JP2020064814A - Manufacturing method of fuel battery cell - Google Patents

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Abstract

To provide a manufacturing method of a fuel battery cell which can suppress leakage of reaction gas by reducing air bubbles remaining between an adhesive part of a frame body and an adhesive applied to a membrane electrode joint body when bonding the membrane electrode joint body to the frame body.SOLUTION: A method of manufacturing a fuel battery cell 10 by bonding an MEA 21 to a three-layer sheet 14 having a polypropylene (PP) layer includes: a groove formation step (step S1) of forming a groove 14e being the groove 14e which becomes gradually deep from an opening 14c side of the three-layer sheet 14 toward an outer peripheral end of the three-layer sheet 14 and continues to the outer side with respect to the outer peripheral end of the MEA 21 on an adhesive part 14d of the three-layer sheet 14; a lamination step (step S2) of laminating the MEA 21 on the three-layer sheet 14 with an adhesive 15 held between the MEA 21 and the adhesive part 14d of the three-layer sheet 14; and a heating press step (step S3) of heating the MEA 21 and the three-layer sheet 14 to press them in the lamination direction.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、膜電極接合体フレームと膜電極接合体とを接着する燃料電池セルの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a fuel cell unit in which a membrane electrode assembly frame and a membrane electrode assembly are bonded together.

この種の燃料電池セルの製造方法として、膜電極接合体と、膜電極接合体を挟む一対のガス拡散層と、膜電極接合体を支持する支持フレームとしての膜電極接合体フレーム(以下3層シートともいう。)と、3層シートとガス拡散層を挟む一対のセパレータとを備えた燃料電池セルの製造方法であって、3層シートと膜電極接合体とを接着するものが開示されている(特許文献1参照)。   As a method for manufacturing a fuel cell of this type, a membrane electrode assembly, a pair of gas diffusion layers sandwiching the membrane electrode assembly, and a membrane electrode assembly frame (hereinafter referred to as three layers) as a support frame for supporting the membrane electrode assembly. (Also referred to as a sheet) and a three-layer sheet and a pair of separators sandwiching a gas diffusion layer, and a method for adhering the three-layer sheet and the membrane electrode assembly is disclosed. (See Patent Document 1).

特開2016−162651号公報JP, 2016-162651, A

しかしながら、従来の燃料電池セルの製造方法においては、3層シートと膜電極接合体とを接着する際に間に気泡が混入し反応ガスが漏洩してしまうおそれがある。具体的には、図6に示すように、膜電極接合体1と3層シート2とを接着する工程において、まず、膜電極接合体1にUV接着剤3がスクリーン印刷で塗布される。次いで、膜電極接合体1と3層シート2とが積層され、加圧により気泡抜きが行われた後、接着部に向けてUV(紫外線)が照射され、UV接着剤3が硬化される。積層加圧工程において3層シートとUV接着剤3との間に残留した気泡は、硬化後もそのまま残ってしまう。   However, in the conventional method for manufacturing a fuel cell, there is a risk that air bubbles may enter during the bonding of the three-layer sheet and the membrane electrode assembly to leak the reaction gas. Specifically, as shown in FIG. 6, in the step of adhering the membrane electrode assembly 1 and the three-layer sheet 2, first, the UV adhesive 3 is applied to the membrane electrode assembly 1 by screen printing. Next, the membrane electrode assembly 1 and the three-layer sheet 2 are laminated, and after air bubbles are removed by pressurization, UV (ultraviolet rays) is irradiated toward the adhesive portion, and the UV adhesive 3 is cured. The air bubbles remaining between the three-layer sheet and the UV adhesive 3 in the laminating and pressing step remain as they are after the curing.

図7(a)に示すように、膜電極接合体1と一対のガス拡散層4からなる膜電極ガス拡散層接合体(MEGA:Membrane Electrode and Gas Diffusion Layer Assembly、以下MEGAという。)5は、UV接着剤3を挟んで3層シート2に接着される。図7(b)に示すように、積層加圧においては、膜電極接合体1にUV接着剤3が塗布されたMEGAのサブアッセンブリ(以下S/Aという。)と3層シート2が積層され加圧される。膜電極接合体1に塗布されたUV接着剤3の表面には凹凸があるので、その上に平坦な3層シート2を積層することにより、UV接着剤3と3層シート2との間に気泡Bが混入する可能性がある。   As shown in FIG. 7 (a), a membrane electrode gas diffusion layer assembly (MEGA: MEGA: Membrane Electrode and Gas Diffusion Layer Assembly, hereinafter referred to as MEGA) 5 including a membrane electrode assembly 1 and a pair of gas diffusion layers 4 includes: It is adhered to the three-layer sheet 2 with the UV adhesive 3 interposed therebetween. As shown in FIG. 7B, in the laminating press, the MEGA subassembly (hereinafter referred to as S / A) in which the UV adhesive 3 is applied to the membrane electrode assembly 1 and the three-layer sheet 2 are laminated. Pressurized. Since the surface of the UV adhesive 3 applied to the membrane electrode assembly 1 has irregularities, by laminating the flat three-layer sheet 2 on the surface, the UV adhesive 3 is interposed between the UV adhesive 3 and the three-layer sheet 2. Bubbles B may be mixed.

積層によりUV接着剤3と3層シート2との間に気泡Bが混入していると、加圧の際に気泡Bが全部抜けず一部が残るおそれがある。図7(c)に示すように、UV接着剤3と3層シート2との間の気泡Bは、圧力で移動する。そして、一部の気泡Bは接着部の端部まで到達して端部から排出される。しかしながら、気泡Bは、接着部から抜ける部位と出口が塞がれて抜けない部位が存在し、抜けない部位がUV接着剤3と3層シート2との間に残ってしまう。UV接着剤3の表面と3層シート2との間に気泡Bが残ると、UV接着剤3によるシールの有効幅が減少し、燃料電池使用時に耐クロスリーク性能が低下し、反応ガスが漏洩するおそれがあるという問題がある。   If the air bubbles B are mixed between the UV adhesive 3 and the three-layer sheet 2 due to the lamination, there is a possibility that all the air bubbles B will not escape during pressurization and some will remain. As shown in FIG. 7C, the bubble B between the UV adhesive 3 and the three-layer sheet 2 moves under pressure. Then, some of the bubbles B reach the end of the adhesive portion and are discharged from the end. However, the bubble B has a portion that escapes from the adhesive portion and a portion that does not escape because the outlet is blocked, and the inevitable portion remains between the UV adhesive 3 and the three-layer sheet 2. When the air bubbles B remain between the surface of the UV adhesive 3 and the three-layer sheet 2, the effective width of the seal by the UV adhesive 3 decreases, the cross leak resistance performance deteriorates when the fuel cell is used, and the reaction gas leaks. There is a problem that there is a risk of

