JP2006216402A - Manufacturing method of cell module for fuel cell - Google Patents

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治通 中西
Naruaki Murata
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide the manufacturing method of a cell module capable of efficiently forming a catalyst layer and a gas diffusion layer on the inner surface of a hollow electrolyte membrane and enhancing productivity. <P>SOLUTION: The manufacturing method of the cell module 101 for a fuel cell contains a process preparing an inner surface side electrode member 8 having the catalyst layer 2 on the outer circumferential surface of a rod-shaped porous body 3 having an expanding property from a steady state or a temporarily restricted state, a process inserting the inner surface side electrode member 8 into the hollow of the electrolyte membrane 1, and a process bonding the outer circumferential surface of the inner surface side electrode member 8 to the hollow inner surface of the electrolyte membrane 1 by expanding the inserted inner surface side electrode membrane. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、中空形状の電解質膜を有するセルモジュールの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a cell module having a hollow electrolyte membrane.

燃料電池は、燃料と酸化剤を電気的に接続された2つの電極に供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、カルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。固体高分子電解質型燃料電池は、電解質として固体高分子電解質膜を用いる燃料電池であり、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。
固体高分子電解質型燃料電池では、水素を燃料とした場合、アノードでは(1)式の反応が進行する。
→ 2H + 2e …(1)
(1)式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、カソードに到達する。そして、(1)式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、固体高分子電解質膜内をアノード側からカソード側に、電気浸透により移動する。
A fuel cell directly converts chemical energy into electrical energy by supplying fuel and an oxidant to two electrically connected electrodes and causing the fuel to be oxidized electrochemically. Unlike thermal power generation, it is not subject to the Carnot cycle, so it exhibits high energy conversion efficiency. A solid polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell that uses a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte, and has advantages such as being easy to downsize and operating at a low temperature. It is attracting attention as a power source for mobile objects.
In the solid polymer electrolyte fuel cell, when hydrogen is used as the fuel, the reaction of the formula (1) proceeds at the anode.
H 2 → 2H + + 2e (1)
The electrons generated by the equation (1) reach the cathode after working with an external load via an external circuit. Then, the proton generated in the formula (1) moves by electroosmosis from the anode side to the cathode side in the solid polymer electrolyte membrane in a state of being hydrated with water.

また、酸素を酸化剤とした場合、カソードでは(2)式の反応が進行する。
2H + (1/2)O + 2e → HO …(2)
カソードで生成した水は、主としてガス拡散層を通り、外部へと排出される。
このように、燃料電池では、水以外の排出物がなく、クリーンな発電装置である。
Further, when oxygen is used as the oxidizing agent, the reaction of the formula (2) proceeds at the cathode.
2H + + (1/2) O 2 + 2e → H 2 O (2)
The water produced at the cathode mainly passes through the gas diffusion layer and is discharged to the outside.
As described above, the fuel cell is a clean power generation device that has no emissions other than water.

従来、固体高分子電解質型燃料電池としては主に、平面状の固体高分子電解質膜の一面にアノード及び他面にカソードとなる触媒層を設け、得られた平面状の膜・電極接合体の両側にさらにそれぞれガス拡散層を設け、最後に平面状のセパレータで挟みこむことによって作製される平型の単セルを、複数積層することで得られる燃料電池スタックを有するものが開発されてきた。
固体高分子電解質型燃料電池の出力密度向上のために、固体高分子電解質膜としては非常に膜厚の薄いプロトン伝導性高分子膜が用いられている。この膜厚はすでに100μm以下のものが主流であり、さらなる出力密度向上のためにさらに薄い電解質膜を用いたとしても、単セルの厚みを現在のものより劇的に薄くすることはできない。同様に、触媒層、ガス拡散層及びセパレータ等についてもそれぞれ薄膜化が進んでいるが、それらすべての部材の薄膜化によっても、単位体積当たりの出力密度の向上には限界がある。従って、小型化の要求に対しても、今後充分に応えられなくなることが予想される。
また、前記セパレータには、通常、腐食性に優れたシート状のカーボン材料を用いる。このカーボン材料自体も高価であるが、さらに、平面状の膜・電極接合体の面全体にほぼ均一に燃料ガス及び酸化剤ガスを行き渡らせるために、前記セパレータの面上には、通常、ガス流路となる溝を微細加工するので、その加工によって、セパレータは非常に高価になってしまい、燃料電池の製造原価を押し上げていた。
以上の問題の他にも、平型の単セルには、前記ガス流路から燃料ガス及び酸化剤ガスが漏れ出さないように幾層にもスタックされた単セルの周縁を確実にシールすることが技術的に難しいこと、平面状の膜・電極接合体のたわみや変形に起因して発電効率が低下してしまうことがあることなど、多くの問題がある。
Conventionally, as a solid polymer electrolyte fuel cell, a catalyst layer serving as an anode and a cathode is provided on one surface of a planar solid polymer electrolyte membrane, and the resulting planar membrane / electrode assembly is obtained. There has been developed a fuel cell stack obtained by laminating a plurality of flat single cells prepared by further providing gas diffusion layers on both sides and finally sandwiching them with a planar separator.
In order to improve the output density of the solid polymer electrolyte fuel cell, a proton conductive polymer membrane having a very thin film thickness is used as the solid polymer electrolyte membrane. This film thickness is already 100 μm or less, and even if a thinner electrolyte membrane is used to further improve the power density, the thickness of the single cell cannot be dramatically reduced from the present one. Similarly, the catalyst layer, the gas diffusion layer, the separator, and the like have been made thinner, but there is a limit to improving the output density per unit volume even by making all these members thinner. Therefore, it is expected that it will not be possible to meet the demand for miniaturization in the future.
In addition, a sheet-like carbon material having excellent corrosivity is usually used for the separator. This carbon material itself is also expensive. However, in order to distribute the fuel gas and the oxidant gas almost uniformly over the entire surface of the planar membrane / electrode assembly, a gas is usually provided on the surface of the separator. Since the groove to be the flow path is finely processed, the processing makes the separator very expensive, which increases the manufacturing cost of the fuel cell.
In addition to the above problems, for flat single cells, the periphery of single cells stacked in multiple layers should be reliably sealed so that fuel gas and oxidant gas do not leak from the gas flow path. However, there are many problems such as technical difficulties, and power generation efficiency may decrease due to deflection or deformation of the planar membrane / electrode assembly.

近年、中空状電解質膜の内面側と外面側にそれぞれ電極を設けたセルモジュールを基本的な発電単位とする固体高分子電解質型燃料電池が開発されている。(例えば、特許文献1〜4参照)。
通常、適当な本数の中空形状のセルモジュールを、セルモジュールの外面に反応ガスが均一且つ円滑に供給できるように、長手方向を平行にして所定の間隔をあけて整列し、一体に固定し、各セルモジュールのアノード及びカソードをそれぞれ集電することによって、セルモジュール集合体を形成し、該セルモジュール集合体を単独で、又は、必要に応じて2個以上のセルモジュール集合体を直列又は並列に接続して燃料電池に組み込む。
このような中空形状のセルモジュールを有する燃料電池では、平型で使用されるセパレータに相当する部材は使用する必要がない。そして、その内面と外面とにそれぞれ異なった種類のガスを供給して発電するので、特別にガス流路を形成する必要もない。従って、その製造においては、コストの低減が見込まれる。さらに、セルモジュールが3次元形状であるので、平型の単セルに比べて体積に対する比表面積が大きくとれ、体積当たりの発電出力密度の向上が見込める。
In recent years, a solid polymer electrolyte fuel cell has been developed in which a cell module having electrodes on the inner surface side and outer surface side of a hollow electrolyte membrane is used as a basic power generation unit. (For example, see Patent Documents 1 to 4).
Usually, a suitable number of hollow cell modules are aligned with a predetermined interval in parallel in the longitudinal direction so that the reaction gas can be uniformly and smoothly supplied to the outer surface of the cell module, and fixed together. By collecting the anode and cathode of each cell module, a cell module assembly is formed, and the cell module assembly is used alone, or two or more cell module assemblies are connected in series or in parallel as required. Connect to and incorporate into the fuel cell.
In a fuel cell having such a hollow cell module, there is no need to use a member corresponding to a separator used in a flat type. Since different types of gas are supplied to the inner surface and the outer surface for power generation, it is not necessary to form a gas flow path. Therefore, cost reduction is expected in the manufacture. Further, since the cell module has a three-dimensional shape, the specific surface area with respect to the volume can be increased as compared with the flat single cell, and the power generation output density per volume can be expected to be improved.

