JP4085385B2 - 3層のmea膜を固定保持する方法および接合方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell 以下PEFC)用の膜−電極接合体(Membrane-Electrode Assembly以下MEA)を接合させる前のMEA(3層の膜)を固定保持する方法および接合方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来電極周辺の膜部分にしわが発生しない平坦な固体高分子型燃料電池用膜−電極接合体の製造方法として、金属製プレス板/弾性ゴム/離型剤シート/電極/イオン交換膜/電極/離型剤シート/弾性ゴム/金属プレス板を順に積層してなる積層体に対し120〜200℃でホットプレスを行った後、前記積層体を冷却し、電極/イオン交換膜/電極からなる膜・電極接合体の温度が100℃以下になった後、金属製プレス板/弾性ゴム/離型剤シートからなる構成材を前記積層体の両側から剥離して固体高分子型燃料電池用膜−電極接合体を得る方法が公知にされている(例えば特許文献1参照)。
なお従来PEFC用MEAは、厚さ約50μm程度の固体高分子膜を、対をなす二枚の厚さ約0.3〜0.4mm程度のカーボンシートもしくはカーボンクロス製の電極膜で挟み込んだ3層構造をしている。固体高分子膜は、電極膜の外寸よりも約5〜30mm程度大きくカットされる。この飛び出した部分を両側から環状のパッキンを介して、導電性のセパレータで挟み込み固定する。この状態がPEFCの単セルとなる。固体高分子膜が大きいのは、電極膜間の絶縁体の役割と、それぞれの電極膜に供給される酸素と水素が直接接触しない為の遮断壁の役割をする為である。
【0003】
【特許文献1】
特開2003−36862号公報(第1〜5頁)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の固体高分子型燃料電池用膜−電極接合体を得る方法では、下記の問題点がある。
表面が平坦な均熱盤でMEAを挟み込んでホットプレスを行う際、電極膜よりも飛び出した固体高分子膜の端部はプレス圧力がかからない為、熱膨張により、端部のみ大きくたわんだり、しわが入ってしまい、パッキンで挟み込んだ際の気密性が低下する。また、MEA全体にもしわが発生し、セパレータとの接触面積が減少するため発電効率が低下する。
【0005】
3層の膜に分割された接合前のMEAを搬送する際、例えば3層の膜を重ね合わせるセットポジションからホットプレス部への搬送など、膜自体の重量は非常に軽いので僅かな衝撃でも各膜の位置がずれてしまう。膜の位置がずれたまま接合したMEAは発電効率が低下してしまう。すなわち図4に示すように、固体高分子膜Aの飛び出し部Xには全く圧力がかからずフリーの状態であるため、ホットプレスを行うと固体高分子膜Aの加圧されている部分は熱膨張を抑えられているのに対して、飛び出し部Xは熱膨張し、これが冷却されると飛び出し部Xが収縮し、しわが発生したり、MEA全体が大きくたわんだりする。
また、従来のホットプレス方式では手作業でMEAをセット、取り出しするため、高温下では作業できず、室温状態の均熱盤間にMEAをセットした後、所定温度まで昇温、温度キープ、室温まで冷却を1プレス毎に繰り返さなくてはならず、均熱盤の昇温、冷却に多くのエネルギーと時間が必要であった。
【0006】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたもので、各膜の熱膨張によるしわの発生防止、搬送中の位置ずれ防止、処理時間の短縮等を実現できる固体高分子型燃料電池用の膜に電極接合体を接合させる際の3層のMEA膜を固定保持する方法および接合方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の3層のMEA膜を固定保持する方法は、接合前のMEAの固体高分子膜よりも全周囲を5〜3mm程度小さくカットされた電極膜B1、B2を対をなして配し、金属製のシート固定枠2Aに取り付けた可撓性シート1Aの上面に載置する工程と、可撓性シート1を取り付けた金属製のシート固定枠2を環状パッキン3を介して前記金属製のシート固定枠2Aの上部に重合させ、固定する工程と、前記可撓性シート1、1A、シート固定枠2、2A、環状パッキン3により画成された密閉室Wの空気を前記金属製のシート固定枠2Aまたはシート固定枠2に形成される外気に連通する貫通穴4を通して排気し、該密閉室Wを減圧し、前記可撓性シート1と可撓性シート1Aを撓ませて接合前のMEAの各膜を固定する工程と、からなることを特徴とする。
【0008】
また、本発明の3層のMEA膜の接合方法は、上記各工程を用い、接合前のMEAの搬送、ホットプレス、接合後の前記3層のMEA膜の搬送および冷却を行うことを特徴とする。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面に基づいて詳しく説明する。図1にホットプレス前のワークである接合前のMEA1セット分を準備した状態の模式図を示す。厚さ約50μm程度の固体高分子膜Aの上下に対をなして、厚さ約0.3〜0.4mm程度の電極膜B1、B2を配する。固体高分子膜Aと電極膜B1、B2の間にはそれぞれ図示されない触媒層および撥水層が形成されている。固体高分子膜Aは、電極膜B1、B2に対して約5〜30mm程度図中X分大きくカットされている。この固体高分子膜Aと電極膜B1、B2を加熱圧着し接合したものを膜−電極接合体(Membrane-Electrode Assembly)略してMEAと呼んでいる。
