JP5708455B2 - Manufacturing method of electrolyte membrane for fuel cell, fuel cell stack - Google Patents

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本発明は、燃料電池用の電解質膜の製造方法に関し、特に、乾燥時における電解質膜の収縮抑制技術に関する。   The present invention relates to a method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell, and more particularly to a technique for suppressing shrinkage of an electrolyte membrane during drying.

燃料電池には、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を発揮する固体高分子型の電解質膜を備えるものがある。燃料電池の動作条件に応じたセルの湿潤状態の変化に伴い、電解質膜の形態が変化することが知られている。電解質膜の形態変化は、電解質膜の損傷や、電解質膜と触媒層から構成される膜電極接合体の損傷を招くため、湿潤状態の変化に伴う電解質膜の形態変化を抑制する技術が提案されている。   Some fuel cells include a polymer electrolyte membrane that exhibits good proton conductivity in a wet state. It is known that the form of the electrolyte membrane changes as the wet state of the cell changes according to the operating conditions of the fuel cell. Since changes in the shape of the electrolyte membrane cause damage to the electrolyte membrane and damage to the membrane electrode assembly composed of the electrolyte membrane and the catalyst layer, a technique for suppressing the change in the shape of the electrolyte membrane due to changes in the wet state has been proposed. ing.

例えば、水を主成分とする湿潤雰囲気下で電解質膜を膨潤させ、回転する局面を有する支持体に膨潤させた電解質膜を拘束固定した状態で乾燥するという加工処理を施す技術がある。この技術によれば、含水量増加時における電解質膜の膜厚の偏りやしわ発生を抑制できる。 For example, there is a technique in which an electrolyte membrane is swollen in a humid atmosphere containing water as a main component, and a processing is performed in which the electrolyte membrane swollen on a support having a rotating aspect is dried in a state of being restrained and fixed. According to this technique, it is possible to suppress the deviation in thickness of the electrolyte membrane and the generation of wrinkles when the water content is increased.

特開2007−26727号公報JP 2007-26727 A 特開2005−166329号公報JP 2005-166329 A 特開2009−176465号公報JP 2009-176465 A 特開2007−165077号公報JP 2007-165077 A

しかしながら、従来の技術では、電解質膜を所望の面積となるように膨潤処理を施した状態で平面方向の端部を拘束固定し乾燥させているので、電解質膜には残留応力が作用している。そのため、燃料電池発電時において、電解質膜の含水量が増大した場合における電解質膜のしわ発生や膜厚むら発生を抑制することはできるが、膨潤時に電解質膜の残留応力が緩和されるため、電解質膜の含水量が低下した場合、乾燥に伴い電解質膜に作用する引張応力が増大し、電解質膜の裂けや薄肉化など電解質膜の損傷を引き起こすおそれがある。   However, in the conventional technique, since the electrolyte membrane is subjected to swelling treatment so as to have a desired area, the end in the planar direction is restrained and fixed, and the residual stress acts on the electrolyte membrane. . Therefore, during fuel cell power generation, when the water content of the electrolyte membrane increases, it is possible to suppress the occurrence of wrinkles and film thickness unevenness of the electrolyte membrane, but the residual stress of the electrolyte membrane is alleviated during swelling. When the water content of the membrane decreases, the tensile stress acting on the electrolyte membrane increases with drying, which may cause damage to the electrolyte membrane such as tearing or thinning of the electrolyte membrane.

本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、電解質膜の乾燥に起因する引張応力による、電解質膜の劣化の抑制を目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to suppress deterioration of an electrolyte membrane due to tensile stress resulting from drying of the electrolyte membrane.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.

[適用例1]
燃料電池に用いられる電解質膜の製造方法であって、前記電解質膜を湿潤雰囲気において膨潤させる膨潤工程と、前記膨潤工程後に、前記電解質膜の端部を固定して乾燥させる乾燥工程と、を備え、前記膨潤工程前の前記電解質膜が、前記燃料電池の発電時の湿度における寸法変化率に対応して収縮変形する量を所定の収縮量とし、前記乾燥工程は、前記膨潤している前記電解質膜を、前記膨潤工程前における前記電解質膜の寸法である初期寸法よりも、前記所定の収縮量を収縮させて固定し、乾燥させる、製造方法。
[Application Example 1]
A method for producing an electrolyte membrane for use in a fuel cell, comprising: a swelling step for swelling the electrolyte membrane in a humid atmosphere; and a drying step for fixing and drying an end of the electrolyte membrane after the swelling step The amount of the electrolyte membrane before the swelling step that shrinks and deforms in accordance with the dimensional change rate in humidity during power generation of the fuel cell is set as a predetermined shrinkage amount, and the drying step includes the electrolyte that is swollen A manufacturing method, in which a membrane is fixed by shrinking the predetermined shrinkage amount by an amount smaller than an initial size which is a size of the electrolyte membrane before the swelling step.

