JP4438475B2 - Manufacturing method of membrane electrode assembly - Google Patents
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Description
本発明は、膜電極接合体の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a membrane electrode assembly.
燃料電池は、外部から燃料と酸素とを連続的に供給し、電気化学的に反応させて電気エネルギを取り出すものである。燃料電池は、他の発電方式に比べて高効率で二酸化炭素の排出量が少ないため、環境問題が顕著になっている近年注目されている。
例えば高分子電解質形燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC)は、低い温度で動作が可能で起動時間が短く、小型化も可能である。この高分子電解質形燃料電池は、高分子固体電解質膜を空気側電極と燃料側電極とで挟んだ構造のMEA(Membrane Electrode Assembly)を備え、空気側電極に空気(酸素)を供給し、燃料側電極にメタノールや改質した水素などの燃料を供給することにより、電気化学的反応が起こり電力が発生する。
このような燃料電池では、各電極と燃料および空気(酸素)との反応効率を高めて燃料電池の出力を向上させるために、各電極と燃料および空気(酸素)との接触面積を大きくした構造のものなどが提案されている(例えば、特許文献1参照)。この燃料電池では、電解質膜、アノード電極、およびカソード電極が接合された接合体に凹凸が形成されている。この凹凸を形成する場合には、あらかじめプレスや切削などによって形成された凹凸を有するアノード電極上に、電解質膜およびカソード電極を接合して、膜電極接合体を製造する。
A fuel cell continuously supplies fuel and oxygen from the outside and reacts electrochemically to extract electric energy. Fuel cells have been attracting attention in recent years because environmental problems have become more prominent because they are more efficient and emit less carbon dioxide than other power generation methods.
For example, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) can operate at a low temperature, has a short start-up time, and can be downsized. This polymer electrolyte fuel cell is equipped with a MEA (Membrane Electrode Assembly) having a structure in which a polymer solid electrolyte membrane is sandwiched between an air side electrode and a fuel side electrode, and supplies air (oxygen) to the air side electrode. By supplying a fuel such as methanol or reformed hydrogen to the side electrode, an electrochemical reaction occurs and electric power is generated.
In such a fuel cell, a structure in which the contact area between each electrode and the fuel and air (oxygen) is increased in order to improve the output efficiency of the fuel cell by increasing the reaction efficiency between each electrode and the fuel and air (oxygen). Have been proposed (see, for example, Patent Document 1). In this fuel cell, concavities and convexities are formed in the joined body in which the electrolyte membrane, the anode electrode, and the cathode electrode are joined. In the case of forming the unevenness, the membrane electrode assembly is manufactured by bonding the electrolyte membrane and the cathode electrode on the anode electrode having the unevenness formed in advance by pressing or cutting.
しかしながら、このような構造の燃料電池では、アノード電極には予め凹凸が形成されているため、電解質膜をこの凹凸に沿って形成することが困難である。このため、電解質膜がアノード電極の凹凸になじみにくく、アノード電極と電解質膜との接触を良好にすることができない。したがって、燃料電池の反応効率を十分に良好にすることができない。 However, in the fuel cell having such a structure, since the unevenness is formed in advance on the anode electrode, it is difficult to form the electrolyte membrane along the unevenness. For this reason, the electrolyte membrane is not easily adapted to the unevenness of the anode electrode, and the contact between the anode electrode and the electrolyte membrane cannot be improved. Therefore, the reaction efficiency of the fuel cell cannot be made sufficiently good.
本発明の目的は、電極と電解質膜との接触を良好にできる膜電極接合体の製造方法を提供することにある。 The objective of this invention is providing the manufacturing method of the membrane electrode assembly which can make the contact of an electrode and an electrolyte membrane favorable.
本発明の膜電極接合体の製造方法は、電解質膜と、この電解質膜の表面に形成された電極とを備えた膜電極接合体の製造方法であって、電極の表面に形成される凹凸面に対して、凹凸面の形状に対応した形状のプレス型で、多孔性膜にプロトン伝導性を有する電解質材料が含浸された電解質膜を押圧する膜プレス工程を備えたことを特徴とする。
この発明によれば、膜プレス工程によって、電極の凹凸面に対して電解質膜が押圧されると、電解質膜中の繊維がある程度伸長して当該凹凸面に追従する。したがって、電解質膜が電極の凹凸面に良好になじみ、電解質膜と電極との接触が良好となる。
また、電解質膜は、多孔性膜に予め電解質材料が含浸されて構成されているので、膜プレス工程を行った後に電解質材料を含浸させる必要がなく、膜電極接合体の製造工程が簡略化される。
The method for producing a membrane / electrode assembly of the present invention is a method for producing a membrane / electrode assembly comprising an electrolyte membrane and an electrode formed on the surface of the electrolyte membrane, and an uneven surface formed on the surface of the electrode. On the other hand, a press mold having a shape corresponding to the shape of the concavo-convex surface includes a membrane pressing step of pressing an electrolyte membrane impregnated with an electrolyte material having proton conductivity in a porous membrane.
According to the present invention, when the electrolyte membrane is pressed against the uneven surface of the electrode by the membrane pressing step, the fibers in the electrolyte membrane extend to some extent and follow the uneven surface. Therefore, the electrolyte membrane is well adapted to the uneven surface of the electrode, and the contact between the electrolyte membrane and the electrode is good.
Further, since the electrolyte membrane is configured by impregnating a porous membrane with an electrolyte material in advance, it is not necessary to impregnate the electrolyte material after the membrane pressing step, and the manufacturing process of the membrane electrode assembly is simplified. The
本発明の膜電極接合体の製造方法は、電解質膜と、この電解質膜の表面に形成された電極とを備えた膜電極接合体の製造方法であって、電極の表面に形成される凹凸面に対して、凹凸面の形状に対応した形状のプレス型で、多孔性膜を押圧する膜プレス工程と、多孔性膜にプロトン伝導性を有する電解質材料を含浸させて電解質膜を形成する電解質含浸工程とを備えたことを特徴とする。
この発明によれば、膜プレス工程によって、電極の凹凸面に対して多孔性膜が押圧されると、多孔性膜中の繊維がある程度伸長して当該凹凸面に追従する。その後、電解質含浸工程により、多孔性膜に電解質材料を含浸させて電解質膜を形成する。
膜プレス工程が設けられているので、多孔性膜が電極の凹凸面に良好になじみ、多孔性膜と電極との接触が良好となる。
The method for producing a membrane / electrode assembly of the present invention is a method for producing a membrane / electrode assembly comprising an electrolyte membrane and an electrode formed on the surface of the electrolyte membrane, and an uneven surface formed on the surface of the electrode. On the other hand, with a press die having a shape corresponding to the shape of the uneven surface, a membrane pressing step for pressing the porous membrane, and an electrolyte impregnation for forming an electrolyte membrane by impregnating the porous membrane with an electrolyte material having proton conductivity And a process.
According to the present invention, when the porous membrane is pressed against the uneven surface of the electrode by the membrane pressing step, the fibers in the porous film extend to some extent and follow the uneven surface. Thereafter, an electrolyte membrane is formed by impregnating the porous membrane with an electrolyte material in an electrolyte impregnation step.
Since the membrane pressing step is provided, the porous membrane is well adapted to the uneven surface of the electrode, and the contact between the porous membrane and the electrode is good.
本発明では、膜プレス工程と同時に、多孔性膜または電解質膜に振動を加える加振工程を備えたことが望ましい。
この発明によれば、加振工程が設けられているので、膜プレス工程で多孔性膜または電解質膜が振動されることにより、多孔性膜中または電解質膜中の繊維が破断されて、電極の凹凸面の形状に追従しやすくなる。また、膜プレス工程で電解質材料が含浸されていない多孔性膜を凹凸面にプレスする場合には、加振工程によって多孔性膜中の繊維が短繊維化し、繊維密度が向上して電解質材料の吸収力が向上するので、その後の電解質含浸工程において電解質材料が多孔性膜に良好に含浸され、プロトン伝導性が良好となる。
In the present invention, it is desirable to provide a vibration step for applying vibration to the porous membrane or the electrolyte membrane simultaneously with the membrane pressing step.