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、膜電極接合体を3層シートに接着する際に3層シートの接着部と膜電極接合体に塗布された接着剤との間に残る気泡を低減し反応ガスの漏洩を抑制することができる燃料電池セルの製造方法を提供することを課題とする。   The present invention has been made to solve such a problem, and when the membrane electrode assembly is bonded to the three-layer sheet, the adhesive portion of the three-layer sheet and the adhesive applied to the membrane electrode assembly are provided. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a fuel cell, which can reduce bubbles remaining in the space and suppress leakage of reaction gas.

本発明に係る燃料電池セルの製造方法は、ポリプロピレン層を有する枠体に膜電極接合体を接着して燃料電池セルを製造する方法であって、前記枠体の開口部側から前記枠体の外周端部に向かって移行するにしたがって漸次深くなる溝であって前記膜電極接合体の外周端部よりも外側まで続いている溝を前記枠体の接着部に形成する溝形成工程と、前記膜電極接合体と前記枠体の接着部との間に接着剤を挟んで前記膜電極接合体を前記枠体に積層する積層工程と、前記膜電極接合体と前記枠体とを加熱して積層方向にプレスする加熱プレス工程と、を含むことを特徴とする。   A method for producing a fuel cell according to the present invention is a method for producing a fuel cell by adhering a membrane electrode assembly to a frame having a polypropylene layer, wherein the frame is opened from the opening side of the frame. A groove forming step of forming a groove that gradually deepens as it moves toward the outer peripheral end and continues to the outside of the outer peripheral end of the membrane electrode assembly in the adhesive portion of the frame; A laminating step of laminating the membrane electrode assembly on the frame body with an adhesive sandwiched between the membrane electrode assembly and the adhesive portion of the frame body, and heating the membrane electrode assembly and the frame body. And a hot pressing step of pressing in the stacking direction.

本発明に係る燃料電池セルの製造方法は、枠体の接着部に、枠体の開口部側から枠体の外周端部に向かって移行するにしたがって漸次深くなる溝であって膜電極接合体の外周端部よりも外側まで続いている溝を形成し、膜電極接合体と枠体の接着部との間に接着剤を挟んで膜電極接合体を枠体に積層し、膜電極接合体と枠体とを加熱して積層方向にプレスする。   The method for manufacturing a fuel cell according to the present invention is a groove for a membrane electrode assembly, in which the groove is gradually deepened in the bonded portion of the frame body from the opening side of the frame toward the outer peripheral end of the frame body. A groove that extends to the outside of the outer peripheral edge of the membrane electrode assembly is formed, and the membrane electrode assembly is laminated on the frame body with an adhesive sandwiched between the membrane electrode assembly and the bonding portion of the frame body. The frame body is heated and pressed in the stacking direction.

したがって、積層した際に膜電極接合体と枠体の接着部との間に混入した気泡を溝に沿って枠体の開口部側から枠体の外周端部側に向かって移動させて、膜電極接合体の外周端部から排出させることができる。また、加熱プレスした際に、溝は、加熱プレス工程でポリプロピレン(PP)層が溶融し、徐々に枠体の開口部側から枠体の外周端部側に向かって埋められる。したがって、膜電極接合体と枠体の接着部との間に気泡が残ることがなく、枠体と膜電極接合体とが有効に接着される。   Therefore, the air bubbles mixed between the membrane electrode assembly and the adhesive portion of the frame body when stacked are moved along the groove from the opening side of the frame body toward the outer peripheral end side of the frame body to form the membrane. It can be discharged from the outer peripheral end of the electrode assembly. When hot-pressed, the polypropylene (PP) layer is melted in the hot-pressing step, and the groove is gradually filled from the opening side of the frame toward the outer peripheral end side of the frame. Therefore, air bubbles do not remain between the membrane electrode assembly and the bonded portion of the frame, and the frame and the membrane electrode assembly are effectively bonded.

本発明によれば、膜電極接合体と枠体である3層シートとを接着剤で接着する際に、膜電極接合体と3層シートの接着部との間に残る気泡を低減し反応ガスの漏洩を抑制することができる燃料電池セルの製造方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when a membrane electrode assembly and a three-layer sheet which is a frame body are adhere | attached with an adhesive agent, the bubble which remains between a membrane electrode assembly and the adhesion part of a three-layer sheet is reduced, and a reaction gas. It is possible to provide a method for manufacturing a fuel cell unit capable of suppressing the leakage of fuel.

本発明の実施形態に係る燃料電池セルの分解斜視図。FIG. 3 is an exploded perspective view of the fuel cell according to the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る燃料電池セルの図であり、図2(a)は、燃料電池セルの部分断面図を示し、図2(b)は、接着剤が塗布された状態の3層シートの平面図および一部を拡大した拡大平面図を示す。It is a figure of a fuel cell concerning an embodiment of the present invention, Drawing 2 (a) shows a partial section view of a fuel cell, and Drawing 2 (b) is a three-layer sheet in the state where an adhesive agent was applied. 2 is a plan view and a partially enlarged enlarged plan view of FIG. 本発明の実施形態に係る燃料電池セルの製造方法における工程図。FIG. 4 is a process drawing of the method for manufacturing a fuel cell according to the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る燃料電池セルの製造方法における工程を説明する説明図。Explanatory drawing explaining the process in the manufacturing method of the fuel cell which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る燃料電池セルの製造方法における実施例と比較例の表。5 is a table of examples and comparative examples in the method for manufacturing a fuel cell according to the embodiment of the present invention. 従来の燃料電池セルの製造方法における3層シートと膜電極接合体とを接着する工程を説明する説明図および気泡が混入している状態の接着部の部分拡大図。Explanatory drawing explaining the process which adhere | attaches the three-layer sheet | seat and the membrane electrode assembly in the conventional manufacturing method of a fuel cell, and the partial enlarged view of the adhesion part in the state which the air bubble has mixed. 従来の燃料電池セルの製造方法における燃料電池セルの図であり、図7(a)は、燃料電池セルの部分断面図を示し、図7(b)は、積層・加圧の説明図を示し、図7(c)は、積層・加圧時の接着部内の気泡の状態を表す説明図を示す。It is a figure of the fuel cell in the manufacturing method of the conventional fuel cell, Drawing 7 (a) shows a partial sectional view of a fuel cell, and Drawing 7 (b) shows an explanatory view of lamination and pressurization. FIG. 7 (c) is an explanatory view showing the state of bubbles in the adhesive portion at the time of stacking / pressurizing.