特開平9−223507号公報JP-A-9-223507 特開2002−158015号公報JP 2002-158015 A 特開2002−260685号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2002-260685 特開2002−289220号公報JP 2002-289220 A

中空形状のセルモジュールの作成方法としては、中空状(通常は細長い円筒状)の電解質膜の外面側及び内面側に、触媒層及び必要に応じてガス拡散層を、塗工液の塗布、シート材料の貼付け、転写などの方法によって積層して電極を形成し、さらに内面側及び外面側の電極上に集電材を配置する方法や、或いは、内面側ガス拡散層となる中空状のガス拡散層用部材の外周面に、内面側触媒層、電解質膜、外面側触媒層、外面側ガス拡散層を、順次、塗工液の塗布、シート材料の貼付け、転写などの方法によって形成し、さらに内面側及び外面側の電極上に集電材を配置する方法がある。
しかしながら、中空状電解質膜の内面側に触媒層及びガス拡散層を形成することは難しく、その作業は非常に手間がかかる。
A hollow cell module can be produced by applying a catalyst layer and, if necessary, a gas diffusion layer on the outer and inner surfaces of a hollow (usually elongated cylindrical) electrolyte membrane, applying a coating liquid, and a sheet. A method in which electrodes are formed by laminating by a method such as material pasting and transfer, and a current collector is disposed on the inner and outer electrodes, or a hollow gas diffusion layer that serves as an inner gas diffusion layer An inner surface side catalyst layer, an electrolyte membrane, an outer surface side catalyst layer, and an outer surface side gas diffusion layer are sequentially formed on the outer peripheral surface of the member for coating by a method such as application of a coating liquid, application of a sheet material, transfer, and the like. There is a method of arranging a current collector on the side and outer surface electrodes.
However, it is difficult to form the catalyst layer and the gas diffusion layer on the inner surface side of the hollow electrolyte membrane, and the work is very troublesome.

このような事情に鑑み、本発明の目的は、中空状電解質膜の内面側に触媒層及びガス拡散層を効率よく形成することができ、生産性が高いセルモジュールの製造方法を提供することにある。   In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a cell module that can efficiently form a catalyst layer and a gas diffusion layer on the inner surface side of a hollow electrolyte membrane and has high productivity. is there.

本発明に係る、中空形状の電解質膜と、当該電解質膜の中空内面及び外面に設けられた一対の電極を有する、燃料電池用セルモジュールの製造方法は、安定状態からの又は一時的に拘束された状態からの膨張性を有する棒状多孔体の外周面に触媒層が設けられ、膨張前の状態では該触媒層を含む外径が前記電解質膜の中空内への挿入可能な大きさ及び挿入が容易な軸方向の剛性を有し、且つ、膨張後の状態では該触媒層を含む外径が前記電解質膜の中空内に挿入不可能な大きさを有する内面側電極用部材を準備する工程と、前記内面側電極用部材を、前記電解質膜の中空内へ挿入する工程と、挿入された前記内面側電極用部材を膨張させて、該内面側電極用部材の外周面を前記電解質膜の中空内面に密着させる工程と、を有することを特徴とする。
上記発明により、電極となる触媒層及び拡散層を中空電解質膜内へ容易に配置することができ、また、電解質層−触媒層間の界面における密着性が良好な燃料電池用セルモジュールを作成することができる。
A manufacturing method of a cell module for a fuel cell having a hollow electrolyte membrane and a pair of electrodes provided on a hollow inner surface and an outer surface of the electrolyte membrane according to the present invention is stable or temporarily restrained. The catalyst layer is provided on the outer peripheral surface of the rod-like porous body having expandability from the state of expansion, and in the state before expansion, the outer diameter including the catalyst layer has a size that allows insertion into the hollow of the electrolyte membrane A step of preparing an inner surface side electrode member having an easy axial rigidity and having an outer diameter including the catalyst layer that cannot be inserted into the hollow of the electrolyte membrane in the expanded state; A step of inserting the inner surface side electrode member into the hollow of the electrolyte membrane, and expanding the inserted inner surface side electrode member so that the outer peripheral surface of the inner surface side electrode member is hollow in the electrolyte membrane. A step of closely contacting the inner surface, and That.
According to the above invention, a catalyst module and a diffusion layer to be an electrode can be easily arranged in the hollow electrolyte membrane, and a cell module for a fuel cell having good adhesion at the interface between the electrolyte layer and the catalyst layer is produced. Can do.

上記本発明に係る燃料電池用セルモジュールの製造方法の一実施形態としては、圧縮に対して形状及び寸法の復元性を有する棒状多孔体の外周面に触媒層が設けられ、且つ、該触媒層を含む外径が前記電解質膜の中空内に挿入できない大きさである内面側電極用部材を準備する工程と、前記内面側電極用部材を、凝固させることが可能な液体が含浸され、且つ、その外径が前記電解質膜の中空内に挿入可能な大きさに圧縮された状態とする工程と、前記内面側電極用部材中の液体を凝固させて、該内面側電極用部材を圧縮した寸法に固定する工程と、凝固状態の前記内面側電極用部材を、前記電解質膜の中空内へ挿入する工程と、挿入された前記内面側電極用部材中の凝固させた液体を融解させて圧縮状態から復元し、該内面側電極用部材の外周面を前記電解質膜の中空内面に密着させる工程と、を有する方法が挙げられる。
上記実施形態によれば、液体の含浸作用と凝固作用を利用することによって、内面側電極用部材を圧縮状態のまま一時的に拘束し、中空電解質膜に挿入した後で拘束状態から開放し膨張させて、電解質膜の中空内面に密着、固定することができる。
As one embodiment of the method for producing a cell module for a fuel cell according to the present invention, a catalyst layer is provided on the outer peripheral surface of a rod-shaped porous body having a shape and dimension restoration property against compression, and the catalyst layer A step of preparing an inner surface-side electrode member whose outer diameter includes a size that cannot be inserted into the hollow of the electrolyte membrane, and the inner surface-side electrode member is impregnated with a liquid that can be solidified, and The outer diameter of the electrolyte membrane is compressed into a size that can be inserted into the hollow of the electrolyte membrane, and the inner electrode member is compressed by solidifying the liquid in the inner electrode member. The inner surface side electrode member in a solidified state is inserted into the hollow of the electrolyte membrane, and the solidified liquid in the inserted inner surface side electrode member is melted and compressed. Of the inner surface side electrode member A step of adhering the peripheral surface to the hollow inner surface of the electrolyte membrane, and a method having.
According to the above embodiment, by utilizing the liquid impregnation action and the solidification action, the inner surface side electrode member is temporarily restrained in the compressed state, and after being inserted into the hollow electrolyte membrane, it is released from the restrained state and expanded. Thus, it can be adhered and fixed to the hollow inner surface of the electrolyte membrane.

上記実施態様においては、前記凝固させた液体を融解させて生じた液体を電解質膜の中空内から除去する工程をさらに有することが好ましい。
上記実施形態により、セルモジュール内に液体が残留することによるセルモジュールの劣化を防止することができる。
In the said embodiment, it is preferable to further have the process of removing the liquid which arose by melting the said solidified liquid from the hollow inside of an electrolyte membrane.
According to the embodiment, it is possible to prevent the cell module from being deteriorated due to the liquid remaining in the cell module.

上記実施態様においては、前記内面側電極用部材を縮径方向に圧縮された状態とすることが好ましい。
内面側電極用部材を縮径方向に圧縮ことにより、融解後に触媒層は電解質膜に対して均一に拡径方向圧力を付与することができる。
In the said embodiment, it is preferable to make the said inner surface side electrode member into the state compressed to the diameter reduction direction.
By compressing the inner surface side electrode member in the diameter reducing direction, the catalyst layer can uniformly apply the diameter increasing direction pressure to the electrolyte membrane after melting.

上記実施態様においては、前記含浸と圧縮を行う工程において、液体の含浸後に外径の圧縮を行うか、外径の圧縮後に液体の含浸を行うか、又は、液体の含浸と外径の圧縮を同時に行うか、いずれの手順で行っても良い。   In the above embodiment, in the step of impregnating and compressing, outer diameter compression is performed after liquid impregnation, liquid impregnation is performed after outer diameter compression, or liquid impregnation and outer diameter compression are performed. It may be performed at the same time or by any procedure.

上記実施態様においては、前記液体として水を用いることが好ましい。
水は安価であり、その融点、凝固点が適当であり、且つ、セルモジュール内に通常存在又は生成する物質であるため、セルモジュールの劣化を引き起こすおそれがない点で、好適である。
In the said embodiment, it is preferable to use water as said liquid.
Water is suitable because it is inexpensive, has a suitable melting point and freezing point, and is a substance that usually exists or is generated in the cell module, and therefore does not cause deterioration of the cell module.

上記実施態様においては、圧縮に対して形状及び寸法の復元性を有する棒状多孔体は、カーボン繊維又は金属繊維を主体とする多孔質材料からなるものの中から選択し、用いることができる。   In the said embodiment, the rod-shaped porous body which has the restoring property of a shape and a dimension with respect to compression can be selected and used from what consists of a porous material which has carbon fiber or a metal fiber as a main component.

本発明に係る燃料電池用セルモジュールの製造方法の実施形態として、前記内面側電極用部材として、多孔度が70〜90%の棒状多孔体を有し、触媒層を含む外径が前記電解質膜の内径の1.1〜1.2倍である内面側電極用部材を用い、縮径方向の圧縮率を0.7以下とすることが好ましい。
上記実施形態によれば、圧縮工程の際に液体の含浸量が適量確保されるので凝固時において圧縮状態を確実に固定することができる。また、解凍後には、触媒層と電解質膜内面の界面圧力が最適化されるので密着性が良好であり、且つ、挿入後も多孔質構造が損なわれないのでセルモジュールの中空内面側にガスを十分に供給することができる。
As an embodiment of the method for manufacturing a cell module for a fuel cell according to the present invention, the inner electrode member has a rod-shaped porous body having a porosity of 70 to 90%, and the outer diameter including the catalyst layer is the electrolyte membrane. It is preferable to use a member for an inner surface side electrode that is 1.1 to 1.2 times the inner diameter of the inner diameter, and to set the compression rate in the diameter reducing direction to 0.7 or less.
According to the above embodiment, an appropriate amount of liquid impregnation is ensured during the compression step, so that the compression state can be reliably fixed during solidification. In addition, after thawing, the interface pressure between the catalyst layer and the inner surface of the electrolyte membrane is optimized, so that the adhesion is good, and the porous structure is not damaged even after insertion, so gas is introduced to the hollow inner surface side of the cell module. Can be fully supplied.

