JP5361553B2 - Jig for manufacturing membrane / electrode assemblies - Google Patents
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Description
本発明は、固体高分子型燃料電池に用いられる、固体高分子電解質膜に電極が接合された膜・電極接合体を製造するための治具に関する。 The present invention relates to a jig for producing a membrane / electrode assembly in which an electrode is joined to a solid polymer electrolyte membrane, which is used in a polymer electrolyte fuel cell.
固体高分子型燃料電池の構成要素として、膜・電極接合体(MEA)がある。固体高分子電解質膜の両側に電極が接合されて、MEAが形成される。一対の電極が、電解質膜を挟む位置に配され、これらが加圧および加熱されて、MEAが形成される。 As a constituent element of a polymer electrolyte fuel cell, there is a membrane-electrode assembly (MEA). Electrodes are bonded to both sides of the solid polymer electrolyte membrane to form an MEA. A pair of electrodes is disposed at a position sandwiching the electrolyte membrane, and these are pressurized and heated to form an MEA.
一般的に、固体高分子電解質膜の面積は電極の面積より大きい。従って、電解質膜は電極からはみ出し、いわゆる耳が存在する。このため、上記加圧および加熱の際に、電解質膜の収縮に起因して、耳の部分にしわができることがあった。つまり、電極と電解質膜を接合するときに、電解質膜の耳の部分がフリーになっていると、電極に面する部分との境界で電解質膜のしわ若しくは波うちが大きくなりやすく、製造したMEAをスタックに組みづらいことがあった。また上記しわは、燃料電池からのガスリークの原因となることもある。 Generally, the area of the solid polymer electrolyte membrane is larger than the area of the electrode. Therefore, the electrolyte membrane protrudes from the electrode and there is a so-called ear. For this reason, at the time of the pressurization and heating, wrinkles may occur in the ear portion due to the shrinkage of the electrolyte membrane. That is, when the electrode and the electrolyte membrane are joined, if the ear portion of the electrolyte membrane is free, wrinkles or waves of the electrolyte membrane tend to become large at the boundary with the portion facing the electrode, and the manufactured MEA It was sometimes difficult to build a stack. In addition, the wrinkles may cause gas leakage from the fuel cell.
接合時に電解質膜の耳の部分を加圧することにより電解質膜のしわ若しくは波うちを抑えることができる。 By pressing the ear part of the electrolyte membrane at the time of joining, wrinkles or undulations of the electrolyte membrane can be suppressed.
特許文献1には、上記しわを防止することを目的として、対をなす電極膜よりも大きい固体高分子電解質膜を電極膜で挟んでなるセルを加圧および加熱して、固体高分子電解質膜と電極膜とを接着させる固体高分子型燃料電池のセルの製造方法であって、少なくともセルの電極膜の周縁から突出する固体高分子電解質膜を、耐熱性弾性部材の間に介在させるように耐熱性弾性部材(スペーサー)で挟んで加圧および加熱することを特徴とする固体高分子型燃料電池のセルの製造方法が記載される。
In
しかし、弾性体のスペーサーを使用して電解質膜の耳部を加圧すると、加圧時にスペーサーが変形して、意図しない力が電解質膜や電極にかかる恐れがあった。また、電極やスペーサーの厚さの不均一さに起因して、電解質膜の耳部にかかる圧力が変化しやすいこともあった。さらに、繰返しの使用によりスペーサーが変形しやすく、電解質膜への圧力のかかり方の面内バランスが徐々に変わったり、電極と電解質膜への圧力の掛かり方が徐々に変わったりすることもあった。これらの結果、電解質膜の耳部のしわが発生することがあった。 However, when the ear portion of the electrolyte membrane is pressurized using an elastic spacer, the spacer is deformed during the pressurization, and an unintended force may be applied to the electrolyte membrane or the electrode. Moreover, the pressure applied to the ears of the electrolyte membrane may be easily changed due to the uneven thickness of the electrodes and spacers. In addition, the spacer is likely to be deformed by repeated use, and the in-plane balance of how the pressure is applied to the electrolyte membrane may change gradually, and the method of applying pressure to the electrode and the electrolyte membrane may change gradually. . As a result, wrinkles at the ears of the electrolyte membrane may occur.