本発明に係る燃料電池セルの製造方法を適用した実施形態に係る燃料電池セル10の製造方法について図面を参照して説明する。まず、燃料電池セル10の構成について説明する。   A method for manufacturing the fuel cell 10 according to the embodiment to which the method for manufacturing a fuel cell according to the present invention is applied will be described with reference to the drawings. First, the configuration of the fuel cell unit 10 will be described.

燃料電池セル10は、図1に示すように、MEGA11と、カソード側セパレータ12と、アノード側セパレータ13と、3層シート14と、図示しないガスケットと、図2(a)に示す接着剤15とにより構成されている。   As shown in FIG. 1, the fuel cell 10 includes a MEGA 11, a cathode side separator 12, an anode side separator 13, a three-layer sheet 14, a gasket (not shown), and an adhesive 15 shown in FIG. 2 (a). It is composed by.

燃料電池セル10は、複数個が積層されることにより、図示しない燃料電池スタックが形成され、その燃料電池スタックを用いて燃料電池が製造される。   A plurality of fuel cells 10 are stacked to form a fuel cell stack (not shown), and a fuel cell is manufactured using the fuel cell stack.

MEGA11は、図2(a)に示すように、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly、以下MEAという。)21と、カソード側ガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer、以下GDLという。)22と、アノード側GDL23を有している。MEGA11は、MEA21の一方面にカソード側GDL22が積層され、MEA21の他方面にアノード側GDL23が積層されて構成されている。MEGA11は、MEA21及びアノード側GDL23よりもカソード側GDL22が小さく形成されており、MEA21の外周端部21tから所定範囲に亘ってMEA21を露出させる構成となっている。MEGA11は、カソード側GDL22の外周端部22tから突出して露出する部分が、3層シート14に対向するように積層され、カソード側GDL22が3層シート14の開口部14c内に配置される。   As shown in FIG. 2A, the MEGA 11 includes a membrane electrode assembly (MEA: Membrane Electrode Assembly, hereinafter referred to as MEA) 21 and a cathode gas diffusion layer (GDL: Gas Diffusion Layer, hereinafter referred to as GDL) 22. And has the anode side GDL 23. The MEGA 11 is configured by laminating the cathode side GDL 22 on one surface of the MEA 21 and laminating the anode side GDL 23 on the other surface of the MEA 21. The MEGA 11 is formed such that the cathode side GDL 22 is smaller than the MEA 21 and the anode side GDL 23, and the MEA 21 is exposed over a predetermined range from the outer peripheral end 21t of the MEA 21. The MEGA 11 is laminated such that the exposed portion of the outer peripheral end 22t of the cathode-side GDL 22 faces the three-layer sheet 14, and the cathode-side GDL 22 is arranged in the opening 14c of the three-layer sheet 14.

MEA21は、電解質膜31と、カソード側触媒層32と、アノード側触媒層33との接合体を有している。電解質膜31の一方面にカソード側触媒層32が積層され、電解質膜31の他方面にアノード側触媒層33が積層されて構成されている。MEA21は、電解質膜31及びアノード側触媒層33よりもカソード側触媒層32が小さく形成されており、MEA21の外周端部21tから所定範囲に亘って電解質膜31を露出させる構成となっている。MEA21は、カソード側触媒層32の外周端部32tから露出する部分が、3層シート14の接着部14dに対向して配置され、接着剤15によって接着されるようになっている。カソード側触媒層32は、カソード側GDL22よりも小さく形成されており、カソード側触媒層32の外周端部32tの方が、カソード側GDL22の外周端部22tよりも引っ込んだ位置に配置されている。カソード側GDL22の外周端部22tと電解質膜31は、積層方向に対向しており、接着剤15により互いに接着されている。   The MEA 21 has a joined body of an electrolyte membrane 31, a cathode side catalyst layer 32, and an anode side catalyst layer 33. The cathode-side catalyst layer 32 is laminated on one surface of the electrolyte membrane 31, and the anode-side catalyst layer 33 is laminated on the other surface of the electrolyte membrane 31. In the MEA 21, the cathode side catalyst layer 32 is formed smaller than the electrolyte membrane 31 and the anode side catalyst layer 33, and the MEA 21 is configured to expose the electrolyte membrane 31 over a predetermined range from the outer peripheral end 21t of the MEA 21. The MEA 21 is arranged such that the portion exposed from the outer peripheral end 32t of the cathode-side catalyst layer 32 faces the bonding portion 14d of the three-layer sheet 14 and is bonded by the adhesive 15. The cathode side catalyst layer 32 is formed smaller than the cathode side GDL 22, and the outer peripheral end portion 32t of the cathode side catalyst layer 32 is arranged at a position retracted from the outer peripheral end portion 22t of the cathode side GDL22. . The outer peripheral end 22t of the cathode side GDL 22 and the electrolyte membrane 31 are opposed to each other in the stacking direction and are bonded to each other with an adhesive 15.

