JP2019087486A - Manufacturing method for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a fuel cell.
燃料電池の製造工程において、膜電極接合体を紫外線硬化性の接着剤によりフレームに接着する技術が知られている(例えば特許文献1参照)。 There is known a technique for bonding a membrane electrode assembly to a frame with a UV-curable adhesive in a fuel cell manufacturing process (see, for example, Patent Document 1).
膜電極接合体は、紫外線硬化性の接着剤に紫外線が照射されることによりフレームに接着される。このとき、膜電極接合体の触媒(電極触媒層)にも紫外線が照射されるため、触媒は紫外線の照射により熱を発生し、その熱によって接着剤中のモノマー成分が揮発する。揮発したモノマー成分が拡散して膜電極接合体の触媒に付着すると、触媒が被毒し、例えばセル電圧の低下などの発電性能の劣化が生ずるおそれがある。 The membrane electrode assembly is adhered to the frame by irradiating the ultraviolet curable adhesive with ultraviolet light. At this time, since the ultraviolet light is also irradiated to the catalyst (electrode catalyst layer) of the membrane electrode assembly, the catalyst generates heat by the irradiation of the ultraviolet light, and the monomer component in the adhesive is volatilized by the heat. When the volatilized monomer component diffuses and adheres to the catalyst of the membrane electrode assembly, the catalyst may be poisoned, and the power generation performance may be deteriorated, for example, the cell voltage may be lowered.
そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、触媒の被毒を抑制する燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。 Then, this invention is made in view of said subject, and it aims at providing the manufacturing method of the fuel cell which suppresses poisoning of a catalyst.
本発明の燃料電池の製造方法は、膜電極接合体の一方の面の外周に沿って紫外線硬化性の接着剤により接着層を形成する工程と、枠形状のフレームの内周側の端部を前記接着層に重ねる工程と、前記膜電極接合体の前記一方の面における、前記フレームから露出した領域に、紫外線を遮断するマスクを配置する工程と、前記接着層に紫外線を照射する工程とを含み、前記マスクは、外周端面に、前記接着層側に紫外線を反射する反射部材を有する。 The method for producing a fuel cell according to the present invention comprises the steps of: forming an adhesive layer with an ultraviolet-curable adhesive along the outer periphery of one surface of a membrane electrode assembly; A process of overlaying the adhesive layer, a process of disposing a mask for blocking ultraviolet light in an area exposed from the frame on the one surface of the membrane electrode assembly, and a process of irradiating the adhesive layer with ultraviolet light The said mask has a reflective member which reflects an ultraviolet-ray in the said adhesive layer side in an outer peripheral end surface.