適用例1の電解質膜の製造方法によれば、膨潤工程前の電解質膜の湿度が、燃料電池の発電時の湿度における寸法変化率に対応した収縮量を、膨潤工程前の電解質膜の初期寸法より収縮させて固定し、乾燥させる。本明細書において、寸法変化率とは、電解質膜が湿度(含水状態)に応じて膨張・収縮する際の平面方向の面積変化率を表しており、燃料電池の発電時の湿度とは、燃料電池発電時に、燃料電池に搭載されている電解質膜の湿度である。また、所定の収縮量とは、膨潤処理前の電解質膜について、湿潤状態から乾燥状態へと変化する際に予め測定されている寸法変化率に対応する面積収縮量である。従って、燃料電池の発電時において、電解質膜が湿潤状態から乾燥状態へと変化した場合に、乾燥に起因して電解質膜に引張応力が作用することを抑制できる。よって、電解質膜の収縮歪みによる形態変化を抑制できる。   According to the manufacturing method of the electrolyte membrane of Application Example 1, the humidity of the electrolyte membrane before the swelling step is equal to the shrinkage amount corresponding to the dimensional change rate in the humidity at the time of power generation of the fuel cell, and the initial dimension of the electrolyte membrane before the swelling step. Shrink more, fix and dry. In the present specification, the dimensional change rate represents the area change rate in the planar direction when the electrolyte membrane expands / contracts depending on the humidity (moisture content), and the humidity during power generation of the fuel cell is the fuel This is the humidity of the electrolyte membrane mounted on the fuel cell during battery power generation. The predetermined shrinkage amount is an area shrinkage amount corresponding to a dimensional change rate measured in advance when the electrolyte membrane before the swelling treatment is changed from a wet state to a dry state. Therefore, when the electrolyte membrane changes from a wet state to a dry state during power generation of the fuel cell, it is possible to suppress tensile stress from acting on the electrolyte membrane due to drying. Therefore, it is possible to suppress a change in shape due to shrinkage distortion of the electrolyte membrane.

[適用例2]
燃料電池に用いられる第1の電解質膜の製造方法であって、湿潤状態に応じて平面方向の寸法変化率が変化する第2の電解質膜を、湿潤雰囲気において膨潤させる膨潤工程と、前記膨潤工程後に、前記第2の電解質膜を乾燥させて前記第1の電解質膜を作製する乾燥工程と、を備え、前記乾燥工程は、前記膨潤している前記第2の電解質膜を、前記燃料電池の発電時における前記第2の電解質膜の湿度に応じた前記寸法変化率に対応する収縮量を、前記膨潤工程前の前記第2の電解質膜の寸法より収縮させ、前記収縮させた状態で前記第2の電解質膜の端部を固定し、乾燥させる、製造方法。
[Application Example 2]
A method for producing a first electrolyte membrane used in a fuel cell, wherein a swelling step of swelling a second electrolyte membrane whose dimensional change rate in a plane direction changes according to a wet state in a humid atmosphere, and the swelling step A drying step of drying the second electrolyte membrane to produce the first electrolyte membrane, and the drying step includes supplying the swollen second electrolyte membrane to the fuel cell. The amount of contraction corresponding to the dimensional change rate according to the humidity of the second electrolyte membrane during power generation is contracted from the size of the second electrolyte membrane before the swelling step, and the second electrolyte membrane is contracted in the contracted state. The manufacturing method of fixing the edge part of 2 electrolyte membrane, and making it dry.

