JP2020145011A - Manufacturing method of membrane electrode assembly with frame - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、フレーム付き膜電極接合体の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a membrane electrode assembly with a frame.
燃料電池に用いられるフレーム付き膜電極接合体は、電解質膜を有する膜電極接合体と、膜電極接合体の外周に配置される枠状の樹脂フレームとを備えている。このようなフレーム付き膜電極接合体は、例えば特許文献1に示すように、電解質膜の外縁部に設けられた接着面に接着剤を塗布する塗布工程と、接着剤が塗布された接着面に樹脂フレームを配置する配置工程と、接着剤が塗布された接着面を振動させる振動工程によって製造されている。振動工程において、接着剤が塗布された接着面を振動させることにより、接着剤を接着面に均一に拡げることができるので、膜電極接合体と樹脂フレームとの間の接着強度やシール性を高めることができる。
The membrane electrode assembly with a frame used in a fuel cell includes a membrane electrode assembly having an electrolyte membrane and a frame-shaped resin frame arranged on the outer periphery of the membrane electrode assembly. As shown in
塗布された接着剤には、気泡が含まれる場合が多い。接着剤に気泡が存在すると、接着強度やシール性などに影響を与えてしまうため、気泡の除去が望まれている。しかし、上述の製造方法では、接着剤に含まれた気泡が抜けにくく、気泡を除去するのに時間がかかるため、生産性の向上を図りにくい問題があった。 The applied adhesive often contains air bubbles. The presence of air bubbles in the adhesive affects the adhesive strength, sealing property, and the like, so removal of air bubbles is desired. However, in the above-mentioned manufacturing method, there is a problem that it is difficult to improve the productivity because the bubbles contained in the adhesive are difficult to escape and it takes time to remove the bubbles.
本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、接着剤に含まれた気泡が抜けやすく、生産性の向上を図ることができるフレーム付き膜電極接合体の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a technical problem, and is a method for manufacturing a membrane electrode assembly with a frame, which can easily remove air bubbles contained in an adhesive and improve productivity. The purpose is to provide.
本発明に係るフレーム付き膜電極接合体の製造方法は、電解質膜を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外周に配置されるとともに前記電解質膜の外縁部に設けられた接着面に接着される樹脂フレームと、を備えるフレーム付き膜電極接合体の製造方法であって、前記電解質膜の前記接着面に第1幅を有する接着剤を塗布する第1幅の接着剤塗布工程と、第1幅を有する接着剤の中央位置に、第1幅よりも小さい第2幅を有する接着剤を塗布する第2幅の接着剤塗布工程と、第1幅を有する接着剤及び第2幅を有する接着剤を前記接着面に押し広げるように、前記樹脂フレームを第2幅を有する接着剤の上に配置するフレーム配置工程と、を含むことを特徴としている。 The method for producing a framed film electrode joint according to the present invention is to attach a film electrode joint having an electrolyte film and an adhesive surface provided on the outer periphery of the film electrode joint and provided on the outer edge of the electrolyte film. A method for manufacturing a film electrode joint with a frame including a resin frame to be adhered, wherein an adhesive having a first width is applied to the adhesive surface of the electrolyte film, and an adhesive application step having a first width. The second width adhesive application step of applying the second width adhesive smaller than the first width to the center position of the first width adhesive, and the first width adhesive and the second width are applied. It is characterized by including a frame arranging step of arranging the resin frame on the adhesive having a second width so as to spread the adhesive having the adhesive on the adhesive surface.