本発明の目的は、繰り返しMEAを製造したとしても、しわの発生を防止することのできる膜・電極接合体の製造用治具を提供することである。 An object of the present invention is to provide a jig for manufacturing a membrane / electrode assembly capable of preventing the generation of wrinkles even when an MEA is repeatedly manufactured.
本発明により、以下の膜・電極接合体製造用治具が提供される。 According to the present invention, the following jig for manufacturing a membrane / electrode assembly is provided.
1)固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の両側に配された電極とを加圧および加熱して接合し、固体高分子型燃料電池用の膜・電極接合体を製造する膜・電極接合体製造用治具であって、
電極および電解質膜の位置を固定させるためのガイドおよび窪みを有し、電極および電解質膜に熱および圧力を伝えるための機構を有しており、
電極より外側にある電解質膜を電極とは個別に直接接触して加圧するための耐熱性の金属からなるプレートを備え、
プレートがバネで本体部分から支えられており、
プレートを支えるバネとして、内側の周回のバネと外側の周回のバネとを有する
膜・電極接合体製造用治具。
1) A membrane for producing a membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell by joining a polymer electrolyte membrane and electrodes disposed on both sides of the polymer electrolyte membrane under pressure and heating. A jig for manufacturing an electrode assembly,
A guide and a recess for fixing the position of the electrode and the electrolyte membrane, and a mechanism for transferring heat and pressure to the electrode and the electrolyte membrane;
Provided with a plate made of a heat-resistant metal to press the electrolyte membrane outside the electrode in direct contact with the electrode separately,
The plate is supported from the body part with a spring,
A jig for manufacturing a membrane / electrode assembly, which has an inner circumferential spring and an outer circumferential spring as springs for supporting the plate .
2)
内側の周回のバネは電極より外側にある電解質膜の上方または下方に位置し、外側の周回のバネはプレートの概外縁部の上方または下方に位置し、
ここで前記概外縁部は、プレートにおいて、電解質膜の耳部があたる部分よりも外側の部分であり、
前記電解質膜の耳部は、電解質膜の電極からはみ出した部分である
1)記載の膜・電極接合体製造用治具。
2 )
The inner orbiting spring is located above or below the electrolyte membrane outside the electrode, the outer orbiting spring is located above or below the approximate outer edge of the plate,
Here, the substantially outer edge portion is a portion outside the portion of the plate that contacts the ear portion of the electrolyte membrane,
The ear portion of the electrolyte membrane is a portion protruding from the electrode of the electrolyte membrane.
1 ) The jig for producing a membrane / electrode assembly according to the above.
3)
プレートの表面が耐食処理を施されている1)または2)記載の膜・電極接合体製造用治具。
3 )
The jig for manufacturing a membrane / electrode assembly according to 1) or 2) , wherein the surface of the plate is subjected to corrosion resistance treatment.
本発明により繰り返しMEAを製造したとしても、しわの発生を防止することのできる膜・電極接合体の製造用治具が提供される。 Even if the MEA is repeatedly manufactured according to the present invention, a jig for manufacturing a membrane / electrode assembly capable of preventing generation of wrinkles is provided.
以下に図面を用いて本発明の一形態について説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto.
図1に示すように、膜・電極接合体製造用治具は、固体高分子電解質膜1aと、固体高分子電解質膜の両側に配された電極1bおよび1cとを加圧および加熱して接合して固体高分子型燃料電池用の膜・電極接合体1を製造する。なお、図1における紙面上方は、鉛直上方と一致する。本体部分2とプレート3との段差によってできる窪みの部分に、電極1cが置かれるとともに位置決めされ、電解質膜1bは枠状のプレート3の窪み(膜押さえ4が収まる部分)に収まり、電極1aは枠状となっている膜押さえ4の貫通部に位置決めされる。膜押さえ4は電解質膜の押さえと同時に、電極の位置決めガイドの役割も担っている。
As shown in FIG. 1, the jig for manufacturing a membrane / electrode assembly is formed by pressurizing and heating a solid
図2に、膜・電極接合体を製造する際の、電解質膜1aと、電極1bおよび1cとの配置を模式的に示す。電解質膜1aは、二枚の電極1bおよび1cによって挟まれるが、電極1bおよび1cよりも面積が大きく、電極1bおよび1cより面方向において外側にはみ出している。このはみ出した部分、すなわち電極よりも外側にある電解質膜1a−aを、本明細書では、電解質膜耳部もしくは単に耳部と呼ぶことがある。
FIG. 2 schematically shows the arrangement of the
この装置は、電極より外側にある電解質膜(耳部)を、電極とは個別に加圧するための耐熱性の剛体からなるプレート3を備える。プレート3は本体部分2と独立に上下移動させることが可能である。電解質膜耳部を挟んでプレートと相対する位置に膜押さえ部材4が設けられている。
This apparatus includes a
プレートおよび膜押さえ部材に使用するための、比較的熱伝導性がよい剛体としては、例えばステンレス鋼が挙げられる。ステンレス鋼の表面を、PTFEなど耐熱性および耐食性の高い材料を用いてコートしたプレートおよび膜押さえ部材が好ましい。 Examples of the rigid body having relatively good thermal conductivity for use in the plate and the film pressing member include stainless steel. A plate and a film pressing member in which the surface of stainless steel is coated with a material having high heat resistance and corrosion resistance such as PTFE are preferable.