本発明によれば、触媒の被毒を抑制することができる。 According to the present invention, poisoning of the catalyst can be suppressed.
図1は、燃料電池の一例を示す斜視図である。燃料電池1は、例えば燃料電池車に用いられるが、その用途に限定はない。
FIG. 1 is a perspective view showing an example of a fuel cell. The
燃料電池1は、例えば固体高分子形であり、複数の単セル2が積層された積層体3と、一対のエンドプレート8と、テンションプレート9と、一対のプレッシャプレート12とを有する。単セル2は、燃料ガス(例えば水素)と酸化剤ガス(例えば空気中の酸素)が供給され、燃料ガスと酸化剤ガスの化学反応により発電する。なお、単セル2の構成は後述する。
The
一対のエンドプレート8は、積層体3をその積層方向の両端において締結する。一端のエンドプレート8には、カソード側入口マニホルド15a、カソード側出口マニホルド15b、アノード側入口マニホルド16a、アノード側出口マニホルド16b、冷却媒体入口マニホルド17a、及び冷却媒体出口マニホルド17bが開口している。
The pair of
カソード側入口マニホルド15aには、各単セル2に供給される酸化剤ガスが流通する。カソード側出口マニホルド15bには、各単セル2から排出された酸化剤オフガスが流通する。アノード側入口マニホルド16aには、各単セル2に供給される燃料ガスが流通する。アノード側出口マニホルド16bには、各単セル2から排出された燃料オフガスが流通する。冷却媒体入口マニホルド17aには、各単セル2に供給される冷却水などの冷却媒体が流通する。冷却媒体出口マニホルド17bには、各単セル2から排出された冷却媒体が流通する。
The oxidant gas supplied to each
テンションプレート9は、一対のエンドプレート8の間を結合する。一対のプレッシャプレート12は、不図示の複数の弾性体を積層体3の積層方向において挟持する。
The tension plate 9 couples between the pair of
図2は、単セル2の一例を示す分解斜視図である。単セル2は、積層体3の積層方向に沿って配置されたMEGA(Membrane-Electrode-Gas diffusion layer Assembly)20、フレーム21、及びセパレータ23,24を有する。
FIG. 2 is an exploded perspective view showing an example of the
セパレータ23,24は、例えば金属板などにより構成され、矩形状の外形を有する。セパレータ23,24は接着剤により互いに接着され、セパレータ23は接着剤によりフレーム21に接着されている。このため、積層体3内において、セパレータ24は、隣接する単セル2のMEGA20のアノード側に配置され、セパレータ23は、同一の単セル2のMEGA20のカソード側に配置される。
The
セパレータ23は、厚み方向に貫通する貫通孔231〜236と、波板形状のカソード流路部230を有する。貫通孔231,235,234はセパレータ23の一方の端部に設けられ、貫通孔233,236,232はセパレータ23の他方の端部に設けられている。
The
MEGA20側のカソード流路部230の面には、酸化剤ガスが流通する溝状の酸化剤ガス流路が形成されている。カソード流路部230は、例えばプレス金型による曲げ加工により形成される。酸化剤ガス流路は、例えば直線状に形成されてもよいし、蛇行するように形成されてもよい。
A groove-like oxidant gas channel through which oxidant gas flows is formed on the surface of the
また、セパレータ24は、貫通孔241〜246と、波板形状のアノード流路部240を有する。貫通孔241,245,244はセパレータ24の一方の端部に設けられ、貫通孔243,246,242はセパレータ24の他方の端部に設けられている。
In addition, the
セパレータ23側のアノード流路部240の面には、冷却媒体が流通する溝状の冷却媒体流路が形成され、隣接する単セル2側のアノード流路部240の他方の面には、燃料ガスが流通する溝状の燃料ガス流路が形成されている。アノード流路部240は、例えばプレス金型による曲げ加工により形成される。冷却媒体流路及び燃料ガス流路は、例えば直線状に形成されてもよいし、蛇行するように形成されてもよい。なお、セパレータ23,24は、金属に限定されず、例えばカーボン成型により形成されてもよい。
A groove-shaped cooling medium flow passage through which a cooling medium flows is formed on the surface of the anode
セパレータ23の貫通孔231〜236は、セパレータ24の貫通孔241〜246にそれぞれ重なる。貫通孔231,241は、アノード側入口マニホルド16aの一部であり、積層体3の積層方向に沿って燃料ガスが流通する。貫通孔232,242は、アノード側出口マニホルド16bの一部であり、積層体3の積層方向に沿って燃料オフガスが流通する。
