JP2013258097A - Electrolyte membrane/electrode structure and manufacturing method thereof - Google Patents

Electrolyte membrane/electrode structure and manufacturing method thereof Download PDF

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直樹 満田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To secure excellent power generation performance by blocking damage on a solid polymer electrolyte membrane as much as possible, with simple and economical configuration and process.SOLUTION: An electrolyte membrane/electrode structure 10 includes an anode electrode 20 and a cathode electrode 22 sandwiching a solid polymer electrolyte membrane 18, and the anode electrode 20 is set with plane dimensions smaller than those of the cathode electrode 22. In the solid polymer electrolyte membrane 18, a reinforcement film 24 is provided on the outer peripheral surface 18ae projecting outward of the anode electrode 20. The reinforcement film 24 has a frame-like shape, and a portion 24e folding from the solid polymer electrolyte membrane 18, in a direction separating therefrom, is provided at an inner peripheral part facing the anode electrode 20.

Description

本発明は、固体高分子電解質膜の両面に電極を配設した電解質膜・電極構造体及びその製造方法に関する。   The present invention relates to an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and a method for producing the same.

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ触媒層(電極触媒)とガス拡散層(多孔質カーボン)とからなるアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体(MEA)を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持している。通常、この燃料電池を所定数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。   In general, a polymer electrolyte fuel cell employs a polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. This fuel cell comprises an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode electrode and a cathode electrode each comprising a catalyst layer (electrode catalyst) and a gas diffusion layer (porous carbon) are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane. ) Is sandwiched between separators (bipolar plates). Usually, a fuel cell stack in which a predetermined number of the fuel cells are stacked is used.

上記の電解質膜・電極構造体では、薄膜状の固体高分子電解質膜が使用されている。このため、固体高分子電解質膜に加わる反応ガスの差圧や機械的ストレスにより、前記固体高分子電解質膜が損傷することを阻止する必要がある。   In the above electrolyte membrane / electrode structure, a thin-film solid polymer electrolyte membrane is used. Therefore, it is necessary to prevent the solid polymer electrolyte membrane from being damaged by the differential pressure of the reaction gas applied to the solid polymer electrolyte membrane or mechanical stress.

そこで、例えば、特許文献1に開示されている固体高分子電解質型燃料電池が知られている。この燃料電池は、図10に示すように、固体高分子からなる電解質膜1、電極となる触媒層2、前記触媒層2を囲うように形成されている枠状の保護フィルム3より構成される膜−電極接合体(MEA)4を備えている。さらに、保護フィルム3と拡散層5とは、接着剤層7を介して接合されている。   Thus, for example, a solid polymer electrolyte fuel cell disclosed in Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 10, this fuel cell is composed of an electrolyte membrane 1 made of a solid polymer, a catalyst layer 2 that becomes an electrode, and a frame-shaped protective film 3 that is formed so as to surround the catalyst layer 2. A membrane-electrode assembly (MEA) 4 is provided. Furthermore, the protective film 3 and the diffusion layer 5 are joined via the adhesive layer 7.

特開2004−319153号公報JP 2004-319153 A

ところで、上記の特許文献1では、枠状の保護フィルム3の内周側(開口部側)角部3eが電解質膜1上に配置されている。このため、燃料電池が組み付けられる際、又は、運転時に前記燃料電池に荷重が付与される際、保護フィルム3の内周側角部3eが電解質膜1に押し込まれるおそれがある。従って、電解質膜1の厚さが減少する等のダメージが発生してしまい、前記電解質膜1の耐久性が低下するという問題がある。   By the way, in the above Patent Document 1, the inner peripheral side (opening side) corner 3e of the frame-shaped protective film 3 is disposed on the electrolyte membrane 1. For this reason, when the fuel cell is assembled or when a load is applied to the fuel cell during operation, the inner peripheral corner 3e of the protective film 3 may be pushed into the electrolyte membrane 1. Therefore, damage such as a decrease in the thickness of the electrolyte membrane 1 occurs, and there is a problem that the durability of the electrolyte membrane 1 is lowered.

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成及び工程で、固体高分子電解質膜の損傷を可及的に阻止し、良好な発電性能を確保することが可能な電解質膜・電極構造体及びその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and it is possible to prevent damage to the solid polymer electrolyte membrane as much as possible with a simple and economical configuration and process, and to ensure good power generation performance. An object of the present invention is to provide an electrolyte membrane / electrode structure and a method for producing the same.

本発明は、固体高分子電解質膜の両面に電極が配設されるとともに、前記固体高分子電解質膜は、少なくとも一方の電極よりも大きな平面寸法を有し、前記一方の電極の外周に額縁状の補強フィルムが設けられる電解質膜・電極構造体及びその製造方法に関するものである。   In the present invention, electrodes are disposed on both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane, and the solid polymer electrolyte membrane has a larger planar dimension than at least one electrode, and has a frame shape on the outer periphery of the one electrode. The present invention relates to an electrolyte membrane / electrode structure provided with a reinforcing film and a manufacturing method thereof.

この電解質膜・電極構造体では、補強フィルムは、一方の電極に対向する内周部分に、固体高分子電解質膜から離間する方向に折り返す折り返し部が設けられている。   In this electrolyte membrane / electrode structure, the reinforcing film is provided with a folded portion that is folded back in a direction away from the solid polymer electrolyte membrane at an inner peripheral portion facing one electrode.

また、この電解質膜・電極構造体では、補強フィルムの内周部分には、折り返し用の切り込み部位が設けられることが好ましい。   Further, in this electrolyte membrane / electrode structure, it is preferable that a notch portion for folding is provided in the inner peripheral portion of the reinforcing film.

さらに、この電解質膜・電極構造体では、一方の電極が他方の電極よりも小さな平面寸法を有し、補強フィルムは、前記一方の電極側にのみ設けられることが好ましい。   Furthermore, in this electrolyte membrane / electrode structure, it is preferable that one electrode has a smaller planar dimension than the other electrode, and the reinforcing film is provided only on the one electrode side.

