JP2014212074A - Electrolyte membrane-electrode structure with resin frame for fuel cell and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
Description
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電解質膜・電極構造体と、前記固体高分子電解質膜の外周を周回する樹脂枠部材とを備える燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体及びその製造方法に関する。 The present invention provides an electrolyte with a resin frame for a fuel cell, comprising an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and a resin frame member that circulates around the outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane. The present invention relates to a membrane / electrode structure and a manufacturing method thereof.
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(電極触媒層)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、セパレータによって挟持している。この燃料電池は、所定の数だけ積層して、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。 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 in which an anode electrode and a cathode electrode each comprising a catalyst layer (electrode catalyst layer) and a gas diffusion layer (porous carbon) are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane ( MEA) is sandwiched between separators. A predetermined number of the fuel cells are stacked and used, for example, as an in-vehicle fuel cell stack.
この種の電解質膜・電極構造体では、少なくとも一方のガス拡散層が固体高分子電解質膜よりも小さな表面積に設定される場合がある。その際、比較的高価な固体高分子電解質膜の使用量を削減させるとともに、薄膜状で強度が低い前記固体高分子電解質膜を保護するために、樹脂枠部材を組み込んだ枠付きMEAが採用されている。 In this type of electrolyte membrane / electrode structure, at least one of the gas diffusion layers may be set to have a smaller surface area than the solid polymer electrolyte membrane. At that time, in order to reduce the amount of the relatively expensive solid polymer electrolyte membrane used, and to protect the solid polymer electrolyte membrane having a thin film shape and low strength, an MEA with a frame incorporating a resin frame member is adopted. ing.
例えば、特許文献1に開示されている燃料電池が知られている。この燃料電池は、図19に示すように、一対の触媒層1が形成された電解質膜2と、前記電解質膜2を挟むように互いに対向して配置された一対の電極基材3、4と、前記電解質膜2の側部及び前記電極基材3、4の側部に配置されたシール部6と、前記シール部6及び前記電極基材3、4内に充填され、該シール部6と該電極基材3、4とを接着する樹脂部材7とを備えている。さらに、触媒層1が形成された電解質膜2と電極基材3、4との接合は、前記触媒層1の端部より外側の部位の樹脂部材7での接着のみによりなされている。
For example, a fuel cell disclosed in Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 19, this fuel cell includes an
しかしながら、上記の特許文献1では、燃料電池の製造作業が煩雑化してしまい、前記燃料電池を効率的に製造することができないという問題がある。これにより、燃料電池の生産性を向上させることが困難になる。 However, the above-mentioned Patent Document 1 has a problem that the manufacturing operation of the fuel cell becomes complicated and the fuel cell cannot be manufactured efficiently. This makes it difficult to improve fuel cell productivity.
本発明は、この種の問題を解決するものであり、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を簡単且つ確実に製造することができ、作業性及び生産性の向上を図ることが可能な、しかも電解質膜・電極構造体の端部構造を容易且つ精度よく製造することができる燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・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 can easily and reliably produce an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame, and can improve workability and productivity. An object of the present invention is to provide an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame for a fuel cell, and a method for producing the same, which can easily and accurately manufacture the end structure of the electrolyte membrane / electrode structure.
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電解質膜・電極構造体と、前記固体高分子電解質膜の外周を周回する樹脂枠部材とを備える燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体及びその製造方法に関するものである。 The present invention provides an electrolyte with a resin frame for a fuel cell, comprising an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and a resin frame member that circulates around the outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane. The present invention relates to a membrane / electrode structure and a manufacturing method thereof.
この製造方法は、固体高分子電解質膜の外周を樹脂枠部材の内周に埋設する工程と、各電極を前記樹脂枠部材の前記内周に収容させるとともに、前記固体高分子電解質膜の両面に当接させた状態で、一体化させる工程と、を有している。 In this manufacturing method, the outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane is embedded in the inner periphery of the resin frame member, each electrode is accommodated in the inner periphery of the resin frame member, and the both sides of the solid polymer electrolyte membrane are provided. And a step of integrating them in a contact state.
また、この製造方法では、一体化は、ホットプレス、接着剤又はイオン伝導性樹脂を用いて行うことが好ましい。 In this production method, the integration is preferably performed using a hot press, an adhesive, or an ion conductive resin.
さらに、この製造方法では、少なくとも一方の電極は、固体高分子電解質膜に当接する面に、イオン伝導性を有する中間層を設けることが好ましい。 Furthermore, in this production method, it is preferable that at least one of the electrodes is provided with an intermediate layer having ion conductivity on the surface in contact with the solid polymer electrolyte membrane.