適用例2の電解質膜の製造方法によれば、膨潤している第2の電解質膜を、燃料電池の発電時における第2の電解質膜の湿度に応じた寸法変化率に対応する収縮量、予め収縮させた状態で固定して乾燥させている。従って、燃料電池の発電時において、第1の電解質膜が湿潤状態から乾燥状態へと変化した場合に、乾燥に起因して第1の電解質膜に引張応力が作用することを抑制できる。よって、形態変化の小さい第1の電解質膜を提供することができ、第1の電解質膜と電極触媒層からなる膜電極接合体の機械的な形態変化の抑制、ひいては、膜電極接合体を備える燃料電池の耐久性を向上できる。   According to the method for manufacturing an electrolyte membrane of Application Example 2, the swollen second electrolyte membrane is subjected to a shrinkage amount corresponding to a dimensional change rate according to the humidity of the second electrolyte membrane during power generation of the fuel cell, It is fixed and dried in a contracted state. Therefore, when the first electrolyte membrane changes from a wet state to a dry state during power generation of the fuel cell, it is possible to suppress the tensile stress from acting on the first electrolyte membrane due to drying. Therefore, it is possible to provide a first electrolyte membrane having a small form change, and to suppress a mechanical form change of the membrane / electrode assembly including the first electrolyte membrane and the electrode catalyst layer, and thus to include the membrane / electrode assembly. The durability of the fuel cell can be improved.

[適用例3]
適用例2の電解質膜の製造方法であって、前記第2の電解質膜の収縮量とは、前記第2の電解質膜の湿度が、前記燃料電池の動作状態に基づいて規定される下限値のときの前記寸法変化率に対応した収縮量である、製造方法。
[Application Example 3]
In the method for manufacturing an electrolyte membrane according to Application Example 2, the amount of contraction of the second electrolyte membrane is a lower limit value in which the humidity of the second electrolyte membrane is defined based on the operating state of the fuel cell. A manufacturing method, which is a shrinkage amount corresponding to the dimensional change rate at the time.

適用例3の電解質膜の製造方法によれば、第2の電解質膜は、第2の電解質膜の湿度が、燃料電池の動作状態に基づいて規定される第2の電解質膜の湿度の下限値のときの寸法変化率に対応した収縮量だけ、乾燥により予め収縮変形される。従って、燃料電池の動作条件のもとで、第1の電解質膜が湿潤状態から乾燥状態へと変化した場合、第1の電解質膜が予め収縮された収縮量以上、収縮変形することを抑制できる。よって、第1の電解質膜の損傷を抑制でき、耐久性の高い第1の電解質膜を提供できる。   According to the method for manufacturing an electrolyte membrane of Application Example 3, the second electrolyte membrane has a lower limit value of the humidity of the second electrolyte membrane in which the humidity of the second electrolyte membrane is defined based on the operating state of the fuel cell. The amount of shrinkage corresponding to the dimensional change rate at this time is preliminarily contracted by drying. Therefore, when the first electrolyte membrane changes from a wet state to a dry state under the operating conditions of the fuel cell, it is possible to suppress the first electrolyte membrane from being contracted and deformed by a contraction amount that is contracted in advance. . Therefore, damage to the first electrolyte membrane can be suppressed, and a highly durable first electrolyte membrane can be provided.

[適用例4]
適用例2または適用例3の電解質膜の製造方法であって、前記第2の電解質膜の収縮量は、前記第1の電解質膜の端部を固定しない状態で乾燥させた場合における、前記第1の電解質膜の平面方向の寸法変化率に対応する前記第1の電解質膜の収縮量よりも小さい収縮量である、製造方法。
[Application Example 4]
In the method for manufacturing an electrolyte membrane according to Application Example 2 or Application Example 3, the shrinkage amount of the second electrolyte membrane may be the same as that obtained when the end portion of the first electrolyte membrane is dried without being fixed. A manufacturing method, wherein the amount of contraction is smaller than the amount of contraction of the first electrolyte membrane corresponding to the dimensional change rate in the planar direction of one electrolyte membrane.