さらにまた、この製造方法は、固体高分子電解質膜の両面に電極を設ける工程と、補強フィルムの一方の電極に対向する内周部分に、前記固体高分子電解質膜から離間する方向に折り返して折り返し部を設ける工程と、前記固体高分子電解質膜の前記一方の電極側に、補強フィルムを接合する工程とを有している。   Furthermore, this manufacturing method includes a step of providing electrodes on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, and a folding back in a direction away from the solid polymer electrolyte membrane on the inner peripheral portion facing one electrode of the reinforcing film. And a step of bonding a reinforcing film to the one electrode side of the solid polymer electrolyte membrane.

また、この製造方法では、補強フィルムの内周部分には、折り返し用の切り込み部位が設けられることが好ましい。   Moreover, in this manufacturing method, it is preferable that the inner peripheral part of a reinforcement film is provided with the cut | notch part for folding.

さらに、この製造方法では、電解質膜・電極構造体は、一方の電極が他方の電極よりも小さな平面寸法を有する段差電解質膜・電極構造体であり、補強フィルムは、前記一方の電極側にのみ設けられることが好ましい。   Further, in this manufacturing method, the electrolyte membrane / electrode structure is a stepped electrolyte membrane / electrode structure in which one electrode has a smaller planar dimension than the other electrode, and the reinforcing film is disposed only on the one electrode side. It is preferable to be provided.

本発明によれば、補強フィルムには、固体高分子電解質膜から離間する方向に折り返す折り返し部が設けられている。このため、補強フィルムの角部は、固体高分子電解質膜に直接接触することがなく、前記固体高分子電解質膜に押し込まれることを確実に抑制することができる。   According to the present invention, the reinforcing film is provided with the folded portion that is folded back in the direction away from the solid polymer electrolyte membrane. For this reason, the corner | angular part of a reinforcement film does not contact a solid polymer electrolyte membrane directly, but can suppress being pushed into the said solid polymer electrolyte membrane reliably.

これにより、補強フィルムの端部に折り返し部を設けるだけでよく、簡単且つ経済的な構成及び工程で、固体高分子電解質膜の損傷を可及的に阻止し、良好な発電性能を確保することが可能になる。   Thus, it is only necessary to provide a folded portion at the end of the reinforcing film, and to prevent damage to the solid polymer electrolyte membrane as much as possible with a simple and economical configuration and process, and to ensure good power generation performance. Is possible.

本発明の第1の実施形態に係る電解質膜・電極構造体が組み込まれる燃料電池の要部分解斜視説明図である。It is a principal part disassembled perspective explanatory view of the fuel cell in which the electrolyte membrane / electrode structure according to the first embodiment of the present invention is incorporated. 前記燃料電池の、図1中、II−II線断面説明図である。FIG. 2 is a sectional view of the fuel cell taken along line II-II in FIG. 1. 前記電解質膜・電極構造体を構成する補強フィルムの作製作業の説明図である。It is explanatory drawing of the preparation operation | work of the reinforcement film which comprises the said electrolyte membrane electrode structure. 前記補強フィルムに折り返し加工を施す折り返し装置の分解斜視説明図である。It is a disassembled perspective explanatory drawing of the folding apparatus which performs the folding process on the said reinforcement film. 前記折り返し装置の側面説明図である。It is side surface explanatory drawing of the said folding device. 前記折り返し装置の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of the said folding | turning apparatus. 折り返し加工が施されたフィルム部材の斜視説明図である。It is an isometric view explanatory drawing of the film member in which the folding process was performed. 本発明の第2の実施形態に係る電解質膜・電極構造体が組み込まれる燃料電池の要部分解斜視説明図である。It is a principal part disassembled perspective explanatory view of the fuel cell in which the electrolyte membrane / electrode structure according to the second embodiment of the present invention is incorporated. 前記燃料電池の、図8中、IX−IX線断面説明図である。FIG. 9 is a sectional view of the fuel cell taken along line IX-IX in FIG. 8. 特許文献1に開示された燃料電池の説明図である。2 is an explanatory diagram of a fuel cell disclosed in Patent Document 1. FIG.

図1に示すように、本発明の第1の実施形態に係る電解質膜・電極構造体10は、燃料電池12に組み込まれる。燃料電池12は、矢印A方向(例えば、水平方向)に複数積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックが構成される。   As shown in FIG. 1, an electrolyte membrane / electrode structure 10 according to a first embodiment of the present invention is incorporated in a fuel cell 12. For example, an in-vehicle fuel cell stack is configured by stacking a plurality of fuel cells 12 in the direction of arrow A (for example, the horizontal direction).

燃料電池12は、電解質膜・電極構造体10を第1セパレータ14及び第2セパレータ16で挟持する。第1セパレータ14及び第2セパレータ16は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成されている。   In the fuel cell 12, the electrolyte membrane / electrode structure 10 is sandwiched between the first separator 14 and the second separator 16. The first separator 14 and the second separator 16 are made of, for example, a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, a plated steel plate, a metal plate whose surface is subjected to corrosion prevention, a carbon member, or the like. .

図2に示すように、電解質膜・電極構造体10は、固体高分子電解質膜18と、前記固体高分子電解質膜18を挟持するアノード電極(一方の電極)20及びカソード電極(他方の電極)22とを備える。アノード電極20は、カソード電極22よりも小さな平面寸法(表面積)を有するとともに、固体高分子電解質膜18には、前記アノード電極20の外周から外部に露呈する額縁状の外周面18aeに補強フィルム24が配設される。   As shown in FIG. 2, the electrolyte membrane / electrode structure 10 includes a solid polymer electrolyte membrane 18, an anode electrode (one electrode) 20 and a cathode electrode (the other electrode) that sandwich the solid polymer electrolyte membrane 18. 22. The anode electrode 20 has a smaller planar dimension (surface area) than the cathode electrode 22, and the solid polymer electrolyte membrane 18 has a frame-like outer peripheral surface 18 a exposed from the outer periphery of the anode electrode 20 to the reinforcing film 24. Is disposed.