本発明に係るフレーム付き膜電極接合体の製造方法では、接着剤塗布工程が第1幅の接着剤塗布工程と第2幅の接着剤塗布工程に分けられており、しかも第2幅が第1幅よりも小さいので、塗布された第1幅の接着剤と第2幅の接着剤とが階段状になる。このため、フレーム配置工程で樹脂フレームが配置されると、塗布された接着剤と膜電極接合体との間、塗布された接着剤と樹脂フレームとの間にそれぞれ隙間が生じる。そして、配置された樹脂フレームの重さ又は加圧により、第1幅を有する接着剤及び第2幅を有する接着剤が接着面に広がり、これに伴い接着剤に含まれた気泡が押し出され、上述した隙間に移動することができる。従って、接着剤に含まれた気泡が抜けやすくなり、気泡の除去にかかる時間を短縮できるので、生産性の向上を図ることが可能になる。 In the method for manufacturing a membrane electrode assembly with a frame according to the present invention, the adhesive coating step is divided into a first width adhesive coating step and a second width adhesive coating step, and the second width is the first. Since it is smaller than the width, the applied first width adhesive and the second width adhesive are stepped. Therefore, when the resin frame is arranged in the frame arrangement step, a gap is generated between the applied adhesive and the membrane electrode assembly, and between the applied adhesive and the resin frame. Then, due to the weight or pressure of the arranged resin frame, the adhesive having the first width and the adhesive having the second width spread on the adhesive surface, and the air bubbles contained in the adhesive are pushed out accordingly. It can be moved to the gap described above. Therefore, the bubbles contained in the adhesive can be easily removed, and the time required for removing the bubbles can be shortened, so that the productivity can be improved.
本発明によれば、接着剤に含まれた気泡が抜けやすく、生産性の向上を図ることができる。 According to the present invention, air bubbles contained in the adhesive can be easily removed, and productivity can be improved.
以下、図面を参照してフレーム付き膜電極接合体の製造方法の実施形態について説明するが、その前に図1を基にフレーム付き膜電極接合体が用いられた燃料電池の構造を簡単に説明する。 Hereinafter, embodiments of a method for manufacturing a membrane electrode assembly with a frame will be described with reference to the drawings, but before that, the structure of a fuel cell in which the membrane electrode assembly with a frame is used will be briefly described with reference to FIG. To do.
図1はフレーム付き膜電極接合体が用いられた燃料電池の要部を示す模式断面図である。図1に示すように、燃料電池1には、基本単位である燃料電池セル10が複数積層されている。燃料電池セル10は、酸化剤ガス(例えば空気)と、燃料ガス(例えば水素ガス)との電気化学反応により起電力を発生する固体高分子型燃料電池セルである。この燃料電池セル10は、矩形板状のMEGA(膜電極ガス拡散層接合体 Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly)11と、MEGA11を挟持する一対のセパレータ(すなわち、アノード側セパレータ12とカソード側セパレータ13)と、MEGA11の外周に配置されるとともに一対のセパレータに挟まれた枠状の樹脂フレーム21と、備えている。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a main part of a fuel cell in which a membrane electrode assembly with a frame is used. As shown in FIG. 1, a plurality of fuel cell cells 10, which are basic units, are stacked on the