The through
貫通孔241,242は燃料ガス流路に接続されている。燃料ガスは、貫通孔241から燃料ガス流路を経由してMEGA20に供給される。また、燃料オフガスは、MEGA20から燃料ガス流路を経由して貫通孔242に排出される。
The through
貫通孔233,243は、カソード側入口マニホルド15aの一部であり、積層体3の積層方向に沿って酸化剤ガスが流通する。貫通孔234,244は、カソード側出口マニホルド15bの一部であり、積層体3の積層方向に沿って酸化剤オフガスが流通する。
The through
酸化剤ガスは、貫通孔233から酸化剤ガス流路を経由してMEGA20に供給される。また、酸化剤オフガスは、MEGA20から酸化剤ガス流路を経由して貫通孔234に排出される。
The oxidant gas is supplied from the through
貫通孔236,246は、冷却媒体入口マニホルド17aの一部であり、積層体3の積層方向に沿って冷却媒体が流通する。貫通孔235,245は、冷却媒体出口マニホルド17bの一部であり、積層体3の積層方向に沿って冷却媒体が流通する。
The through
冷却媒体は、貫通孔246から冷却媒体流路を経由して貫通孔245に流れ込む。これにより、冷却媒体は燃料電池1を冷却する。
The cooling medium flows from the through
MEGA20には、膜電極接合体(MEA: Membrane Electrode Assembly)200と、MEA200を挟持する一対のガス拡散層(GDL: Gas Diffusion Layer)201,202とが含まれる。符号PはMEA200の積層構造を示す。MEA200には、電解質膜200aと、電解質膜200aを挟持するアノード電極触媒層200b及びカソード電極触媒層200cとが含まれる。
The MEGA 20 includes a membrane electrode assembly (MEA: Membrane Electrode Assembly) 200 and a pair of gas diffusion layers (GDL: Gas Diffusion Layer) 201 and 202 which sandwich the
電解質膜200aは、例えば、湿潤状態で良好なプロトン電導性を示すイオン交換樹脂膜により構成される。このようなイオン交換樹脂膜としては、例えば、ナフィオン(登録商標)などの、イオン交換基としてスルホン酸基を有するフッ素樹脂系のものが挙げられる。
The
アノード電極触媒層200b及びカソード電極触媒層200cは、それぞれ、触媒担持導電性粒子により構成された、ガス拡散性を有する多孔質層として形成されている。例えば、アノード電極触媒層200b及びカソード電極触媒層200cは、白金担持カーボンの分散溶液である触媒インクの乾燥塗膜として形成される。
The anode
アノード電極触媒層200bには一方のガス拡散層201を介し燃料ガスが供給され、カソード電極触媒層200cには他方のガス拡散層202を介し酸化剤ガスが供給される。ガス拡散層201,202は、例えば、カーボンペーパーなどの基材に撥水性のマイクロポーラス層を積層することにより形成される。なお、マイクロポーラス層としては、例えばPTFE(polytetrafluoroethylene)などの撥水性樹脂とカーボンブラックなどの導電性材料から形成される。MEA200は、酸化剤ガス及び燃料ガスを用いた電気化学反応により発電する。
A fuel gas is supplied to the anode
フレーム21は、一例として矩形状の外形を有する樹脂シートにより構成される。フレーム21は、枠形状を有し、中央部には開口210が設けられている。
The
また、フレーム21の端部には、厚み方向に貫通する貫通孔211〜216が設けられている。開口210は、MEGA20に対応する位置に設けられ、その縁にはMEA200の外周端が接着される。つまり、MEA200は、その外周端がフレーム21の内周側の端部に接着されることによりフレーム21に固定される。
Further, at the end of the
貫通孔211,215,214は、フレーム21の一方の端部に設けられ、貫通孔213,216,212は、フレーム21の他方の端部に設けられている。貫通孔211〜216は、セパレータ23,24の貫通孔231〜236,241〜246にそれぞれ重なる。
The through
貫通孔211は、アノード側入口マニホルド16aの一部であり、積層体3の積層方向に沿って燃料ガスが流通する。貫通孔212は、アノード側出口マニホルド16bの一部であり、積層体3の積層方向に沿って燃料オフガスが流通する。
The through
貫通孔213は、カソード側入口マニホルド15aの一部であり、積層体3の積層方向に沿って酸化剤ガスが流通する。貫通孔214は、カソード側出口マニホルド15bの一部であり、積層体3の積層方向に沿って酸化剤オフガスが流通する。
The through
貫通孔216は、冷却媒体入口マニホルド17aの一部であり、積層体3の積層方向に沿って冷却媒体が流通する。貫通孔215は、冷却媒体出口マニホルド17bの一部であり、積層体3の積層方向に沿って冷却媒体が流通する。
The through