さらにまた、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、固体高分子電解質膜の外周は、樹脂枠部材の内周に埋設されており、電極は、触媒層及びガス拡散層を有するとともに、少なくとも一方の前記電極は、前記固体高分子電解質膜に当接する面に、イオン伝導性成分からなる中間層を設けている。 Furthermore, in the electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame, the outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane is embedded in the inner periphery of the resin frame member, and the electrode has a catalyst layer and a gas diffusion layer, and at least one of them. The electrode is provided with an intermediate layer made of an ion conductive component on the surface in contact with the solid polymer electrolyte membrane.
また、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、一方の前記電極の外形寸法が前記固体高分子電解質膜の外形寸法よりも小さく且つ他方の前記電極の外形寸法が前記固体高分子電解質膜の外形寸法と同一に設定される段差状の電解質膜・電極構造体と、前記固体高分子電解質膜の外周を周回する厚さ方向断面L字状の樹脂枠部材とを備える燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体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 outer dimension of one of the electrodes is smaller than the outer dimension of the solid polymer electrolyte membrane and the outer dimension of the other electrode. A step-shaped electrolyte membrane / electrode structure set to be the same as the outer dimensions of the solid polymer electrolyte membrane, and a resin frame member having an L-shaped cross section around the outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane. The present invention relates to an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame for a fuel cell.
この樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、一方の電極の外周から外方に延在する固体高分子電解質膜の外周面は、樹脂枠部材の内方に突出する薄肉部の内周面に配置されており、少なくともいずれかの前記電極は、前記固体高分子電解質膜に当接する面に、イオン伝導性成分からなる中間層を設けている。 In this electrolyte membrane-attached electrolyte membrane / electrode structure, the outer peripheral surface of the solid polymer electrolyte membrane extending outward from the outer periphery of one of the electrodes is the inner peripheral surface of the thin portion protruding inward of the resin frame member. At least one of the electrodes is provided with an intermediate layer made of an ion conductive component on a surface that contacts the solid polymer electrolyte membrane.
さらに、この樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、中間層は、固体高分子電解質膜と同じイオン伝導性を有する物質を含むことが好ましい。 Further, in the electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame, the intermediate layer preferably contains a substance having the same ionic conductivity as that of the solid polymer electrolyte membrane.
本発明によれば、固体高分子電解質膜の外周が、樹脂枠部材の内周(面)に埋設又は配置されている。このため、固体高分子電解質膜の両面に電極を当接させて一体化することにより、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体が製造される。従って、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を簡単且つ確実に製造することができ、作業性及び生産性の向上を図ることが可能になる。 According to the present invention, the outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane is embedded or arranged in the inner periphery (surface) of the resin frame member. For this reason, an electrode is brought into contact with both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane and integrated, whereby an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame is manufactured. Therefore, the electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame can be easily and reliably manufactured, and workability and productivity can be improved.