また、電極全面で接合温度が均一になることが望ましいことから、膜・電極接合体の製造用治具の熱伝導性は良いことが好ましい。但し、強い圧力がかかる箇所においては、良好な熱伝導性を持たせるためといえども、強度を失わない範囲でプレート3および膜押さえ4の厚みを薄くすることが望ましく、例えば2〜5MPaの範囲の圧力で使用する場合は、0.2〜5.0mmの厚みの部材を使用するとよい。なお、ステンレス鋼に限定するものではなく、ステンレス鋼以外の剛体であっても、適宜強度と耐食処理に留意すれば使用しても構わない。
Further, since it is desirable that the bonding temperature be uniform over the entire surface of the electrode, it is preferable that the thermal conductivity of the jig for manufacturing a membrane / electrode assembly is good. However, it is desirable to reduce the thickness of the
さらに、プレート3がバネ5で本体部分2から支えられており、バネは伸縮が可能な状態で取り付けられている。
Further, the
前記プレートを支えるバネが二重に周回する配置になっている。すなわち外側の周回のバネ5aと内側の周回のバネ5bとが設けられている。
The spring which supports the plate is arranged so as to go around twice. That is, an outer
内側の周回のバネ5bは、電極周囲より外側にある電解質膜(耳部)の上方または下方(図1では下方)に位置し、複数のバネ5bが電極を取り囲むように配置されている。外側の周回のバネ5aはプレート3の概外縁部の上方または下方(図1では下方)に位置し、複数のバネ5aが内側の周回のバネ5bを取り囲むように配置されている。ここでいうプレート3の概外縁部とは、プレート3において、電解質膜の耳部があたる部分よりも外側の部分をいう。概外縁部を設けることにより、プレート3全体に強度を持たせることができ、また図示しないが、概外縁部は本体部分2と接続するためのネジなどを設けるためのスペースを提供する。これは電解質膜の耳部があたる部分は極力平面であることが望ましいからである。ネジ等の取り付け部を設けることは、凹凸の発生を生じる原因となる可能性があるため、ネジ等の取り付け部は、電解質膜の耳部があたる部分に設けずに、概外縁部に設けることが好ましい。
The inner
内側の周回のバネ5bは、電極と電解質膜との接合時にプレート3の電解質膜耳部の接する部分を押し上げ、膜押さえ4との間に電解質膜耳部を押さえつけることによって、接合時に電解質膜耳部がしわを形成するのを妨ぐ。さらにバネ5aでプレート3の概外縁部を押し上げることにより、経年劣化等によるプレート3全体のゆがみによる圧力の面内ばらつきを緩和して全体的により均一に圧力をかけられるようにすることができる。
The inner
本体部分2上に電極1c、電解質膜1b、電極1a、膜押さえ部材4が積層された状態で、これらの上に加圧用部材6が配置されている。図示した形態では加圧用部材6が下向きの凸形状をしており、凸形状の突出した部分に電極面が接触しているが、この突出部分を個別の部品とすることもできる。本体部分2や加圧用部材6は、電極に熱と圧力を伝える役割を有するので、熱伝導性と強度、面精度が求められる。従って金属を用いることが望ましい。
In a state where the
プレートの表面が耐食処理を施されている。これは酸性を有する電解質膜の表面にプレートが接触した場合に起こる可能性がある、金属イオン侵入の防止に効果的である。また、鉄などの金属が膜・電極接合体に混入することにより、電解質膜の劣化やイオン伝導の阻害等の影響も懸念されるため、高温高圧で接触することによるごく微量な金属片の混入を避けるために、本体部分2と加圧用部材6の電極と接する面についても、耐食処理を行うとさらに望ましい。
The surface of the plate is subjected to corrosion resistance treatment. This is effective in preventing metal ion invasion that may occur when the plate contacts the surface of the acidic electrolyte membrane. In addition, since metals such as iron are mixed into the membrane / electrode assembly, there are concerns about the effects of electrolyte membrane deterioration and ionic conduction inhibition. In order to avoid this, it is more desirable that the surface contacting the
上記構成により、電解質膜と電極との接合の際に、電解質膜の耳部に一定方向の力を、電極とは個別にかけることができる。 With the above configuration, when joining the electrolyte membrane and the electrode, a force in a certain direction can be applied to the ear portion of the electrolyte membrane separately from the electrode.