第2の電解質膜の端部を固定しない状態で乾燥させた場合、作製された電解質膜は、平面方向への収縮量が大きくなり、電解質膜の膜厚が厚くなり、プロトン伝導性の低下という問題が生じるおそれがある。また、電解質膜の歪み(うねり)が生じた場合、触媒層との接合性が低下するおそれがある。このため、第2の電解質膜を加工して第1の電解質膜を作製する場合、第1の電解質膜に引張応力が作用し難い範囲で、できる限り第1の電解質膜の膜厚を薄くすることが好ましい。適用例4の電解質膜の製造方法によれば、第2の電解質膜の端部を固定しない状態で乾燥させた場合における、第2の電解質膜の平面方向の寸法変化率に対応する第2の電解質膜の収縮量よりも小さい収縮量だけ、乾燥させて予め収縮変形させる。よって、第1の電解質膜が湿潤状態から乾燥状態へと変化した場合に、乾燥に起因して第1の電解質膜に引張応力が作用することを抑制しつつ、第1の電解質膜の歪みを抑制し、プロトン伝導性を確保できる。   When the end portion of the second electrolyte membrane is dried without being fixed, the produced electrolyte membrane has a large amount of contraction in the plane direction, the electrolyte membrane becomes thick, and proton conductivity decreases. Problems may arise. Moreover, when distortion (undulation) of the electrolyte membrane occurs, there is a possibility that the bonding property with the catalyst layer is lowered. For this reason, when the first electrolyte membrane is fabricated by processing the second electrolyte membrane, the thickness of the first electrolyte membrane is made as thin as possible within the range where tensile stress is unlikely to act on the first electrolyte membrane. It is preferable. According to the method of manufacturing the electrolyte membrane of Application Example 4, the second electrolyte membrane corresponding to the dimensional change rate in the planar direction of the second electrolyte membrane when the end portion of the second electrolyte membrane is dried without being fixed. A shrinkage amount smaller than the shrinkage amount of the electrolyte membrane is dried and contracted and deformed in advance. Therefore, when the first electrolyte membrane is changed from the wet state to the dry state, the strain of the first electrolyte membrane is reduced while suppressing the tensile stress from acting on the first electrolyte membrane due to the drying. It is possible to suppress the proton conductivity.

[適用例5]
適用例2ないし適用例4いずれかの製造方法によって製造された電解質膜を用いたセルが複数積層されて構成される燃料電池スタックであって、前記セルの湿潤状態は、前記燃料電池スタックにおける前記セルの配置位置によって異なり、前記セルは、前記セルの配置位置に応じて前記収縮量が異なる前記第1の電解質膜を備える、燃料電池スタック。
[Application Example 5]
A fuel cell stack configured by laminating a plurality of cells using the electrolyte membrane manufactured by any one of the application examples 2 to 4, wherein the wet state of the cell is the fuel cell stack in the fuel cell stack. The fuel cell stack, wherein the cell includes the first electrolyte membrane, which differs depending on a cell arrangement position, and the contraction amount is different depending on the cell arrangement position.

燃料電池スタックを構成する各セルは、積層位置や締結荷重など種々の組み付け条件によって、発電時の湿潤状態が異なる。従って、適用例5の燃料電池スタックによれば、セルの配置位置に応じて、異なる収縮量で予め収縮変形された第1の電解質膜をセルに組み付けることができる。よって、全てのセルに対して収縮処理が施された第1の電解質膜を設置する場合に比してコストを抑制できる。   Each cell constituting the fuel cell stack has a different wet state during power generation depending on various assembly conditions such as a stacking position and a fastening load. Therefore, according to the fuel cell stack of Application Example 5, the first electrolyte membrane that is contracted and deformed in advance with a different contraction amount can be assembled to the cell according to the arrangement position of the cell. Therefore, the cost can be suppressed as compared with the case where the first electrolyte membrane in which the shrinkage treatment is applied to all the cells is installed.

本発明において、上述した種々の態様は、適宜、組み合わせたり、一部を省略したりして適用することができる。   In the present invention, the various aspects described above can be applied by appropriately combining or omitting some of them.