電解質膜31は、パーフルオロスルホン酸(PFSA)アイオノマーなどの固体高分子材料である高分子電解質樹脂で形成されており、イオン伝導性を有する高分子膜を電解質とするイオン交換膜からなる。電解質膜31は、電子および気体の流通を阻止するとともに、プロトンをアノード側触媒層33からカソード側触媒層32に移動させる機能を有している。   The electrolyte membrane 31 is formed of a polymer electrolyte resin, which is a solid polymer material such as perfluorosulfonic acid (PFSA) ionomer, and is an ion exchange membrane using a polymer membrane having ion conductivity as an electrolyte. The electrolyte membrane 31 has a function of blocking the flow of electrons and gas and moving protons from the anode side catalyst layer 33 to the cathode side catalyst layer 32.

カソード側触媒層32は、白金や白金合金などの触媒を担持した導電性の担体からなり、例えば、触媒担持カーボン粒子などのカーボン粒子を、プロトン伝導性を有するアイオノマーで被覆して形成された電極触媒層からなる。   The cathode-side catalyst layer 32 is made of a conductive carrier carrying a catalyst such as platinum or a platinum alloy, and is an electrode formed by coating carbon particles such as catalyst-supporting carbon particles with an ionomer having proton conductivity. It consists of a catalyst layer.

なお、アイオノマーは、電解質膜31と同質のフッ素系樹脂などの固体高分子材料である高分子電解質樹脂からなり、イオン交換基によりプロトン伝導性を有する。カソード側触媒層32は、プロトンと電子と酸素から水を生成する機能を有している。   The ionomer is made of a polymer electrolyte resin that is a solid polymer material such as a fluororesin having the same quality as that of the electrolyte membrane 31, and has proton conductivity due to an ion exchange group. The cathode side catalyst layer 32 has a function of generating water from protons, electrons and oxygen.

アノード側触媒層33は、カソード側触媒層32と同様の材料で形成されているが、カソード側触媒層32と異なり、水素ガス(H)をプロトンと電子に分解する機能を有している。アノード側触媒層33は、カソード側触媒層32よりも大きく形成されており、電解質膜31を挟んで3層シート14と対向して積層されるとともに、電解質膜31およびカソード側触媒層32を挟んでカソード側GDL22と対向して積層されている。 The anode side catalyst layer 33 is formed of the same material as the cathode side catalyst layer 32, but unlike the cathode side catalyst layer 32, it has a function of decomposing hydrogen gas (H 2 ) into protons and electrons. . The anode-side catalyst layer 33 is formed to be larger than the cathode-side catalyst layer 32, is laminated so as to face the three-layer sheet 14 with the electrolyte membrane 31 sandwiched therebetween, and sandwiches the electrolyte membrane 31 and the cathode-side catalyst layer 32. And is laminated so as to face the cathode side GDL 22.

カソード側GDL22は、ガス透過性および導電性を有する材料、例えば、カーボンペーパーなどの炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。カソード側GDL22は、カソード側触媒層32の外側に接合されており、酸化剤ガスとしての空気を拡散させて均一にし、カソード側触媒層32に行き渡らせる機能を有している。   The cathode side GDL 22 is formed of a material having gas permeability and conductivity, for example, a carbon fiber such as carbon paper or a porous fiber base material such as graphite fiber. The cathode-side GDL 22 is joined to the outside of the cathode-side catalyst layer 32, and has a function of diffusing air as an oxidant gas to make it uniform and to spread it to the cathode-side catalyst layer 32.

アノード側GDL23は、カソード側GDL22と同様に、ガス透過性および導電性を有する材料、例えば、カーボンペーパーなどの炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。アノード側GDL23は、アノード側触媒層33の外側に接合されており、燃料ガスとしての水素ガスを拡散させて均一にし、アノード側触媒層33に行き渡らせる機能を有している。   The anode-side GDL 23 is formed of a material having gas permeability and conductivity, for example, a carbon fiber such as carbon paper or a porous fiber base material such as graphite fiber, like the cathode-side GDL 22. The anode-side GDL 23 is joined to the outside of the anode-side catalyst layer 33, and has a function of diffusing hydrogen gas as a fuel gas to make it uniform and spread it to the anode-side catalyst layer 33.

カソード側セパレータ12は、鉄鋼板、ステンレス鋼板およびアルミニウム板などの金属板で形成されている。カソード側セパレータ12は、カソード側GDL22および3層シート14に接着されており、カソード側GDL22の表面に沿って酸化剤ガスとしての空気を流す図示しない酸化剤ガス流路が形成されている。カソード側セパレータ12の表面は、チタン(Ti)薄膜が形成され、チタン薄膜に炭素層が形成されている。   The cathode side separator 12 is formed of a metal plate such as a steel plate, a stainless steel plate and an aluminum plate. The cathode-side separator 12 is bonded to the cathode-side GDL 22 and the three-layer sheet 14, and an oxidant gas flow path (not shown) for flowing air as the oxidant gas is formed along the surface of the cathode-side GDL 22. A titanium (Ti) thin film is formed on the surface of the cathode-side separator 12, and a carbon layer is formed on the titanium thin film.

アノード側セパレータ13は、カソード側セパレータ12と同様、鉄鋼板、ステンレス鋼板およびアルミニウム板などの金属板で形成されている。アノード側セパレータ13は、アノード側GDL23に接合されており、アノード側GDL23の表面に沿って燃料ガスとしての水素を流す図示しない燃料ガス流路が形成されている。アノード側セパレータ13の表面は、カソード側セパレータ12の表面と同様、表面にチタン(Ti)薄膜が形成され、チタン薄膜に炭素層が形成されている。   Like the cathode-side separator 12, the anode-side separator 13 is formed of a metal plate such as a steel plate, a stainless steel plate, and an aluminum plate. The anode-side separator 13 is joined to the anode-side GDL 23, and a fuel gas flow path (not shown) for flowing hydrogen as a fuel gas is formed along the surface of the anode-side GDL 23. Similar to the surface of the cathode side separator 12, a titanium (Ti) thin film is formed on the surface of the anode side separator 13, and a carbon layer is formed on the titanium thin film.