本発明の燃料電池用セルモジュールの製造方法によれば、中空状電解質膜の内面側に触媒層及びガス拡散層を効率よく形成することができ、生産性が高いセルモジュールの製造を実現することができる。   According to the method for manufacturing a cell module for a fuel cell of the present invention, the catalyst layer and the gas diffusion layer can be efficiently formed on the inner surface side of the hollow electrolyte membrane, and the manufacture of the cell module with high productivity is realized. Can do.

本発明の燃料電池用セルモジュールの製造方法は、中空形状の電解質膜と、当該電解質膜の中空内面及び外面に設けられた一対の電極を有する燃料電池用セルモジュールの製造方法であって、安定状態からの又は一時的に拘束された状態からの膨張性を有する棒状多孔体の外周面に触媒層が設けられ、膨張前の状態では該触媒層を含む外径が前記電解質膜の中空内への挿入可能な大きさ及び挿入が容易な軸方向の剛性を有し、且つ、膨張後の状態では該触媒層を含む外径が前記電解質膜の中空内に挿入不可能な大きさを有する内面側電極用部材を準備する工程と、前記内面側電極用部材を、前記電解質膜の中空内へ挿入する工程と、挿入された前記内面側電極用部材を膨張させて、該内面側電極用部材の外周面を前記電解質膜の中空内面に密着させる工程と、を有することを特徴とする。   The method for producing a fuel cell module according to the present invention is a method for producing a fuel cell module having a hollow electrolyte membrane and a pair of electrodes provided on the hollow inner surface and outer surface of the electrolyte membrane, A catalyst layer is provided on the outer peripheral surface of the rod-like porous body having expandability from the state or from a temporarily constrained state, and the outer diameter including the catalyst layer is in the hollow of the electrolyte membrane before the expansion. The inner surface has a size that can be inserted and an axial rigidity that facilitates insertion, and an outer diameter that includes the catalyst layer in a state after expansion that cannot be inserted into the hollow of the electrolyte membrane. A step of preparing a member for a side electrode, a step of inserting the member for an inner surface side electrode into the hollow of the electrolyte membrane, and expanding the inserted member for an inner surface side electrode, The outer peripheral surface of the electrolyte membrane is sealed to the hollow inner surface of the electrolyte membrane. And having a step of a.

上記棒状多孔体は、電解質膜の中空内に挿入した後で膨張させて中空内面に密着させることが出来る材料である。安定状態からの膨張性とは、定常状態において本質的に体積又は寸法を変動させないが、何らかの作用を加えることによって不可逆的に体積又は寸法を増大させることを意味し、そのような性質を持つ材料としては熱的又は化学的発泡性を有する材料(例えば発泡性樹脂)が挙げられる。また、一時的に拘束された状態からの膨張性とは、何らかの作用を加えることによって可逆的に体積又は寸法を増大させることを意味し、そのような性質を持つ材料としてはゴム状又はバネ状の弾性又は復元力を有する材料(例えばゴム、繊維、不織布)が挙げられる。   The rod-shaped porous body is a material that can be inflated and inserted into the hollow inner surface of the electrolyte membrane and brought into close contact with the hollow inner surface. Swellability from the stable state means that the volume or dimension is not essentially changed in the steady state, but irreversibly increases the volume or dimension by applying some action. Examples thereof include materials having thermal or chemical foamability (for example, foamable resins). Further, the expansibility from a temporarily constrained state means that the volume or dimension is reversibly increased by applying some action, and the material having such a property is rubber-like or spring-like. The material (for example, rubber | gum, a fiber, a nonwoven fabric) which has the elasticity or restoring force of these.

このような膨張性を有する棒状多孔体を内面側触媒層の支持体として用い、内面側電極用部材を準備する。そして、この内面側電極用部材を、膨張前の状態で電解質膜の中空内に挿入した後、膨張させることによって、電解質膜の内面に密着する内面側触媒層を形成することができる。
この方法によれば、電極となる触媒層及び拡散層を中空電解質膜内へ容易に配置することができ、また、中空状電解質膜と内面側触媒層間の界面における密着性が良好な燃料電池用セルモジュールを作成することができる。
A rod-shaped porous body having such expansibility is used as a support for the inner surface side catalyst layer to prepare an inner surface side electrode member. And after inserting this inner surface side electrode member in the hollow of an electrolyte membrane in the state before expansion | swelling, the inner surface side catalyst layer closely_contact | adhered to the inner surface of an electrolyte membrane can be formed.
According to this method, the catalyst layer and the diffusion layer to be electrodes can be easily disposed in the hollow electrolyte membrane, and the adhesion at the interface between the hollow electrolyte membrane and the inner surface side catalyst layer is good. A cell module can be created.

上記棒状多孔体は、電解質膜の中空内に挿入するときに、電解質膜の開口端に狙いを定め、中空内に押し込む作業を容易に行えるような剛性、換言すれば材料自体の自立性又は形状保持能力を有していることが必要である。より具体的には、棒状多孔体が、挿入作業を行う温度等の条件下において、その一端を把持して持ち上げたときに、該棒状多孔体の軸が実質的に曲がらず、且つ、電解質膜の中空内に挿入する際の抵抗によるたわみ(軸方向に対する横方向の変位)が、棒状多孔体の全長に対して1%以下であることが好ましい。   The rod-shaped porous body is rigid so that it can be easily inserted into the hollow by aiming at the opening end of the electrolyte membrane when inserted into the hollow of the electrolyte membrane, in other words, the self-supporting or shape of the material itself It is necessary to have holding ability. More specifically, when the rod-like porous body is lifted by grasping one end of the rod-like porous body under conditions such as the temperature at which insertion is performed, the shaft of the rod-like porous body is not substantially bent, and the electrolyte membrane It is preferable that the deflection (displacement in the lateral direction with respect to the axial direction) due to resistance when inserted into the hollow is 1% or less with respect to the total length of the rod-shaped porous body.

上記棒状多孔体は、電解質膜の中空内で膨張させた後は、内面側のガス拡散層として機能する。また、電解質膜の中空内は膨張した棒状多孔体で通常は埋め尽くされることから、棒状多孔体の部分が中空内ガス流路として機能する必要もある。従って棒状多孔体は、ガス拡散層及び中空内ガス流路として機能し得るガス流通性を有する多孔質材料であることが必要である。
さらに棒状多孔体は、それ自体が内面側集電材を兼ねさせることができる。その場合には、棒状多孔体が集電機能を発揮できる程度の導電性を有していることが必要である。
The rod-like porous body functions as a gas diffusion layer on the inner surface side after being expanded in the hollow of the electrolyte membrane. Further, since the hollow interior of the electrolyte membrane is normally filled with the expanded rod-shaped porous body, the portion of the rod-shaped porous body also needs to function as a hollow internal gas flow path. Therefore, the rod-shaped porous body needs to be a porous material having gas flowability that can function as a gas diffusion layer and a hollow gas passage.
Furthermore, the rod-shaped porous body itself can also serve as the inner surface side current collector. In that case, it is necessary that the rod-shaped porous body has conductivity sufficient to exhibit a current collecting function.

上記本発明の製造方法の一実施形態としては、圧縮に対して形状及び寸法の復元性を有する棒状多孔体の外周面に触媒層が設けられ、且つ、該触媒層を含む外径が前記電解質膜の中空内に挿入できない大きさである内面側電極用部材を準備する工程と、前記内面側電極用部材を、凝固させることが可能な液体が含浸され、且つ、その外径が前記電解質膜の中空内に挿入可能な大きさに圧縮された状態とする工程と、前記内面側電極用部材中の液体を凝固させて、該内面側電極用部材を圧縮した寸法に固定する工程と、凝固状態の前記内面側電極用部材を、前記電解質膜の中空内へ挿入する工程と、挿入された前記内面側電極用部材中の凝固させた液体を融解させて圧縮状態から復元し、該内面側電極用部材の外周面を前記電解質膜の中空内面に密着させる工程と、を有する方法が挙げられる。   As one embodiment of the production method of the present invention, a catalyst layer is provided on the outer peripheral surface of a rod-shaped porous body having resilience in shape and size against compression, and the outer diameter including the catalyst layer is the electrolyte. A step of preparing an inner surface side electrode member having a size that cannot be inserted into the hollow of the membrane; and the inner surface side electrode member is impregnated with a liquid capable of coagulation, and the outer diameter thereof is the electrolyte membrane. A step of compressing the inner surface side electrode member into a size that can be inserted into the hollow, solidifying the liquid in the inner surface side electrode member, and fixing the inner surface side electrode member to a compressed dimension; The inner surface side electrode member in a state of being inserted into the hollow of the electrolyte membrane, and the solidified liquid in the inserted inner surface side electrode member is melted and restored from the compressed state, the inner surface side The outer peripheral surface of the electrode member is the hollow inner surface of the electrolyte membrane. A step of adhering, and a method having.