MEGA11は、MEA(膜電極接合体 Membrane Electrode Assembly)14と、MEA14の両面に配置されたアノード側ガス拡散層15、カソード側ガス拡散層16とが、一体化されたものである。MEA14は、電解質膜17と、電解質膜17を挟むように接合された一対の電極触媒層(すなわち、アノード側電極触媒層18とカソード側電極触媒層19)とからなる。
The MEGA 11 is a combination of a MEA (Membrane Electrode Assembly) 14, an anode-side
電解質膜17は、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜からなる。電極触媒層は、例えば、白金等の触媒を担持した多孔質のカーボン素材により形成されている。一方、ガス拡散層は、例えばカーボンペーパーもしくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体、または、金属メッシュもしくは発泡金属等の金属多孔質体等のガス透過性を有する導電性部材によって形成されている。
The
セパレータは、例えば、カーボン粒子を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼やチタン鋼などの金属部材によって形成されている。図示しないが、アノード側セパレータ12及びカソード側セパレータ13は、それぞれ凹部と凸部とを交互に繰り返すことにより波形になっている。そして、カソード側セパレータ13の凹部とMEGA11のカソード側ガス拡散層16とで、カソード側ガス拡散層16の表面に沿う酸化剤ガス流路13aが複数形成されている。一方、アノード側セパレータ12の凹部とMEGA11のアノード側ガス拡散層15とで、アノード側ガス拡散層15の表面に沿う燃料ガス流路(図示せず)が複数形成されている。
The separator is formed of, for example, a carbon member such as dense carbon obtained by compressing carbon particles to make gas impermeable, or a metal member such as press-molded stainless steel or titanium steel. Although not shown, the anode-
また、隣接する燃料電池セル10同士の間には、セル間シール材としてのガスケット23が配置されている。ガスケット23は、ゴムや熱可塑性エラストマー等によって形成されており、隣接する2つの燃料電池セル10のアノード側セパレータ12とカソード側セパレータ13との間に圧入され、隣接するアノード側セパレータ12とカソード側セパレータ13との間の空間を封止する。
Further, a
樹脂フレーム21は、矩形枠状を呈し、MEGA11を取り囲むように該MEGA11の外周に配置されるとともに、電解質膜17の外縁部に設けられた接着面17aに接着されている。より具体的には、樹脂フレーム21は、MEGA11と略同じ厚さを有するフレーム本体21aと、フレーム本体21aからMEGA11側に突出して該フレーム本体21aよりも薄く形成された突出部21bとを有する。
The
電解質膜17の接着面17aは、電解質膜17の外縁部に配置され、例えばアノード側電極触媒層18及びアノード側ガス拡散層15から露出するようになっている。図1の模式断面図において、接着面17aは、断面しか描かれていないが、実際には枠状の樹脂フレーム21と対応するように矩形状の電解質膜17の外縁部に沿って矩形枠状に形成されている。そして、樹脂フレーム21の突出部21bは、電解質膜17の外縁部に形成された接着面17aと対向した状態で、接着面17aに設けられた層状の接着剤22によって電解質膜17と接合されている。
The
なお、樹脂フレーム21は、エポキシ、フェノールなどの熱硬化性樹脂、もしくはポリプロピレン、ポリエチレンなどの熱可塑性樹脂製である。接着剤22としては、例えばシリコーン、ポリイソブチレン、エポキシ、ウレタンなどの熱硬化性の接着樹脂を用いることができ、又は紫外線(UV)硬化性の接着樹脂等を用いることができる。
The
本実施形態において、MEGA11及び樹脂フレーム21は、フレーム付き膜電極接合体20を構成している。すなわち、フレーム付き膜電極接合体20は、MEGA11と、該MEGA11の外周に配置されるとともに電解質膜17の外縁部に設けられた接着面17aに接着される樹脂フレーム21とを備える構造となっている。
In the present embodiment, the
以下、図2及び図3を参照してフレーム付き膜電極接合体20の製造方法を説明する。フレーム付き膜電極接合体20の製造方法は、MEGA11と樹脂フレーム21とをそれぞれ準備する準備工程S1と、MEGA11の電解質膜17の接着面17aに第1幅W1を有する接着剤22aを塗布する第1幅の接着剤塗布工程S2と、第1幅W1を有する接着剤22aの中央位置に第1幅W1よりも小さい第2幅W2を有する接着剤22bを塗布する第2幅の接着剤塗布工程S3と、第2幅W2を有する接着剤22bの上に樹脂フレーム21を配置するフレーム配置工程S4と、接着剤を硬化する硬化工程S5とを含む。
Hereinafter, a method for manufacturing the
まず、準備工程S1では、外縁部に接着面17aが形成された電解質膜17を備えるMEGA11と、突出部21bを有する樹脂フレーム21とがそれぞれ作製される。
First, in the preparation step S1, a