アノード電極20は、固体高分子電解質膜18の一方の面18aに当接し、且つ前記固体高分子電解質膜18の外周面18aeを額縁状に露呈させる第1電極触媒層20a及び第1ガス拡散層20bを設ける。カソード電極22は、固体高分子電解質膜18の他方の面18bに当接する第2電極触媒層22a及び第2ガス拡散層22bを設ける。なお、第1電極触媒層20a及び第2電極触媒層22aは、複数の層から構成してもよい。   The anode electrode 20 is in contact with one surface 18a of the solid polymer electrolyte membrane 18, and the first electrode catalyst layer 20a and the first gas diffusion layer that expose the outer peripheral surface 18ae of the solid polymer electrolyte membrane 18 in a frame shape. 20b is provided. The cathode electrode 22 is provided with a second electrode catalyst layer 22 a and a second gas diffusion layer 22 b that are in contact with the other surface 18 b of the solid polymer electrolyte membrane 18. The first electrode catalyst layer 20a and the second electrode catalyst layer 22a may be composed of a plurality of layers.

第2ガス拡散層22bの平面寸法は、第1ガス拡散層20bの平面寸法よりも大きく設定されるとともに、前記第2ガス拡散層22bは、第2電極触媒層22aの外周から突出して固体高分子電解質膜18の他方の面18b全体を覆う。   The planar dimension of the second gas diffusion layer 22b is set to be larger than the planar dimension of the first gas diffusion layer 20b, and the second gas diffusion layer 22b protrudes from the outer periphery of the second electrode catalyst layer 22a and has a solid height. The entire other surface 18b of the molecular electrolyte membrane 18 is covered.

第1ガス拡散層20bは、第1電極触媒層20aの外周から突出するとともに、前記第1ガス拡散層20bの端部から外方に露呈する固体高分子電解質膜18の外周面18aeには、補強フィルム24が設けられる。補強フィルム24は、例えば、PEN(ポリエチレンナフタレート)フィルムにより構成され、厚さが10μm〜200μm程度に設定される。   The first gas diffusion layer 20b protrudes from the outer periphery of the first electrode catalyst layer 20a, and on the outer peripheral surface 18ae of the solid polymer electrolyte membrane 18 exposed outward from the end of the first gas diffusion layer 20b. A reinforcing film 24 is provided. The reinforcing film 24 is made of, for example, a PEN (polyethylene naphthalate) film and has a thickness of about 10 μm to 200 μm.

補強フィルム24は、その他、PPS(ポリフェニレンサルファイド樹脂)、PEEK系(ポリエーテルエーテルケトン)、PES(ポリエーテルサルホン)、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PVDF(ポリビニリデンフルオライド)等により構成してもよい。また、ABS(アクリロニトリル、ブタジエン、スチレンからなる熱可塑性樹脂)、PBT(ポリブチレンテレフタレート)、LCP(液晶ポリマー)又はPP(ポリプロピレン)を使用してもよく、あるいは、これらの混合物を使用してもよい。   In addition, the reinforcing film 24 is made of PPS (polyphenylene sulfide resin), PEEK (polyether ether ketone), PES (polyether sulfone), PTFE (polytetrafluoroethylene), PVDF (polyvinylidene fluoride), or the like. May be. Also, ABS (thermoplastic resin made of acrylonitrile, butadiene, styrene), PBT (polybutylene terephthalate), LCP (liquid crystal polymer) or PP (polypropylene) may be used, or a mixture thereof may be used. Good.

補強フィルム24は、額縁形状(枠形状)を有するとともに、アノード電極20に対向する内周部分に、固体高分子電解質膜18から離間する方向に折り返す折り返し部24eが設けられる。補強フィルム24は、接着剤26により固体高分子電解質膜18の外周面18aeに接着されるとともに、折り返し部24eには、必要に応じて接着剤26が塗布される。折り返し部24eは、例えば、1mm〜5mm程度の長さSを有する。   The reinforcing film 24 has a frame shape (frame shape), and a folded portion 24 e that is folded back in a direction away from the solid polymer electrolyte membrane 18 is provided in an inner peripheral portion facing the anode electrode 20. The reinforcing film 24 is adhered to the outer peripheral surface 18ae of the solid polymer electrolyte membrane 18 by an adhesive 26, and the adhesive 26 is applied to the folded portion 24e as necessary. The folded portion 24e has a length S of about 1 mm to 5 mm, for example.

折り返し部24eの内周面は、第1ガス拡散層20bの外周端部に当接するとともに、前記内周面には、R(湾曲面)が形成される。折り返し部24eは、後述する切り込み部50を内側にして折り返されている。なお、折り返し部24eは、凹み部(図示せず)を外側(内周面)にして折り返されてもよい。   The inner peripheral surface of the folded portion 24e contacts the outer peripheral end of the first gas diffusion layer 20b, and an R (curved surface) is formed on the inner peripheral surface. The folded portion 24e is folded with a cut portion 50, which will be described later, inside. In addition, the folding | returning part 24e may be folded by making a recessed part (not shown) into the outer side (inner peripheral surface).

図1に示すように、燃料電池12の矢印B方向(図1中、水平方向)の一端縁部には、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔32a及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔34bが、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。   As shown in FIG. 1, one end edge of the fuel cell 12 in the direction of arrow B (horizontal direction in FIG. 1) communicates with each other in the direction of arrow A, which is the stacking direction, An oxidant gas inlet communication hole 30a for supplying gas, a cooling medium inlet communication hole 32a for supplying a cooling medium, and a fuel gas outlet communication hole 34b for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, are shown by arrows. Arranged in the C direction (vertical direction).