この実施形態の方法によれば、液体の含浸作用と凝固作用を利用することによって、内面側電極用部材を圧縮状態のまま一時的に拘束し、中空電解質膜に挿入した後で拘束状態から開放し膨張させて、電解質膜の中空内面に密着、固定することができる。   According to the method of this embodiment, by utilizing the liquid impregnation action and the coagulation action, the inner surface side electrode member is temporarily restrained in a compressed state, and is released from the restrained state after being inserted into the hollow electrolyte membrane. Then, it can be inflated and adhered and fixed to the hollow inner surface of the electrolyte membrane.

以下、上記の好適な実施形態について詳しく説明する。
先ず、当該実施形態によって製造される燃料電池用セルモジュールの形態について簡単に説明する。なお、下記の実施形態においては、プロトン伝導膜の一種である固体高分子電解質膜の一つであるパーフルオロカーボンスルホン酸膜、燃料として水素ガス、酸化剤として空気(酸素)を用いたセルモジュール集合体を中心に説明するが、本発明は、このような構成例に限定されるものではない。
Hereinafter, the preferred embodiment will be described in detail.
First, the form of the cell module for fuel cells manufactured by the embodiment will be briefly described. In the following embodiment, a cell module assembly using a perfluorocarbon sulfonic acid membrane, which is one of solid polymer electrolyte membranes, which is a kind of proton conducting membrane, hydrogen gas as fuel, and air (oxygen) as an oxidant. Although the description will focus on the body, the present invention is not limited to such a configuration example.

本発明に係るセルモジュールは、中空形状の電解質膜と、当該電解質膜の中空内面及び外面に設けられた一対の電極を有する。中空形状の電解質膜とは、軸方向に中空の形状を有する電解質膜を意味する。
図1は、本発明に係る燃料電池用セルモジュール(101)の一構成例の斜視図であり、図2は、同じセルモジュールの上端部(101a)と下端部(101b)を示す、部分拡大斜視図である。通常、チューブ状セルモジュールは、図1に示すような細長い円筒形状であるが、中空内に反応ガス流路を有する構造を有していれば、他の形状であってもよい。
The cell module according to the present invention has a hollow electrolyte membrane and a pair of electrodes provided on the hollow inner surface and outer surface of the electrolyte membrane. The hollow electrolyte membrane means an electrolyte membrane having a hollow shape in the axial direction.
FIG. 1 is a perspective view of a configuration example of a cell module (101) for a fuel cell according to the present invention, and FIG. 2 is a partially enlarged view showing an upper end portion (101a) and a lower end portion (101b) of the same cell module. It is a perspective view. Normally, the tubular cell module has an elongated cylindrical shape as shown in FIG. 1, but may have another shape as long as it has a structure having a reaction gas flow channel in the hollow.

図1及び図2において、セルモジュール1はチューブ状の固体高分子電解質膜(パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜)1、固体高分子電解質膜1の内面側に設けられたアノード触媒層(内面側触媒層)2、該アノード触媒層の内面側にある中空部を埋めるように設けられた棒状多孔体部(内面側ガス拡散層)3、固体高分子電解質膜1の外面側に設けられたカソード触媒層(外面側触媒層)4、及び、該カソード触媒層の外面側に設けられたカソード側ガス拡散層(外面側ガス拡散層)5を有している。
上記構成において、アノード触媒層2と棒状多孔体部3はアノード電極(この例では燃料極)を構成し、カソード触媒層4とカソード側ガス拡散層5はカソード電極(この例では空気極)を構成する。
1 and 2, a cell module 1 includes a tubular solid polymer electrolyte membrane (perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane) 1 and an anode catalyst layer (inner surface side catalyst layer) provided on the inner surface side of the solid polymer electrolyte membrane 1. 2) A rod-like porous body portion (inner surface side gas diffusion layer) 3 provided so as to fill a hollow portion on the inner surface side of the anode catalyst layer 3; a cathode catalyst layer provided on the outer surface side of the solid polymer electrolyte membrane 1) (Outer surface side catalyst layer) 4 and a cathode side gas diffusion layer (outer surface side gas diffusion layer) 5 provided on the outer surface side of the cathode catalyst layer.
In the above configuration, the anode catalyst layer 2 and the rod-shaped porous body 3 constitute an anode electrode (in this example, a fuel electrode), and the cathode catalyst layer 4 and the cathode-side gas diffusion layer 5 serve as a cathode electrode (in this example, an air electrode). Constitute.

さらに、チューブ状の固体高分子電解質膜の内面側には、アノード集電材(内面側集電材)6として、直線状ワイヤが棒状多孔体部3内をチューブの軸方向に貫き、且つ、セルモジュールの一方の端部から突出するように配置されている。一方、固体高分子電解質膜の外面側には、カソード集電材(外面側集電材)7として、スプリング状ワイヤが、カソード側ガス拡散層の表面と接触し、且つ、セルモジュールの他方の端部から突出するように配置されている。   Further, on the inner surface side of the tube-shaped solid polymer electrolyte membrane, a straight wire penetrates the rod-shaped porous body portion 3 in the axial direction of the tube as an anode current collector (inner surface side current collector) 6, and the cell module It arrange | positions so that it may protrude from one edge part. On the other hand, on the outer surface side of the solid polymer electrolyte membrane, a spring-like wire is in contact with the surface of the cathode-side gas diffusion layer as a cathode current collector (outer surface-side current collector) 7 and the other end of the cell module It is arrange | positioned so that it may protrude from.

上記セルモジュール101のアノード触媒層2と棒状多孔体部3とアノード集電材6は、あらかじめ棒状多孔体部3の外周面にアノード触媒層2を形成し、且つ、その内部(通常は中心軸又はその近傍)にアノード集電材6を軸方向に貫通させておいた内面側電極用部材を圧縮し、電解質膜の中空内に挿入後に、圧縮状態から復元することにより、中空内に固定したものである。   The anode catalyst layer 2, the rod-shaped porous body portion 3, and the anode current collector 6 of the cell module 101 previously form the anode catalyst layer 2 on the outer peripheral surface of the rod-shaped porous body portion 3, and the inside (usually the central axis or The inner electrode member for which the anode current collector 6 has been penetrated in the axial direction in the vicinity thereof is compressed, inserted into the hollow of the electrolyte membrane, and then restored from the compressed state to be fixed in the hollow. is there.

上記セルモジュール101はチューブ状の固体高分子電解質膜1を有するものであるが、本発明における中空電解質膜はチューブ状に限られず、中空部を有し、当該中空部に燃料や酸化剤を流入させることで、中空内部に設けられた電極に電気化学反応に必要な反応成分を供給することができるものであればよい。
中空状電解質膜の材料としては、パーフルオロカーボンスルホン酸をはじめ、固体高分子型燃料電池の電解質膜に用いられているような材料を使用することができる。
The cell module 101 has the tube-shaped solid polymer electrolyte membrane 1, but the hollow electrolyte membrane in the present invention is not limited to the tube shape, has a hollow portion, and fuel or an oxidant flows into the hollow portion. By doing so, it is only necessary that the reaction component necessary for the electrochemical reaction can be supplied to the electrode provided in the hollow interior.
As a material for the hollow electrolyte membrane, materials such as perfluorocarbon sulfonic acid and those used for an electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell can be used.

本発明の燃料電池は、中空形状を有するセルモジュールを有するため、平型のセルを有する燃料電池と比べて単位体積当たりの電極面積を大きくとることができることから、固体高分子電解質膜として、パーフルオロカーボンスルホン酸膜ほど高いプロトン伝導性を有していない電解質膜を用いても、単位体積当たりの出力密度の高い燃料電池を得ることができる。例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸以外のフッ素系イオン交換樹脂、スルホン酸基を有するポリスチレン系陽イオン交換膜などのポリオレフィンのような炭化水素を骨格として少なくともスルホン酸基、ホスホン酸基、及び、リン酸基等のプロトン交換基のうちから一種を有するもの、特表平11−503262号公報などに開示されている、ポリベンズイミダゾール、ポリピリミジン、ポリベンゾオキサゾールなどの塩基性高分子に強酸をドープした塩基性高分子と強酸との複合体からなる固体ポリマー電解質等の高分子電解質が挙げられる。
このような電解質を用いた固体高分子電解質膜は、フィブリル状、繊布状、不繊布状、多孔質シートのパーフルオロカーボン重合体で補強することや、膜表面に無機酸化物あるいは金属をコーティングすることにより補強することもできる。
Since the fuel cell of the present invention has a cell module having a hollow shape, the electrode area per unit volume can be increased as compared with a fuel cell having a flat cell. Even when an electrolyte membrane that does not have proton conductivity as high as that of a fluorocarbon sulfonic acid membrane is used, a fuel cell having a high output density per unit volume can be obtained. For example, at least a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, and a phosphoric acid group having a skeleton of a hydrocarbon such as polyolefin such as a fluorine-based ion exchange resin other than perfluorocarbon sulfonic acid, a polystyrene-based cation exchange membrane having a sulfonic acid group A base having a strong acid doped on a basic polymer such as polybenzimidazole, polypyrimidine, polybenzoxazole, etc., which has one kind of proton exchange groups such as JP-A-11-503262 And a polymer electrolyte such as a solid polymer electrolyte composed of a composite of a conductive polymer and a strong acid.
A solid polymer electrolyte membrane using such an electrolyte should be reinforced with a perfluorocarbon polymer in the form of a fibril, a fabric, a non-fabric, or a porous sheet, or the membrane surface can be coated with an inorganic oxide or metal. It can also be reinforced.

