JP2017157358A - Method for fuel battery cell production - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池のセルの製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a fuel cell.
特許文献1には、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)の外周にシール部材としての樹脂フレームが配置されたフレーム付きのMEAを用いた燃料電池のセルが開示されている。樹脂フレームはMEAの周縁端部に接着剤にて接着されてMEAと一体化されている。
特許文献1の燃料電池のセルでは、MEAの外周部にシール部材を設けるために、MEAの周縁端部に接着剤で樹脂フレームを貼り合わせる工程を要している。また、樹脂フレーム及び接着剤は高価な部材である。このため、製造の容易化、低コスト化、省資源化等が望まれていた。
In the fuel cell of
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms.
(1)本発明の一形態によれば、燃料電池のセルの製造方法が提供される。この燃料電池のセルの製造方法は、多孔性を有する樹脂製の補強基材の中央部に電解質膜前駆体を配置する工程と;熱プレスにより、前記補強基材の中央部に電解質前駆体を含浸させるとともに、前記補強基材の中央部の外側の外周部の空孔を閉塞させることにより、前記補強基材の外周部を樹脂フレームに変質させる工程と;前記補強基材の中央部に含浸された前記電解質前駆体を電解質に変換することによって、前記樹脂フレームを有する補強された電解質膜を作製する工程と;前記電解質膜の両面に触媒層と拡散層とセパレータとを積層して燃料電池のセルを組み立てる工程と;を備える。
この形態の燃料電池のセルの製造方法によれば、補強基材の中央部の外側の外周部の空孔を、熱プレスによって閉塞させることにより、補強された電解質膜の外周部に樹脂製フレームが一体に形成されたフレーム付きの電解質膜を作製し、これを用いて燃料電池のセルを組み立てることにより、従来技術のような高価な樹脂フレームを高価な接着剤を用いて膜電極接合体に貼り合わせる工程を省略することができるので、製造の容易化、低コスト化、省資源化を図ることができる。
(1) According to one form of this invention, the manufacturing method of the cell of a fuel cell is provided. The fuel cell manufacturing method includes a step of disposing an electrolyte membrane precursor in a central portion of a porous resin-made reinforcing base; and an electrolyte precursor in the central portion of the reinforcing base by hot pressing. And impregnating the outer peripheral portion of the reinforcing base material into a resin frame by closing the outer peripheral portion of the outer periphery of the central portion of the reinforcing base material, and impregnating the central portion of the reinforcing base material. Forming a reinforced electrolyte membrane having the resin frame by converting the electrolyte precursor into an electrolyte; and laminating a catalyst layer, a diffusion layer, and a separator on both sides of the electrolyte membrane; Assembling the cells.
According to the fuel cell manufacturing method of this embodiment, a resin frame is formed on the outer peripheral portion of the reinforced electrolyte membrane by closing the outer peripheral outer peripheral hole of the reinforcing base by hot pressing. An electrolyte membrane with a frame that is integrally formed is fabricated, and a fuel cell is assembled using the membrane, so that an expensive resin frame as in the prior art is made into a membrane electrode assembly using an expensive adhesive. Since the bonding step can be omitted, manufacturing can be facilitated, costs can be reduced, and resources can be saved.
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池のセル、フレーム付きの膜電極接合体、フレーム付きの電解質膜、及びこれらの製造方法等の形態で実現することができる。 The present invention can be realized in various modes, for example, in the form of a fuel cell, a membrane electrode assembly with a frame, an electrolyte membrane with a frame, and a manufacturing method thereof. be able to.
図1は、本発明の一実施形態としての燃料電池のセルの構成を示す説明図である。図1では、燃料電池のセル(以下、「単セル」とも呼ぶ)200の断面構成の周縁端部を図示している。単セル200は、樹脂フレーム104が一体形成されたフレーム付きのMEA150と、フレーム付きのMEA150を挟持する一対のセパレータ160,170と、を備えている。単セル200は、樹脂フレーム104にセパレータ160,170が圧着されて一体化されることによってシール性が確保されている。なお、燃料電池は、通常、単セル200を複数積層したスタック構造とされる。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of a cell of a fuel cell as one embodiment of the present invention. FIG. 1 illustrates a peripheral edge portion of a cross-sectional configuration of a fuel cell (hereinafter also referred to as a “single cell”) 200. The