3層シート14は、本発明に係る燃料電池セルの製造方法における枠体を構成する。3層シート14には、MEGA11を接着することによって閉塞される開口部14cが設けられている。3層シート14は、図2(a)、図2(b)に示すように、コア材14aと、コア材14aの表面および裏面に形成された各接着層14bを有する3層構造で構成されている。3層シート14は、接着層14bでカソード側セパレータ12を接着するとともに、接着剤15により接着層14bと電解質膜31とが接着されている。本実施形態に係る3層シート14の接着層14bは、本発明に係る燃料電池セルの製造方法におけるポリプロピレン(PP)層に対応する。   The three-layer sheet 14 constitutes a frame body in the method for manufacturing a fuel cell according to the present invention. The three-layer sheet 14 is provided with an opening 14c that is closed by adhering the MEGA 11 thereto. As shown in FIGS. 2A and 2B, the three-layer sheet 14 has a three-layer structure having a core material 14a and adhesive layers 14b formed on the front and back surfaces of the core material 14a. ing. In the three-layer sheet 14, the cathode side separator 12 is adhered by the adhesive layer 14b, and the adhesive layer 14b and the electrolyte membrane 31 are adhered by the adhesive 15. The adhesive layer 14b of the three-layer sheet 14 according to this embodiment corresponds to the polypropylene (PP) layer in the method for producing a fuel cell according to the present invention.

3層シート14は、燃料極の水素ガス(H)や空気極の酸素ガス(O)が、微量ながら電解質膜31を通過し、漏洩してしまうという、いわゆるクロスリークや触媒電極同士の電気的短絡を防ぐための機能を有している。 In the three-layer sheet 14, hydrogen gas (H 2 ) at the fuel electrode and oxygen gas (O 2 ) at the air electrode pass through the electrolyte membrane 31 in a small amount and leak, so-called cross leak or between catalyst electrodes. It has a function to prevent electrical short circuit.

コア材14aは、熱可塑性の合成樹脂で枠状に形成されており、中央に方形の開口部14cを有している。熱可塑性の合成樹脂としては、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエチレンテレフタラート(PET)が挙げられる。   The core material 14a is formed of a thermoplastic synthetic resin in a frame shape, and has a square opening 14c in the center. Examples of the thermoplastic synthetic resin include polyethylene naphthalate (PEN) and polyethylene terephthalate (PET).

各接着層14bは、電解質膜31よりも高い剛性、弾性や粘性を有する接着部材で、それぞれコア材14aと略同様に開口部14cを有する形状で形成されている。接着部材としては、例えば、ポリプロピレン(PP)やエポキシ樹脂からなる接着剤が挙げられる。   Each adhesive layer 14b is an adhesive member having higher rigidity, elasticity and viscosity than the electrolyte membrane 31, and is formed in a shape having an opening 14c similar to the core material 14a. Examples of the adhesive member include adhesives made of polypropylene (PP) or epoxy resin.

3層シート14の接着層14bには、図2(b)に示すように、MEA21と対向する部分に接着部14dが設けられている。接着部14dは、3層シート14の開口部14cの端縁に沿って全周に亘って帯状に形成されている。接着部14dは、接着剤15を間に挟んでMEA21の電解質膜31と接着される。   As shown in FIG. 2B, the adhesive layer 14b of the three-layer sheet 14 is provided with an adhesive portion 14d at a portion facing the MEA 21. The adhesive portion 14d is formed in a strip shape over the entire circumference along the edge of the opening 14c of the three-layer sheet 14. The adhesive portion 14d is adhered to the electrolyte membrane 31 of the MEA 21 with the adhesive 15 interposed therebetween.

接着部14dには、複数個の溝14eが設けられている。各溝14eは、3層シート14の開口部14c側から3層シート14の外周端部に向かって移行するにしたがって漸次深くなり、MEA21の外周端部21tよりも外側まで続いている。各溝14eは、3層シート14の開口部14c側から3層シート14の外周端部に向かって移行するにしたがって漸次深くなるようにそれぞれ傾斜して形成されている。溝14eは、後述の加熱プレス工程によって接着部14dが溶融して完全に埋まる大きさを有しており、その傾斜によって開口部14c側から溶けて溝14eが深くなる方向に徐々に埋まるようになっている。   A plurality of grooves 14e are provided in the adhesive portion 14d. Each groove 14e gradually becomes deeper as it moves from the opening 14c side of the three-layer sheet 14 toward the outer peripheral end of the three-layer sheet 14, and continues to the outside of the outer peripheral end 21t of the MEA 21. Each groove 14e is formed so as to be gradually deepened as it moves from the opening 14c side of the three-layer sheet 14 toward the outer peripheral end of the three-layer sheet 14. The groove 14e has a size such that the adhesive portion 14d is melted and completely filled by a heating and pressing process described later, and the inclination thereof melts from the opening 14c side so that the groove 14e is gradually filled in a deeper direction. Has become.

溝14eは、開口部14c付近の始点から、3層シート14とMEA21とが積層された状態で、図2(a)に示すように、MEA21の外周端部21tから距離L1だけ離隔した部分の終点までの間で、長さL2(mm)で形成されている。溝14eは、開口部14c付近の始点では深さ0mmとなっており、MEA21の外周端部21tからL1の部分の終点では、深さD(mm)を有している。   As shown in FIG. 2A, the groove 14e is a portion separated from the starting point near the opening 14c by a distance L1 from the outer peripheral end 21t of the MEA 21 in a state where the three-layer sheet 14 and the MEA 21 are stacked. It is formed with a length L2 (mm) up to the end point. The groove 14e has a depth of 0 mm at the start point near the opening 14c, and has a depth D (mm) at the end point from the outer peripheral end 21t of the MEA 21 to L1.

また、溝14eは、図2(b)の拡大図に示すように、開口部14c付近の始点では幅は0mmで、MEA21の外周端部21tから距離L1だけ離隔した部分の終点では、徐々に拡がって幅W(mm)で形成されている。溝14eは、開口部14cの端縁の全周に亘って、等間隔のピッチP(mm)で複数個が形成されている。   Further, as shown in the enlarged view of FIG. 2B, the groove 14e has a width of 0 mm at the starting point near the opening 14c and gradually widens at the end point of the portion separated from the outer peripheral end 21t of the MEA 21 by the distance L1. It is formed to have a width W (mm). A plurality of grooves 14e are formed at equal intervals of pitch P (mm) over the entire circumference of the edge of the opening 14c.