また、本発明の燃料電池において用いられる電解質膜は特に限定されるものではなく、プロトン伝導性のものであっても、水酸化物イオンや酸化物イオン(O2-)等その他のイオン伝導性のものであってもよい。プロトン伝導性の電解質膜としては、上記したような固体高分子電解質膜に限られず、リン酸水溶液を多孔質の電解質板に含浸させたものや、多孔質性ガラスからなるプロトン伝導体、ハイドロゲル化したリン酸塩ガラス、ナノ細孔を有する多孔質硝子の表面及び細孔内にプロトン伝導性官能基を導入した有機−無機ハイブリットプロトン伝導膜、無機金属繊維強化電解質ポリマー等を用いることができる。水酸化物イオンや酸化物イオン(O2-)等その他のイオン伝導性を有する電解質としてはセラミックスを含むもの等が挙げられる。 Further, the electrolyte membrane used in the fuel cell of the present invention is not particularly limited, and other ion conductivity such as hydroxide ion and oxide ion (O 2− ) may be used even if it is proton conductive. It may be. The proton conductive electrolyte membrane is not limited to the solid polymer electrolyte membrane as described above, but a porous electrolyte plate impregnated with an aqueous phosphoric acid solution, a proton conductor made of porous glass, or a hydrogel Phosphated phosphate glass, organic-inorganic hybrid proton conductive membrane having proton conductive functional groups introduced into the surface and pores of nanoporous glass, inorganic metal fiber reinforced electrolyte polymer, etc. can be used. . Examples of other ion-conducting electrolytes such as hydroxide ions and oxide ions (O 2− ) include those containing ceramics.

中空形状の電解質膜1の内径及び外径、長さ等は特に限定されるものではないが、前記電解質膜の外径は0.01〜10mmであることが好ましく、0.1〜1mmであることがさらに好ましく、0.1〜0.5mmであることが特に好ましい。前記電解質膜の外径が0.01mm未満のものは現時点では、技術的な問題で製造することが難しく、一方、その外径が10mmを超えるものでは、占有体積に対する表面積があまり大きくならないため、得られるセルモジュールの単位体積当たりの出力が充分に得られないおそれがある。   The inner diameter, outer diameter, length and the like of the hollow electrolyte membrane 1 are not particularly limited, but the outer diameter of the electrolyte membrane is preferably 0.01 to 10 mm, preferably 0.1 to 1 mm. Is more preferable, and it is especially preferable that it is 0.1-0.5 mm. The electrolyte membrane having an outer diameter of less than 0.01 mm is currently difficult to manufacture due to technical problems, while the outer diameter of the electrolyte membrane exceeding 10 mm does not increase the surface area relative to the occupied volume. There is a possibility that an output per unit volume of the obtained cell module cannot be sufficiently obtained.

本実施形態で、中空状の固体高分子電解質膜として使用したパーフルオロカーボンスルホン酸膜は、プロトン伝導性の向上の点からは薄いほうが好ましいが、あまりに薄すぎるとガスを隔離する機能が低下し、非プロトン水素の透過量が増大してしまう。しかしながら、従来の平型の燃料電池用単セルを積層した燃料電池と比べると、中空形状を有するセルモジュールを多数集めることにより作製された燃料電池では電極面積が大きくとれるので、やや厚みのある膜を用いた場合でも、充分な出力が得られる。かかる観点から、パーフルオロカーボンスルホン酸膜の厚みは、10〜100μmであり、より好ましくは50〜60μmであり、さらに好ましくは50〜55μmである。   In this embodiment, the perfluorocarbon sulfonic acid membrane used as the hollow solid polymer electrolyte membrane is preferably thin from the viewpoint of improving proton conductivity, but if it is too thin, the function of isolating gas is reduced, The permeation amount of aprotic hydrogen increases. However, in comparison with a conventional fuel cell in which flat cells for fuel cells are stacked, a fuel cell manufactured by collecting a large number of hollow cell modules can take a large electrode area. Even when is used, sufficient output can be obtained. From this viewpoint, the thickness of the perfluorocarbon sulfonic acid film is 10 to 100 μm, more preferably 50 to 60 μm, and still more preferably 50 to 55 μm.

また、上記の外径と膜厚との好ましい範囲から、内径の好ましい範囲は0.01〜10mmであり、より好ましくは0.1〜1mmであり、さらに好ましくは0.1〜0.5mmである。   Moreover, from the preferable range of said outer diameter and film thickness, the preferable range of an internal diameter is 0.01-10 mm, More preferably, it is 0.1-1 mm, More preferably, it is 0.1-0.5 mm. is there.

電解質膜1の内面及び外面に設けられる各触媒層2,4は、固体高分子型燃料電池に用いられているような電極材料を用いて形成することができる。通常は、電解質膜側から順に触媒層とガス拡散層とを積層して構成された電極が用いられる。
触媒層は触媒粒を含み、触媒粒の利用効率を高めるためのプロトン伝導性物質を含んでいてもよい。触媒粒としては、触媒成分を炭素質粒子、炭素質繊維のような炭素材料等の導電性材料に担持させた触媒粒が好適に用いられる。プロトン伝導性物質としては上記電解質膜の材料として用いられるものを用いることができる。中空セルモジュールを有する燃料電池は、平型のセルを有する燃料電池と比べて単位体積当たりの電極面積を大きくとることができることから、白金ほど触媒作用が大きくない触媒成分を用いても、単位体積当たりの出力密度が高い燃料電池を得ることができる。
触媒成分としては、アノードにおける水素の酸化反応、カソードにおける酸素の還元反応に対して触媒作用を有するものであれば特に限定されず、例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、又はそれらの合金から選択することができる。好ましくは、Pt、及びPtと例えばRuなど他の金属とからなる合金である。
The catalyst layers 2 and 4 provided on the inner and outer surfaces of the electrolyte membrane 1 can be formed using an electrode material such as that used in a polymer electrolyte fuel cell. Usually, an electrode configured by laminating a catalyst layer and a gas diffusion layer in order from the electrolyte membrane side is used.
The catalyst layer includes catalyst particles, and may include a proton conductive material for increasing the utilization efficiency of the catalyst particles. As the catalyst particles, catalyst particles in which a catalyst component is supported on a conductive material such as a carbon material such as carbonaceous particles or carbonaceous fibers are preferably used. As the proton conductive substance, those used as the material for the electrolyte membrane can be used. A fuel cell having a hollow cell module can take a larger electrode area per unit volume than a fuel cell having a flat cell, so even if a catalyst component that is not as catalytic as platinum is used, the unit volume A fuel cell having a high output density can be obtained.
The catalyst component is not particularly limited as long as it has a catalytic action on the hydrogen oxidation reaction at the anode and the oxygen reduction reaction at the cathode. For example, platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osnium, tungsten, It can be selected from metals such as lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, or alloys thereof. Pt and an alloy made of Pt and another metal such as Ru are preferable.

従来の中空セルモジュールにおいては、電解質膜の中空内面に内面側触媒層が設けられ、必要に応じて、さらに内面側ガス拡散層が設けられ、内面側ガス拡散層の内側には、電解質膜の中空部がそのまま残され、この中空部が中空内ガス流路として機能する。
これに対し、上記セルモジュール101の棒状多孔体部3は、電解質膜の中空内へ挿入可能な寸法に縮小できる圧縮性と、挿入後に中空内面に密着可能な寸法に拡大できる復元性を有する材料からなり、この棒状多孔体部3によって電解質膜1の中空部が埋めつくされている。そのため、棒状多孔体部3は、アノード触媒層2のガス拡散層として機能すると同時に、中空内ガス流路としても機能する。
In a conventional hollow cell module, an inner surface side catalyst layer is provided on the hollow inner surface of the electrolyte membrane, and if necessary, an inner surface side gas diffusion layer is further provided. The hollow part is left as it is, and this hollow part functions as a hollow inner gas flow path.
On the other hand, the rod-like porous body portion 3 of the cell module 101 has a compressibility that can be reduced to a size that can be inserted into the hollow of the electrolyte membrane, and a material that can be expanded to a size that can be brought into close contact with the hollow inner surface after insertion. The hollow portion of the electrolyte membrane 1 is filled with the rod-shaped porous body portion 3. Therefore, the rod-shaped porous body portion 3 functions as a gas diffusion layer of the anode catalyst layer 2 and also functions as a hollow gas channel.