According to the present invention, since the vibration process is provided, the fibers in the porous film or the electrolyte membrane are broken by vibrating the porous film or the electrolyte film in the membrane pressing process, so that the electrode It becomes easy to follow the shape of the uneven surface. In addition, when a porous membrane that is not impregnated with an electrolyte material is pressed on an uneven surface in the membrane pressing step, the fibers in the porous membrane are shortened by the vibration step, and the fiber density is improved and the electrolyte material Since the absorptive power is improved, the porous membrane is satisfactorily impregnated with the electrolyte material in the subsequent electrolyte impregnation step, and the proton conductivity is improved.
本発明では、膜プレス工程の前に、多孔性膜または電解質膜を収縮させる収縮工程を備えたことが望ましい。
この発明によれば、収縮工程により、膜プレス工程の前に予め多孔性膜または電解質膜が収縮される。この状態で膜プレス工程を行うと、収縮された多孔性膜または電解質膜が伸長しながら電極の凹凸面に沿って変形し、当該凹凸面になじむ。収縮工程で多孔性膜または電解質膜が予め収縮されているので、膜プレス工程では多孔性膜または電解質膜が破れることなく凹凸面に良好に追従する。したがって、膜プレス工程での膜の破断が良好かつ確実に防止され、歩留まりが向上する。
In the present invention, it is desirable to provide a shrinking step for shrinking the porous membrane or the electrolyte membrane before the membrane pressing step.
According to this invention, the porous membrane or the electrolyte membrane is contracted in advance by the contraction step before the membrane pressing step. When the membrane pressing step is performed in this state, the contracted porous membrane or electrolyte membrane is deformed along the concavo-convex surface of the electrode while being stretched, and conforms to the concavo-convex surface. Since the porous membrane or the electrolyte membrane is previously shrunk in the shrinking process, the porous film or the electrolyte membrane follows the uneven surface well without being broken in the membrane pressing step. Therefore, breakage of the film in the film pressing process is reliably and reliably prevented, and the yield is improved.
本発明の膜電極接合体の製造方法は、電解質膜と、この電解質膜の表面に形成された電極とを備えた膜電極接合体の製造方法であって、電極の表面に形成される凹凸面上に、電解質膜を形成するための電解質膜用材料を繊維状に積層して多孔性膜を形成する多孔性膜形成工程と、多孔性膜に、プロトン伝導性を有する電解質材料を含浸させる電解質含浸工程とを備えたことを特徴とする。
この発明によれば、多孔性膜形成工程では、電極の凹凸面上に繊維状の電解質膜用材料を積層して多孔性膜を形成する。その後、電解質含浸工程で、積層された多孔性膜に電解質材料を含浸させて、プロトン伝導性を有する電解質膜を形成する。
電解質膜用材料を凹凸面上に直接積層するので、多孔性膜が電極の凹凸面に良好に追従して形成され、両者の接触が良好になる。また、電解質膜用材料を繊維状に積層するので、電解質含浸工程において電解質材料の吸収保持が良好となり、電解質膜材料が良好に多孔性膜に含浸されることにより、電解質膜のプロトン伝導性が良好となる。
The method for producing a membrane / electrode assembly of the present invention is a method for producing a membrane / electrode assembly comprising an electrolyte membrane and an electrode formed on the surface of the electrolyte membrane, and an uneven surface formed on the surface of the electrode. A porous film forming step for forming a porous film by laminating electrolyte membrane materials for forming an electrolyte film on a fiber, and an electrolyte for impregnating the porous film with an electrolyte material having proton conductivity And an impregnation step.
According to this invention, in the porous membrane forming step, the porous membrane is formed by laminating the fibrous electrolyte membrane material on the uneven surface of the electrode. Thereafter, in the electrolyte impregnation step, the laminated porous membrane is impregnated with an electrolyte material to form an electrolyte membrane having proton conductivity.
Since the electrolyte membrane material is directly laminated on the concavo-convex surface, the porous film is formed to follow the concavo-convex surface of the electrode satisfactorily, and the contact between the two becomes good. In addition, since the electrolyte membrane material is laminated in a fibrous form, the electrolyte material is well absorbed and retained in the electrolyte impregnation step, and the electrolyte membrane material is well impregnated into the porous membrane, so that the proton conductivity of the electrolyte membrane is improved. It becomes good.
本発明では、多孔性膜形成工程は、電解質膜用材料を溶解し、この溶解された電解質膜用材料を凹凸面に対して繊維状に噴霧する噴霧工程を備えたことが望ましい。
この発明によれば、噴霧工程で、溶解された電解質膜用材料を噴霧することにより、電解質膜用材料が繊維状に積層される。したがって、予め電解質膜用材料を繊維状に形成する必要がなく、膜電極接合体の製造工程が簡略化する。
In the present invention, it is desirable that the porous membrane forming step includes a spraying step of dissolving the electrolyte membrane material and spraying the dissolved electrolyte membrane material in a fibrous form on the uneven surface.
According to this invention, the electrolyte membrane material is laminated in a fibrous form by spraying the dissolved electrolyte membrane material in the spraying step. Therefore, it is not necessary to previously form the electrolyte membrane material in a fiber shape, and the manufacturing process of the membrane electrode assembly is simplified.
本発明では、多孔性膜形成工程は、繊維状に形成された電解質膜用材料を溶媒中に分散させて、溶媒に電解質膜用材料が分散された溶液を凹凸面に対して噴霧する噴霧工程と、溶液中の溶媒を蒸発させる蒸発工程とを備えたことが望ましい。
この発明によれば、噴霧工程で、繊維状の電解質膜用材料が分散された溶液を噴霧することにより、繊維状の電解質膜用材料が凹凸面に積層される。その後、蒸発工程で溶媒を蒸発させることにより、電極の凹凸面に繊維状の多孔性膜が形成される。
電解質膜用材料を溶媒中に分散させるので、電解質膜用材料を液体として扱うことが可能となり、凹凸面への噴霧が容易となり、電解質膜用材料の取扱性が良好となる。また、予め電解質膜用材料が繊維状に形成されているので、多孔性膜の孔径や空隙率などの電解質膜の特性の調整が容易となる。さらに、電解質膜用材料を溶解する必要がないので、加熱などの溶解手段が不要となり、多孔性膜形成工程の作業が簡略化される。
In the present invention, the porous membrane forming step is a spraying step of dispersing the electrolyte membrane material formed in a fiber shape in a solvent and spraying a solution in which the electrolyte membrane material is dispersed in the solvent onto the uneven surface. And an evaporation step for evaporating the solvent in the solution.
According to this invention, the fibrous electrolyte membrane material is laminated on the uneven surface by spraying the solution in which the fibrous electrolyte membrane material is dispersed in the spraying step. Then, a fibrous porous film is formed on the uneven surface of the electrode by evaporating the solvent in the evaporation step.
Since the electrolyte membrane material is dispersed in the solvent, the electrolyte membrane material can be handled as a liquid, spraying on the uneven surface is facilitated, and the handleability of the electrolyte membrane material is improved. In addition, since the electrolyte membrane material is formed in a fiber shape in advance, it is easy to adjust the characteristics of the electrolyte membrane such as the pore diameter and porosity of the porous membrane. Furthermore, since there is no need to dissolve the electrolyte membrane material, no melting means such as heating is required, and the work of the porous membrane forming process is simplified.