実施例におけるセル110の概略構成を例示する説明図。Explanatory drawing which illustrates schematic structure of the cell 110 in an Example. 含水状態の変化に伴う電解質膜の寸法変化について説明する模式図。The schematic diagram explaining the dimensional change of the electrolyte membrane accompanying the change of a water-containing state. 実施例における電解質膜の湿度と寸法変化率との相関関係について説明する説明図。Explanatory drawing explaining the correlation of the humidity and dimensional change rate of the electrolyte membrane in an Example. 実施例における電解質膜の製造方法を説明するフローチャート。The flowchart explaining the manufacturing method of the electrolyte membrane in an Example. 電解質膜の乾燥時における収縮歪みと引張応力が作用する湿度との相関関係を表す湿度―歪みグラフ700。A humidity-strain graph 700 showing the correlation between the shrinkage strain during drying of the electrolyte membrane and the humidity at which tensile stress acts. 実施例における電解質膜を収縮させた状態で固定するための方法について説明する説明図。Explanatory drawing explaining the method for fixing in the state which contracted the electrolyte membrane in an Example. 電解質膜の湿度と寸法変化との関係についての比較例を示す寸法変化グラフ800。The dimensional change graph 800 which shows the comparative example about the relationship between the humidity of an electrolyte membrane, and a dimensional change. 実施例における燃料電池の概略構成。The schematic structure of the fuel cell in an Example. 実施例における燃料電池スタックを構成するセルごとの電解質膜の選定方法について説明するフローチャート。The flowchart explaining the selection method of the electrolyte membrane for every cell which comprises the fuel cell stack in an Example.

A.実施例:
A1.セル構成:
図1は、実施例におけるセル110の概略構成を例示する説明図である。図1(a)は、セル110の断面模式図であり、図1(b)は、電解質膜がセパレータにより固定されている状態を説明する説明図である。セル110は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)120と、膜電極接合体120を両端から狭持するセパレータ118を備える。以降、膜電極接合体120をMEA120と表す。MEA120は電解質膜112と、電解質膜112の一方の側に配置されたアノード側触媒層(アノード側触媒電極層)114と、電解質膜112の他方の側に配置されたカソード側触媒層(カソード側触媒電極層)116と、を含んでいる。以下の説明では、アノード側触媒層114およびカソード側触媒層116を、まとめて「触媒電極層」または「触媒層」とも呼ぶ。
A. Example:
A1. Cell configuration:
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a schematic configuration of the cell 110 in the embodiment. FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of the cell 110, and FIG. 1B is an explanatory view illustrating a state in which the electrolyte membrane is fixed by a separator. The cell 110 includes a membrane electrode assembly (MEA) 120 and a separator 118 that holds the membrane electrode assembly 120 from both ends. Hereinafter, the membrane electrode assembly 120 is referred to as MEA 120. The MEA 120 includes an electrolyte membrane 112, an anode side catalyst layer (anode side catalyst electrode layer) 114 disposed on one side of the electrolyte membrane 112, and a cathode side catalyst layer (cathode side) disposed on the other side of the electrolyte membrane 112. Catalyst electrode layer) 116. In the following description, the anode side catalyst layer 114 and the cathode side catalyst layer 116 are also collectively referred to as “catalyst electrode layer” or “catalyst layer”.

電解質膜112は、固体高分子材料としてのフッ素系スルホン酸ポリマーにより形成された固体高分子型の電解質膜(例えばナフィオン(登録商標)膜:NRE212)であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。なお、電解質膜112としては、ナフィオンに限定されず、例えば、アシプレックス(登録商標)やフレミオン(登録商標)等の他のフッ素系スルホン酸膜が用いられるとしてもよい。また、電解質膜112として、フッ素系ホスホン酸膜、フッ素系カルボン酸膜、フッ素炭化水素系グラフト膜、炭化水素系グラフト膜、芳香族膜等が用いられるとしてもよいし、PTFE、ポリイミド等の補強材を含む機械的特性を強化した複合高分子膜が用いられるとしてもよい。電解質膜112は、含水状態の変化に伴う膨潤、収縮によって、寸法が変化する特性を有する。本明細書では、電解質膜112の寸法とは、電解質膜112の平面方向の寸法、換言すれば、電解質膜112の面積を表しており、寸法変化とは、面積の変化を示す。電解質膜112は、特許請求の範囲における「第1の電解質膜」にあたる。   The electrolyte membrane 112 is a solid polymer electrolyte membrane (for example, Nafion (registered trademark) membrane: NRE212) formed of a fluorine-based sulfonic acid polymer as a solid polymer material, and has good proton conductivity in a wet state. Have. The electrolyte membrane 112 is not limited to Nafion, and other fluorine-based sulfonic acid membranes such as Aciplex (registered trademark) and Flemion (registered trademark) may be used. Further, as the electrolyte membrane 112, a fluorine-based phosphonic acid film, a fluorine-based carboxylic acid film, a fluorine-hydrocarbon-based graft film, a hydrocarbon-based graft film, an aromatic film, or the like may be used, or reinforcement such as PTFE or polyimide may be used. A composite polymer film having enhanced mechanical properties including a material may be used. The electrolyte membrane 112 has a characteristic that its dimensions change due to swelling and shrinkage accompanying changes in the water-containing state. In this specification, the dimension of the electrolyte membrane 112 represents the dimension in the planar direction of the electrolyte membrane 112, in other words, the area of the electrolyte membrane 112, and the dimensional change indicates a change in area. The electrolyte membrane 112 corresponds to the “first electrolyte membrane” in the claims.