溝14eにおける、深さD、距離L1、長さL2、ピッチP、幅Wは、燃料電池セル10の設定諸元や、形状、大きさ、材質、加工条件や実験値などのデータに基づいて適宜選択される。溝14eが小さすぎると、接着剤15内に混入した気泡が逃げにくくなることがあり、大きすぎると燃料電池セル10のセル化の工程において溝14eが埋まらず必要なシール性が確保できなくなることがある。   The depth D, the distance L1, the length L2, the pitch P, and the width W in the groove 14e are based on the setting parameters of the fuel cell unit 10 and the data such as the shape, size, material, processing conditions and experimental values. It is selected appropriately. If the groove 14e is too small, the bubbles mixed in the adhesive 15 may be difficult to escape, and if too large, the groove 14e may not be filled in the process of making the fuel cell 10 and the necessary sealing property may not be secured. There is.

溝14eは、具体的には、幅Wは、0.1mm〜1mm程度、距離L1は、0.5mm〜2mm程度、深さDは、接着層14bの厚み(mm)の上限程度、ピッチPは、1mm〜5mm程度が好ましい。   Specifically, the groove 14e has a width W of about 0.1 mm to 1 mm, a distance L1 of about 0.5 mm to 2 mm, a depth D of about the upper limit of the thickness (mm) of the adhesive layer 14b, and a pitch P. Is preferably about 1 mm to 5 mm.

不図示のガスケットは、ゴムや熱可塑性エラストマーなどの弾性を有する材料で形成されており、カソード側セパレータ12の酸化剤ガス流路側に接着されている。ガスケットは、複数個の燃料電池セル10を積層した際に、隣接する他の燃料電池セル10の表面に当接し、二つの燃料電池セル10の間を封止するように構成されている。   The gasket (not shown) is formed of an elastic material such as rubber or thermoplastic elastomer, and is bonded to the oxidant gas flow path side of the cathode side separator 12. When a plurality of fuel battery cells 10 are stacked, the gasket contacts the surface of another adjacent fuel battery cell 10 and seals the space between the two fuel battery cells 10.

接着剤15は、図2に示すように、3層シート14の接着部14dとMEA21の電解質膜31との間に挟まれており、3層シート14の内壁面部14nとカソード側GDL22の外周端部22tにも当接するように塗布されている。接着剤15は、カソード側GDL22の外周端部22tと3層シート14の内壁面部14nとの間に介在し、硬化することでMEA21および3層シート14の気密性が確保されている。接着剤15は、カソード側GDL22と電解質膜31との間、及び、カソード側GDL22とカソード側触媒層32との間にも入り込んでこれらを互いに接着している。   As shown in FIG. 2, the adhesive 15 is sandwiched between the adhesive portion 14d of the three-layer sheet 14 and the electrolyte membrane 31 of the MEA 21, and the inner wall surface portion 14n of the three-layer sheet 14 and the outer peripheral end of the cathode side GDL 22. It is also applied so as to contact the portion 22t. The adhesive 15 is interposed between the outer peripheral end portion 22t of the cathode side GDL 22 and the inner wall surface portion 14n of the three-layer sheet 14, and is cured to ensure the airtightness of the MEA 21 and the three-layer sheet 14. The adhesive 15 also enters between the cathode side GDL 22 and the electrolyte membrane 31 and between the cathode side GDL 22 and the cathode side catalyst layer 32 to adhere them to each other.

接着剤15は、硬化後も粘着性を有するポリイソブチレン(PIB:Polyisobutylene)を含み、紫外線を照射することにより硬化するUV(紫外線)硬化型の接着剤からなる。接着剤15は、例えば、エポキシ樹脂などのカチオン重合性樹脂からなるUV硬化性の接着剤で構成されている。   The adhesive 15 is a UV (ultraviolet) curable adhesive that contains polyisobutylene (PIB: Polyisobutylene) that remains tacky after being cured and that is cured by being irradiated with ultraviolet rays. The adhesive 15 is composed of, for example, a UV curable adhesive made of a cationically polymerizable resin such as an epoxy resin.

接着剤15は、例えば、スクリーン印刷法やディスペンサで塗布する方法で3層シート14などの塗布領域に塗布される。塗布後、塗布領域に所定の紫外線が照射されると、照射条件に応じた時間経過により徐々に硬化が進み流動性を有する状態から流動性を殆ど有さない状態になり硬化が完了する。   The adhesive 15 is applied to the application region of the three-layer sheet 14 or the like by, for example, a screen printing method or a dispenser application method. After the application, when a predetermined ultraviolet ray is applied to the application area, the curing gradually progresses with the passage of time according to the irradiation conditions, and the state of having fluidity becomes almost non-fluid and the curing is completed.

次いで、本実施形態に係る燃料電池セル10の製造方法について図面を参照して説明する。   Next, a method for manufacturing the fuel cell unit 10 according to the present embodiment will be described with reference to the drawings.

燃料電池セル10の製造方法は、図3に示すように溝形成工程、積層工程および加熱プレス工程を含んで構成されている。各工程は順次行われる。溝形成工程の前工程として、例えば、3層シート14を作製する公知の工程があり、溶融工程後の次工程として、例えば、溶融によって形成された燃料電池セル10を冷却する公知の冷却工程がある。   As shown in FIG. 3, the manufacturing method of the fuel cell 10 includes a groove forming step, a laminating step, and a hot pressing step. Each process is sequentially performed. As a pre-process of the groove forming process, for example, there is a known process for producing the three-layer sheet 14, and as a next process after the melting process, for example, there is a known cooling process for cooling the fuel cell unit 10 formed by melting. is there.

溝形成工程においては、作製された3層シート14に、図2(a)および図2(b)に示す溝14eが形成される(ステップS1)。溝14eは、例えば、3層シート14のロール製造時にロールプレスなどの溝形状を付与するプレス加工により加工される。   In the groove forming step, the groove 14e shown in FIGS. 2A and 2B is formed in the manufactured three-layer sheet 14 (step S1). The groove 14e is processed by, for example, a press process for imparting a groove shape such as a roll press when manufacturing the roll of the three-layer sheet 14.