本発明では、多孔性膜形成工程は、電解質膜用材料を凹凸面に対して押圧するプレス工程を備えたことが望ましい。
この発明によれば、多孔性膜形成工程がプレス工程を備えているので、電解質膜用材料が凹凸面に押圧されて当該凹凸面の形状に良好に追従して、両者の接触がより一層良好となる。
In the present invention, it is desirable that the porous film forming step includes a pressing step of pressing the electrolyte membrane material against the uneven surface.
According to the present invention, since the porous film forming step includes a pressing step, the electrolyte membrane material is pressed against the uneven surface to better follow the shape of the uneven surface, and the contact between the two is even better. It becomes.
本発明では、プレス工程と同時に、電解質膜用材料に振動を加える加振工程を備えたことが望ましい。
この発明によれば、加振工程を備えているので、プレス工程で電解質膜用材料が振動されることにより、繊維状の電解質膜用材料が破断され、電極の凹凸面の形状に追従しやすくなる。また、電解質膜用材料の短繊維化により繊維密度が向上し、電解質材料の吸収力が向上するので、その後の電解質含浸工程において、電解質材料が多孔性膜に良好に含浸され、プロトン伝導性が良好となる。
In the present invention, it is desirable to provide a vibration process for applying vibration to the electrolyte membrane material simultaneously with the pressing process.
According to this invention, since the vibration process is provided, the electrolyte membrane material is vibrated in the pressing process, so that the fibrous electrolyte membrane material is broken and easily follows the shape of the uneven surface of the electrode. Become. In addition, since the fiber density is improved by shortening the fiber for the electrolyte membrane material and the absorbability of the electrolyte material is improved, the porous membrane is well impregnated in the subsequent electrolyte impregnation step, and the proton conductivity is improved. It becomes good.
本発明では、プレス工程と同時に、電解質膜用材料を加熱する加熱工程を備えたことが望ましい。
この発明によれば、加熱工程を備えているので、プレス工程で電解質膜材料が加熱されることにより、電解質膜材料が軟化して凹凸面に良好に追従する。または加熱により電解質膜用材料が溶解した場合には、繊維が互いに良好に接着して多孔性膜の構成が強固になるとともに、多孔性膜と電極との接触がより一層良好となる。
In the present invention, it is desirable to include a heating step of heating the electrolyte membrane material simultaneously with the pressing step.
According to this invention, since the heating step is provided, the electrolyte membrane material is heated in the pressing step, so that the electrolyte membrane material softens and follows the uneven surface well. Alternatively, when the electrolyte membrane material is dissolved by heating, the fibers adhere well to each other and the configuration of the porous membrane is strengthened, and the contact between the porous membrane and the electrode is further improved.
本発明では、多孔性膜形成工程の前に、電解質膜用材料に、接着剤を混合する混合工程を備えたことが望ましい。
この発明によれば、混合工程を備えているので、多孔性膜形成工程で電解質膜用材料を凹凸面に積層すると、接着剤によって積層された繊維状の多孔性膜が接着剤により互いに接着する。したがって、多孔性膜の形状の保持が容易になるとともに、電極との接触がより一層良好となる。
In the present invention, it is desirable to provide a mixing step of mixing an adhesive with the electrolyte membrane material before the porous membrane forming step.
According to this invention, since the mixing step is provided, when the electrolyte membrane material is laminated on the uneven surface in the porous membrane forming step, the fibrous porous membranes laminated by the adhesive are bonded to each other by the adhesive. . Therefore, the shape of the porous film can be easily maintained and the contact with the electrode can be further improved.
本発明では、多孔性膜形成工程の後に、多孔性膜に接着剤を噴霧する接着剤噴霧工程を備えたことが望ましい。
この発明によれば、接着剤噴霧工程を備えているので、電極の凹凸面に多孔性膜を形成した後、多孔性膜上に接着剤が噴霧され、多孔性膜の凹凸面上での形状が良好に保持される。また、接着剤が多孔性膜を通って電極との接触面に到達し、接触面をも接着するので、多孔性膜と電極との接触がより一層良好となる。
In this invention, it is desirable to provide the adhesive spraying process which sprays an adhesive agent on a porous film after the porous film formation process.
According to this invention, since the adhesive spraying step is provided, after forming the porous film on the uneven surface of the electrode, the adhesive is sprayed on the porous film, and the shape of the porous film on the uneven surface Is maintained well. In addition, since the adhesive reaches the contact surface with the electrode through the porous film and also adheres to the contact surface, the contact between the porous film and the electrode is further improved.
本発明の膜電極接合体は、前述の膜電極接合体の製造方法によって製造されたことを特徴とする。
この発明によれば、膜電極接合体が前述の膜電極接合体の製造方法によって製造されているので、前述の膜電極接合体の製造方法の効果と同様の効果が得られ、電解質膜と電極との接触が良好となる。したがって、電解質膜のプロトン伝導性が良好に発揮されることにより、膜電極接合体の反応効率が良好となる。
The membrane electrode assembly of the present invention is manufactured by the above-described method for manufacturing a membrane electrode assembly.
According to this invention, since the membrane / electrode assembly is manufactured by the above-described method for manufacturing a membrane / electrode assembly, the same effect as that of the method for manufacturing the above-mentioned membrane / electrode assembly can be obtained. The contact with is good. Accordingly, when the proton conductivity of the electrolyte membrane is exhibited well, the reaction efficiency of the membrane / electrode assembly is improved.
本発明の燃料電池は、前述の膜電極接合体を備えたことを特徴とする。
この発明によれば、燃料電池が前述の膜電極接合体を備えているので、前述の膜電極接合体の効果と同様の効果が得られ、電解質膜と電極との接触が良好となることにより、燃料電池の反応効率が良好となり、一定体積に対して得られる電流量(出力)が向上する。
A fuel cell according to the present invention includes the above-described membrane electrode assembly.
According to this invention, since the fuel cell includes the membrane electrode assembly described above, the same effect as that of the membrane electrode assembly can be obtained, and the contact between the electrolyte membrane and the electrode can be improved. The reaction efficiency of the fuel cell becomes good, and the amount of current (output) obtained for a certain volume is improved.
本発明の機器は、前述の燃料電池を備えたことを特徴とする。
この発明によれば、機器が前述の燃料電池を備えているので、前述の燃料電池の効果と同様の効果が得られ、電解質膜と電極との接触が良好となり、燃料電池の反応効率が良好となる。これにより、一定体積に対して得られる電流量(出力)が向上する。これにより、機器に得られる出力が向上する。
A device according to the present invention includes the fuel cell described above.
According to this invention, since the device includes the above-described fuel cell, the same effect as the above-described fuel cell can be obtained, the contact between the electrolyte membrane and the electrode is good, and the reaction efficiency of the fuel cell is good. It becomes. Thereby, the electric current amount (output) obtained with respect to a fixed volume improves. Thereby, the output obtained in the device is improved.
本発明の膜電極接合体の製造方法によれば、電解質膜と電極との間の接触を良好にでき、良好なプロトン伝導性が得られるとともに、この膜電極接合体を例えば燃料電池に適用した場合には、反応効率を良好にでき、出力を向上させることができるという効果が得られる。 According to the method for producing a membrane electrode assembly of the present invention, the contact between the electrolyte membrane and the electrode can be improved, and good proton conductivity can be obtained, and this membrane electrode assembly is applied to, for example, a fuel cell. In such a case, the reaction efficiency can be improved and the output can be improved.
以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、後述する第二実施形態以降で、以下に説明する第一実施形態での構成部品と同じ部品および同様な機能を有する部品には同一符号を付し、説明を簡単にあるいは省略する。 Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the second embodiment and later described below, the same reference numerals are given to the same components and components having the same functions as those in the first embodiment described below, and description thereof will be simplified or omitted.