図1及び図2に示すように、本発明の第1の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体10は、固体高分子型燃料電池12に組み込まれる。燃料電池12は、矢印A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 FIGS. 1 and 2, an electrolyte membrane /
燃料電池12は、樹脂枠付き電解質膜・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薄板や、カーボン部材等で構成されている。
In the
図2に示すように、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体10は、電解質膜・電極構造体10aを備える。電解質膜・電極構造体10aは、例えば、炭化水素系の固体高分子電解質膜18と、前記固体高分子電解質膜18を挟持するカソード電極20及びアノード電極22とを有する。炭化水素系電解質膜としては、例えば、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンエーテル等、エンジニアリングプラスチック系高分子をスルホン化した材料が使用される。
As shown in FIG. 2, the electrolyte membrane /
カソード電極20及びアノード電極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よりも小さな平面寸法を有する。カソード電極20は、固体高分子電解質膜18の一方の面18aに配置されるとともに、アノード電極22は、前記固体高分子電解質膜18の他方の面18bに配置される。
The
カソード電極20は、第1電極触媒層20aと、前記第1電極触媒層20aに積層される第1ガス拡散層20bとを有する。カソード電極20は、固体高分子電解質膜18の面18aに当接する面に、すなわち、第1電極触媒層20aに、イオン伝導性成分からなる第1中間層23aを設ける。第1中間層23aは、例えば、フッ素系電解質膜で構成される。なお、第1中間層23aは、固体高分子電解質膜18と同様に、炭化水素系電解質膜で構成してもよく、前記固体高分子電解質膜18と同じ成分でもよい。第1中間層23aは、フッ素系イオン伝導性成分又は炭化水素系イオン伝導性成分を主成分として含む層であればよい。
The
アノード電極22は、第2電極触媒層22aと、前記第2電極触媒層22aに積層される第2ガス拡散層22bとを有する。アノード電極22は、固体高分子電解質膜18の面18bに当接する面に、すなわち、第2電極触媒層22aに、イオン伝導性成分からなる第2中間層23bを設ける。第2中間層23bは、例えば、フッ素系電解質膜で構成される。なお、第2中間層23bは、固体高分子電解質膜18と同様に、炭化水素系電解質膜で構成してもよい。
The
第1電極触媒層20a及び第2電極触媒層22aは、例えば、カーボンブラックに白金粒子を担持した触媒粒子(優れた発電性能を有する触媒であれば、白金粒子に限定されない)を形成し、イオン導伝性バインダーとして高分子電解質を使用し、この高分子電解質の溶液中に前記触媒粒子を均一に混合して作製された触媒ペーストを、第1中間層23a及び第2中間層23bに印刷、塗布又は転写することによって構成される。又は、第1電極触媒層20a及び第2電極触媒層22aを、第1ガス拡散層20b及び第2ガス拡散層22bに印刷、塗布又は転写することによって構成してもよい。
The first
第1ガス拡散層20b及び第2ガス拡散層22bは、例えば、カーボンブラック及びPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)粒子を含む下地層をカーボンペーパの触媒層側に塗布して形成される。下地層は、カーボンペーパと同じ表面寸法に設定されている。なお、下地層は、必要に応じて設ければよい。第1ガス拡散層20bの平面寸法は、第2ガス拡散層22bの平面寸法と同一の寸法に設定される。
The first
図1及び図2に示すように、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体10は、樹脂枠部材24を備え、前記樹脂枠部材24の内周24aには、固体高分子電解質膜18の外周18eが埋設されるとともに、アノード電極22及びカソード電極20が接合される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the electrolyte membrane /
樹脂枠部材24は、例えば、PES(ポリエーテルサルフォン)、LCP(リキッドクリスタルポリマー)、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、PFA(テトラフルオロエチレン・ パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)等のスーパーエンプラ、若しくは2種類以上のポリマーアロイや、PP(ポリプロピレン)等の汎用エンプラ、若しくは2種類以上のポリマーアロイ等で構成される。
The
樹脂枠部材24の内周24aとカソード電極20の外周及びアノード電極22の外周とは、例えば、接着層26により接着される。接着層26としては、例えば、液状フッ素エラストマー等の熱硬化性の接着剤が使用される。
The
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
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
第2セパレータ16の樹脂枠付き電解質膜・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
第1セパレータ14の樹脂枠付き電解質膜・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。互いに隣接する第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
図2に示すように、酸化剤ガス流路36及び燃料ガス流路38は、発電面から樹脂枠部材24に対向する部位まで設けられる。排水性を確保するためである。酸化剤ガス流路36の流路溝及び燃料ガス流路38の流路溝は、樹脂枠部材24とカソード電極20との境界部位及び前記樹脂枠部材24とアノード電極22との境界部位に対向して設けられる。
As shown in FIG. 2, the
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。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
図2に示すように、第1シール部材42は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体10を構成する樹脂枠部材24に当接する第1凸状シール42aと、第2セパレータ16の第2シール部材44に当接する第2凸状シール42bとを有する。第1凸状シール42aは、積層方向(矢印A方向)に対して固体高分子電解質膜18の外周部よりも外方に位置して、すなわち、樹脂枠部材24のみが存在する部位に位置して前記樹脂枠部材24に当接する。固体高分子電解質膜18に荷重がかからないようにするためである。