燃料電池12の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔34a、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔32b及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔30bが、矢印C方向に配列して設けられる。   The other end edge of the fuel cell 12 in the direction of arrow B communicates with each other in the direction of arrow A, a fuel gas inlet communication hole 34a for supplying fuel gas, and a cooling medium outlet communication hole for discharging the cooling medium. 32b and an oxidant gas outlet communication hole 30b for discharging the oxidant gas are arranged in the direction of arrow C.

第2セパレータ16の電解質膜・電極構造体10に向かう面16aには、酸化剤ガス入口連通孔30aと酸化剤ガス出口連通孔30bとに連通する酸化剤ガス流路36が設けられる。   An oxidant gas flow path 36 that communicates with the oxidant gas inlet communication hole 30a and the oxidant gas outlet communication hole 30b is provided on the surface 16a of the second separator 16 facing the electrolyte membrane / electrode structure 10.

第1セパレータ14の電解質膜・電極構造体10に向かう面14aには、燃料ガス入口連通孔34aと燃料ガス出口連通孔34bとに連通する燃料ガス流路38が形成される。第1セパレータ14の面14bと第2セパレータ16の面16bとの間には、冷却媒体入口連通孔32aと冷却媒体出口連通孔32bとに連通する冷却媒体流路40が形成される。   A fuel gas flow path 38 communicating with the fuel gas inlet communication hole 34 a and the fuel gas outlet communication hole 34 b is formed on the surface 14 a of the first separator 14 facing the electrolyte membrane / electrode structure 10. Between the surface 14 b of the first separator 14 and the surface 16 b of the second separator 16, a cooling medium flow path 40 communicating with the cooling medium inlet communication hole 32 a and the cooling medium outlet communication hole 32 b is formed.

図1及び図2に示すように、第1セパレータ14の面14a、14bには、この第1セパレータ14の外周端部を周回して、第1シール部材42が一体化されるとともに、第2セパレータ16の面16a、16bには、この第2セパレータ16の外周端部を周回して、第2シール部材44が一体化される。   As shown in FIGS. 1 and 2, the first seal member 42 is integrated with the surfaces 14 a and 14 b of the first separator 14 around the outer peripheral end of the first separator 14, and the second The second seal member 44 is integrated with the surfaces 16 a and 16 b of the separator 16 around the outer peripheral end of the second separator 16.

図2に示すように、第1シール部材42は、補強フィルム24と第1セパレータ14との間に介装される第1凸状シール42aと、前記第1セパレータ14と第2セパレータ16との間に介装される第2凸状シール42bとを有する。第2シール部材44は、平面シールを構成する。なお、第2凸状シール42bに代えて、第2シール部材44に第2凸状シール(図示せず)を設けてもよい。   As shown in FIG. 2, the first seal member 42 includes a first convex seal 42 a interposed between the reinforcing film 24 and the first separator 14, and the first separator 14 and the second separator 16. And a second convex seal 42b interposed therebetween. The second seal member 44 constitutes a flat seal. Instead of the second convex seal 42b, the second seal member 44 may be provided with a second convex seal (not shown).

第1及び第2シール部材42、44には、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。   The first and second sealing members 42 and 44 include, for example, EPDM, NBR, fluorine rubber, silicone rubber, fluorosilicone rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroprene or acrylic rubber, a cushioning material, Alternatively, an elastic seal member such as a packing material is used.

図1に示すように、第1セパレータ14には、燃料ガス入口連通孔34aを燃料ガス流路38に連通する供給孔部46と、前記燃料ガス流路38を燃料ガス出口連通孔34bに連通する排出孔部48とが形成される。   As shown in FIG. 1, the first separator 14 has a supply hole portion 46 that communicates the fuel gas inlet communication hole 34a with the fuel gas passage 38, and the fuel gas passage 38 communicates with the fuel gas outlet communication hole 34b. A discharge hole 48 is formed.

次いで、電解質膜・電極構造体10を製造する製造方法について、以下に説明する。   Next, a manufacturing method for manufacturing the electrolyte membrane / electrode structure 10 will be described below.

先ず、後述するように、一方のガス拡散層が他方のガス拡散層よりも平面寸法の大きな、所謂、段差MEA10aが作製される。具体的には、触媒と溶媒との混合物にイオン導電性溶液を投入し、均一に混合した電極ペーストを、PETフィルムからなるPETシートにスクリーン印刷により塗工した電極シートを形成し、前記電極シート間に固体高分子電解質膜18を挟持してホットプレスを行う。   First, as will be described later, a so-called step MEA 10a is produced in which one gas diffusion layer has a larger planar dimension than the other gas diffusion layer. Specifically, an ion conductive solution is introduced into a mixture of a catalyst and a solvent, and an electrode paste obtained by coating a uniformly mixed electrode paste on a PET sheet made of a PET film by screen printing is formed. Hot pressing is performed with the solid polymer electrolyte membrane 18 sandwiched therebetween.

その後、PETシートを剥がすことにより、固体高分子電解質膜18の面18a及び面18bには、第1電極触媒層20a及び第2電極触媒層22aが形成される。これにより、触媒付き電解質膜が形成される。   Then, the first electrode catalyst layer 20a and the second electrode catalyst layer 22a are formed on the surface 18a and the surface 18b of the solid polymer electrolyte membrane 18 by peeling the PET sheet. Thereby, an electrolyte membrane with a catalyst is formed.