[第一実施形態]
図1には、本発明の第一実施形態にかかる燃料電池1の側断面図が示されている。この図1において、燃料電池1は、直接メタノール形燃料電池(DMFC)であり、燃料電池セル10がケース11に収納されて構成されている。なお、本実施形態では、説明を簡略化するため、図1に示すように単一の燃料電池セル10で構成した燃料電池1を図示するが、もちろん燃料電池1が、この燃料電池セル10を複数枚積層したスタック構造とされていてもよい。
[First embodiment]
FIG. 1 shows a side sectional view of a
燃料電池セル10は、電解質膜としての高分子固体電解質膜2と、この高分子固体電解質膜2の両面に一体的に形成される電極としてのアノード電極3およびカソード電極4と、アノード電極3側に配置される燃料拡散層5と、カソード電極4側に配置される空気拡散層6と、これら燃料拡散層5および空気拡散層6の外側にそれぞれ設けられるとともに、アノード電極3およびカソード電極4の間に発生した電気エネルギを取り出す集電体7,8とを備えている。この燃料電池セル10は、ケース11に収納され、ガスケット12によって高分子固体電解質膜2の両側から挟持されている。これにより、ケース11内部は、高分子固体電解質膜2を挟んでアノード電極3側とカソード電極4側とに封止されて分離されている。
すなわち、ケース11内壁とアノード電極3との間の領域は、液密に構成され、燃料が供給されるアノード側反応室としての燃料室31となっている。また、ケース11内壁とカソード電極4との間の領域は、空気が供給されるカソード側反応室としての空気室41となっている。なお、燃料としては、メタノール(CH3OH)水溶液が供給される。
The
That is, the region between the inner wall of the
ケース11のアノード電極3側には、燃料をケース11内部に供給するための燃料供給口111と、アノード電極3での反応が終了した燃料を外部に排出するための燃料排出口112とが形成されている。また、ケース11のカソード電極4側には、空気をケース11内部に供給するための複数の空気供給口113が形成されている。この空気供給口113は、大気に開放されることで、空気室41への空気の供給を自然吸気とする構造となっている。なお、空気供給口113への空気の供給は、エアポンプなどによって空気室41に強制的に空気を供給する構成であってもよい。
A
高分子固体電解質膜2の両面には、外縁から所定幅寸法を隔てた所定範囲内に略矩形状のアノード電極3およびカソード電極4が設けられている。高分子固体電解質膜2は、プロトン伝導性高分子で構成される電解質材料としての高分子固体電解質樹脂が、多孔性膜としての延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン(Poly Tetra Fluoro Ethylene, PTFE)フィルムの多孔空隙部に含浸されることにより構成されている。高分子固体電解質樹脂としては、例えばナフィオン膜(デュポン社商標)等のパーフルオロスルホン酸系ポリマー、フッ素系ポリマー、炭化水素系ポリマー、イオン性液体、ハイドロゲルなどが採用できる。また場合によってはこの高分子固体電解質樹脂に、電子導電性の生じない範囲で白金などの触媒やカーボン粉末、各種セラミックス粉末などを加えてもよい。
A substantially
ここで、延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)フィルムは、電解質膜用材料としてのPTFEの塊を延伸多孔化して得られる、多数の微小結節とそれらの微小結節から延出して微小結節相互を三次元的に連結する微細繊維とからなる構造を有する多孔質PTFEフィルムであり、このフィルムには、厚み方向に貫通する多数の孔が形成される。本実施形態においてこの延伸多孔質PTFEフィルムの膜厚は、1〜100μm、好ましくは3〜30μmで、孔径は0.05〜5μm、好ましくは0.5〜2μmで、空隙率は60%〜98%、好ましくは80〜92%である。膜厚が薄すぎると短絡やガス漏れ(クロスリーク)が発生しやすくなり、厚すぎると電気抵抗が高くなる。また孔径が小さすぎると高分子固体電解質樹脂の含浸が困難となり、大きすぎると高分子固体電解質樹脂の保持力が弱くなり、また補強効果も弱くなる。そして、空隙率が小さすぎると高分子固体電解質膜としての抵抗が大きくなり、大きすぎると一般にPTFE自体の強度が弱くなり補強効果が得られない。
なお、多孔質膜用材料としては、延伸多孔質PTFEの他、ポリイミド(PI)、ポリアクリロニトリル(PAN)、アラミド、アクリル、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアセタールなどが採用できる。
Here, the stretched porous polytetrafluoroethylene (PTFE) film is obtained by stretching and porous PTFE mass as an electrolyte membrane material, and extending from these micronodules and the micronodules. It is a porous PTFE film having a structure composed of fine fibers that are three-dimensionally connected, and a large number of holes penetrating in the thickness direction are formed in this film. In the present embodiment, the stretched porous PTFE film has a thickness of 1 to 100 μm, preferably 3 to 30 μm, a pore diameter of 0.05 to 5 μm, preferably 0.5 to 2 μm, and a porosity of 60% to 98. %, Preferably 80 to 92%. If the film thickness is too thin, short circuits and gas leaks (cross leaks) are likely to occur, and if it is too thick, the electrical resistance increases. If the pore size is too small, impregnation of the polymer solid electrolyte resin becomes difficult, and if it is too large, the holding power of the polymer solid electrolyte resin becomes weak and the reinforcing effect becomes weak. If the porosity is too small, the resistance of the polymer solid electrolyte membrane is increased. If it is too large, the strength of PTFE itself is generally weakened and a reinforcing effect cannot be obtained.
As the porous membrane material, polyimide (PI), polyacrylonitrile (PAN), aramid, acrylic, polyester, polyethylene, polypropylene, polyacetal, etc. can be adopted in addition to expanded porous PTFE.
アノード電極3およびカソード電極4は、メタノールの分解のための触媒を担持したカーボン触媒電極膜から構成される。ここで、触媒としては、例えば白金等が採用できる。なお、アノード電極3側では、メタノールと触媒との反応により発生する中間生成物である一酸化炭素COの被毒を防止するため、少なくともアノード電極3側の触媒には、白金およびルテニウムの合金等を採用することがより好ましい。
ここで、高分子固体電解質膜2、アノード電極3、およびカソード電極4は、一体的に形成されて膜電極接合体20が構成されている。
図2には、燃料電池1の一部拡大断面図が示されている。この図2に示されるように、膜電極接合体20のアノード電極3、高分子固体電解質膜2、およびカソード電極4には、それぞれ凹凸面3A,2A,4Aが形成されている。これらの凹凸面3A,2A,4Aを有する膜電極接合体20は、後述の製造方法により製造される。
The
Here, the polymer
FIG. 2 shows a partially enlarged cross-sectional view of the
燃料拡散層5および空気拡散層6は、メッシュの金属フォーム(例えばスチールウール等)からなる多孔性膜であり、供給される燃料および酸素をそれぞれ拡散してアノード電極3およびカソード電極4に導く。燃料拡散層5および空気拡散層6は、図2に示されるように、それぞれアノード電極3およびカソード電極4に対向する面に、凹凸面3A,4Aの形状に対応する形状の凹凸面5A,6Aが形成されている。なお、これら燃料拡散層5および空気拡散層6は、それぞれ、アルミニウム、ステンレス鋼等であってもよく、またスポンジチタン等の多孔性金属材料、カーボンペーパ紙にカーボンを担持したものやカーボンクロス等であってもよい。
また、集電体7,8には、それぞれ図示しないリード線が接続されており、外部の負荷に接続されている。
The
Further, lead wires (not shown) are connected to the
次に、凹凸面3A,2A,4Aを有する膜電極接合体20の製造方法について説明する。
膜電極接合体20の製造方法は、燃料拡散層5の凹凸面5Aおよびアノード電極3の凹凸面3Aを形成する凹凸面形成工程と、アノード電極3の凹凸面3Aに対して高分子固体電解質膜2を押圧する膜プレス工程とを備えている。
凹凸面形成工程では、燃料拡散層5においてアノード電極3に対向する面にプレス成型や切削加工などの機械加工を施し、凹凸面5Aを形成する。そして、この凹凸面5Aに対してスプレーコート法やディップコート法などにより、所定厚みのアノード電極3を形成する。このとき、アノード電極3は凹凸面5Aの形状に追従して形成されるため、アノード電極3の表面には凹凸面5Aとほぼ同じ形状の凹凸面3Aが形成される。
Next, a manufacturing method of the
The manufacturing method of the
In the uneven surface forming step, the surface of the
図3は、膜プレス工程を示す図である。
膜プレス工程では、図3(A)に示されるように、凹凸面3Aが形成されたアノード電極3に対して高分子固体電解質膜2をプレスする。プレスをする際には、凹凸面3Aの形状に対応した形状の凹凸面90Aを有するプレス型90を用いる。このプレス型90を、高分子固体電解質膜2に対して凹凸面3Aが配置される側とは反対側に配置し、図3(B)に示されるように、高分子固体電解質膜2を凹凸面3Aに対して所定圧力で押圧する。
高分子固体電解質膜2は、プレス型90に押圧されて多孔質PTFEフィルム中の微細繊維が一部破断しながら凹凸面3Aに沿って変形して伸長し、凹凸面3Aになじんで表面に凹凸面2Aを形成する。この場合において、膜プレス工程は、複数回に分割して行われることが望ましい。分割して複数回プレスすることにより、高分子固体電解質膜2の破断によるピンホールの発生などを確実に防止でき、高分子固体電解質膜2を凹凸面3Aに良好になじませることができる。
FIG. 3 is a diagram showing a film pressing process.