準備工程S1に続く第1幅の接着剤塗布工程S2では、MEGA11の接着面17aの所定位置に第1幅W1を有する接着剤22aを塗布する(図3(a)参照)。塗布作業は、例えばスクリーン印刷で枠状の接着面17aに沿って行われる。なお、ここでの「幅」とは、接着面17aの幅方向に沿う長さのことを意味する。そして、第1幅W1は接着面17aの幅よりも小さい。
In the first width adhesive application step S2 following the preparation step S1, the adhesive 22a having the first width W1 is applied to a predetermined position on the
第1幅の接着剤塗布工程S2に続く第2幅の接着剤塗布工程S3では、塗布した第1幅W1を有する接着剤22aの中央位置に第2幅W2を有する接着剤22bを塗布する。第2幅W2を有する接着剤22bの塗布作業もスクリーン印刷で行われる。そして、第2幅W2は第1幅W1よりも小さい。これにより、接着面17aにおいて、塗布された第1幅W1の接着剤22aと第2幅W2の接着剤22bとが階段状になっている(図3(b)参照)。
In the second width adhesive application step S3 following the first width adhesive application step S2, the adhesive 22b having the second width W2 is applied to the center position of the applied adhesive 22a having the first width W1. The application work of the adhesive 22b having the second width W2 is also performed by screen printing. The second width W2 is smaller than the first width W1. As a result, on the
第2幅の接着剤塗布工程S3に続くフレーム配置工程S4では、準備工程S1で作製された樹脂フレーム21を、その突出部21bがMEGA11の接着面17aと対向するように第2幅W2を有する接着剤22bの上に配置する(図3(c)参照)。次に、樹脂フレーム21の重さ又は加圧で、第1幅W1を有する接着剤22a及び第2幅W2を有する接着剤22bを接着面17aに押し広げる。これによって、階段状の接着剤22a及び接着剤22bは、押圧されて接着面17a全面に行きわたるように広がっていく。これに伴い、接着剤22a及び接着剤22bに含まれた気泡が押し出され、MEGA11又は樹脂フレーム21との間の隙間に移動する(図3(c)の矢印参照)。
In the frame arrangement step S4 following the adhesive application step S3 of the second width, the
フレーム配置工程S4に続く硬化工程S5では、接着剤22a及び接着剤22bを硬化する。接着剤22a及び接着剤22bに熱硬化性の接着樹脂を用いる場合には加熱で接着剤22a及び接着剤22bを硬化すれば良く、紫外線硬化性の接着樹脂を用いる場合には紫外線照射で硬化すれば良い。これによって、フレーム付き膜電極接合体20が製造される。
In the curing step S5 following the frame arrangement step S4, the adhesive 22a and the adhesive 22b are cured. When a thermosetting adhesive resin is used for the adhesive 22a and the adhesive 22b, the adhesive 22a and the adhesive 22b may be cured by heating, and when an ultraviolet curable adhesive resin is used, it is cured by ultraviolet irradiation. Just do it. As a result, the
本実施形態に係るフレーム付き膜電極接合体20の製造方法では、接着剤塗布工程が第1幅の接着剤塗布工程S2と第2幅の接着剤塗布工程S3に分けられており、しかも第2幅W2が第1幅W1よりも小さいので、塗布された第1幅W1の接着剤22aと第2幅W2の接着剤22bとが階段状になる。このため、フレーム配置工程S4で樹脂フレーム21が配置されると、塗布された接着剤22a,22bとMEGA11との間、接着剤22a,22bと樹脂フレーム21との間にそれぞれ隙間が生じる。
In the method for manufacturing the
そして、配置された樹脂フレーム21の重さ又は加圧によって、第1幅W1を有する接着剤22a及び第2幅W2を有する接着剤22bが接着面17aに広がり、これに伴い接着剤22a,22bに含まれた気泡が押し出され、上述した隙間に移動することができる。その結果、接着剤22a,22bに含まれた気泡が抜けやすくなり、気泡を除去する時間を短縮できるので、生産性の向上を図ることが可能になる。
Then, due to the weight or pressure of the arranged
以下、本発明を実施例により説明するが、本発明は実施例の範囲に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to Examples, but the present invention is not limited to the scope of the Examples.