As shown in FIG. 2, the
第2シール部材44は、第2凸状シール42bに当接する面がセパレータ面に沿って平面状を有する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に凸状シール(図示せず)を設けてもよい。
The
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
次いで、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体10を製造する第1の実施形態に係る製造方法について、以下に説明する。
Next, a manufacturing method according to the first embodiment for manufacturing the electrolyte membrane /
先ず、図3Aに示すように、固体高分子電解質膜18の外周18eを埋設して樹脂枠部材24が、例えば、射出成形される。このため、固体高分子電解質膜18と樹脂枠部材24とが一体化される。なお、図3Bに示すように、2枚の樹脂枠構成部24P1、24P2間に固体高分子電解質膜18を挟んで溶着し、前記固体高分子電解質膜18と樹脂枠部材24とを一体化してもよい。また、図3Cに示すように、2枚の樹脂枠構成部24P3、24P4間に固体高分子電解質膜18を挟んで溶着し、前記固体高分子電解質膜18と樹脂枠部材24とを一体化してもよい。樹脂枠構成部24P2、24P3及び24P4には、固体高分子電解質膜18を配置するための凹部を設けることが好ましい。
First, as shown in FIG. 3A, the
次に、図4に示すように、カソード電極20の第1電極触媒層20a及びアノード電極22の第2電極触媒層22aが製造される。具体的には、触媒と溶媒との混合物にバインダー溶液を投入し、所定のインク粘度まで混合した電極インクを、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、前記電極シートを第1中間層23a及び第2中間層23bに重ねてホットプレスを行う。その後、PETシートを剥がすことにより、第1中間層23a及び第2中間層23b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。
Next, as shown in FIG. 4, the first
さらに、第1ガス拡散層20b及び第2ガス拡散層22bの製造工程では、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、カーボンペーパに塗布して乾燥されることにより、前記カーボンペーパと下地層とからなる第1ガス拡散層20b及び第2ガス拡散層22bが作製される(図5参照)。なお、他の例として、第1ガス拡散層20b及び第2ガス拡散層22bに第1電極触媒層20a及び第2電極触媒層22aが設けられた後、第1中間層23a及び第2中間層23bと一体化してもよい。
Furthermore, in the manufacturing process of the first
そこで、第1電極触媒層20aと第1ガス拡散層20bとが一体に積層されて、接着剤又は熱圧着により接着されることにより、カソード電極20が作製される(図6参照)。その際、第1中間層23a、第1電極触媒層20a及び第1ガス拡散層20bは、同一の平面寸法に設定されるため、それぞれを予め大きな平面寸法に作製し、接着後にトムソン刃等により所望の大きさに打ち抜いてもよい。なお、第1中間層23a、第1電極触媒層20a及び第1ガス拡散層20bは、ロール状に作製しておいてもよい。このため、カソード電極20は、簡単且つ高精度に製造可能になる。以下に説明するアノード電極22でも、同様である。
Therefore, the first
アノード電極22では、第2電極触媒層22aと第2ガス拡散層22bとが一体に積層されて、接着剤又は熱圧着により接着されることにより、前記アノード電極22が作製される。
In the
その後、図7に示すように、カソード電極20は、樹脂枠部材24の内周24aに収容されるとともに、固体高分子電解質膜18の面18aに第1中間層23aを当接させて配置される。アノード電極22は、樹脂枠部材24の内周24aに収容されるとともに、固体高分子電解質膜18の面18bに第2中間層23bを当接させて配置される。第1中間層23a、固体高分子電解質膜18及び第2中間層23bは、イオン伝導性樹脂や接着剤により接着される。このため、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体10が製造される。
Thereafter, as shown in FIG. 7, the
なお、接着方式は、上記のイオン伝導性樹脂や接着剤の他、例えば、熱圧着(ホットプレス)を採用してもよい。また、樹脂枠部材24の内周24aには、接着剤を塗布することにより、前記内周24aとカソード電極20の外周及びアノード電極22の外周とを接着することができる。さらに、樹脂枠部材24を僅かに溶融し、内周24aとカソード電極20の外周及びアノード電極22の外周とを溶着により接着してもよい。
Note that the bonding method may employ, for example, thermocompression bonding (hot pressing) in addition to the above-described ion conductive resin and adhesive. Further, the
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体10は、図2に示すように、第1セパレータ14及び第2セパレータ16により挟持される。第1セパレータ14は、樹脂枠部材24に当接し、第2セパレータ16とともに樹脂枠付き電解質膜・電極構造体10に荷重を付与する。さらに、燃料電池12は、所定数だけ積層されて燃料電池スタックが構成されるとともに、図示しないエンドプレート間に締め付け荷重が付与される。
As shown in FIG. 2, the resin membrane-attached electrolyte membrane /
このように構成される燃料電池12の動作について、以下に説明する。
The operation of the
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
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10aのカソード電極20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10aのアノード電極22に供給される。
For this reason, the oxidant gas is introduced into the oxidant