In the membrane pressing step, as shown in FIG. 3A, the polymer
The polymer
この膜プレス工程においては、当該膜プレス工程と同時に、高分子固体電解質膜2に所定周波数の振動を加える加振工程を行う。加振工程では、プレス型90で高分子固体電解質膜2をプレスしながら、プレス型90を所定周波数および所定振幅で振動させて、高分子固体電解質膜2に振動を与える。高分子固体電解質膜2では、この振動により内部の微細繊維が変形、破断し、高分子固体電解質膜2全体が変形してアノード電極3の凹凸面3Aによりなじむとともに、微細繊維の繊維密度が高くなる。
また、この膜プレス工程においては、当該膜プレス工程と同時に、必要に応じて高分子固体電解質膜2を加熱する加熱工程を行う。加熱工程では、プレス型90で高分子固体電解質膜2をプレスしながら、プレス型90を所定温度に加熱する。あるいは、燃料拡散層5、アノード電極3、高分子固体電解質膜2、およびプレス型90を適宜な加熱槽に収納して高分子固体電解質膜2を加熱してもよい。この加熱により、高分子固体電解質膜2の微細繊維が軟化し、高分子固体電解質膜2が凹凸面3Aによりなじむ。また、この加熱工程では、高分子固体電解質膜2中の高分子固体電解質樹脂を破壊しない範囲で所定温度を適切に調整することにより、高分子固体電解質膜2の微細繊維を溶解して、互いの微細繊維を溶融接着させてもよく、この場合には微細繊維が凹凸面3Aにも溶融接着することとなる。
In this membrane pressing step, an exciting step of applying vibration at a predetermined frequency to the solid
Moreover, in this membrane press process, the heating process which heats the polymer
膜プレス工程の後、高分子固体電解質膜2の凹凸面2Aにカソード電極4をスプレーコート法やディップコート法などによって形成し、膜電極接合体20を製造する。そして、予めプレスや切削加工などによって燃料拡散層5の凹凸面5Aに対応する形状の凹凸面6Aが形成された空気拡散層6を、カソード電極4に接合し、燃料電池セル10を得る。なお、カソード電極4を、空気拡散層6の凹凸面6A上に予め形成した後に、空気拡散層6とともに高分子固体電解質膜2に接合してもよい。
After the membrane pressing step, the
このような第一実施形態によれば、次のような効果が得られる。
(1) 膜プレス工程において、プレス型90で高分子固体電解質膜2をアノード電極3の凹凸面3Aに対して押圧して膜電極接合体20の凹凸を形成するので、高分子固体電解質膜2が良好にアノード電極3の凹凸面3Aに追従でき、凹凸面3Aの形状に沿った凹凸面2Aを形成できる。したがって、アノード電極3と高分子固体電解質膜2との接触を良好にできる。また、凹凸面3Aの形状に対応した凹凸面2Aを形成できるので、凹凸面3Aの形状に対応した形状の凹凸面4Aを有するカソード電極4に対しても良好に接触できる。これにより、高分子固体電解質膜2のプロトン伝導性を良好にでき、燃料電池1の反応効率を向上させることができる。
また、膜電極接合体20に凹凸が形成されているので、一定体積に対してアノード電極3およびカソード電極4と燃料および空気との接触面積を向上させることができる。したがって燃料電池1の一定体積あたりの電流量(出力)を向上させることができる。反対に、一定の電流量(出力)を得るために必要な体積を小さくできるため、燃料電池1の小型化を促進できる。
According to such a first embodiment, the following effects can be obtained.
(1) In the membrane pressing step, the polymer
Further, since the unevenness is formed in the
(2) 膜プレス工程で、加振工程を行うので、高分子固体電解質膜2の微細繊維の一部を破断させて、高分子固体電解質膜2をより凹凸面3Aに追従させることができる。したがって、高分子固体電解質膜2と、アノード電極3およびカソード電極4との接触をより確実かつ良好にできる。
(3) 膜プレス工程で、必要に応じて加熱工程を行うので、熱によって高分子固体電解質膜2の微細繊維を軟化させることができる。したがって、高分子固体電解質膜2をより変形し易くでき、アノード電極3の凹凸面3Aの形状により一層良好になじむので、アノード電極3との接触をより確実かつ良好にできる。
(2) Since the vibration step is performed in the membrane pressing step, a part of the fine fibers of the polymer
(3) Since the heating step is performed as necessary in the membrane pressing step, the fine fibers of the polymer
(4) 膜プレス工程では、延伸多孔質PTFEフィルムの多孔空隙部に予め高分子固体電解質樹脂が含浸されて高分子固体電解質膜2が構成されているので、この高分子固体電解質膜2を凹凸面3Aにプレスするのみで高分子固体電解質膜2を凹凸面3A上に形成できる。したがって、膜プレス工程後に高分子固体電解質樹脂を含浸させるなどの作業を省略でき、燃料電池1の製造作業を簡略化できる。
(4) In the membrane pressing step, the polymer
[第二実施形態]
次に、本発明の第二実施形態について説明する。第二実施形態は、第一実施形態の高分子固体電解質膜2の延伸多孔質PTFEフィルムに高分子固体電解質樹脂を含浸させない状態で膜プレス工程を行い、その後、高分子固体電解質樹脂を含浸させる電解質含浸工程を行う点が第一実施形態と異なる。
膜プレス工程では、高分子固体電解質樹脂が含浸されていない延伸多孔質PTFEフィルムを、第一実施形態の膜プレス工程と同様にプレス型90でアノード電極3の凹凸面3Aに対してプレスして、延伸多孔質PTFEフィルムに凹凸を形成する。
次に、電解質含浸工程において、溶媒中に溶解させた高分子固体電解質樹脂を噴霧するなどして、延伸多孔質PTFEフィルムの多孔空隙部に高分子固体電解質樹脂を含浸させて高分子固体電解質膜2を形成する。ここで、高分子固体電解質樹脂を溶解させる溶媒としては、例えば、高分子固体電解質樹脂がパーフルオロスルホン酸系ポリマーである場合には、イソプロピルアルコール(IPA)等のアルコール類を採用でき、高分子固体電解質樹脂がイオン性液体やハイドロゲル等である場合には、水等が採用できる。
なお、本実施形態では、膜プレス工程において高分子固体電解質樹脂が含浸されていないので、加熱工程を行う場合には所定温度を比較的高い温度に設定することができる。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment, the stretched porous PTFE film of the polymer
In the membrane pressing step, the stretched porous PTFE film not impregnated with the polymer solid electrolyte resin is pressed against the
Next, in the electrolyte impregnation step, the polymer solid electrolyte resin dissolved in the solvent is sprayed, for example, so that the porous void portion of the stretched porous PTFE film is impregnated with the polymer solid electrolyte resin. 2 is formed. Here, as the solvent for dissolving the polymer solid electrolyte resin, for example, when the polymer solid electrolyte resin is a perfluorosulfonic acid polymer, alcohols such as isopropyl alcohol (IPA) can be employed. When the solid electrolyte resin is an ionic liquid, hydrogel, or the like, water or the like can be employed.