積層工程においては、図4の左側に示すように、3層シート14の接着部14dとMEA21の電解質膜31の間に接着剤15が挟み込まれるように3層シート14とMEA21を積層し(ステップS2)、MEGA S/Aを形成する。電解質膜31のカソード側触媒層32から露出した部分には、予め接着剤15が塗布されており、その上から3層シート14が重ね合わされて積層される。電解質膜31に塗布された接着剤15の表面は、電解質膜31の表面と比較して凹凸が大きく、その接着剤15の上に、平坦な3層シート14の接着部14dを重ねた際に、3層シート14の接着部14dと接着剤15との間には気泡Bが混入する。   In the laminating step, as shown on the left side of FIG. 4, the three-layer sheet 14 and the MEA 21 are laminated so that the adhesive 15 is sandwiched between the adhesive portion 14d of the three-layer sheet 14 and the electrolyte membrane 31 of the MEA 21 (step S2), forming MEGA S / A. The adhesive 15 is applied in advance to the portion of the electrolyte membrane 31 exposed from the cathode-side catalyst layer 32, and the three-layer sheet 14 is superposed and laminated thereon. The surface of the adhesive 15 applied to the electrolyte membrane 31 has large irregularities as compared with the surface of the electrolyte membrane 31, and when the adhesive portion 14d of the flat three-layer sheet 14 is superposed on the adhesive 15. Bubbles B are mixed between the adhesive portion 14d of the three-layer sheet 14 and the adhesive 15.

本実施例では、3層シート14の接着部14dに溝14eが設けられており、3層シート14に電解質膜31を積層した際に3層シート14の接着部14dと接着剤15との間に混入する気泡Bを溝14eに集めることができる。そして、気泡Bを、溝14eに沿って3層シート14の開口部14c側から3層シート14の外周端部側に向かって移動させて、MEA21の外周端部21tから効率よく排出させることができる。   In this embodiment, the groove 14e is provided in the adhesive portion 14d of the three-layer sheet 14, and when the electrolyte membrane 31 is laminated on the three-layer sheet 14, the gap between the adhesive portion 14d of the three-layer sheet 14 and the adhesive 15 is formed. It is possible to collect the bubbles B mixed into the groove 14e. Then, the bubbles B can be moved from the opening 14c side of the three-layer sheet 14 toward the outer peripheral end side of the three-layer sheet 14 along the groove 14e to be efficiently discharged from the outer peripheral end 21t of the MEA 21. it can.

セル化及び加熱プレス工程においては、図4の右側に示すように、MEGA S/Aが、上型と下型とを有するプレス型の下型内にセットされ、プレス型が所定の温度(℃)になるまで加熱され、上型と下型とによりMEGA S/Aに対してそれぞれ圧力が加えられ、いわゆるMEGA S/Aのホットプレスが行われる(ステップS3)。   In the cell forming and hot pressing steps, as shown on the right side of FIG. 4, the MEGA S / A is set in the lower die of the press die having an upper die and a lower die, and the press die is heated to a predetermined temperature (° C.). ), And pressure is applied to the MEGA S / A by the upper mold and the lower mold, respectively, so-called hot pressing of MEGA S / A is performed (step S3).

このホットプレスにより、3層シート14の接着層14bが溶融され、溝14eが徐々に3層シート14の開口部14c側から3層シート14の外周端部側に向かって埋められる。したがって、溝14eに気泡が残ることを抑制し、3層シート14と電解質膜31とが有効に接着され、シール性が確保できる。   By this hot pressing, the adhesive layer 14b of the three-layer sheet 14 is melted, and the groove 14e is gradually filled from the opening 14c side of the three-layer sheet 14 toward the outer peripheral end side of the three-layer sheet 14. Therefore, it is possible to prevent bubbles from remaining in the groove 14e, effectively bond the three-layer sheet 14 and the electrolyte membrane 31, and ensure the sealing property.

加熱プレス工程が終了すると、図4の最も右側の図に示すように、溝14e内の空気が外に抜け、溝14eの全部が埋められ、3層シート14と電解質膜31とが接着される。完成した燃料電池セル10は次工程に送られる。   When the hot pressing step is completed, as shown in the rightmost drawing of FIG. 4, the air in the groove 14e escapes to fill the entire groove 14e, and the three-layer sheet 14 and the electrolyte membrane 31 are bonded. . The completed fuel cell 10 is sent to the next step.

次いで、本実施形態に係る燃料電池セル10の製造方法における効果について、実施例および比較例に係る燃料電池セルを作製して検証した。実施例に係る燃料電池セルおよび比較例に係る燃料電池セルについて説明する。   Next, the effects of the method of manufacturing the fuel cell 10 according to the present embodiment were verified by manufacturing the fuel cells according to the examples and the comparative examples. The fuel cell according to the example and the fuel cell according to the comparative example will be described.

実施例に係る燃料電池セルにおけるMEGA S/Aと3層シート14の図2(a)に示す接着部14dにおいて、MEGA S/Aの電解質膜31と3層シート14の接着層14bとが有効に接着している部分、即ちシール幅を測定し、比較例に係る燃料電池セルのシール幅と比較して接着状態を検証した。シール幅は、接着部14dにおいて、3層シート14の開口部14cからMEA21の外周端部21t方向への幅となっている。   2A of the MEGA S / A and the three-layer sheet 14 in the fuel cell according to the embodiment, the electrolyte membrane 31 of the MEGA S / A and the adhesive layer 14b of the three-layer sheet 14 are effective. The portion bonded to, that is, the seal width was measured, and the bonded state was verified by comparing with the seal width of the fuel cell according to the comparative example. The seal width is the width from the opening 14c of the three-layer sheet 14 to the outer peripheral end 21t of the MEA 21 in the adhesive portion 14d.