従って、各電解質膜・電極構造体10aでは、カソード電極20に供給される酸化剤ガスと、アノード電極22に供給される燃料ガスとが、電極触媒層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 /
次いで、カソード電極20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22に供給されて消費された燃料ガスは、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
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10a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
この場合、第1の実施形態では、図7に示すように、固体高分子電解質膜18の外周18eが、樹脂枠部材24の内周24aに埋設されて一体化されている。一方、カソード電極20及びアノード電極22は、それぞれ一体化されている。すなわち、予め3個のユニットが構成されている。
In this case, in the first embodiment, as shown in FIG. 7, the
このため、固体高分子電解質膜18の両面18a、18bに、カソード電極20及びアノード電極22を当接させて一体化するだけで、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体10が製造される。従って、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体10を簡単且つ確実に製造することができ、作業性及び生産性の向上を図ることが可能になるという効果が得られる。さらに、アノード電極22の外周部及びカソード電極20の外周部の位置がずれたり、ばらついたりすることを抑制することができる。
Therefore, the resin membrane-attached electrolyte membrane /
しかも、第1の実施形態では、固体高分子電解質膜18は、炭化水素系電解質膜で構成されており、高い耐熱性及び機械的強度が得られるため、特に、製造工程中に熱による膜損傷を可級的に抑制することができる。一方、第1中間層23a及び第2中間層23bは、イオン伝導性の高いフッ素系電解質膜で構成されている。これにより、第1中間層23a及び第2中間層23bは、固体高分子電解質膜18と確実に接着されるとともに、高性能なカソード電極20及びアノード電極22を製造することが可能になる。
Moreover, in the first embodiment, the solid
なお、カソード電極20側の第1中間層23aとアノード電極22側の第2中間層23bとは、異なる材質に設定してもよい。例えば、第1中間層23aは、炭化水素系電解質膜で構成する一方、第2中間層23bは、フッ素系電解質膜で構成してもよい。このため、電解質膜・電極構造体10aを自在に設計することができ、含水量及び活性物質や過酸化物質等に対する耐性を最適に設定することが可能になる。
The first
図8は、本発明の第2の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体60を組み込む固体高分子型燃料電池62の要部断面説明図である。なお、第1の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・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。また、以下に説明する第3以降の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
FIG. 8 is a cross-sectional explanatory view of a main part of a polymer
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体60は、電解質膜・電極構造体60aを備える。電解質膜・電極構造体60aを構成するカソード電極20は、第1電極触媒層20a、第1ガス拡散層20b及び固体高分子電解質膜18の面18aに当接する中間層64を備える。中間層64は、イオン伝導性成分からなり、例えば、フッ素系電解質膜又は炭化水素系電解質膜で構成される。
The electrolyte membrane /
電解質膜・電極構造体60aを構成するアノード電極22は、第2電極触媒層22a及び第2ガス拡散層22bを有し、中間層が設けられていない。なお、アノード電極22に、中間層を設ける一方、カソード電極20の中間層64を不要にすることもできる。
The
次いで、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体60を製造する第2の実施形態に係る製造方法について、以下に説明する。
Next, a manufacturing method according to the second embodiment for manufacturing the electrolyte membrane /
図9に示すように、固体高分子電解質膜18と樹脂枠部材24とが一体化される。一方、カソード電極20では、第1の実施形態と同様に、中間層64に第1電極触媒層20aが塗布又は転写により形成された後、前記第1電極触媒層20aに第1ガス拡散層20bが接着剤又は熱圧着により接着される。また、アノード電極22では、第2ガス拡散層22bに第2電極触媒層22aが塗布又は転写されて、前記アノード電極22が製造される。
As shown in FIG. 9, the solid
アノード電極22及びカソード電極20は、それぞれトムソン刃等により打ち抜き加工されることにより、所望の寸法に形成することができる。
The
そして、カソード電極20は、固体高分子電解質膜18の面18aに中間層64を当接させて配置されるとともに、アノード電極22は、第2電極触媒層22aを前記固体高分子電解質膜18の面18bに当接して配置される。
The
中間層64、固体高分子電解質膜18及び第2電極触媒層22aは、イオン伝導性樹脂、接着剤又は熱圧着等により一体的に接着され、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体60が製造される。このように、第2の実施形態では、上記の第1及の実施形態と同様の効果が得られる。
The
図10に示すように、本発明の第3の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体70は、固体高分子型燃料電池72に組み込まれる。
As shown in FIG. 10, an electrolyte membrane /
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体70は、電解質膜・電極構造体70aを備える。電解質膜・電極構造体70aは、固体高分子電解質膜18を挟持するカソード電極20及びアノード電極22を有するとともに、前記カソード電極20は、前記アノード電極22よりも小さな平面寸法に設定され、所謂、段差MEAを構成する。
The electrolyte membrane /