In this embodiment, since the polymer solid electrolyte resin is not impregnated in the membrane pressing step, the predetermined temperature can be set to a relatively high temperature when the heating step is performed.
このような第二実施形態によれば、第一実施形態の(1)、(2)、および(3)の効果と同様の効果が得られる他、次のような効果が得られる。
(5) 膜プレス工程を行った後に電解質含浸工程を行うので、加熱工程を行う場合には比較的高い温度で加熱することができ、高分子固体電解質膜2の微細繊維の一部を溶解して微細繊維を互いに溶融接着できるので、高分子固体電解質膜2の形状を確実に保持できるとともに、高分子固体電解質膜2の構成を強固にできる。また、微細繊維の一部を溶解してアノード電極3に接着させることもできるから、高分子固体電解質膜2とアノード電極3との接触をより一層良好にできる。
(6) 膜プレス工程で延伸多孔質PTFEフィルムに加振工程を行うので、高分子固体電解質膜2の微細繊維の一部を破断して短繊維化できるから、延伸多孔質PTFEフィルムの吸収力を向上させることができる。したがって、電解質含浸工程では、延伸多孔質PTFEフィルムに良好に高分子固体電解質樹脂を含浸でき、良好なプロトン伝導性を発揮できる。
According to the second embodiment, in addition to the same effects as the effects (1), (2), and (3) of the first embodiment, the following effects can be obtained.
(5) Since the electrolyte impregnation step is performed after the membrane pressing step, the heating step can be performed at a relatively high temperature, and a part of the fine fibers of the polymer
(6) Since the vibrating step is performed on the stretched porous PTFE film in the membrane pressing step, a part of the fine fibers of the polymer
[第三実施形態]
次に、本発明の第三実施形態について説明する。第三実施形態は、第一実施形態の膜プレス工程の前に、高分子固体電解質膜2を収縮させる収縮工程を備えている点が、第一実施形態と異なる。
図4には、第三実施形態にかかる膜電極接合体20の製造工程が示されている。この図4において、高分子固体電解質膜2には、膜プレス工程の前に収縮工程が施される。
収縮工程では、図4(A)に示されるように、高分子固体電解質膜2を縮れさせて収縮繊維状に形成する。収縮繊維状に形成するには、例えば高分子固体電解質膜2を細糸状の繊維で縫って縮め、そのまま接着するなどの方法が採用できる。
その後、膜プレス工程において、収縮させた高分子固体電解質膜2を凹凸面3Aに対してプレス型90で押圧すると、図4(B)に示されるように収縮された繊維が元に戻りながら高分子固体電解質膜2全体が伸長し、アノード電極3の凹凸面3Aの形状に追従してなじみ、これにより高分子固体電解質膜2表面に凹凸面2Aが形成される。
なお、この膜プレス工程においては、第二実施形態と同様に高分子固体電解質樹脂が含浸されていない延伸孔質PTFEフィルムを凹凸面3Aに押圧してもよい。その場合には、膜プレス工程の後に高分子固体電解質樹脂を含浸させる電解質含浸工程を行えばよい。
[Third embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. The third embodiment is different from the first embodiment in that it includes a shrinking step for shrinking the polymer
FIG. 4 shows a manufacturing process of the
In the shrinking step, as shown in FIG. 4A, the polymer
Thereafter, in the membrane pressing step, when the contracted polymer
In this membrane pressing step, an elongated porous PTFE film that is not impregnated with the polymer solid electrolyte resin may be pressed against the
このような第三実施形態によれば、第一実施形態の(1)、(2)、(3)、および(4)の効果と同様の効果が得られ、また第二実施形態のように膜プレス工程の後に電解質含浸工程を行う場合には、第一実施形態の(4)の効果の代わりに第二実施形態の(5)および(6)の効果と同様の効果が得られる他、第三実施形態によれば、次のような効果が得られる。
(7) 膜プレス工程の前に収縮工程を行うので、膜プレス工程において高分子固体電解質膜2がその収縮分、内部の微細繊維を破断することなく伸長できる。したがって、高分子固体電解質膜2の破断を確実かつ良好に防止できるので、膜プレス工程でのプレス不良の発生を低減できるから、歩留まりを向上させることができる。
また、膜プレス工程の前に収縮工程を行うので、高分子固体電解質膜2の伸長幅を拡大できるため、より大きな凹凸面3Aにも良好に追従できる。したがって、膜プレス工程でアスペクト比を大きく取ることができ、膜電極接合体20の表面積をより大きく形成することができる。
According to the third embodiment, the same effects as the effects (1), (2), (3), and (4) of the first embodiment can be obtained, and as in the second embodiment. When performing the electrolyte impregnation step after the membrane pressing step, the same effects as the effects of (5) and (6) of the second embodiment can be obtained instead of the effect of (4) of the first embodiment, According to the third embodiment, the following effects can be obtained.