また、第1ガス拡散層20bに対応する大サイズのカーボンペーパ(以下、大CPともいう)と、第2ガス拡散層22bに対応する小サイズのカーボンペーパ(以下、小CPともいう)とが作製される。そして、カーボンブラック及びPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)粒子を含む混合物をエチレングリコールに均一に分散させたスラリーが形成される。このスラリーは、大CP及び小CPに塗布して乾燥されることにより、前記大CPと下地層とからなる第1ガス拡散層20b及び前記小CPと下地層とからなる第2ガス拡散層22bが作製される。   In addition, a large size carbon paper (hereinafter also referred to as a large CP) corresponding to the first gas diffusion layer 20b and a small size carbon paper (hereinafter also referred to as a small CP) corresponding to the second gas diffusion layer 22b. Produced. Then, a slurry in which a mixture containing carbon black and PTFE (polytetrafluoroethylene) particles is uniformly dispersed in ethylene glycol is formed. The slurry is applied to the large CP and the small CP and dried, whereby the first gas diffusion layer 20b composed of the large CP and the base layer and the second gas diffusion layer 22b composed of the small CP and the base layer. Is produced.

さらに、触媒付き電解質膜の両側には、第1ガス拡散層20bと第2ガス拡散層22bとが配置され、ホットプレスが行われる。このため、段差MEA10aが得られる。   Furthermore, the first gas diffusion layer 20b and the second gas diffusion layer 22b are disposed on both sides of the electrolyte membrane with catalyst, and hot pressing is performed. For this reason, the step MEA 10a is obtained.

一方、補強フィルム24が作製される。例えば、PENフィルムが加工されて額縁形状(枠形状)のフィルム部材24Fが得られる(図3参照)。フィルム部材24Fには、折り返し位置に沿って複数の切り込み部50と、各内周角部に各外周角部に向かって所定の長さだけ切断された切れ目52とが形成される。切り込み部50は、フィルム部材24Fの表面に、長尺方向及び短尺方向に沿って断続的に配列される。   On the other hand, the reinforcing film 24 is produced. For example, a PEN film is processed to obtain a frame-shaped (frame-shaped) film member 24F (see FIG. 3). In the film member 24F, a plurality of cut portions 50 are formed along the turn-back position, and cuts 52 are formed at the respective inner peripheral corner portions and cut by a predetermined length toward the respective outer peripheral corner portions. The cut portions 50 are intermittently arranged on the surface of the film member 24F along the long direction and the short direction.

なお、切り込み部50は、フィルム部材24Fの表面に連続的に形成してもよい。切り込み部50に沿って、真っ直ぐに容易に折り曲げることができるからである。   Note that the cut portion 50 may be continuously formed on the surface of the film member 24F. This is because it can be easily bent straight along the notch 50.

図4及び図5に示すように、フィルム部材24Fには、折り返し装置54により折り返し加工が施される。折り返し装置54は、フィルム部材24Fの折り返し部24eの内周形状に対応する凸状治具56と、前記フィルム部材24Fを前記凸状治具56に対して保持する押さえ治具58と、前記フィルム部材24Fに前記折り返し部24eを形成する折り返し板60a、60bとを備える。   As shown in FIGS. 4 and 5, the film member 24 </ b> F is folded by a folding device 54. The folding device 54 includes a convex jig 56 corresponding to the inner peripheral shape of the folding portion 24e of the film member 24F, a pressing jig 58 that holds the film member 24F against the convex jig 56, and the film. The member 24F includes folding plates 60a and 60b that form the folding portion 24e.

凸状治具56は、略矩形状を有し、上部側には、台形先端部56aが設けられる。凸状治具56の長辺側両側部には、それぞれ上下方向に延在し且つ互いに並列して複数本のガイド溝部56bが形成される。凸状治具56の短辺側両側部には、それぞれ上下方向に延在し且つ互いに並列して複数本のガイド溝部56cが形成される。   The convex jig 56 has a substantially rectangular shape, and a trapezoidal tip 56a is provided on the upper side. A plurality of guide groove portions 56b are formed on both sides of the long side of the convex jig 56, extending in the vertical direction and parallel to each other. On both sides of the short side of the convex jig 56, a plurality of guide groove portions 56c are formed extending in the vertical direction and in parallel with each other.

押さえ治具58は、額縁形状(枠形状)を有し、内周形状が凸状治具56の外形形状よりも大きな寸法に設定される。押さえ治具58は、フィルム部材24Fの外周縁部を押圧保持する(図5参照)。   The holding jig 58 has a frame shape (frame shape), and the inner peripheral shape is set to a size larger than the outer shape of the convex jig 56. The holding jig 58 presses and holds the outer peripheral edge of the film member 24F (see FIG. 5).

折り返し板60a、60bは、図4に示すように、薄板の櫛歯形状を有する。折り返し板60aは、凸状治具56のガイド溝部56bに対応する本数のガイド部60aaを設ける。折り返し板60bは、凸状治具56のガイド溝部56cに対応する本数のガイド部60bbを設ける。なお、折り返し板60aを用いることなく、単一の折り返し板60bのみを使用してもよい。   As shown in FIG. 4, the folded plates 60a and 60b have a thin comb-tooth shape. The folded plate 60 a is provided with a number of guide portions 60 aa corresponding to the guide groove portions 56 b of the convex jig 56. The folded plate 60 b is provided with a number of guide portions 60 bb corresponding to the guide groove portions 56 c of the convex jig 56. Note that only the single folded plate 60b may be used without using the folded plate 60a.

そこで、図5に示すように、フィルム部材24Fは、内部空間に凸状治具56を配置するとともに、外周縁部が押さえ治具58に押圧保持される。フィルム部材24Fの内周縁部は、凸状治具56の各辺に当接することにより、上方に向かって支持される。   Therefore, as shown in FIG. 5, the film member 24 </ b> F has the convex jig 56 disposed in the internal space, and the outer peripheral edge is pressed and held by the pressing jig 58. The inner peripheral edge of the film member 24 </ b> F is supported upward by contacting each side of the convex jig 56.