図2は、含水状態の変化に伴う電解質膜112の寸法変化について説明する模式図である。図2(a)は、電解質膜112に対する加工前の電解質膜50(以降、本明細書では、膨潤処理前の電解質膜50を、加工前電解質膜50と呼ぶ)の初期状態を示し、図2(b)は、加湿され膨潤した湿潤状態の加工前電解質膜50aを示し、図2(c)は、膨潤状態から乾燥した後の乾燥状態の加工前電解質膜50bを示す。図2(a)の初期状態における寸法は、特許請求の範囲における「膨潤工程前における電解質膜の寸法である初期寸法」、「膨潤工程前の第2の電解質膜の寸法」に当たる。加工前電解質膜50は、特許請求の範囲における「第2の電解質膜」、「膨潤処理前の電解質膜」にあたる。図2(b)〜図2(c)において破線で示す加工前電解質膜50、50aは、図2(a)〜図2(b)のそれぞれに示す加工前電解質膜50、50aの面積を示す。加工前電解質膜50は、図2(a)に示す初期状態から加湿されると、図2(b)に矢印で示すように面積が増大し、加工前電解質膜50aとなる。膨潤して面積寸法が増大した加工前電解質膜50aの状態から乾燥すると、図2(c)に矢印で示すように収縮し、図2(a)の加工前電解質膜50よりも、面積が収縮して加工前電解質膜50bとなる。加工前電解質膜50の含水量(湿度)と寸法変化との相関関係については、後に詳述する。 FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a dimensional change of the electrolyte membrane 112 accompanying a change in the water-containing state. FIG. 2A shows an initial state of the electrolyte membrane 50 before processing with respect to the electrolyte membrane 112 (hereinafter, the electrolyte membrane 50 before swelling treatment is referred to as “pre-processing electrolyte membrane 50”). FIG. 2B shows the wet pre-process electrolyte membrane 50a that has been humidified and swollen, and FIG. 2C shows the dry pre-process electrolyte membrane 50b after drying from the swollen state. The dimensions in the initial state in FIG. 2A correspond to “the initial dimension that is the dimension of the electrolyte membrane before the swelling process” and “the dimension of the second electrolyte membrane before the swelling process” in the claims. The unprocessed electrolyte membrane 50 corresponds to “second electrolyte membrane” and “electrolyte membrane before swelling treatment” in the claims. 2 (b) to FIG. 2 (c), the unprocessed electrolyte membranes 50 and 50a indicated by broken lines indicate the areas of the unprocessed electrolyte membranes 50 and 50a shown in FIG. 2 (a) to FIG. 2 (b), respectively. . When the pre-process electrolyte membrane 50 is humidified from the initial state shown in FIG. 2 (a), the area increases as shown by the arrow in FIG. 2 (b) to become the pre-process electrolyte membrane 50a. When dried from the state of the pre-processed electrolyte membrane 50a that swells and has an increased area size, it shrinks as shown by the arrow in FIG. 2C, and the area shrinks more than the pre-processed electrolyte membrane 50 of FIG. Thus, the unprocessed electrolyte membrane 50b is obtained. The correlation between the moisture content (humidity) of the electrolyte membrane 50 before processing and the dimensional change will be described in detail later.

加工前電解質膜50は、電解質を含む溶媒を撥水性シート上に塗布し、乾燥することにより作製されたシートである。加工前電解質膜の初期状態とは、作製された後に、膨潤処理や乾燥処理が施されていない状態を表す。   The unprocessed electrolyte membrane 50 is a sheet produced by applying a solvent containing an electrolyte on a water-repellent sheet and drying it. The initial state of the electrolyte membrane before processing represents a state where the swelling treatment and the drying treatment are not performed after the production.