(7) Since the shrinking step is performed before the membrane pressing step, the polymer
In addition, since the contraction step is performed before the membrane pressing step, the extension width of the solid
[参考形態1]
次に、参考形態1について説明する。参考形態1は、アノード電極の凹凸面上に直接多孔性膜を形成する点が第一実施形態と異なる。
図5には、参考形態1にかかる膜電極接合体の製造工程が示されている。この図5において、膜電極接合体20(図1参照)の製造方法は、アノード電極3の凹凸面3A上に繊維状の電解質膜用材料を積層して多孔性膜21を形成する多孔性膜形成工程と、この多孔性膜21に電解質材料を含浸させる電解質含浸工程とを備えている。
[ Reference form 1 ]
Next,
FIG. 5 shows a manufacturing process of the membrane electrode assembly according to the first embodiment . 5, the manufacturing method of the membrane electrode assembly 20 (see FIG. 1) is a porous membrane in which a fibrous electrolyte membrane material is laminated on the
多孔性膜形成工程は、電解質膜用材料を溶解して凹凸面3Aに対して噴霧する、いわゆるメルトブロー法による噴霧工程を備えている。噴霧工程では、図5(A)に示されるように、噴霧ノズル91を用いて電解質膜用材料を凹凸面3Aに噴霧する。
図6には、噴霧ノズル91の平面図が示されている。この図6に示されるように、噴霧ノズル91の先端には、多数の微小な細孔91Aが形成されている。これらの細孔91Aの寸法は、多孔性膜21を形成する微細繊維の寸法に対応して設定されている。また、噴霧ノズル91は、電解質膜用材料を収納して噴霧ノズル91に供給する図示しない電解質膜用材料供給手段に接続されており、この電解質膜用材料供給手段は、適宜な加熱装置などによって所定温度に設定され、電解質膜用材料を溶解した状態で噴霧ノズル91に供給する。
The porous membrane forming step includes a spraying step by a so-called melt blow method in which the electrolyte membrane material is dissolved and sprayed onto the
FIG. 6 shows a plan view of the
噴霧工程では、図5(A)に示されるように、噴霧ノズル91の端面をアノード電極3の凹凸面3Aに対向させ、細孔91Aから溶解した電解質膜用材料を凹凸面3A上に噴霧する。電解質膜用材料は、細孔91Aの寸法に応じた寸法で繊維状に噴霧され、凹凸面3A上に積層される。噴霧ノズル91を凹凸面3A上で移動させることにより、図5(B)に示されるように、凹凸面3A上の所定範囲に所定厚みの電解質膜用材料を積層して多孔性膜21を形成する。
噴霧工程の後、電解質含浸工程では、第二実施形態と同様に、凹凸面3A上に形成された多孔性膜21に電解質材料を含浸させて高分子固体電解質膜2を形成する。その後、高分子固体電解質膜2表面にカソード電極4(図1参照)を積層し、膜電極接合体を得る。
In the spraying step, as shown in FIG. 5A, the end surface of the
After the spraying step, in the electrolyte impregnation step, the polymer
ここで、多孔性膜形成工程では、噴霧工程の前に電解質膜用材料に接着剤を混合する混合工程を設けてもよい。混合工程では、電解質膜用材料供給手段において所定量の適宜な接着剤を予め溶解された電解質膜用材料に混合しておく。または、噴霧ノズル91の先端近傍に混合手段を設けて、接着剤を電解質膜用材料に混合してもよい。
混合工程の後、噴霧工程を行うと、接着剤が混合された電解質膜用材料が凹凸面3A上に繊維状に積層されて多孔性膜21を形成する。多孔性膜21は、接着剤によって微細繊維が互いに接着してその形状が保持されるとともに、凹凸面3Aに接着される。
Here, in the porous film forming step, a mixing step of mixing an adhesive with the electrolyte membrane material may be provided before the spraying step. In the mixing step, a predetermined amount of an appropriate adhesive is mixed with the electrolyte membrane material previously dissolved in the electrolyte membrane material supply means. Alternatively, a mixing means may be provided near the tip of the
When the spraying step is performed after the mixing step, the electrolyte membrane material mixed with the adhesive is laminated in a fibrous form on the
あるいは、混合工程を設ける代わりに、多孔性膜形成工程の後に、多孔性膜21上に接着剤を噴霧する接着剤噴霧工程を行ってもよい。接着剤噴霧工程では、噴霧工程で形成された多孔性膜21に対して、別の噴霧ノズルなどによって液状の接着剤を所定量噴霧する。接着剤は、多孔性膜21に含浸して微細繊維同士を接着し、また一部の接着剤は凹凸面3Aに達して多孔性膜21とアノード電極3とを接着する。
なお、接着剤噴霧工程は、多孔性膜21を形成した後電解質含浸工程を行う前に行ってもよく、また電解質含浸工程で高分子固体電解質膜2を形成した後に行ってもよい。
Alternatively, instead of providing a mixing step, an adhesive spraying step of spraying an adhesive onto the
The adhesive spraying step may be performed after the
このような参考形態1によれば、次のような効果が得られる。
(8) 噴霧工程を備えた多孔性膜形成工程により、溶解した電解質膜用材料を繊維状に噴霧して凹凸面3A上に積層するので、凹凸面3Aの形状に沿った多孔性膜21を簡単な作業で形成できる。したがって、アノード電極3と電解質膜2との接触を良好にできる。
また、電解質膜用材料を予め繊維状に形成する必要がなく、電解質膜用材料を溶解して噴霧することで必要量の電解質膜用材料が繊維状に形成されるので、材料の無駄がなく、製造工程を簡略化できる。
さらに、膜電極接合体20に凹凸が形成されているので、第一実施形態の(1)の効果と同様に、一定体積に対してアノード電極3およびカソード電極4と燃料および空気との接触面積を向上させることができる。したがって燃料電池1の一定体積あたりの電流量(出力)を向上させることができる。反対に、一定の電流量(出力)を得るために必要な体積を小さくできるため、燃料電池1の小型化を促進できる。
According to the first embodiment , the following effects can be obtained.
(8) Since the melted electrolyte membrane material is sprayed in a fiber shape and laminated on the
In addition, there is no need to previously form the electrolyte membrane material in a fibrous form, and a necessary amount of the electrolyte membrane material is formed in a fibrous form by dissolving and spraying the electrolyte membrane material, so there is no waste of material. The manufacturing process can be simplified.
Further, since the unevenness is formed in the
(9) 混合工程を設けた場合には、噴霧工程で接着剤が混合された電解質膜用材料が噴霧されるので、噴霧と同時に電解質膜用材料を凹凸面3A上に良好かつ確実に接着でき、多孔性膜21の形状を確実に保持できる。
(10) 接着剤噴霧工程を設けた場合には、噴霧工程で形成された多孔性膜21に接着剤を噴霧するので、多孔性膜21の形状を凹凸面3A上で確実に保持できる。また、電解質膜用材料に接着剤を混合する必要がないので、材料の無駄を防止できる。
(9) When the mixing step is provided, since the electrolyte membrane material mixed with the adhesive in the spraying step is sprayed, the electrolyte membrane material can be adhered to the
(10) When the adhesive spraying step is provided, the adhesive is sprayed on the
[参考形態2]
次に、参考形態2について説明する。参考形態2は、参考形態1の噴霧工程において、溶解した電解質膜用材料を噴霧する代わりに、繊維状の電解質膜用材料を溶媒中に分散させた溶液を噴霧する点が、参考形態1と異なる。
参考形態2では、多孔性膜形成工程は、溶媒中に繊維状の電解質膜用材料が分散された溶液を噴霧する、いわゆる湿式不織布法による噴霧工程と、多孔性膜をアノード電極に対して押圧するプレス工程と、溶液中の溶媒を蒸発させる蒸発工程とを備えている。
[ Reference form 2 ]
Next,
In
図7には、参考形態2にかかる膜電極接合体の製造工程が示されている。噴霧工程では、図7(A)に示されるように、噴霧ノズル91で凹凸面3A上に電解質膜用材料が分散された液体を所定量噴霧する。なお、電解質膜用材料供給手段(図示せず)には、予め繊維状に形成された電解質膜用材料が溶媒中に分散された溶液が収納されている。ここで、溶媒としては、例えばイソプロピルアルコール等のアルコール類や、水等が採用できる。噴霧された液体は、図7(B)に示されるように、凹凸面3A上に不織布状に積層されて不織布状層22を形成する。
次に、プレス工程では、図7(B)に示されるように、プレス型90によって不織布状層22を凹凸面3Aに対して押圧し、不織布状層22に分散された繊維状の電解質膜用材料を凝縮して、図7(C)に示されるような所定厚みの多孔性膜21を形成する。
蒸発工程では、多孔性膜21を所定時間放置または加熱することによって多孔性膜21内の溶媒を蒸発させる。この蒸発工程は、プレス工程と同時に、つまりプレス型90で不織布状層22を押圧しながら行ってもよい。
その後、電解質含浸工程において、多孔性膜21に電解質を含浸させて、高分子固体電解質膜を形成する。
FIG. 7 shows a manufacturing process of the membrane electrode assembly according to
Next, in the pressing step, as shown in FIG. 7B, the
In the evaporation step, the solvent in the
Thereafter, in the electrolyte impregnation step, the
なお、参考形態1と同様に、噴霧工程の前に溶液に接着剤を混合する混合工程を設けてもよい。または、多孔性膜21を形成した後、つまり蒸発工程の後に多孔性膜21に接着剤を噴霧する接着剤噴霧工程を設けてもよい。
さらに、第一実施形態と同様に、プレス工程と同時に多孔性膜21に振動を加える加振工程や、プレス工程と同時に多孔性膜21に熱を加える加熱工程を行ってもよい。
In addition, you may provide the mixing process which mixes an adhesive agent with a solution similarly to the
Furthermore, as in the first embodiment, a vibration process for applying vibration to the
このような参考形態2によれば、第一実施形態の(1)の効果と同様の効果、および参考形態1の(9)、および(10)の効果と同様の効果が得られ、加振工程または加熱工程を行った場合には、第一実施形態の(2)および(3)の効果と同様の効果、および第二実施形態の(5)および(6)の効果と同様の効果が得られる他、参考形態2によれば、次のような効果が得られる。
(11) 噴霧工程で、繊維状の電解質膜用材料を溶媒中に分散させた溶液を噴霧した後に、蒸発工程で溶媒を蒸発させるので、参考形態1とは異なり、電解質膜用材料を加熱して溶解する必要がなく、電解質膜用材料の取扱性を向上させることができる。
また、プレス工程で良好な凹凸の高分子固体電解質膜2を所望の繊維密度でかつ所望の厚みに形成できる。
According to this
(11) Since the solvent is evaporated in the evaporation step after spraying the solution in which the fibrous electrolyte membrane material is dispersed in the solvent in the spraying step, unlike the first embodiment , the electrolyte membrane material is heated. Therefore, the handling property of the electrolyte membrane material can be improved.