この状態で、例えば、一対の折り返し板60aは、凸状治具56の長辺両側のガイド溝部56bに配置される一方、一対の折り返し板60bは、前記凸状治具56の短辺両側のガイド溝部56cに配置される。   In this state, for example, the pair of folded plates 60 a are disposed in the guide groove portions 56 b on both long sides of the convex jig 56, while the pair of folded plates 60 b are disposed on both short sides of the convex jig 56. It arrange | positions in the guide groove part 56c.

さらに、図6に示すように、折り返し板60aは、凸状治具56から離間する方向(矢印T方向)に傾斜される。このため、フィルム部材24Fの内周縁部は、折り返し板60aのガイド部60aaにより矢印T方向に折り曲げられ、折り返し部24eが形成される。同様に、他の折り返し板60a、60bが外方に傾斜されることにより、フィルム部材24Fの内周を周回して折り返し部24eが形成される(図7参照)。   Further, as shown in FIG. 6, the folded plate 60 a is inclined in a direction away from the convex jig 56 (direction of arrow T). For this reason, the inner peripheral edge portion of the film member 24F is bent in the direction of the arrow T by the guide portion 60aa of the folding plate 60a to form the folded portion 24e. Similarly, when the other folded plates 60a and 60b are inclined outward, the folded portion 24e is formed around the inner periphery of the film member 24F (see FIG. 7).

次に、フィルム部材24Fには、接着剤26が塗工された後、前記フィルム部材24Fは、段差MEA10aに配置される。そして、加熱及び加圧保持することにより、補強フィルム24は、接着剤26により固体高分子電解質膜18の外周面18aeに接着され、電解質膜・電極構造体10が作製される。   Next, after the adhesive 26 is applied to the film member 24F, the film member 24F is disposed on the step MEA 10a. The reinforcing film 24 is bonded to the outer peripheral surface 18ae of the solid polymer electrolyte membrane 18 by the adhesive 26 by heating and pressurizing, whereby the electrolyte membrane / electrode structure 10 is manufactured.

この場合、第1の実施形態では、図2に示すように、補強フィルム24には、固体高分子電解質膜18から離間する方向に折り返す折り返し部24eが設けられている。従って、補強フィルム24の角部は、前記補強フィルム24上に折り返されており、固体高分子電解質膜18に直接接触することがなく、前記固体高分子電解質膜18に押し込まれることを確実に抑制することができる。   In this case, in the first embodiment, as shown in FIG. 2, the reinforcing film 24 is provided with a folded portion 24 e that is folded back in a direction away from the solid polymer electrolyte membrane 18. Accordingly, the corners of the reinforcing film 24 are folded back on the reinforcing film 24 and do not come into direct contact with the solid polymer electrolyte membrane 18 and are reliably suppressed from being pushed into the solid polymer electrolyte membrane 18. can do.

これにより、補強フィルム24の端部に、折り返し部24eを設けるだけでよく、簡単且つ経済的な構成及び工程で、固体高分子電解質膜18の損傷を可及的に阻止し、良好な発電性能を確保することが可能になるという効果が得られる。   As a result, it is only necessary to provide the folded portion 24e at the end of the reinforcing film 24, and it is possible to prevent damage to the solid polymer electrolyte membrane 18 as much as possible with a simple and economical configuration and process. The effect that it becomes possible to ensure is obtained.

なお、折り返し部24eは、複数の切り込み部50に沿って折り曲げられているが、例えば、ノッチを設けた後、折り曲げてもよく、又は、熱により変形させて折り曲げてもよい。   In addition, although the folding | returning part 24e is bend | folded along the some notch part 50, after providing a notch, you may fold, or you may make it deform | transform by heat and bend | fold.

このように構成される電解質膜・電極構造体10を組み込む燃料電池12の動作について、以下に説明する。   The operation of the fuel cell 12 incorporating the electrolyte membrane / electrode structure 10 thus configured will be described below.

先ず、図1に示すように、酸化剤ガス入口連通孔30aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔34aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔32aに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。   First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas inlet communication hole 30a, and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 34a. Further, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium inlet communication hole 32a.

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔30aから第2セパレータ16の酸化剤ガス流路36に導入され、矢印B方向に移動して電解質膜・電極構造体10のカソード電極22に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔34aから供給孔部46を通って第1セパレータ14の燃料ガス流路38に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路38に沿って矢印B方向に移動し、電解質膜・電極構造体10のアノード電極20に供給される。   For this reason, the oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 36 of the second separator 16 from the oxidant gas inlet communication hole 30a and moves in the direction of arrow B to the cathode electrode 22 of the electrolyte membrane / electrode structure 10. Supplied. On the other hand, the fuel gas is introduced from the fuel gas inlet communication hole 34 a through the supply hole 46 into the fuel gas flow path 38 of the first separator 14. The fuel gas moves in the direction of arrow B along the fuel gas flow path 38 and is supplied to the anode electrode 20 of the electrolyte membrane / electrode structure 10.

従って、各電解質膜・電極構造体10では、カソード電極22に供給される酸化剤ガスと、アノード電極20に供給される燃料ガスとが、第1電極触媒層20a内及び第2電極触媒層22a内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。   Therefore, in each electrolyte membrane / electrode structure 10, the oxidant gas supplied to the cathode electrode 22 and the fuel gas supplied to the anode electrode 20 are in the first electrode catalyst layer 20a and the second electrode catalyst layer 22a. Power is generated by being consumed by electrochemical reaction.

次いで、カソード電極22に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔30bに沿って矢印A方向に排出される。同様に、アノード電極20に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部48を通り燃料ガス出口連通孔34bに沿って矢印A方向に排出される。   Next, the oxidant gas consumed by being supplied to the cathode electrode 22 is discharged in the direction of arrow A along the oxidant gas outlet communication hole 30b. Similarly, the fuel gas consumed by being supplied to the anode electrode 20 passes through the discharge hole 48 and is discharged in the direction of arrow A along the fuel gas outlet communication hole 34b.