MEA150は、補強された電解質膜100のアノード側の面にアノード側触媒層110及びアノード側拡散層130が順に積層され、カソード側の面にカソード側触媒層120及びカソード側拡散層140が順に積層されている。
In the
電解質膜100は、補強層102と、補強層102の両面に設けられた電解質層106,108とを有する補強された電解質膜である。電解質層106,108を形成する材料としては、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を発揮する高分子電解質、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系の高分子電解質が用いられる。補強層102は、多孔性を有する樹脂製の補強基材の空孔に電解質が充填された構造を有している。補強層102を形成するための補強基材としては、多孔性を有する樹脂(例えば、PTFE)で構成された基材を用いることができる。また、空孔に充填された電解質は、電解質層106,108と同じである。
The
樹脂フレーム104は、補強層102の外周部で補強層102と一体に形成されている。樹脂フレーム104は、後述するように、補強層102を形成するための多孔性を有する樹脂製の補強基材のうち、補強層102に対応する中央部よりも外側の外周部の空孔を閉塞することにより、補強層102と一体に形成されている。
The
アノード側触媒層110及びカソード側触媒層120は、いずれも白金や白金合金等の触媒を担持した触媒担持カーボンを含んでいる。
Each of the anode
アノード側拡散層130は、拡散基材層132とマイクロポーラス層134とを備えており、マイクロポーラス層134がアノード側触媒層110に接するように配置されている。カソード側拡散層140も、拡散基材層142とマイクロポーラス層144とを備えており、マイクロポーラス層144がカソード側触媒層120に接するように配置されている。拡散基材層132,142は、例えば、カーボン多孔質体(例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス等)によって構成される。マイクロポーラス層134,144は、PTFE等の撥水性樹脂及び炭素粒子等の導電性材料を主成分とするコーティング薄膜によって構成される。なお、マイクロポーラス層は省略可能である。
The anode
図2は、実施形態の燃料電池のセルの製造の手順を示す説明図である。なお、図2は、電解質膜100と触媒層110,120と拡散層130,140の積層方向の断面を表している。実施形態の単セル200は、以下の工程1〜工程5によって作製される。
FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating a procedure for manufacturing a cell of the fuel cell according to the embodiment. FIG. 2 shows a cross section in the stacking direction of the
工程1において、延伸によって多孔性となる樹脂材料(例えば、PTFE材)を延伸して、補強層102及び樹脂フレーム104を形成するための多孔性の補強基材BPを作製する。そして、工程2において、補強基材BPの両面の中央部に電解質膜前駆体を配置して、補強基材BPの全体を熱プレスすることにより、電解質前駆体を補強基材BPの空孔に溶融含浸させるとともに、補強基材BPの中央部の外側の外周部の空孔を閉塞させて、補強基材BPの外周部を樹脂フレーム104に変質させる。なお、熱プレスの温度は、電解質膜前駆体を配置した補強基材BPの中央部を熱プレスする中央熱プレス部材310については、電解質前駆体のガラス転移温度以上で補強基材BPのガラス転移温度よりも低い温度、例えば、200℃に設定される。一方、電解質膜前駆体を配置した中央部よりも外側の外周部を熱プレスする外周熱プレス部材320ついては、補強基材BPの空孔を閉塞可能な温度、例えば、380℃に設定される。なお、中央熱プレス部材310と外周熱プレス部材320の間には、中央部の温度と外周部の温度とを異なった温度に設定可能とするための非加熱部材330を設けることが好ましい。工程3では、加水分解処理及び酸処理することにより電解質前駆体を電解質に変換させる。この変換は、例えば、電解質前駆体のSO2F基をSO3H基に変換させる処理である。以上により、補強層102のアノード側及びカソード側の両面に電解質層106,108を有する補強された電解質膜100を形成するとともに、電解質膜100の外周部に補強層102と一体に形成された樹脂フレーム104を有するフレーム付きの電解質膜100を作製する。
In
次に、工程4において、電解質膜100のアノード側の面にアノード側触媒層110を塗工し、アノード側触媒層110の上にアノード側拡散層130を圧着するとともに、電解質膜100のカソード側の面にカソード側触媒層120を塗工し、カソード側触媒層120の上にカソード側拡散層140を圧着する。これにより、電解質膜100の両面に触媒層110,120及び拡散層130,140が積層されたMEA150を作製する。
Next, in step 4, the anode
そして、工程5において、フレーム付きのMEA150を一対のアノード側セパレータ160及びカソード側セパレータ170で挟持し、熱プレスによって、フレーム付きのMEA150と一対のアノード側セパレータ160及びカソード側セパレータ170を一体化することにより、単セル200を組み立てる。
In step 5, the MEA 150 with the frame is sandwiched between the pair of anode-
図3は、比較例の燃料電池のセルの製造の手順を示す説明図である。なお、図3は図2と同様に、電解質膜100Rと触媒層110,120と拡散層130,140の積層方向の断面を表している。比較例の単セル200Rは、以下の工程1〜工程6によって作製される。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a procedure for manufacturing a cell of a fuel cell of a comparative example. 3 shows a cross section in the stacking direction of the
実施形態の工程1〜工程4(図2)と同様に、比較例の工程1では補強基材BPを作製し、比較例の工程2及び工程3では補強された電解質膜100Rを作製し、比較例の工程4ではMEA150Rを作製する。但し、比較例の工程2及び工程3において作製される電解質膜100Rは、実施形態の工程2及び工程3において作製される電解質膜100と異なり、補強基材BPの全体が補強層102とされている。また、比較例の工程4において作製されるMEA150Rは、実施形態の工程4において作製されるMEA150と異なり、アノード側触媒層110及びアノード側拡散層130が、平面視において、電解質膜100Rと同様の大きさの矩形状に形成されており、カソード側触媒層120及びカソード側拡散層140が電解質膜100Rよりも一回り小さい大きさの矩形状に形成されている。すなわち、断面視において、MEA150Rの周縁端部の形状は、カソード側触媒層120及びカソード側拡散層140に対して電解質膜100Rが外側に突出した段状となり、電解質膜100Rが露出した形状となる。
Similar to