図1に戻り説明を続ける。触媒層114、116は、電極反応を促進する触媒を提供する層であり、触媒を担持する導電性担体と電解質としてのアイオノマーとを含む材料により形成されている。なお、導電性担体としては、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物等を用いることができる。また、触媒としては、例えば、白金や白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウム等を使用することができる。また、白金合金としては、例えば、白金と、アルミニウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ガリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、バナジウム、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、チタンおよび鉛のうちの少なくとも一種との合金を用いることができる。また、アイオノマーとしては、例えば、パーフルオロスルホン酸樹脂材料(例えばナフィオン)や、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化プラスチック系電解質、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィド、スルホアルキル化ポリフェニレンなどのスルホアルキル化プラスチック系電解質等を用いることができる。   Returning to FIG. The catalyst layers 114 and 116 are layers that provide a catalyst that promotes an electrode reaction, and are formed of a material that includes a conductive carrier that supports the catalyst and an ionomer as an electrolyte. In addition, as a conductive support | carrier, carbon compounds represented by silicon carbide etc. other than carbon materials, such as carbon black, a carbon nanotube, and a carbon nanofiber, can be used, for example. Moreover, as a catalyst, platinum, a platinum alloy, palladium, rhodium, gold | metal | money, silver, osmium, iridium etc. can be used, for example. Examples of platinum alloys include platinum, aluminum, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, gallium, zirconium, molybdenum, ruthenium, rhodium, palladium, vanadium, tungsten, rhenium, osmium, iridium, titanium, and lead. An alloy with at least one of them can be used. Examples of the ionomer include perfluorosulfonic acid resin material (for example, Nafion), sulfonated polyether ketone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfone, sulfonated polysulfide, and sulfonated polyphenylene. Sulfonylated plastic electrolytes such as sulfoalkylated polyether ether ketone, sulfoalkylated polyethersulfone, sulfoalkylated polyetherethersulfone, sulfoalkylated polysulfone, sulfoalkylated polysulfide, sulfoalkylated polyphenylene, etc. A plastic electrolyte or the like can be used.

セパレータ118は、ガスを透過しない緻密質であると共に導電性を有する材料、例えば圧縮成型された緻密質カーボン、金属、導電性樹脂により形成されている。セパレータ118のアノード側触媒層114と接する側の面には燃料ガス流路が形成されており、カソード側触媒層116と接する側の面には酸化剤ガス流路が形成されている。   The separator 118 is formed of a dense material that does not transmit gas and has conductivity, such as dense carbon, metal, and conductive resin that are compression-molded. A fuel gas flow path is formed on the surface of the separator 118 on the side in contact with the anode side catalyst layer 114, and an oxidant gas flow path is formed on the surface on the side in contact with the cathode side catalyst layer 116.

図1(b)は、電解質膜112がセパレータ118により固定されている状態を概略的に示す。図1(b)において、斜線で示す部分は、一対のセパレータ118と、電解質膜112との、外縁の接触部分を示す。図1(a)では、説明の便宜上、電解質膜112は、セパレータ118の面積と同程度の面積であるように記載されているが、実際は、図1(b)に示すように、電解質膜112はセパレータ118よりも若干小さい面積を有しており、一対のセパレータ118は、電解質膜112の外縁を挟み込むように配置されている。このように電解質膜112とセパレータ118が配置されることにより、電解質膜112は、セパレータ118により固定され、平面方向に寸法拘束される。 FIG. 1B schematically shows a state in which the electrolyte membrane 112 is fixed by the separator 118. In FIG. 1B, the hatched portion indicates the outer edge contact portion between the pair of separators 118 and the electrolyte membrane 112. In FIG. 1A, for convenience of explanation, the electrolyte membrane 112 is described as having an area approximately the same as the area of the separator 118, but actually, as shown in FIG. Has a slightly smaller area than the separator 118, and the pair of separators 118 are arranged so as to sandwich the outer edge of the electrolyte membrane 112. By arranging the electrolyte membrane 112 and the separator 118 in this way, the electrolyte membrane 112 is fixed by the separator 118 and is dimensionally restricted in the planar direction.