変形しにくい剛体が電解質膜耳部に接するようにし、さらにその剛体を2重のバネで支えることにより、常に電解質膜面に垂直に加圧できる。内側のバネで電解質膜のあたる部分を押し、外側のバネはプレートのゆがみによる圧力の面内ばらつきを緩和して全体的により均一に圧力がかかるような構造としている。 A rigid body that is not easily deformed is brought into contact with the electrolyte membrane ear, and the rigid body is supported by a double spring so that the pressure can be always applied perpendicularly to the electrolyte membrane surface. The inner spring is used to push the portion of the electrolyte membrane, and the outer spring has a structure in which pressure is more uniformly applied by alleviating in-plane variations in pressure due to distortion of the plate.
図3に、本発明の治具を使用して電解質膜と電極を加圧・加熱しているときの力のかかり方について図示する。電極1b、1c面にかかる圧力はプレスから加わるものであるが、電解質膜耳部1a−aは、バネが縮んだ際の反発力によって、プレート3と膜押さえ部材4によって押さえつけられている。接合が終了した後(図4)も、プレート3はバネによって押し上げられ、プレート3、電解質膜耳部1a−a、膜押さえ部材4を密着させ、電解質膜耳部のしわ発生を抑制している。バネの反発力はバネ自体のバネ定数と縮み量(空間7の高さに依存)で決まるため、必要に応じてバネと空間の高さを調整すればよい。
FIG. 3 illustrates how force is applied when the electrolyte membrane and the electrode are pressurized and heated using the jig of the present invention. The pressure applied to the surfaces of the
以上はバネを例として説明したが、接合時にプレート3のゆがみを緩和させる機構は他の機構(アクチュエータ、ピエゾ素子など)を使用しても構わない。
Although the above has been described using the spring as an example, other mechanisms (actuators, piezo elements, etc.) may be used as a mechanism for reducing the distortion of the
電解質膜耳部を押さえるために、へたりの少ない剛体を用いているため、繰り返しの使用に対しても、膜・電極接合体製造用治具が耐性を有する。 Since a rigid body with less sag is used to hold down the electrolyte membrane ear, the jig for manufacturing a membrane / electrode assembly is resistant to repeated use.