また、冷却媒体入口連通孔32aに供給された冷却媒体は、第1セパレータ14と第2セパレータ16との間の冷却媒体流路40に導入された後、矢印B方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体10を冷却した後、冷却媒体出口連通孔32bから排出される。   The cooling medium supplied to the cooling medium inlet communication hole 32a is introduced into the cooling medium flow path 40 between the first separator 14 and the second separator 16, and then flows in the direction of arrow B. The cooling medium is discharged from the cooling medium outlet communication hole 32b after the electrolyte membrane / electrode structure 10 is cooled.

図8及び図9に示すように、本発明の第2の実施形態に係る電解質膜・電極構造体70は、燃料電池72に組み込まれる。なお、第1の実施形態に係る電解質膜・電極構造体10及び燃料電池12と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。   As shown in FIGS. 8 and 9, the electrolyte membrane / electrode structure 70 according to the second embodiment of the present invention is incorporated in a fuel cell 72. The same components as those of the electrolyte membrane / electrode structure 10 and the fuel cell 12 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

燃料電池72は、電解質膜・電極構造体70を第1セパレータ74及び第2セパレータ76で挟持する。第1セパレータ74及び第2セパレータ76は、例えば、カーボンセパレータで構成されるが、このカーボンセパレータに代えて、例えば、金属薄板により構成してもよい。   In the fuel cell 72, the electrolyte membrane / electrode structure 70 is sandwiched between the first separator 74 and the second separator 76. Although the 1st separator 74 and the 2nd separator 76 are comprised with a carbon separator, for example, it may replace with this carbon separator and may be comprised with a metal thin plate, for example.

図9に示すように、電解質膜・電極構造体70は、MEA70aを備えるとともに、前記MEA70aは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜18と、前記固体高分子電解質膜18を挟持するアノード電極20及びカソード電極22とを有する。アノード電極20及びカソード電極22は、同一の平面寸法に設定されるとともに、固体高分子電解質膜18の外周面18ae、18beは、前記アノード電極20及び前記カソード電極22の外周端部よりも外方に延在する。   As shown in FIG. 9, the electrolyte membrane / electrode structure 70 includes an MEA 70a. The MEA 70a includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 18 in which a thin film of perfluorosulfonic acid is impregnated with water, An anode electrode 20 and a cathode electrode 22 sandwiching the molecular electrolyte membrane 18 are included. The anode electrode 20 and the cathode electrode 22 are set to have the same planar dimensions, and the outer peripheral surfaces 18ae and 18be of the solid polymer electrolyte membrane 18 are more outward than the outer peripheral end portions of the anode electrode 20 and the cathode electrode 22. Extend to.

固体高分子電解質膜18の外周面18ae、18beには、補強フィルム24a、24bが設けられる。補強フィルム24a、24bは、上記の補強フィルム24と同様に構成される。   Reinforcing films 24 a and 24 b are provided on the outer peripheral surfaces 18 ae and 18 be of the solid polymer electrolyte membrane 18. The reinforcing films 24a and 24b are configured similarly to the reinforcing film 24 described above.

補強フィルム24aは、額縁形状(枠形状)を有するとともに、アノード電極20に対向する内周部分に、固体高分子電解質膜18から離間する方向に折り返す折り返し部24aeが設けられる。補強フィルム24aは、接着剤26aにより固体高分子電解質膜18の外周面18aeに接着されるとともに、折り返し部24aeには、必要に応じて接着剤26aが塗布される。   The reinforcing film 24 a has a frame shape (frame shape), and a folded portion 24 ae that is folded back in a direction away from the solid polymer electrolyte membrane 18 is provided in an inner peripheral portion facing the anode electrode 20. The reinforcing film 24a is adhered to the outer peripheral surface 18ae of the solid polymer electrolyte membrane 18 by an adhesive 26a, and the adhesive 26a is applied to the folded portion 24ae as necessary.

補強フィルム24bは、額縁形状(枠形状)を有するとともに、カソード電極22に対向する内周部分に、固体高分子電解質膜18から離間する方向に折り返す折り返し部24beが設けられる。補強フィルム24bは、接着剤26bにより固体高分子電解質膜18の外周面18beに接着されるとともに、折り返し部24beには、必要に応じて接着剤26bが塗布される。   The reinforcing film 24b has a frame shape (frame shape), and a folded portion 24be that is folded back in a direction away from the solid polymer electrolyte membrane 18 is provided in an inner peripheral portion facing the cathode electrode 22. The reinforcing film 24b is adhered to the outer peripheral surface 18be of the solid polymer electrolyte membrane 18 by an adhesive 26b, and an adhesive 26b is applied to the folded portion 24be as necessary.

このように構成される第2の実施形態では、電解質膜・電極構造体70は、上記の第1の実施形態と同様の工程により作製される。   In the second embodiment configured as described above, the electrolyte membrane / electrode structure 70 is manufactured by the same process as in the first embodiment.

しかも、補強フィルム24a、24bには、固体高分子電解質膜18から離間する方向に折り返す折り返し部24ae、24beが設けられている。従って、補強フィルム24a、24bの角部は、前記補強フィルム24a、24b上に折り返されており、固体高分子電解質膜18に直接接触することがなく、前記固体高分子電解質膜18に押し込まれることを確実に抑制することができる。   Moreover, the reinforcing films 24 a and 24 b are provided with folded portions 24 ae and 24 be that are folded back in a direction away from the solid polymer electrolyte membrane 18. Accordingly, the corners of the reinforcing films 24a and 24b are folded back on the reinforcing films 24a and 24b, and are not directly in contact with the solid polymer electrolyte membrane 18, but are pushed into the solid polymer electrolyte membrane 18. Can be reliably suppressed.