従って、棒状多孔体部3の材料としては、電解質膜の中空内に挿入可能な圧縮・復元性と、挿入後にガス拡散層及び中空内ガス流路として機能し得るガス流通性を有する多孔質材料が用いられる。
そのような多孔質材料は、従来から平板型又は中空型セルのガス拡散層として用いられているものから選んでもよい。好適な材料としては、例えば、カーボン繊維又は金属繊維(Pt、Au、Ti等)を主体とする多孔質材料(代表的なものとしてカーボンクロス、カーボンペーパー、カーボン多孔体のように、これらの1種又は2種以上を混合した繊維を積層又は編んだもの)、或いは、スポンジメタル等が挙げられる。
Therefore, as the material of the rod-shaped porous body portion 3, a porous material having compressibility / restorability that can be inserted into the hollow of the electrolyte membrane, and gas flowability that can function as a gas diffusion layer and a gas flow channel in the hollow after insertion. Is used.
Such a porous material may be selected from those conventionally used as gas diffusion layers for flat plate or hollow cells. Suitable materials include, for example, porous materials mainly composed of carbon fibers or metal fibers (Pt, Au, Ti, etc.) (typically carbon cloth, carbon paper, carbon porous materials, etc.) And a mixture of knitted or knitted fibers mixed with two or more species) or sponge metal.

但し、多孔質材料は完全な復元性を要するものではなく、圧縮状態を開放したときに、アノード触媒層2を電解質膜の中空内面に密着させることができる程度に復元できるものであれば良い。
また、形状の復元性があれば、前記棒状多孔体の代わりに軸方向に中空な形状の棒状多孔体を用いても良い。その場合には、ガス拡散層として機能できる程度のガス透過性を有していればよく、中空内ガス流路として機能し得るガス流通性までは必要とされない。
さらに、上記セルモジュール101の内面側集電材(アノード集電材6)を省略して、棒状多孔体部3を内面側集電材として機能させても良い。その場合には、多孔質材料としては、集電作用を高めるために比較的高めの導電性を有するものを選ぶことが好ましい。
However, the porous material is not required to be completely recoverable, and any material can be used as long as the anode catalyst layer 2 can be brought into close contact with the hollow inner surface of the electrolyte membrane when the compressed state is released.
In addition, if the shape can be restored, a rod-shaped porous body that is hollow in the axial direction may be used instead of the rod-shaped porous body. In that case, it is only necessary to have gas permeability that can function as a gas diffusion layer, and gas flowability that can function as a hollow inner gas flow path is not required.
Further, the inner current collector (anode current collector 6) of the cell module 101 may be omitted, and the rod-shaped porous body portion 3 may function as the inner current collector. In that case, it is preferable to select a porous material having a relatively high conductivity in order to enhance the current collecting action.

カソード触媒層4の外面に設けられるカソード側ガス拡散層5としては、炭素質粒子及び/又は炭素質繊維等の炭素材料を主成分とする多孔質導電性材料を用いることができる。炭素質粒子及び炭素質繊維の大きさは、ガス拡散層を製造する際の溶液中における分散性や得られるガス拡散層の排水性等を考慮して適宜最適なものを選択すればよい。ガス拡散層は、生成水など水分の排水性を高める点から、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン、パーフルオロカーボンアルコキシアルカン、エチレン−テトラフルオロエチレンポリマー、又はこれらの混合物等を含浸させたり、或いはこれらの物質を用いて撥水層を形成するなどして撥水加工することが好ましい。   As the cathode side gas diffusion layer 5 provided on the outer surface of the cathode catalyst layer 4, a porous conductive material mainly composed of a carbon material such as carbonaceous particles and / or carbonaceous fibers can be used. The sizes of the carbonaceous particles and the carbonaceous fibers may be appropriately selected in consideration of the dispersibility in the solution when the gas diffusion layer is produced, the drainage property of the obtained gas diffusion layer, and the like. The gas diffusion layer is, for example, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene, perfluorocarbon alkoxyalkane, ethylene-tetrafluoroethylene polymer, or these from the point of improving the drainage of moisture such as generated water It is preferable to perform water-repellent processing by impregnating a mixture of the above or the like or forming a water-repellent layer using these substances.

集電材は電極(アノード及びカソード)で発生した電荷を外部回路へ取り出すための導電体である。本実施形態では、アノード側(内面側)集電材6として直線状ワイヤを棒状多孔体部3内に配置し、カソード側(外面側)集電材7として、スプリング状ワイヤをカソード側ガス拡散層に接触させて配置している。
集電材として用い得る金属としては、例えば、Al、Cu、Fe、Ni、Cr、Ta、Ti、Zr、Sm、In等の中から選ばれる少なくとも1種以上の金属、又はステンレス鋼などのそれらの合金が好ましい。また、その表面がAu、Pt、導電性樹脂等によりコーティングされていても良い。特に耐蝕性に優れることから、中でもステンレスやチタンが好ましい。
The current collector is a conductor for taking out electric charges generated at the electrodes (anode and cathode) to an external circuit. In the present embodiment, a straight wire is disposed in the rod-shaped porous body 3 as the anode side (inner surface side) current collector 6, and a spring-like wire is used as the cathode side gas diffusion layer as the cathode side (outer surface side) current collector 7. They are placed in contact.
Examples of the metal that can be used as the current collector include at least one metal selected from Al, Cu, Fe, Ni, Cr, Ta, Ti, Zr, Sm, In, and the like, or those such as stainless steel. Alloys are preferred. Further, the surface thereof may be coated with Au, Pt, conductive resin or the like. Of these, stainless steel and titanium are preferred because of their excellent corrosion resistance.

本実施形態では、このように直線状ワイヤ及びスプリングワイヤを使用しているが、これらの形状に限られず、電気伝導性材料からなるものであればその形状は任意である。その他の例としては例えば、金属箔、金属シート又はカーボンシート等のシート材料からなるものなどが適用できる。これら集電材は、必要に応じて、カーボン系接着剤やAgペーストなどの導電性接着材により電極上に固定される。   In this embodiment, the straight wire and the spring wire are used as described above, but the shape is not limited to these shapes, and the shape is arbitrary as long as it is made of an electrically conductive material. As other examples, for example, those made of a sheet material such as a metal foil, a metal sheet, or a carbon sheet can be applied. These current collectors are fixed on the electrodes with a conductive adhesive such as a carbon-based adhesive or an Ag paste as necessary.

本発明のセルモジュールは、上記にて例示した構成に限られず、例えば、セルモジュールの機能を高めることを目的として触媒層及びガス拡散層以外の層を設けても良い。
なお、本発明のセルモジュールの使用に当たっては、図1及び図2に示すように内面電極に水素等の燃料、外面電極に酸素及び空気等の酸化剤を供給することで、内側電極をアノード、外側電極をカソードとして使用してもよいし、その逆としても良い。
The cell module of the present invention is not limited to the configuration exemplified above. For example, a layer other than the catalyst layer and the gas diffusion layer may be provided for the purpose of enhancing the function of the cell module.
In using the cell module of the present invention, as shown in FIGS. 1 and 2, the inner electrode is made into an anode by supplying a fuel such as hydrogen to the inner surface electrode and an oxidizing agent such as oxygen and air to the outer surface electrode. The outer electrode may be used as the cathode or vice versa.

図3は、内面側電極用部材の圧縮・挿入・復元工程を含む上記実施形態の作業手順を示した概念図である。この図3においては、各部材をセルモジュールの軸と平行な方向に切断した断面が示されている。
図3に示す手順においては、先ず、アノード集電材6として直線状ワイヤを準備し(図3a)、その周囲に、多孔質材料の層を形成して、棒状多孔体部3を作製する(図3b)。多孔質材料の層は、カーボン粒子を含有するペーストを直線状ワイヤの表面に塗布するか、或いは、導電性を付与したペーパークロスを膜つけるなどの方法で作成することが出来る。なお、棒状多孔体部3そのものを内面側集電体として用いる場合には、直線状ワイヤを含まない棒状多孔体部3を成形して用いることができる。
FIG. 3 is a conceptual diagram showing the work procedure of the above embodiment including the compression / insertion / restoration steps of the inner surface side electrode member. FIG. 3 shows a cross section in which each member is cut in a direction parallel to the axis of the cell module.
In the procedure shown in FIG. 3, first, a straight wire is prepared as the anode current collector 6 (FIG. 3 a), and a porous material layer is formed around the wire, thereby producing the rod-shaped porous body portion 3 (FIG. 3). 3b). The layer of the porous material can be formed by applying a paste containing carbon particles on the surface of the linear wire, or forming a paper cloth with conductivity. In addition, when using the rod-shaped porous-body part 3 itself as an inner surface side collector, the rod-shaped porous-body part 3 which does not contain a linear wire can be shape | molded and used.

次に、上記棒状多孔体3の外周に触媒粒及び必要に応じてプロトン伝導性物質を含む溶液を塗布・乾燥してアノード触媒層2を形成し、内面側電極用部材8とする(図3c)。   Next, a catalyst particle and, if necessary, a solution containing a proton conductive material is applied to the outer periphery of the rod-shaped porous body 3 and dried to form the anode catalyst layer 2 to form an inner surface side electrode member 8 (FIG. 3c). ).