図示した形態に係る膜・電極接合体製造用治具は、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の両側に配された電極とを加圧および加熱して接合し、固体高分子型燃料電池用の膜・電極接合体を製造する膜・電極接合体製造用治具であって、
固体高分子電解質膜1aならびに電極1bおよび1cを挟み、これらを加圧および加熱するための一対の板状部材(加圧用部材6および本体2)と、
固体高分子電解質膜の耳部を挟み、耳部を加圧するための一対の枠状部材(膜押さえ4およびプレート3。枠の長手方向に垂直な断面は四角形である)と、を含む。
The jig for manufacturing a membrane / electrode assembly according to the illustrated embodiment is a solid polymer electrolyte membrane and a solid polymer electrolyte membrane and electrodes placed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane are pressed and heated to join each other. A membrane / electrode assembly manufacturing jig for manufacturing a membrane / electrode assembly for a fuel cell,
A pair of plate-like members (pressurizing
A pair of frame-like members (
膜押さえ4は加圧用部材6に固定される。プレート3は本体2に力調節手段(バネ)を介して固定される。
The
プレート3は、本体2の電極1cに当接する部分の周囲に、本体2の電極1cに当接する部分に隣接して配される。非加圧時には、プレート3の側面と、本体2の電極に当接する面とによって、断面L字状部が形成され、この断面L字状部によって電極1cが位置決めされる。
The
プレート3は切り欠き部を有し、切り欠き部の上面に電解質膜の耳部が当接する。切り欠き部の側面と切り欠き部の上面とによって断面L字状部が形成され、この断面L字状部によって電解質膜1aが位置決めされる。
The
膜押さえ4は、加圧用部材6の電極1bに当接する部分の周囲に、加圧用部材6の電極1bに当接する部分に隣接して配される。膜押さえ4の側面と、加圧用部材6の電極1bに当接する面とによって、断面L字状部が形成され、この断面L字状部によって、電解質膜1bが位置決めされる。
The
板状部材(加圧用部材6および本体2)も枠状部材(膜押さえ4およびプレート3)も、ステンレス鋼などの金属によって形成することができる。
Both the plate-like member (pressurizing
なお、本発明の説明において、膜・電極接合体製造用治具を加熱するための加熱手段および膜・電極接合体製造用治具を加圧する加圧手段の説明は省いているが、膜・電極接合体の製造には、既知のホットプレス装置等、電解質膜および電極の加圧・加熱を行うために使用される装置を使用することが可能である。例えば、膜・電極接合体製造用治具に電解質膜および電極をセットし、その治具をホットプレス装置によって加熱および加圧することにより、膜・電極接合体を製造することができる。 In the description of the present invention, the description of the heating means for heating the jig for manufacturing the membrane / electrode assembly and the pressurizing means for pressing the jig for manufacturing the membrane / electrode assembly are omitted. In the production of the electrode assembly, it is possible to use an apparatus used for pressurizing and heating the electrolyte membrane and the electrode, such as a known hot press apparatus. For example, a membrane / electrode assembly can be manufactured by setting an electrolyte membrane and an electrode in a jig for manufacturing a membrane / electrode assembly, and heating and pressing the jig with a hot press apparatus.
1 膜・電極接合体
1a 固体高分子電解質膜
1b、1c 電極
2 膜・電極接合体製造用治具の本体
3 プレート(枠状)
4 膜押さえ(枠状)
5 バネ
5a 外側のバネ
5b 内側のバネ
6 加圧用部材
7 空間
DESCRIPTION OF
4 Membrane presser (frame shape)
5
Claims (3)
電極および電解質膜の位置を固定させるためのガイドおよび窪みを有し、電極および電解質膜に熱および圧力を伝えるための機構を有しており、
電極より外側にある電解質膜を電極とは個別に直接接触して加圧するための耐熱性の金属からなるプレートを備え、
プレートがバネで本体部分から支えられており、
プレートを支えるバネとして、内側の周回のバネと外側の周回のバネとを有する
膜・電極接合体製造用治具。 Membrane / electrode assembly for producing a membrane / electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell by joining a polymer electrolyte membrane and electrodes disposed on both sides of the polymer electrolyte membrane under pressure and heating A body manufacturing jig,
A guide and a recess for fixing the position of the electrode and the electrolyte membrane, and a mechanism for transferring heat and pressure to the electrode and the electrolyte membrane;
Provided with a plate made of a heat-resistant metal to press the electrolyte membrane outside the electrode in direct contact with the electrode separately,
The plate is supported from the body part with a spring,
A jig for manufacturing a membrane / electrode assembly, which has an inner circumferential spring and an outer circumferential spring as springs for supporting the plate .
ここで前記概外縁部は、プレートにおいて、電解質膜の耳部があたる部分よりも外側の部分であり、
前記電解質膜の耳部は、電解質膜の電極からはみ出した部分である
請求項1記載の膜・電極接合体製造用治具。 The inner orbiting spring is located above or below the electrolyte membrane outside the electrode, the outer orbiting spring is located above or below the approximate outer edge of the plate,
Here, the substantially outer edge portion is a portion outside the portion of the plate that contacts the ear portion of the electrolyte membrane,
The ears of the electrolyte membrane is a portion protruding from the electrode of the electrolyte membrane <br/> claim 1 membrane-electrode assembly manufacturing jig according.
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