これにより、補強フィルム24a、24bの端部に、折り返し部24ae、24beを設けるだけでよく、簡単且つ経済的な構成及び工程で、固体高分子電解質膜18の損傷を可及的に阻止し、良好な発電性能を確保することが可能になる等、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。   Thereby, it is only necessary to provide the folded portions 24ae and 24be at the ends of the reinforcing films 24a and 24b, and the damage to the solid polymer electrolyte membrane 18 is prevented as much as possible with a simple and economical configuration and process. The same effects as those in the first embodiment can be obtained, such as ensuring good power generation performance.

10、70…電解質膜・電極構造体 10a…段差MEA
12、72…燃料電池 14、16、74、76…セパレータ
18…固体高分子電解質膜 18ae…外周面
20…アノード電極 20b、22b…ガス拡散層
20a、22a…電極触媒層 22…カソード電極
24、24a、24b…補強フィルム
24e、24ae、24be…折り返し部
24F…フィルム部材 26、26a、26b…接着剤
36…酸化剤ガス流路 38…燃料ガス流路
40…冷却媒体流路 42、44…シール部材
50…切り込み部 52…切れ目
54…折り返し装置 56…凸状治具
60a、60b…折り返し板 70a…MEA
10, 70 ... Electrolyte membrane / electrode structure 10a ... Step MEA
DESCRIPTION OF SYMBOLS 12, 72 ... Fuel cell 14, 16, 74, 76 ... Separator 18 ... Solid polymer electrolyte membrane 18ae ... Outer peripheral surface 20 ... Anode electrode 20b, 22b ... Gas diffusion layer 20a, 22a ... Electrode catalyst layer 22 ... Cathode electrode 24, 24a, 24b: Reinforcing films 24e, 24ae, 24be ... Folded portion 24F ... Film members 26, 26a, 26b ... Adhesive 36 ... Oxidant gas flow path 38 ... Fuel gas flow path 40 ... Cooling medium flow path 42, 44 ... Seal Member 50 ... Cut section 52 ... Cut 54 ... Folding device 56 ... Convex jigs 60a, 60b ... Folding plate 70a ... MEA

Claims (6)

固体高分子電解質膜の両面に電極が配設されるとともに、前記固体高分子電解質膜は、少なくとも一方の電極よりも大きな平面寸法を有し、前記一方の電極の外周に額縁状の補強フィルムが設けられる電解質膜・電極構造体であって、
前記補強フィルムは、前記一方の電極に対向する内周部分に、前記固体高分子電解質膜から離間する方向に折り返す折り返し部が設けられることを特徴とする電解質膜・電極構造体。
Electrodes are disposed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, the solid polymer electrolyte membrane has a larger planar dimension than at least one of the electrodes, and a frame-shaped reinforcing film is provided on the outer periphery of the one electrode. An electrolyte membrane / electrode structure provided,
The electrolyte membrane / electrode structure according to claim 1, wherein the reinforcing film is provided with a folded portion that is folded back in a direction away from the solid polymer electrolyte membrane at an inner peripheral portion facing the one electrode.
請求項1記載の電解質膜・電極構造体において、前記補強フィルムの前記内周部分には、折り返し用の切り込み部位が設けられることを特徴とする電解質膜・電極構造体。   2. The electrolyte membrane / electrode structure according to claim 1, wherein the inner peripheral portion of the reinforcing film is provided with a cut-in portion for folding. 請求項1又は2記載の電解質膜・電極構造体において、前記一方の電極が他方の電極よりも小さな平面寸法を有し、
前記補強フィルムは、前記一方の電極側にのみ設けられることを特徴とする電解質膜・電極構造体。
The electrolyte membrane / electrode structure according to claim 1 or 2, wherein the one electrode has a smaller planar dimension than the other electrode,
The electrolyte membrane / electrode structure according to claim 1, wherein the reinforcing film is provided only on the one electrode side.
固体高分子電解質膜の両面に電極が配設されるとともに、前記固体高分子電解質膜は、少なくとも一方の電極よりも大きな平面寸法を有し、前記一方の電極の外周に額縁状の補強フィルムが設けられる電解質膜・電極構造体の製造方法であって、
前記固体高分子電解質膜の両面に前記電極を設ける工程と、
前記補強フィルムの前記一方の電極に対向する内周部分に、前記固体高分子電解質膜から離間する方向に折り返して折り返し部を設ける工程と、
前記固体高分子電解質膜の前記一方の電極側に、前記補強フィルムを接合する工程と、
を有することを特徴とする電解質膜・電極構造体の製造方法。
Electrodes are disposed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, the solid polymer electrolyte membrane has a larger planar dimension than at least one of the electrodes, and a frame-shaped reinforcing film is provided on the outer periphery of the one electrode. A method for producing an electrolyte membrane / electrode structure to be provided,
Providing the electrodes on both sides of the solid polymer electrolyte membrane;
A step of providing a folded portion by folding back in a direction away from the solid polymer electrolyte membrane on an inner peripheral portion of the reinforcing film facing the one electrode;
Bonding the reinforcing film to the one electrode side of the solid polymer electrolyte membrane;
A method for producing an electrolyte membrane / electrode structure, comprising:
請求項4記載の製造方法において、前記補強フィルムの前記内周部分には、折り返し用の切り込み部位が設けられることを特徴とする電解質膜・電極構造体の製造方法。   5. The method of manufacturing an electrolyte membrane / electrode structure according to claim 4, wherein the inner peripheral portion of the reinforcing film is provided with a cut-in portion for folding. 請求項4又は5記載の製造方法において、前記電解質膜・電極構造体は、前記一方の電極が他方の電極よりも小さな平面寸法を有する段差電解質膜・電極構造体であり、
前記補強フィルムは、前記一方の電極側にのみ設けられることを特徴とする電解質膜・電極構造体の製造方法。
6. The manufacturing method according to claim 4, wherein the electrolyte membrane / electrode structure is a stepped electrolyte membrane / electrode structure in which the one electrode has a smaller planar dimension than the other electrode.
The method for producing an electrolyte membrane / electrode structure, wherein the reinforcing film is provided only on the one electrode side.
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