次に、A−A線に沿った部分断面図を参照しながら、実施例の燃料電池の製造方法として、単セル2のフレーム21にMEA200を接着する工程を挙げる。
Next, a step of bonding the
図3〜図7は、単セル2の製造工程の一例を示す。本例では、アノード電極触媒層200bにはガス拡散層201が積層されているが、カソード電極触媒層200cにはガス拡散層202が積層されていない状態からの製造工程を述べる。
3 to 7 show an example of the manufacturing process of the
図3は、MEAの一方の面の外周に沿って紫外線硬化性の接着剤により接着層22を形成する工程を示す。カソード電極触媒層200cは、電解質膜200a及びアノード電極触媒層200bより面積が小さいため、電解質膜200aのカソード側の面は、その外周に沿って露出した部分を有する。この露出した部分には、紫外線硬化性の接着剤が塗布されることにより接着層22が形成される。紫外線硬化性の接着剤としては、カチオン重合型のものが挙げられ、例えばエポキシ、ビニルエーテル、及びオキセタンなどがある。
FIG. 3 shows the process of forming the
図4は、フレーム21の内周側の端部を接着層22に重ねる工程を示す。フレーム21は、開口210側の端部がMEA200の外周沿いの接着層22に重なるように、MEA200の上に配置される。なお、この時点では、接着層22は硬化していないため、フレーム21はMEA200に接着されていない。
FIG. 4 shows the step of overlapping the end on the inner circumferential side of the
図5及び図6は、MEA200に、紫外線を遮断する触媒マスク4を配置する工程を示す。触媒マスク4の材質としては、例えばPTFE(polytetrafluoroethylene)、カプトン、及びPEN(polyethylene naphthalate)などが挙げられる。なお、触媒マスク4はマスクの一例である。
5 and 6 show the process of disposing a
触媒マスク4は、矩形状の外形を有し、MEA200の一方の面における、フレーム21の開口210から露出する領域に配置される。例えば、触媒マスク4は、矩形の平板形状を有し、フレーム21の端部との間に隙間が生ずるようにカソード電極触媒層200cを覆う。触媒マスク4は紫外線を遮断するため、紫外線の照射によるMEA200の加熱が抑制される。
The
また、触媒マスク4は、外周にわたって端面に反射部材40が設けられている。つまり、触媒マスク4は、外周端面に反射部材40を有する。反射部材40は、例えばアルミニウムやプラチナなどから構成され、紫外線を反射する。反射部材40は、触媒マスク4の本体に対し、隙間が生じないように接着剤などで接着されている。なお、反射部材40は、触媒マスク4の一部の外周端面だけに設けられてもよい。
In addition, the
図7は、接着層22に紫外線を照射する工程を示す。紫外線は、矢印で示されるように、紫外線ランプなどの光源7から接着層22に向かって放射状に照射される。
FIG. 7 shows a process of irradiating the
フレーム21は紫外線を透過するが、反射部材40は、紫外線を透過せずに、接着層22側に反射する。このため、接着層22内の反射部材40に近い領域22aには、他の領域よりも集中的に紫外線が照射されるので、その領域22aは他の領域より早く硬化する。
The
したがって、紫外線の照射によりカソード電極触媒層200cが発熱し、接着層22からモノマー成分が揮発しても、接着層22の硬化した領域22aが、シール部材として、モノマー成分のカソード電極触媒層200c側への拡散を抑制する。このため、モノマー成分を、符号Dで示されるように、カソード電極触媒層200cとは反対側に拡散させることが可能となる。
Therefore, even if the cathode
これにより、MEA200の発電面であるカソード電極触媒層200cにモノマー成分が付着しにくくなるため、単セル2の触媒の被毒が抑制される。よって、例えばセル電圧の低下などの燃料電池1の発電性能の劣化が回避される。
As a result, the monomer component hardly adheres to the cathode
また、モノマー成分のカソード電極触媒層200c側への拡散を、より確実に抑制するため、紫外線を照射する工程において、以下の方法を用いてもよい。
Further, in order to more reliably suppress the diffusion of the monomer component to the cathode
図8及び図9は、単セル2の製造工程の他の例を示す。図8及び図9において、図3乃至図7と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。
FIG. 8 and FIG. 9 show another example of the manufacturing process of the
図8の符号G1で示されるように、フレーム21上には、上記の触媒マスク4とは別のフレームマスク5が配置される。また、図9の符号G11で示されるように、フレームマスク5は、フレーム21の4つの辺のそれぞれに個別に設けられている。