カソード電極20は、第1中間層74a、第1電極触媒層20a、第1ガス拡散層20bを備え、これらが同一の平面寸法に設定される。アノード電極22は、第2中間層74b、第2電極触媒層22a、第2ガス拡散層22bを備え、これらが同一の平面寸法に設定される。
The
第1中間層74a及び第2中間層74bは、例えば、フッ素系電解質膜で構成される。なお、第1中間層74aと第2中間層74bとは、異なる材料で構成してもよく、例えば、前記第1中間層74aは、炭化水素系電解質膜で構成する一方、前記第2中間層74bは、フッ素系電解質膜で構成してもよい。
The first
固体高分子電解質膜18の外周18eが、樹脂枠部材76に埋設される。樹脂枠部材76は、段差部を介して第1内周76aと第2内周76bとを有し、前記第1内周76aは、前記第2内周76bよりも内方に突出する。
An
第1内周76aには、カソード電極20の外周が、例えば、接着剤等により接合されるとともに、第2内周76bには、アノード電極22の外周が、例えば、接着剤等により接合される。
The outer circumference of the
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体70は、図11に示すように、固体高分子電解質膜18の外周18eが樹脂枠部材76に埋設されて一体化される。カソード電極20及びアノード電極22では、第1の実施形態と同様に、予め一体化されている。そして、カソード電極20は、第1中間層74aを固体高分子電解質膜18の面18aに当接させる一方、アノード電極22は、第2中間層74bを前記固体高分子電解質膜18の面18bに当接させる。
As shown in FIG. 11, the resin membrane-attached electrolyte membrane /
これら3部品は、導電性樹脂、接着剤又は熱圧着等により接着され、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体70が製造される。
These three parts are bonded by a conductive resin, an adhesive, thermocompression bonding, or the like, and an electrolyte membrane /
このように、第3の実施形態では、カソード電極20がアノード電極22よりも小さな平面寸法に設定される段差MEAにも、容易且つ確実に適用することができる他、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。なお、アノード電極22は、カソード電極20よりも小さな平面寸法に設定することができ、これにより、第3の実施形態と同様の効果が得られる。
As described above, the third embodiment can be applied easily and reliably to the step MEA in which the
図12に示すように、本発明の第4の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体80は、固体高分子型燃料電池82に組み込まれる。
As shown in FIG. 12, an electrolyte membrane /
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体80は、電解質膜・電極構造体80aを備える。電解質膜・電極構造体80aは、例えば、フッ素系固体高分子電解質膜84と、前記固体高分子電解質膜84を挟持するカソード電極20及びアノード電極22とを有する。カソード電極20及びアノード電極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84よりも小さな平面寸法を有する。
The electrolyte membrane /
カソード電極20は、第1中間層86a、第1電極触媒層20a及び第1ガス拡散層20bを有する。アノード電極22は、第2中間層86b、第2電極触媒層22a及び第2ガス拡散層22bを有する。第1中間層86a及び第2中間層86bは、例えば、炭化水素系電解質膜で構成される。
The
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体80は、図13に示すように、先ず、固体高分子電解質膜84の外周84eを埋設して樹脂枠部材24が一体化される。
As shown in FIG. 13, first, the
次いで、カソード電極20では、第1中間層86aに第1電極触媒層20aが塗布された後、第1ガス拡散層20bと接着剤又は熱圧着により接着される。一方、アノード電極22は、同様に、第2中間層86bに第2電極触媒層22aが塗布された後、第2ガス拡散層22bと接着される。
Next, in the
そして、固体高分子電解質膜84の面84aに、第1中間層86aが配置されるとともに、前記固体高分子電解質膜84の面84bに、第2中間層86bが配置され、これらが一体化される。
The first
このように、第4の実施形態では、固体高分子電解質膜84は、イオン伝導性の高いフッ素系電解質膜で構成されるとともに、第1中間層86a及び第2中間層86bは、耐熱性及び機械的強度の高い炭化水素系電解質膜で構成されている。従って、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体80は、高い耐久性能を確保することができるという効果が得られる。
Thus, in the fourth embodiment, the solid
図14に示すように、本発明の第5の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体90は、固体高分子型燃料電池92に組み込まれる。
As shown in FIG. 14, an electrolyte membrane /
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体90は、電解質膜・電極構造体90aを備える。電解質膜・電極構造体90aを構成するカソード電極20は、フッ素系固体高分子電解質膜84の面84aに接合される中間層94を備え、前記中間層94に第1電極触媒層20a及び第1ガス拡散層20bが積層される。中間層94は、例えば、炭化水素系電解質膜により構成される。アノード電極22は、中間層を用いることがなく、第2電極触媒層22aと第2ガス拡散層22bとを備える。
The electrolyte membrane /
このような構成において、図15に示すように、固体高分子電解質膜84と樹脂枠部材24とが、一体化される。
In such a configuration, as shown in FIG. 15, the solid
カソード電極20では、第4の実施形態と同様に、中間層94、第1電極触媒層20a及び第1ガス拡散層20bが一体化されるとともに、アノード電極22では、第2ガス拡散層22bに第2電極触媒層22aが塗布されて一体化される。
In the
固体高分子電解質膜84の面84a、84bに、カソード電極20、アノード電極22が接触し、これらが接着剤、イオン伝導性樹脂又はホットプレス等により一体化される。これにより、第5の実施形態では、上記の第1〜第4の実施形態と同様の効果が得られる。