内面側電極用部材8は、該触媒層を含む非圧縮状態(復元後)での外径が、中空形状の電解質膜の中空内に挿入できない大きさ(通常は、内面側電極用部材8の復元後の外径が電解質膜の中空内径以上)である必要がある。セルモジュールが完成した際、該内面側電極用部材の外周面を前記電解質膜の中空内面に密着させるためである。
本実施形態のように、電解質膜、棒状多孔体とも正円の円筒形状の場合は、該触媒層を塗布して得られた内面側電極用部材8の、触媒層を含む外径が、前記中空形状の電解質膜の内径以上であることが好ましい。
The inner surface side electrode member 8 has an outer diameter in an uncompressed state (after restoration) including the catalyst layer so that it cannot be inserted into the hollow of the hollow electrolyte membrane (usually, the inner surface side electrode member 8 The outer diameter after restoration must be equal to or greater than the hollow inner diameter of the electrolyte membrane. This is because when the cell module is completed, the outer peripheral surface of the inner surface side electrode member is brought into close contact with the hollow inner surface of the electrolyte membrane.
When both the electrolyte membrane and the rod-like porous body are in the shape of a perfect circle as in this embodiment, the outer diameter of the inner electrode member 8 obtained by applying the catalyst layer, including the catalyst layer, is The inner diameter of the hollow electrolyte membrane is preferably equal to or greater than that.

次に、上記内面側電極用部材8に、凝固させることが可能な液体を含浸させる(図示せず)。
本発明においては、液体を当該液体の凝固点以下の温度に保持することによって凝固させることができ、凝固した液体を当該液体の融解点以上の温度に保持することによって融解させることができる。
Next, the inner surface side electrode member 8 is impregnated with a liquid that can be solidified (not shown).
In the present invention, the liquid can be solidified by holding it at a temperature below the freezing point of the liquid, and the solidified liquid can be melted by holding it at a temperature above the melting point of the liquid.

本発明で使用する液体は、完成品の燃料電池に残留した時に、セルモジュールの材質や性能を劣化させないものであることが望ましく、具体的な材料としては、前記液体として水を用いるのが好ましい。
水の凍結(凝固)及び凍結させた水の解凍(融解)は容易であり、また、水はセルモジュール内に通常存在又は生成する物質であるため、セルモジュールの劣化を引き起こすおそれため、セルモジュールの製造工程で発生した水が残留しても燃料電池の発電特性に大きな影響はない。
以下、本実施形態では、液体として水を用いるものとして説明する。
It is desirable that the liquid used in the present invention does not deteriorate the material and performance of the cell module when it remains in the finished fuel cell. As a specific material, water is preferably used as the liquid. .
Since cell freezing (coagulation) and thawing (thawing) of frozen water are easy and water is a substance that normally exists or is generated in the cell module, the cell module may be deteriorated. Even if water generated in the manufacturing process remains, the power generation characteristics of the fuel cell are not significantly affected.
Hereinafter, in this embodiment, it demonstrates as what uses water as a liquid.

次に、水を含浸させた内面側電極用部材9の円筒側面にプレス機等の圧縮手段9により圧力を加え、縮径方向に圧縮して、その外径d1を前記電解質膜の中空内に挿入可能な大きさ(外径d2)とする(図3(c)、図3(d))。
本実施形態のように、電解質膜、内面側電極用部材とも正円の円筒形状の場合は、内面側電極用部材9の外径が、前記電解質膜の内径よりも小径となるように、該多孔体を圧縮する。
Next, pressure is applied to the cylindrical side surface of the inner surface-side electrode member 9 impregnated with water by a compression means 9 such as a press machine, and the outer diameter d1 is compressed in the hollow of the electrolyte membrane by compressing in the direction of diameter reduction. The size can be inserted (outer diameter d2) (FIGS. 3C and 3D).
When both the electrolyte membrane and the inner surface side electrode member are in the shape of a perfect circle as in this embodiment, the outer diameter of the inner surface side electrode member 9 is smaller than the inner diameter of the electrolyte membrane. Compress the porous body.

前記棒状多孔体の多孔度、触媒層を含む外径、及び縮径方向の圧縮率は、使用する材料にもよるが、多孔度は70〜90%であり、触媒層を含む外径は前記電解質膜の内径の1.1〜1.2倍であり、内面側電極用部材の縮径方向の圧縮率は0.7以下であることが好ましい。
上記条件によれば、圧縮工程の際に液体の含浸量が適量確保されるので凝固時において圧縮状態を確実に固定することができる。また、解凍後には、触媒層と電解質膜内面の界面圧力が最適化されるので密着性が良好であり、且つ、挿入後も多孔質構造が損なわれないのでセルモジュールの中空内面側にガスを十分に供給することができる。
The porosity of the rod-shaped porous body, the outer diameter including the catalyst layer, and the compressibility in the direction of diameter reduction depend on the material used, but the porosity is 70 to 90%, and the outer diameter including the catalyst layer is the above-mentioned It is 1.1 to 1.2 times the inner diameter of the electrolyte membrane, and the compression ratio in the direction of diameter reduction of the inner surface side electrode member is preferably 0.7 or less.
According to the above conditions, an appropriate amount of liquid impregnation is ensured during the compression step, so that the compressed state can be reliably fixed during solidification. In addition, after thawing, the interface pressure between the catalyst layer and the inner surface of the electrolyte membrane is optimized, so that the adhesion is good, and the porous structure is not damaged even after insertion, so gas is introduced to the hollow inner surface side of the cell module. Can be fully supplied.

なお、上記手順においては液体の含浸後に外径の圧縮を行うが、内面側電極用部材8を、凝固させることが可能な液体が含浸され、且つ、その外径が前記電解質膜の中空内に挿入可能な大きさに圧縮された状態とすることができればよく、外径の圧縮後に液体の含浸を行ってもよいし、又は、液体の含浸と外径の圧縮を同時に行うか、いずれの手順で行ってもよい。   In the above procedure, the outer diameter is compressed after the liquid is impregnated, but the inner surface side electrode member 8 is impregnated with a liquid that can be solidified, and the outer diameter is in the hollow of the electrolyte membrane. What is necessary is just to be able to be in a state compressed into an insertable size, and the liquid impregnation may be performed after the outer diameter is compressed, or the liquid impregnation and the outer diameter are compressed at the same time. You may go on.

次に、前記内面側電極用部材8に圧力をかけながら、含浸させた水を凍結させて、該内面側電極用部材を圧縮した寸法に固定する(図示せず)。
このように、内面側電極用部材8を圧縮状態下のまま、その内部に含浸させた液体を凝固させることにより、圧縮状態の内面側電極用部材の寸法を保持することができる。
Next, the impregnated water is frozen while pressure is applied to the inner surface side electrode member 8, and the inner surface side electrode member is fixed to a compressed size (not shown).
Thus, the dimension of the inner surface side electrode member in the compressed state can be maintained by solidifying the liquid impregnated in the inner surface side electrode member 8 in the compressed state.

次に、凝固状態の前記内面側電極用部材8を、電解質膜1の中空内へ挿入し、所望の位置へ配置する(図2(e))。この時、内面側集電材5を電解質膜の先端から突出させる。
前記凝固工程で水を凍結させた前記内面側電極用部材8は、電解質膜1の中空内に挿入する際にたわむことなく容易に挿入できる程度の剛性を有している。
Next, the inner surface side electrode member 8 in a solidified state is inserted into the hollow of the electrolyte membrane 1 and disposed at a desired position (FIG. 2E). At this time, the inner surface side current collector 5 is projected from the tip of the electrolyte membrane.
The inner surface side electrode member 8 obtained by freezing water in the coagulation step has such a rigidity that it can be easily inserted without being bent when inserted into the hollow of the electrolyte membrane 1.

次に、挿入された前記内面側電極用部材8中の凍結させた水を解凍させて圧縮状態から復元し、該内面側電極用部材8の外周面を前記電解質膜1の中空内面に密着させる(図2(f))。
水の解凍により、保持されていた内面側電極用部材の大きさが復元する。内面側電極用部材の圧縮前の外径は、中空電解質膜の内径よりも大きいため、大きさが復元する過程で内面側電極用部材の外周面と中空電解質膜の内周面との間に応力が生じ固定される。
融解させた液体は、セルモジュールの内面から流出させて除去するが、必要に応じて、他の溶剤による洗浄や加熱による蒸発等の除去手段を付加しても良い。水を含浸させる場合には、上述したとおり、残留分がセルモジュールを劣化させるおそれがないので、融解後に単にセルモジュールの外へ流出させるだけで十分である。
Next, the frozen water in the inserted inner surface side electrode member 8 is thawed and restored from the compressed state, and the outer peripheral surface of the inner surface side electrode member 8 is brought into close contact with the hollow inner surface of the electrolyte membrane 1. (FIG. 2 (f)).
By thawing water, the retained inner electrode member size is restored. Since the outer diameter of the inner surface side electrode member before compression is larger than the inner diameter of the hollow electrolyte membrane, the inner surface side electrode member and the inner surface of the hollow electrolyte membrane are in the process of restoring the size. Stress is generated and fixed.
The melted liquid flows out from the inner surface of the cell module and is removed. However, if necessary, a removing means such as washing with another solvent or evaporation by heating may be added. In the case of impregnating with water, as described above, there is no possibility that the residue will deteriorate the cell module, so that it is sufficient to simply flow out of the cell module after melting.