As shown by reference numeral G1 in FIG. 8, a
フレームマスク5は、フレーム21の各辺に沿った平板形状を有し、接着層22とは反対側のフレーム21の一面を覆うことによりフレーム21を紫外線から保護する。紫外線の照射前、フレームマスク5は、反射部材40と接触するようにフレーム21上に配置される。なお、フレームマスク5は、例えばアルミニウムやプラチナにより形成されるが、紫外線を透過しなければ他の材料により形成されてもよい。
The
光源7から紫外線の照射が開始されると、図8の符号G2及び図9の符号G12で示されるように、フレームマスク5は、カソード電極触媒層200cから離れる方向dに移動を開始する。これにより、フレームマスク5と反射部材40の間に隙間6が生じ、そこから紫外線が反射部材40に照射され、反射部材40で反射された紫外線が接着層22の端部を硬化させる。
When the irradiation of the ultraviolet light from the light source 7 is started, the
図8の符号G3で示されるように、フレームマスク5がカソード電極触媒層200cから離れるほど、フレームマスク5と反射部材40の間の隙間6は広がるため、より多くの紫外線が、反射部材40で反射されることにより、またはフレーム21を透過することにより接着層22に照射される。したがって、接着層22内の硬化した領域22bは、フレームマスク5の移動とともにカソード電極触媒層200c側から反対側に向かって広がっていく。
As the
これにより、接着層22は、カソード電極触媒層200cに近い領域ほど早く硬化するため、例えば、接着層22内の硬化の所要時間のばらつきなどが原因でモノマー成分の一部がカソード電極触媒層200c側に漏れることが抑制される。よって、本実施例によると、モノマー成分のカソード電極触媒層200c側への拡散を、より確実に抑制することが可能となる。
As a result, the
なお、本例では、MEA200のカソード側がフレーム21に接着されるが、MEA200のアノード側がフレーム21に接着されてもよい。この場合も、紫外線の照射工程において、触媒マスク4をアノード電極触媒層200b上に配置することで上記と同様の効果が得られる。また、この場合、フレームマスク5を用いることで、やはり、上記と同様の効果が得られる。
Although the cathode side of the
上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。 The embodiments described above are examples of preferred implementations of the invention. However, the present invention is not limited to this, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
1 燃料電池
2 単セル
4 触媒マスク
5 フレームマスク
7 光源
21 フレーム
22 接着層
40 反射部材
200 MEA
Claims (1)
枠形状のフレームの内周側の端部を前記接着層に重ねる工程と、
前記膜電極接合体の前記一方の面における、前記フレームから露出した領域に、紫外線を遮断するマスクを配置する工程と、
前記接着層に紫外線を照射する工程とを含み、
前記マスクは、外周端面に、前記接着層側に紫外線を反射する反射部材を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。 Forming an adhesive layer with an ultraviolet curable adhesive along the periphery of one surface of the membrane electrode assembly;
Superposing the end on the inner peripheral side of the frame-shaped frame on the adhesive layer;
Disposing a mask for blocking ultraviolet light in an area exposed from the frame on the one surface of the membrane electrode assembly;
Irradiating the adhesive layer with ultraviolet light;
The method for manufacturing a fuel cell according to claim 1, wherein the mask has a reflecting member that reflects ultraviolet light on the adhesive layer side on an outer peripheral end face.
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