した。この接着層片を用いた他は実施例1と同様の材料及び手順で、比較例3の試験片を調製した。
[I-4: Comparative Example 3]
An ethylene-vinyl alcohol copolymer (EVOH) film (thickness 40 μm) with an ethylene ratio of 95 mol% was molded by a casting method. The obtained film was cut into a rectangle of 10 mm length x 40 mm width to prepare an adhesive layer piece of Comparative Example 3. A test piece of Comparative Example 3 was prepared using the same materials and procedures as in Example 1, except that this adhesive layer piece was used.
[I-5:比較例4]
ポリアミドであるナイロン6からなる膜(厚さ40 μm)を、押出成形によって成型した。得られた膜を縦10 mm×横40 mmの矩形に裁断して、比較例4の接着層片を調製した。この接着層片を用いた他は実施例1と同様の材料及び手順で、比較例4の試験片を調製した。
[I-5: Comparative Example 4]
A film (thickness 40 μm) made of nylon 6, which is a polyamide, was molded by extrusion molding. The obtained film was cut into a rectangle of 10 mm length x 40 mm width to prepare an adhesive layer piece of Comparative Example 4. A test piece of Comparative Example 4 was prepared using the same materials and procedures as in Example 1, except that this adhesive layer piece was used.
[I-6:比較例5]
エチレン比率38 mol%であるエチレン-ビニルアルコール共重合体(EVOH)膜(厚さ40 μm)を、キャスト法によって成型した。得られた膜を縦10 mm×横40 mmの矩形に裁断して、比較例5の接着層片を調製した。この接着層片を用いた他は実施例1と同様の材料及び手順で、比較例5の試験片を調製した。
[I-6: Comparative Example 5]
An ethylene-vinyl alcohol copolymer (EVOH) film (thickness 40 μm) with an ethylene ratio of 38 mol% was molded by a casting method. The obtained film was cut into a rectangle of 10 mm length x 40 mm width to prepare an adhesive layer piece of Comparative Example 5. A test piece of Comparative Example 5 was prepared using the same materials and procedures as in Example 1, except that this adhesive layer piece was used.
<II:燃料電池単位セルの評価試験>
[II-1:接着性の評価]
実施例1及び比較例1~5の試験片を、それぞれバイアル瓶に入れ、95℃、500時間の条件下で熱水中に浸漬させた。その後、各試験片を25℃まで冷却した。各試験片の接着層片をカプトンテープで補強した。各試験片を、25℃、10 mm/分の条件下で引張試験に供した。引張試験は、電解質膜片が破断するか、又は電解質膜片と接着層片とが剥離するまで実施した。
<II: Evaluation test of fuel cell unit cell>
[II-1: Evaluation of Adhesion]
The test pieces of Example 1 and Comparative Examples 1 to 5 were each placed in a vial and immersed in hot water at 95°C for 500 hours. After that, each test piece was cooled to 25°C. The adhesive layer piece of each test piece was reinforced with Kapton tape. Each test piece was subjected to a tensile test under conditions of 25°C and 10 mm/min. The tensile test was carried out until the electrolyte membrane piece broke or the electrolyte membrane piece and the adhesive layer piece peeled off from each other.
[II-2:耐熱性の評価]
示差走査熱量計により、実施例1及び比較例1~5の接着層片の融点を測定した。
[II-2: Evaluation of heat resistance]
The melting points of the adhesive layer pieces of Example 1 and Comparative Examples 1 to 5 were measured by a differential scanning calorimeter.
[II-3:生産性の評価]
示差走査熱量計により、実施例1及び比較例1~5の接着層片のガラス転移点を測定した。
[II-3: Productivity Evaluation]
The glass transition points of the adhesive layer pieces of Example 1 and Comparative Examples 1 to 5 were measured by a differential scanning calorimeter.
[II-4:評価試験の結果]
各評価試験の結果を表1に示す。表中、接着性の結果が「○」の場合は、引張試験において接着片が破断したことを、「×」の場合は、引張試験において電解質膜と接着片とが剥離したことを、それぞれ示す。耐熱性の結果が「◎」の場合は、融点が200℃以上であったことを、「○」の場合は、融点が150℃以上且つ200℃未満の範囲であったことを、「×」の場合は、融点が150℃未満であったことを、それぞれ示す。また、生産性の結果が、「○」の場合は、ガラス転移点が100℃未満であったことを、「△」の場合は、ガラス転移点が100℃以上であったことを、それぞれ示す。
[II-4: Evaluation test results]
The results of each evaluation test are shown in Table 1. In the table, the adhesiveness result of "○" indicates that the adhesive piece broke in the tensile test, and "×" indicates that the electrolyte membrane and the adhesive piece peeled off in the tensile test. The heat resistance result of "◎" indicates that the melting point was 200°C or higher, "○" indicates that the melting point was in the range of 150°C or higher and less than 200°C, and "×" indicates that the melting point was less than 150°C. In addition, the productivity result of "○" indicates that the glass transition point was less than 100°C, and "△" indicates that the glass transition point was 100°C or higher.
なお、本発明は、前記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除及び/又は置換をすることが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, but includes various modifications. For example, the above-described embodiments have been described in detail to clearly explain the present invention, and the present invention is not necessarily limited to those having all of the configurations described. In addition, it is possible to add, delete, and/or replace part of the configuration of each embodiment with other configurations.
1…膜電極接合体、2…支持フレーム、3…接着層、4…電解質膜、5…電極触媒層、6…ガス拡散層、7…セパレーター、8…ガス流路、10…燃料電池単位セル 1...Membrane electrode assembly, 2...Support frame, 3...Adhesive layer, 4...Electrolyte membrane, 5...Electrode catalyst layer, 6...Gas diffusion layer, 7...Separator, 8...Gas flow path, 10...Fuel cell unit cell
Claims (1)
前記膜電極接合体を支持する支持フレームと、
前記膜電極接合体と前記支持フレームとを接着する接着層と、
を備える燃料電池単位セルであって、
前記膜電極接合体の少なくとも一方の面において、前記電極触媒層が、前記電解質膜の外周側面の内側に積層されており、前記接着層が、前記電解質膜の外周側面と前記支持フレームとを互いに接着するように配置されており、
前記接着層が、ポリビニルブチラールを含むホットメルト接着層である、
前記燃料電池単位セル。 a membrane electrode assembly having an electrolyte membrane and a pair of electrode catalyst layers laminated on both sides of the electrolyte membrane;
A support frame for supporting the membrane electrode assembly;
an adhesive layer that bonds the membrane electrode assembly and the support frame;
A fuel cell unit cell comprising:
the electrode catalyst layer is laminated on an inside of an outer peripheral side surface of the electrolyte membrane on at least one surface of the membrane electrode assembly, and the adhesive layer is arranged so as to bond the outer peripheral side surface of the electrolyte membrane and the support frame to each other;
The adhesive layer is a hot melt adhesive layer containing polyvinyl butyral.
The fuel cell unit cell.
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