本実施形態のように、電解質膜、内面側電極用部材とも正円の円筒形状の場合は、凍結させた液体を電解質膜の中空内に入れずに融解させたとき、該内面側電極用部材の外径が、前記電解質膜の内径よりも大径となるように、該多孔体の形状及び寸法を復元できることが好ましい。   When both the electrolyte membrane and the inner surface side electrode member are in the shape of a perfect circle as in the present embodiment, when the frozen liquid is melted without entering the hollow of the electrolyte membrane, the inner surface side electrode member It is preferable that the shape and dimensions of the porous body can be restored so that the outer diameter of the porous body is larger than the inner diameter of the electrolyte membrane.

更に、圧縮に対する適度な復元性を有するため、触媒層と電解質層の界面で反力を生じさせることが可能になる。
復元後の内面側電極用部材の大きさは、圧縮前の体積に対して100%復元する必要はないが、復元後の反力は1MPa〜5MPa程度確保できることが好ましい。
Furthermore, since it has an appropriate resilience against compression, it is possible to generate a reaction force at the interface between the catalyst layer and the electrolyte layer.
Although it is not necessary to restore the size of the inner surface side electrode member after restoration to 100% of the volume before compression, it is preferable that the reaction force after restoration can be secured to about 1 MPa to 5 MPa.

以上の各工程を経て、内面側電極が電解質膜の中空内部に配置される。
上記製造方法によれば、電極となる触媒層及び拡散層を中空電解質膜内へ容易に配置することができ、また、電解質層−触媒層間の界面における密着性が良好な燃料電池用セルモジュールを作成することができる。
なお、可能であるなら、上記各工程のうち、2つ以上を同時に行っても良い。
Through the above steps, the inner surface side electrode is arranged inside the hollow of the electrolyte membrane.
According to the above manufacturing method, the catalyst module and the diffusion layer serving as electrodes can be easily arranged in the hollow electrolyte membrane, and the cell module for a fuel cell having good adhesion at the interface between the electrolyte layer and the catalyst layer is obtained. Can be created.
If possible, two or more of the above steps may be performed simultaneously.

本発明に係る、燃料電池用セルモジュールの一構成例の斜視図である。It is a perspective view of one structural example of the cell module for fuel cells based on this invention. 図1のセルモジュールの両端を拡大した部分斜視図である。It is the fragmentary perspective view which expanded the both ends of the cell module of FIG. 本発明の一実施形態に係る、内面側電極部材を中空電解質膜の中空内部に配置する手順を示した概念図である。It is the conceptual diagram which showed the procedure which arrange | positions the inner surface side electrode member based on one Embodiment of this invention in the hollow inside of a hollow electrolyte membrane.

符号の説明Explanation of symbols

101 セルモジュール
1 中空状電解質膜
2 アノード触媒層
3 棒状多孔体
4 カソード触媒層
5 カソード側拡散層
6 アノード集電材(直線状ワイヤ)
7 カソード集電材(スプリングワイヤ)
8 内面側電極用部材
9 圧縮手段
101 Cell module 1 Hollow electrolyte membrane 2 Anode catalyst layer 3 Rod-shaped porous body 4 Cathode catalyst layer 5 Cathode side diffusion layer 6 Anode current collector (straight wire)
7 Cathode current collector (spring wire)
8 Inner surface side electrode member 9 Compression means

Claims (8)

中空形状の電解質膜と、当該電解質膜の中空内面及び外面に設けられた一対の電極を有する燃料電池用セルモジュールの製造方法であって、
安定状態からの又は一時的に拘束された状態からの膨張性を有する棒状多孔体の外周面に触媒層が設けられ、膨張前の状態では該触媒層を含む外径が前記電解質膜の中空内への挿入可能な大きさ及び挿入が容易な軸方向の剛性を有し、且つ、膨張後の状態では該触媒層を含む外径が前記電解質膜の中空内に挿入不可能な大きさを有する内面側電極用部材を準備する工程と、
前記内面側電極用部材を、前記電解質膜の中空内へ挿入する工程と、
挿入された前記内面側電極用部材を膨張させて、該内面側電極用部材の外周面を前記電解質膜の中空内面に密着させる工程と、を有する燃料電池用セルモジュールの製造方法。
A method for producing a cell module for a fuel cell comprising a hollow electrolyte membrane and a pair of electrodes provided on the hollow inner surface and outer surface of the electrolyte membrane,
A catalyst layer is provided on the outer peripheral surface of the rod-like porous body having expandability from a stable state or a temporarily constrained state, and the outer diameter including the catalyst layer is in the hollow space of the electrolyte membrane in a state before expansion. The outer diameter including the catalyst layer has a size incapable of being inserted into the hollow of the electrolyte membrane. Preparing an inner surface side electrode member;
Inserting the inner surface side electrode member into the hollow of the electrolyte membrane;
Expanding the inserted inner surface side electrode member to bring the outer peripheral surface of the inner surface side electrode member into close contact with the hollow inner surface of the electrolyte membrane.
中空形状の電解質膜と、当該電解質膜の中空内面及び外面に設けられた一対の電極を有する燃料電池用セルモジュールの製造方法であって、
圧縮に対して形状及び寸法の復元性を有する棒状多孔体の外周面に触媒層が設けられ、且つ、該触媒層を含む外径が前記電解質膜の中空内に挿入できない大きさである内面側電極用部材を準備する工程と、
前記内面側電極用部材を、凝固させることが可能な液体が含浸され、且つ、その外径が前記電解質膜の中空内に挿入可能な大きさに圧縮された状態とする工程と、
前記内面側電極用部材中の液体を凝固させて、該内面側電極用部材を圧縮した寸法に固定する工程と、
凝固状態の前記内面側電極用部材を、前記電解質膜の中空内へ挿入する工程と、
挿入された前記内面側電極用部材中の凝固させた液体を融解させて圧縮状態から復元し、該内面側電極用部材の外周面を前記電解質膜の中空内面に密着させる工程と、を有する燃料電池用セルモジュールの製造方法。
A method for producing a cell module for a fuel cell comprising a hollow electrolyte membrane and a pair of electrodes provided on the hollow inner surface and outer surface of the electrolyte membrane,
A catalyst layer is provided on the outer peripheral surface of the rod-shaped porous body having shape and dimension resilience to compression, and the outer diameter including the catalyst layer is a size that cannot be inserted into the hollow of the electrolyte membrane. Preparing an electrode member;
A step of impregnating the inner electrode member with a liquid that can be solidified, and the outer diameter thereof being compressed to a size that can be inserted into the hollow of the electrolyte membrane;
Solidifying the liquid in the inner surface side electrode member and fixing the inner surface side electrode member to a compressed size;
Inserting the solidified electrode member on the inner surface side into the hollow of the electrolyte membrane;
Melting the solidified liquid in the inserted inner surface side electrode member to restore it from the compressed state, and bringing the outer peripheral surface of the inner surface side electrode member into close contact with the hollow inner surface of the electrolyte membrane. Manufacturing method of battery cell module.
前記凝固させた液体を融解させて生じた液体を電解質膜の中空内から除去する工程をさらに有する請求項2に記載の燃料電池用セルモジュールの製造方法。   The method for producing a cell module for a fuel cell according to claim 2, further comprising a step of removing the liquid produced by melting the solidified liquid from the hollow space of the electrolyte membrane. 前記内面側電極用部材を縮径方向に圧縮された状態とする請求項2又は3に記載の燃料電池用セルモジュールの製造方法。   The manufacturing method of the cell module for fuel cells of Claim 2 or 3 which makes the said inner surface side electrode member the state compressed in the diameter reduction direction. 前記含浸と圧縮を行う工程において、液体の含浸後に外径の圧縮を行うか、外径の圧縮後に液体の含浸を行うか、又は、液体の含浸と外径の圧縮を同時に行う請求項2乃至4のいずれかに記載の燃料電池用セルモジュールの製造方法。   3. In the impregnation and compression step, outer diameter compression is performed after liquid impregnation, liquid impregnation is performed after outer diameter compression, or liquid impregnation and outer diameter compression are performed simultaneously. 5. A method for producing a cell module for a fuel cell according to any one of 4 above. 前記液体として水を用いる請求項2乃至5のいずれかに記載の燃料電池用セルモジュールの製造方法。   The method for producing a cell module for a fuel cell according to claim 2, wherein water is used as the liquid. 前記棒状多孔体は、カーボン繊維又は金属繊維を主体とする多孔質材料からなるものである請求項2乃至6のいずれかに記載の燃料電池用セルモジュールの製造方法。   The method for producing a fuel cell cell module according to any one of claims 2 to 6, wherein the rod-shaped porous body is made of a porous material mainly composed of carbon fiber or metal fiber. 前記内面側電極用部材として、多孔度が70〜90%の棒状多孔体を有し、触媒層を含む外径が前記電解質膜の内径の1.1〜1.2倍である内面側電極用部材を用い、
縮径方向の圧縮率を0.7以下とする請求項2乃至7のいずれかに記載の燃料電池用セルモジュールの製造方法。
The inner surface side electrode member has a rod-shaped porous body with a porosity of 70 to 90%, and the outer diameter including the catalyst layer is 1.1 to 1.2 times the inner diameter of the electrolyte membrane. Using the members,
The manufacturing method of the cell module for fuel cells in any one of Claims 2 thru | or 7 which makes the compression rate of a diameter reduction direction 0.7 or less.
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