【0010】
このMEAを金属性のシート固定枠2Aに取り付けた可撓性シート1A上面に載置する。この時生産性をあげるためMEAを複数セット並べて載置してもよい。また前記MEA上面を挟み込む様に、金属性のシート固定枠2に取り付けた可撓性シート1を配する。可撓性シート1、1Aはテフロン(登録商標)、フッ素、ポリエステル製の可撓性のある素材で、シート厚みは約0.1〜0.2mm程度のものを用いる。この可撓性シート1、1Aを金属製のシート固定枠2、2Aにそれぞれ耐熱性の接着剤、両面テープやパッキンを介して押さえ板をボルト締め等で可撓性シート1、1Aとシート固定枠2、2Aの接触面からエアーが漏れないよう固定する。
【0011】
シート固定枠2、2Aのいずれかにはシート固定枠2、2Aを接触させた際、エアーが漏れないように環状パッキン3を耐熱性の接着剤、両面テープ等で取り付けてある。また、シート固定枠2、2Aのいずれかには、可撓性シート1、1A、シート固定枠2、2A、環状パッキン3により画成された密閉室Wと外気を連通する貫通穴4が最低1箇所設けてある。この貫通穴4には図示されないエアーチューブを介して真空ポンプを接続する。
【0012】
図2に、可撓性シート1、1A、シート固定枠2、2A、環状パッキン3により画成された密閉室W内の空気を貫通穴4から図示されないエアーチューブを介して真空ポンプにより排気し、密閉室W内を減圧した状態を示す。密閉室W内をおよそ−90〜−100kPaG程度の真空状態で維持すると、可撓性シート1、1Aは撓いMEAに密着し、約0.1MPaの押圧がMEA全面に渡って均等にかかり、圧着前のMEAの各膜がずれないように固定される。
【0013】
図3に、ホットプレス時の模式図を示す。図中5、5Aはホットプレスの際、図示されないヒータを埋め込んだり貼り付けたりした均熱盤を示す。図2の通り、密閉室Wを減圧し、MEAを固定した状態を維持したままホットプレスを行う。対向した均熱盤5、5Aで可撓性シート1、1Aの上下方向から図示されないプレス機構によって挟み込む。この時のプレス条件として加圧力約0.7〜2.0MPa、MEAの内部温度が約120〜150℃に到達するまでプレスを行う。MEAの内部温度が目標温度に到達した時点でホットプレスを完了し均熱盤5、5Aを外し、減圧状態を維持したままホットプレス装置から治具ごと取り出し、図示されない送風機により室温まで治具、MEAを冷却し接合した膜−電極接合体MEAを得る。
【0014】
【発明の効果】
上記の説明から明らかなように、本発明は二枚の可撓性シートを配したシート固定枠により、接合前のMEAを1セット又は数セット挟み込み減圧し固定することにより、搬送中の各膜の位置ズレを防止し、且つ減圧状態を維持したままホットプレス、冷却を連続して行うことにより固体高分子膜の飛び出し部のしわの発生、MEA全体のたわみの発生を防止し、接着強度に優れ、発電効率の良いPEFC用MEAを効率良く生産することができる。なお、一度に可撓性シートに挟み込めるMEAの数は4セットを最適とし、10セットまでは可能である。この範囲であればMEA内を均一に減圧し、固定することができる。
また、MEAのセット、取出しはホットプレス装置外でできる為、均熱盤は常に一定温度にキープしておけば良く、冷却する必要も無いため、消費エネルギーの削減、冷却機構が不要のためホットプレス装置の構造簡素化、急速昇温を繰り返す必要が無いためヒータ寿命延長等の利点が得られ、冷却を行う際、均熱盤の冷却は不要であり、装置外で治具、MEAのみ送風機により冷却すれば良いため、治具、MEAの熱容量は僅かであり冷却時間の短縮、冷却装置の簡素化等冷却効率が良い、などの優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】接合前のMEA1セット分を準備した状態を示す模式図である。
【図2】密閉室内を減圧下状態を示す模式図である。
【図3】MEAをホットプレスする状態を示す模式図である。
【図4】従来のホットプレスの模式図である。
【符号の説明】
A 固体高分子膜
B1 B2 電極膜
1 1A 可撓性シート
2 2A シート固定枠
3 環状パッキン
4 貫通穴
5 5A 均熱盤
Claims (3)
- 接合前のMEAの固体高分子膜Aよりも全周囲を5〜3mm程度小さくカットされた電極膜B1、B2を対をなして配し、金属製のシート固定枠2Aに取り付けた可撓性シート1Aの上面に載置する工程と、可撓性シート1を取り付けた金属製のシート固定枠2を環状パッキン3を介して前記金属製のシート固定枠2Aの上部に重合させ、固定する工程と、前記可撓性シート1、1A、シート固定枠2、2A、環状パッキン3により画成された密閉室Wの空気を前記金属製のシート固定枠2Aまたはシート固定枠2に形成される外気に連通する貫通穴4を通して排気し、該密閉室Wを減圧し、前記可撓性シート1と可撓性シート1Aを撓ませて接合前のMEAの各膜を固定する工程と、からなることを特徴とする3層のMEA膜を固定保持する方法。
- 前記MEAを可撓性シート1Aの上部に複数セット載置することを特徴とする請求項1記載の3層のMEA膜を固定保持する方法。
- 前記接合前のMEAに対し請求項1乃至請求項2のいずれか1項記載の方法を用い、接合前のMEAの搬送、ホットプレス、接合後の前記3層のMEA膜の搬送および冷却を行うことを特徴とする3層のMEA膜の接合方法。
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