<実施例>
実施例では、上述の製造方法に従い、MEGAの電解質膜の上に第1幅を有する接着剤と第2幅を有する接着剤を順に塗布した後に、第2幅を有する接着剤の上に樹脂フレームを配置することでフレーム付き膜電極接合体を作製した。更に、作製したフレーム付き膜電極接合体20に対し、接着剤に含まれた気泡抜きの効果を確認した。気泡抜きの効果の確認は、図4に示す最大気泡サイズ及び最小シール幅を調べることにより行った。図4に示すように、最大気泡サイズは、気泡サイズAと気泡サイズBとの和であり、すなわち、最大気泡サイズ=気泡サイズA+気泡サイズBである。一方、最小シール幅=シール長さ−(気泡サイズA+気泡サイズB)である。なお、図4に示すシールは接着剤のことであり、従って図4に示す「シール長さ」は接着剤の厚さである。
<Example>
In the embodiment, the adhesive having the first width and the adhesive having the second width are sequentially applied on the electrolyte membrane of MEGA according to the above-mentioned manufacturing method, and then the resin frame is placed on the adhesive having the second width. A membrane electrode assembly with a frame was prepared by arranging. Further, the effect of removing air bubbles contained in the adhesive was confirmed on the prepared
<比較例>
また、比較のために、実施例と同じ条件においてMEGAの電解質膜の上に接着剤を一回のみ塗布したサンプルを作製し、作製したサンプルについて、実施例と同様に最大気泡サイズ及び最小シール幅を調べた。
<Comparison example>
For comparison, a sample was prepared by applying the adhesive only once on the MEGA electrolyte membrane under the same conditions as in the example, and the prepared sample had the maximum bubble size and the minimum seal width as in the example. I examined.
実施例及び比較例の確認結果を図5に示す。図5から分かるように、比較例と比べて実施例の方は、最大気泡サイズが約0.8mm縮小し(図5(a)参照)、最小シール幅が約0.9mm(図5(b)参照)拡大した結果であった。これによって、本発明の製造方法によれば接着剤に含まれた気泡が抜けやすくなり、気泡抜きを改善できることが示された。 The confirmation results of Examples and Comparative Examples are shown in FIG. As can be seen from FIG. 5, in the example, the maximum bubble size is reduced by about 0.8 mm (see FIG. 5 (a)) and the minimum seal width is about 0.9 mm (FIG. 5 (b)) as compared with the comparative example. )) It was an enlarged result. As a result, it was shown that according to the production method of the present invention, air bubbles contained in the adhesive can be easily removed, and air bubble removal can be improved.
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述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 are designed without departing from the spirit of the present invention described in the claims. It is something that can be changed.
1 燃料電池
10 燃料電池セル
11 MEGA
12 アノード側セパレータ
13 カソード側セパレータ
14 MEA
15 アノード側ガス拡散層
16 カソード側ガス拡散層
17 電解質膜
17a 接着面
18 アノード側電極触媒層
19 カソード側電極触媒層
20 フレーム付き膜電極接合体
21 樹脂フレーム
21a フレーム本体
21b 突出部
22 接着剤
23 ガスケット
1 Fuel cell 10
12 Anode side separator 13 Cathode side separator 14 MEA
15 Anode side
Claims (1)
前記電解質膜の前記接着面に第1幅を有する接着剤を塗布する第1幅の接着剤塗布工程と、
第1幅を有する接着剤の中央位置に、第1幅よりも小さい第2幅を有する接着剤を塗布する第2幅の接着剤塗布工程と、
第1幅を有する接着剤及び第2幅を有する接着剤を前記接着面に押し広げるように、前記樹脂フレームを第2幅を有する接着剤の上に配置するフレーム配置工程と、
を含むことを特徴とするフレーム付き膜電極接合体の製造方法。
A framed membrane electrode assembly comprising a membrane electrode assembly having an electrolyte membrane and a resin frame arranged on the outer periphery of the membrane electrode assembly and adhered to an adhesive surface provided on an outer edge of the electrolyte membrane. It is a manufacturing method of
A first-width adhesive application step of applying an adhesive having a first width to the adhesive surface of the electrolyte membrane, and
A second width adhesive application step of applying an adhesive having a second width smaller than the first width to the center position of the adhesive having the first width,
A frame arranging step of arranging the resin frame on the adhesive having a second width so as to spread the adhesive having the first width and the adhesive having the second width on the adhesive surface.
A method for manufacturing a membrane electrode assembly with a frame, which comprises.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2019039144A JP2020145011A (en) | 2019-03-05 | 2019-03-05 | Manufacturing method of membrane electrode assembly with frame |
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