The
図16に示すように、本発明の第6の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体100は、固体高分子型燃料電池102に組み込まれる。
As shown in FIG. 16, an electrolyte membrane /
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体100は、電解質膜・電極構造体100aを備える。電解質膜・電極構造体100aでは、カソード電極20がアノード電極22よりも小さな平面寸法に設定される、所謂、段差MEAを構成する。
The electrolyte membrane /
カソード電極20は、フッ素系固体高分子電解質膜84の面84aに接合される第1中間層104aを有する一方、アノード電極22は、前記固体高分子電解質膜84の面84bに接合される第2中間層104bを有する。
The
第1中間層104a及び第2中間層104bは、例えば、炭化水素系電解質膜で構成される。固体高分子電解質膜84の外周84eは、樹脂枠部材106に埋設される。
The first
樹脂枠部材106は、外周が段差形状を有し、カソード電極20の外周に接合される第1内周106aと、アノード電極22の外周が接合される第2内周106bとを有する。
The
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体100は、図17に示すように、固体高分子電解質膜84の外周84eが樹脂枠部材106に埋設されて一体化される。カソード電極20では、第1中間層104a、第1電極触媒層20a及び第1ガス拡散層20bが一体化されるとともに、アノード電極22では、第2中間層104b、第2電極触媒層22a及び第2ガス拡散層22bが一体化される。その後、面84aに第1中間層104aが配置されるとともに、面84bに第2中間層104bが配置され、これらが一体化される。
As shown in FIG. 17, the resin membrane-attached electrolyte membrane /
このように、第6の実施形態では、上記の第1〜第5の実施形態と同様の効果が得られる。なお、第6の実施形態では、カソード電極20は、アノード電極22よりも小さな平面寸法に設定されているが、これとは逆に、前記カソード電極20は、前記アノード電極22よりも大きな平面寸法に設定されてもよい。
Thus, in the sixth embodiment, the same effect as in the first to fifth embodiments can be obtained. In the sixth embodiment, the
図18に示すように、本発明の第7の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体110は、固体高分子型燃料電池111に組み込まれる。なお、第6の実施形態に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体100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 FIG. 18, an electrolyte membrane /
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体110は、所謂、段差MEAである電解質膜・電極構造体110aを備える。電解質膜・電極構造体110aは、固体高分子電解質膜112を備え、前記固体高分子電解質膜112の面112aには、該固体高分子電解質膜112の外形寸法よりも小さな外形寸法に設定されるカソード電極20が設けられる。固体高分子電解質膜112の面112bには、前記固体高分子電解質膜112の外形寸法と同一の外形寸法に設定されるアノード電極22が設けられる。
The electrolyte membrane /
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体110は、樹脂枠部材114を備えるとともに、前記樹脂枠部材114は、厚さ方向(矢印A方向)断面L字状を有する。樹脂枠部材114は、内方に突出する薄肉部116を設け、前記薄肉部116の内周面116aには、固体高分子電解質膜112の面112aの外周縁部が配置される。
The electrolyte membrane /
固体高分子電解質膜112のみが、樹脂枠部材114に一体に接合された後、前記固体高分子電解質膜112の両側にカソード電極20とアノード電極22とが一体化される。樹脂枠部材114では、薄肉部116の先端である第1内周114aにカソード電極20の外周に接合されるとともに、前記第1内周114aよりも外方に位置する第2内周114bにアノード電極22の外周が接合される。
After only the solid
このように構成される第7の実施形態では、上記の第1〜第6の実施形態と同様の効果が得られる。なお、カソード電極20側に第1中間層104aを設けることなく、アノード電極22側にのみ第2中間層104bを設けてもよい。また、カソード電極20側にのみ第1中間層104aを設ける一方、アノード電極22側に第2中間層104bを設けなくてもよい。さらに、樹脂枠部材114に対してカソード電極20とアノード電極22とは逆に設置してもよい。上記の第1〜第6の実施形態でも、同様である。
In the seventh embodiment configured as described above, the same effects as those of the first to sixth embodiments can be obtained. Note that the second
10、60、70、80、90、100、110…樹脂枠付き電解質膜・電極構造体
10a、60a、70a、80a、90a、100a…電解質膜・電極構造体
12、62、72、82、92、102、111…燃料電池
14、16…セパレータ 18、84、112…固体高分子電解質膜
18a、18b、84a、84b…面 18e、84e…外周
20…カソード電極 20a、22a…電極触媒層
20b、22b…ガス拡散層 22…アノード電極
23a、23b、64、74a、74b、86a、86b、94、104a、104b…中間層
24、76、106、114…樹脂枠部材
24a、76a、76b、106a、106b、114a、114b…内周
26…接着層 30a…酸化剤ガス入口連通孔
30b…酸化剤ガス出口連通孔 32a…冷却媒体入口連通孔
32b…冷却媒体出口連通孔 34a…燃料ガス入口連通孔
34b…燃料ガス出口連通孔 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 116…薄肉部
10, 60, 70, 80, 90, 100, 110 ... Electrolyte membrane / electrode structure with
Claims (6)
前記固体高分子電解質膜の前記外周を前記樹脂枠部材の内周に埋設する工程と、
各電極を前記樹脂枠部材の前記内周に収容させるとともに、前記固体高分子電解質膜の両面に当接させた状態で、一体化させる工程と、