次に、比較例の工程5では、樹脂フレーム152の内周縁部をMEA150Rのカソード側の電解質膜100Rの外周縁部に接着層154を介して接着することにより、フレーム付きのMEA150Rを作製する。なお、樹脂フレーム152は、MEA150Rの外周縁部に係合するような内周縁部を有する枠形状となっている。
Next, in Step 5 of the comparative example, the inner peripheral edge of the
そして、比較例の工程6では、実施形態の工程5(図2)と同様に、フレーム付きのMEA150Rを一対のアノード側セパレータ160R及びカソード側セパレータ170Rで挟持し、熱プレスによって、フレーム付きのMEA150Rと一対のアノード側セパレータ160R及びカソード側セパレータ170Rを一体化することにより、単セル200Rを組み立てる。
Then, in Step 6 of the comparative example, like the step 5 (FIG. 2) of the embodiment, the
以上説明したように、実施形態の単セル200の製造の手順(図2)においては、補強された電解質膜100を作製する場合において、補強層102に用いられる補強基材BPの中央部に電解質前駆体を溶融含浸させるとともに、補強基材BPの中央部よりも外側の外周部の空孔を熱プレスにより閉塞させている。これにより、シール部材となる樹脂フレーム104を補強層102と一体に形成している。従って、実施形態の単セル200の製造の手順においては、比較例の単セル200Rの製造の手順(図3)における工程5、すなわち、MEA150Rにシール部材となる樹脂フレーム152を貼り合せてフレーム付きのMEA150Rを作成する工程を省略することができ、製造の容易化を図ることができる。
As described above, in the manufacturing procedure of the
また、樹脂フレーム152用の樹脂フレーム部材及び接着層154用の接着剤が不要となるため、低コスト化、省資源化を図ることができる。また、補強層102に用いられる補強基材BPには、PP,PET等の樹脂材料に比べて化学耐久性の高いPTFEが利用されているので、化学耐久性の向上を図ることができる。また、比較例の場合、別部材の樹脂フレーム152を、接着層154を介して電解質膜100Rに貼り合せているが、電解質膜は水で膨潤するため、接着力が低下して、耐久性が低下する可能性がある。これに対して、実施形態の場合、樹脂フレーム104は補強層102と同一の補強基材BPで一体に形成されているので、比較例のような問題は発生しない。
In addition, since the resin frame member for the
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, examples, and modifications, and can be realized with various configurations without departing from the spirit thereof. For example, the technical features in the embodiments, examples, and modifications corresponding to the technical features in each embodiment described in the summary section of the invention are to solve some or all of the above-described problems, or In order to achieve part or all of the above-described effects, replacement or combination can be performed as appropriate. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.
100…電解質膜
100R…電解質膜
102…補強層
104…樹脂フレーム
106,108…電解質層
110…アノード側触媒層
120…カソード側触媒層
130…アノード側拡散層
132…拡散基材層
134…マイクロポーラス層
140…カソード側拡散層
142…拡散基材層
144…マイクロポーラス層
150…膜電極接合体(MEA)
150R…膜電極接合体(MEA)
152…樹脂フレーム
154…接着層
160…アノード側セパレータ
160R…アノード側セパレータ
170…カソード側セパレータ
170R…カソード側セパレータ
200…単セル
200R…単セル
310…中央熱プレス部材
320…外周熱プレス部材
330…非加熱部材
BP…補強基材
DESCRIPTION OF
150R ... Membrane electrode assembly (MEA)
DESCRIPTION OF
Claims (1)
多孔性を有する樹脂製の補強基材の中央部に電解質膜前駆体を配置する工程と、
熱プレスにより、前記補強基材の中央部に電解質前駆体を含浸させるとともに、前記補強基材の中央部の外側の外周部の空孔を閉塞させることにより、前記補強基材の外周部を樹脂フレームに変質させる工程と、
前記補強基材の中央部に含浸された前記電解質前駆体を電解質に変換することによって、前記樹脂フレームを有する補強された電解質膜を作製する工程と、
前記電解質膜の両面に触媒層と拡散層とセパレータとを積層して燃料電池のセルを組み立てる工程と、
を備える、燃料電池のセルの製造方法。 A method of manufacturing a fuel cell, comprising:
A step of disposing an electrolyte membrane precursor at the center of a porous resin reinforcing substrate;
The outer peripheral part of the reinforcing base material is resin-impregnated by impregnating the electrolyte precursor in the central part of the reinforcing base material and closing the outer peripheral outer peripheral hole of the central part of the reinforcing base material by hot pressing. A process of transforming into a frame;
Producing a reinforced electrolyte membrane having the resin frame by converting the electrolyte precursor impregnated in a central portion of the reinforcing substrate into an electrolyte;
Assembling a fuel cell by laminating a catalyst layer, a diffusion layer and a separator on both surfaces of the electrolyte membrane;
A method for producing a fuel cell.
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