Moreover, the uneven polymer
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
電解質膜を形成する電極は、アノード電極上に限らず、カソード電極上に形成してもよい。この場合には、空気拡散層に凹凸面を形成し、この凹凸面にカソード電極を形成し、カソード電極の凹凸面に電解質膜を前述の製造方法で形成すればよい。
膜電極接合体の凹凸面の形状は、連続する円弧状の凹凸に限らず、例えば切削加工で溝を形成する場合などでは断面略矩形状の凹凸であってもよい。また、凹凸面の形状は、同じ断面形状が連続するものに限らず、複数の異なる断面形状が形成されているものであってもよいし、凹凸が不均一(不連続)に形成されているものであってもよい。要するに、凹凸面の形状は、膜電極接合体の表面積を大きくできる形状であれば任意に設定できる。
多孔性膜の材料としては、前述の実施形態で述べたものの他、例えば多孔性セラミックス、ガラス、アパタイト、ポーラスシリコン、ゼオライト等が採用できる。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and modifications, improvements, and the like within the scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.
The electrode forming the electrolyte membrane is not limited to being formed on the anode electrode, but may be formed on the cathode electrode. In this case, an uneven surface is formed on the air diffusion layer, a cathode electrode is formed on the uneven surface, and an electrolyte membrane is formed on the uneven surface of the cathode electrode by the above-described manufacturing method.
The shape of the concavo-convex surface of the membrane electrode assembly is not limited to a continuous arc-shaped concavo-convex shape, and may be an concavo-convex shape having a substantially rectangular cross section when a groove is formed by cutting, for example. In addition, the shape of the uneven surface is not limited to the one in which the same cross-sectional shape is continuous, and a plurality of different cross-sectional shapes may be formed, or the unevenness is formed unevenly (discontinuously). It may be a thing. In short, the shape of the concavo-convex surface can be arbitrarily set as long as the surface area of the membrane electrode assembly can be increased.
As a material for the porous film, for example, porous ceramics, glass, apatite, porous silicon, zeolite and the like can be used in addition to those described in the above-described embodiment.
参考形態2では、繊維状の電解質膜用材料を溶媒中に分散させた溶液を噴霧する噴霧工程を行ったが、これに限らず、例えば凹凸面が形成された電極上に、電解質膜用の型を形成し、この型の内部に溶液を充填した後に溶媒を蒸発させることによって電解質膜を形成してもよい。
膜電極接合体は、燃料電池に適用されたが、これに限らず、その他例えばリチウムイオン伝導性固体電解質を使用したリチウム電池やプロトン伝導性固体電解質を使用した水電解装置などに適用できる。
本発明の実施により得られた膜電極接合体を備えた燃料電池は、一定体積に対する出力を向上でき、反対に必要な出力に対して小型化を促進できるので、例えば携帯電話やノートパソコンなどの携帯機器、車、その他任意の機器に適用できる。
In
The membrane electrode assembly is applied to a fuel cell, but is not limited thereto, and can be applied to, for example, a lithium battery using a lithium ion conductive solid electrolyte, a water electrolysis apparatus using a proton conductive solid electrolyte, and the like.
The fuel cell including the membrane electrode assembly obtained by the implementation of the present invention can improve the output with respect to a certain volume, and on the contrary, can promote downsizing with respect to the required output, such as a mobile phone or a notebook computer. It can be applied to portable devices, cars, and other arbitrary devices.
本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
したがって、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
The best configuration, method and the like for carrying out the present invention have been disclosed in the above description, but the present invention is not limited to this. That is, the invention has been illustrated and described primarily with respect to particular embodiments, but may be configured for the above-described embodiments without departing from the scope and spirit of the invention. Various modifications can be made by those skilled in the art in terms of materials, quantity, and other detailed configurations.
Therefore, the description limited to the shape, material, etc. disclosed above is an example for easy understanding of the present invention, and does not limit the present invention. The description by the name of the member which remove | excluded the limitation of one part or all of such restrictions is included in this invention.
1…燃料電池、2…高分子固体電解質膜(電解質膜)、2A,3A,4A…凹凸面、3…アノード電極(電極)、4…カソード電極(電極)、5…燃料拡散層、6…空気拡散層、10…燃料電池セル、20…膜電極接合体、90…プレス型、91…噴霧ノズル。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記電極の表面に形成される凹凸面に対して、前記凹凸面の形状に対応した形状のプレス型で、多孔性膜にプロトン伝導性を有する電解質材料が含浸された前記電解質膜を押圧する膜プレス工程を備えた
ことを特徴とする膜電極接合体の製造方法。 A method for producing a membrane electrode assembly comprising an electrolyte membrane and an electrode formed on the surface of the electrolyte membrane,
A membrane that presses the electrolyte membrane in which a porous membrane is impregnated with an electrolyte material having proton conductivity with a press die having a shape corresponding to the shape of the irregular surface, with respect to the irregular surface formed on the surface of the electrode. A method for producing a membrane electrode assembly, comprising a pressing step.
前記電極の表面に形成される凹凸面に対して、前記凹凸面の形状に対応した形状のプレス型で、多孔性膜を押圧する膜プレス工程と、
前記多孔性膜にプロトン伝導性を有する電解質材料を含浸させて前記電解質膜を形成する電解質含浸工程とを備えた
ことを特徴とする膜電極接合体の製造方法。 A method for producing a membrane electrode assembly comprising an electrolyte membrane and an electrode formed on the surface of the electrolyte membrane,
A film pressing step for pressing the porous film with a press die having a shape corresponding to the shape of the uneven surface, with respect to the uneven surface formed on the surface of the electrode,
An electrolyte impregnation step of impregnating the porous membrane with an electrolyte material having proton conductivity to form the electrolyte membrane. A method for producing a membrane electrode assembly, comprising:
前記膜プレス工程と同時に、前記多孔性膜または前記電解質膜に振動を加える加振工程を備えた
ことを特徴とする膜電極接合体の製造方法。 In the manufacturing method of the membrane electrode assembly according to claim 1 or 2,
The manufacturing method of the membrane electrode assembly characterized by having the vibration process which applies a vibration to the said porous membrane or the said electrolyte membrane simultaneously with the said membrane press process.
前記膜プレス工程の前に、前記多孔性膜または前記電解質膜を収縮させる収縮工程を備えた
ことを特徴とする膜電極接合体の製造方法。 In the manufacturing method of the membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 3,
A method for producing a membrane / electrode assembly, comprising a shrinking step of shrinking the porous membrane or the electrolyte membrane before the membrane pressing step.
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