実施例に係る燃料電池セルは、溝形成工程(ステップS1)において形成される3層シート14の溝14eの幅Wを0.5mmとした。溝14eの長さL2は、3層シート14の開口部14cから1mm離隔した点を始点とし、MEA21の外周端部21tから1mmだけ離隔した部分を終点とした長さにした。   In the fuel cell according to the example, the width W of the groove 14e of the three-layer sheet 14 formed in the groove forming step (step S1) was 0.5 mm. The length L2 of the groove 14e is set such that the starting point is a point 1 mm away from the opening 14c of the three-layer sheet 14 and the ending point is a portion 1 mm away from the outer peripheral end 21t of the MEA 21.

また、溝14eの深さDは、長さL2の始点を0mm、長さL2の終点を3層シート14の接着層14bの厚みと同じ深さにした。ピッチPを3mmとして3層シート14の開口部14cの周りに全周に亘って溝14eを形成した。   The depth D of the groove 14e was such that the starting point of the length L2 was 0 mm and the ending point of the length L2 was the same depth as the thickness of the adhesive layer 14b of the three-layer sheet 14. Grooves 14e were formed around the openings 14c of the three-layer sheet 14 at a pitch P of 3 mm and over the entire circumference.

積層工程(ステップS2)において、図4に示すように、3層シート14と電解質膜31とにより接着剤15が挟み込まれるように積層した。そして、加熱プレス工程(ステップS3)において、プレス型を所定の温度(℃)になるまで加熱し、上型と下型とによりMEGA S/Aを所定の圧力で加圧し、実施例に係る燃料電池セルを作製した。   In the laminating step (step S2), as shown in FIG. 4, the adhesive 15 was laminated so as to be sandwiched between the three-layer sheet 14 and the electrolyte membrane 31. Then, in the hot pressing step (step S3), the press die is heated to a predetermined temperature (° C.), and the MEGA S / A is pressurized at a predetermined pressure by the upper die and the lower die to obtain the fuel according to the embodiment. A battery cell was produced.

比較例は、3層シート14に溝が形成されていないこと以外は本実施例に係る燃料電池セル10と同様の構造を有しており、比較例のシール幅を1として、実施例と比較した。   The comparative example has the same structure as the fuel cell 10 according to the present example except that the groove is not formed in the three-layer sheet 14, and the sealing width of the comparative example is set to 1 and compared with the example. did.

実施例に係る燃料電池セルのシール幅は、図5に示すように、1.4であり、従来品のシール幅1に対して、1.4倍に増加した。したがって、実施例に係る燃料電池セルは、MEA21と3層シート14とを接着剤15で接着する際に、3層シート14の接着部14dと接着剤15との間に残る気泡Bを低減することができ、反応ガスの漏洩を抑制することができるという効果が確認された。   The seal width of the fuel cell according to the example was 1.4 as shown in FIG. 5, which was 1.4 times the seal width 1 of the conventional product. Therefore, in the fuel cell according to the embodiment, when the MEA 21 and the three-layer sheet 14 are bonded with the adhesive 15, the bubbles B remaining between the bonding portion 14d of the three-layer sheet 14 and the adhesive 15 are reduced. It was confirmed that the reaction gas can be prevented and the leakage of the reaction gas can be suppressed.

したがって、実施形態に係る燃料電池セル10の製造方法においては、燃料電池セル10の生産性が向上し、燃料電池セル内リークの不良率が低減するという効果が得られる。さらに、燃料電池セル10により構成される燃料電池スタックのセル内シール性が向上し、クロスリーク耐久性能の信頼性が向上するという効果が得られる。   Therefore, in the method for manufacturing the fuel cell 10 according to the embodiment, the effect of improving the productivity of the fuel cell 10 and reducing the defective rate of the leak in the fuel cell can be obtained. Further, the effect of improving the sealability inside the cell of the fuel cell stack configured by the fuel cell 10 and improving the reliability of the cross leak durability performance can be obtained.

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。   Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various designs can be made without departing from the spirit of the present invention described in the claims. You can make changes.

10…燃料電池セル、11…MEGA、12…カソード側セパレータ、13…アノード側セパレータ、14…3層シート(枠体)、14a…コア材、14b…接着層(ポリプロピレン層)、14c…開口部、14d…接着部、14e…溝、14n…内壁面部、15…接着剤、21…MEA(膜電極接合体)、21t、22t、31t、32t…外周端部、22…カソード側GDL、23…アノード側GDL、31…電解質膜、32…カソード側触媒層、33…アノード側触媒層 10 ... Fuel cell, 11 ... MEGA, 12 ... Cathode side separator, 13 ... Anode side separator, 14 ... Three-layer sheet (frame body), 14a ... Core material, 14b ... Adhesive layer (polypropylene layer), 14c ... Opening , 14d ... Adhesive portion, 14e ... Groove, 14n ... Inner wall surface portion, 15 ... Adhesive agent, 21 ... MEA (membrane electrode assembly), 21t, 22t, 31t, 32t ... Outer peripheral end portion, 22 ... Cathode side GDL, 23 ... Anode side GDL, 31 ... Electrolyte membrane, 32 ... Cathode side catalyst layer, 33 ... Anode side catalyst layer

Claims (1)

ポリプロピレン層を有する枠体に膜電極接合体を接着して燃料電池セルを製造する方法であって、
前記枠体の開口部側から前記枠体の外周端部に向かって移行するにしたがって漸次深くなる溝であって前記膜電極接合体の外周端部よりも外側まで続いている溝を前記枠体の接着部に形成する溝形成工程と、
前記膜電極接合体と前記枠体の接着部との間に接着剤を挟んで前記膜電極接合体を前記枠体に積層する積層工程と、
前記膜電極接合体と前記枠体とを加熱して積層方向にプレスする加熱プレス工程と、
を含むことを特徴とする燃料電池セルの製造方法。
A method for producing a fuel cell by adhering a membrane electrode assembly to a frame having a polypropylene layer,
A groove that gradually becomes deeper as it moves from the opening side of the frame toward the outer peripheral end of the frame and continues to the outside of the outer peripheral end of the membrane electrode assembly. A step of forming a groove on the bonding portion of
A stacking step of stacking the membrane electrode assembly on the frame body with an adhesive sandwiched between the membrane electrode assembly and the adhesive portion of the frame body;
A heating press step of heating the membrane electrode assembly and the frame body to press in the stacking direction,
A method of manufacturing a fuel cell, comprising:
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