を有することを特徴とする燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法。 An electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame for a fuel cell, comprising: an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are disposed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane; and a resin frame member that goes around the outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane A method for manufacturing a body,
Embedding the outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane in the inner periphery of the resin frame member;
A step of accommodating each electrode in the inner periphery of the resin frame member and integrating the electrodes in contact with both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane; and
A method for producing an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame for a fuel cell, comprising:
前記固体高分子電解質膜の外周は、前記樹脂枠部材の内周に埋設されており、
前記電極は、触媒層及びガス拡散層を有するとともに、
少なくとも一方の前記電極は、前記固体高分子電解質膜に当接する面に、イオン伝導性成分からなる中間層を設けることを特徴とする燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体。 An electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame for a fuel cell, comprising: an electrolyte membrane / electrode structure in which electrodes are disposed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane; and a resin frame member that goes around the outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane Body,
The outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane is embedded in the inner periphery of the resin frame member,
The electrode has a catalyst layer and a gas diffusion layer,
An electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame for a fuel cell, characterized in that at least one of the electrodes is provided with an intermediate layer made of an ion conductive component on a surface in contact with the solid polymer electrolyte membrane.
一方の前記電極の外周から外方に延在する前記固体高分子電解質膜の外周面は、前記樹脂枠部材の内方に突出する薄肉部の内周面に配置されており、
少なくともいずれかの前記電極は、前記固体高分子電解質膜に当接する面に、イオン伝導性成分からなる中間層を設けることを特徴とする燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体。 Electrodes are disposed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane, the outer dimension of one of the electrodes is smaller than the outer dimension of the solid polymer electrolyte membrane, and the outer dimension of the other electrode is the solid polymer electrolyte. A fuel cell resin comprising: a step-like electrolyte membrane / electrode structure set to have the same outer dimension as the membrane; and a resin frame member having a L-shaped cross section around the outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane An electrolyte membrane / electrode structure with a frame,
The outer peripheral surface of the solid polymer electrolyte membrane extending outward from the outer periphery of one of the electrodes is disposed on the inner peripheral surface of the thin portion protruding inward of the resin frame member,
At least one of the electrodes is provided with an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame for a fuel cell, wherein an intermediate layer made of an ion conductive component is provided on a surface in contact with the solid polymer electrolyte membrane.
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