セル110は、また、アノード側触媒層114の電解質膜112と接する側とは反対側に配置されたアノード側拡散層と、カソード側触媒層116の電解質膜112と接する側とは反対側に配置されたカソード側拡散層と、を含んでいてもよい。カソード側拡散層およびアノード側拡散層は、電極反応に用いられる反応ガス(酸化剤ガスおよび燃料ガス)をMEA120の面方向に沿って拡散させる層であり、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパーにより形成され、PTFE樹脂により撥水処理が施されていてもよい。   The cell 110 is also arranged on the anode side diffusion layer disposed on the side opposite to the side in contact with the electrolyte membrane 112 of the anode side catalyst layer 114 and on the side opposite to the side in contact with the electrolyte membrane 112 of the cathode side catalyst layer 116. And a cathode-side diffusion layer formed thereon. The cathode side diffusion layer and the anode side diffusion layer are layers that diffuse reaction gases (oxidant gas and fuel gas) used for the electrode reaction along the surface direction of the MEA 120, and are formed of, for example, carbon cloth or carbon paper. The water-repellent treatment may be performed with PTFE resin.

A2.電解質膜の寸法変化率:
図3は、実施例における加工前電解質膜50の湿度と寸法変化率との相関関係を説明する説明図である。図3(a)は、湿度に対する加工前電解質膜50の寸法変化率を表す寸法変化グラフ600である。図3(b)は、加工前電解質膜50の平面方向の膨張・収縮に伴う寸法変化と寸法変化率について、模式的に示す。図3(b)において、加工前電解質膜50は、図2(a)に示す初期状態を示しており、加工前電解質膜50aは、図2(b)に示す膨潤状態を示しており、加工前電解質膜50bは、図2(c)に示す乾燥状態を示す。
A2. Dimensional change rate of electrolyte membrane:
FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the correlation between the humidity and the dimensional change rate of the unprocessed electrolyte membrane 50 in the example. FIG. 3A is a dimensional change graph 600 showing the dimensional change rate of the pre-process electrolyte membrane 50 with respect to humidity. FIG. 3B schematically shows the dimensional change and the dimensional change rate associated with the expansion / contraction of the pre-processed electrolyte membrane 50 in the planar direction. In FIG. 3B, the unprocessed electrolyte membrane 50 shows the initial state shown in FIG. 2A, and the unprocessed electrolyte membrane 50a shows the swollen state shown in FIG. The pre-electrolyte membrane 50b shows the dry state shown in FIG.

寸法変化グラフ600は、所定温度(実施例では80℃)で、加工前電解質膜50に対して加湿処理と乾燥処理を繰り返し施し、湿潤状態から乾燥状態へ、または、乾燥状態から湿潤状態への状態遷移が繰り返された際の加工前電解質膜50の寸法変化率(面積変化率)を測定した結果を表す。寸法変化グラフ600において、縦軸は加工前電解質膜50の寸法変化率(単位は%)を表し、横軸は加工前電解質膜50の湿度(単位は%RH)を表す。寸法変化曲線610は、初期の状態遷移時における加工前電解質膜50の寸法変化傾向を示し、寸法変化曲線620は、2回目以降の状態遷移時における加工前電解質膜50の寸法変化傾向を示す。寸法変化率とは、実施例では、加工前電解質膜50のある状態の面積を基準(寸法変化率が0%)として、加工前電解質膜50の面積が膨張および収縮した場合における、基準の面積に対する面積変化の割合を示している。面積が膨張(拡大)すると寸法変化率は0%より上昇し、面積が収縮(縮小)すると寸法変化率は0%より低下する。なお、実施例では、式1を用いて、加工前電解質膜50に作用する引張応力を算出した。なお、式1において、Eはヤング率、βは湿度に対する線膨張係数、Δεは、平面方向の寸法変化のマイナス分に相当する。当該マイナス分を低減させることにより、電解質膜に作用する引張応力を減少させることができる。 The dimensional change graph 600 is obtained by repeatedly applying a humidification process and a drying process to the electrolyte membrane 50 before processing at a predetermined temperature (80 ° C. in the embodiment) to change from a wet state to a dry state, or from a dry state to a wet state. The result of having measured the dimensional change rate (area change rate) of the electrolyte membrane 50 before a process when a state transition is repeated is represented. In the dimensional change graph 600, the vertical axis represents the dimensional change rate (unit:%) of the unprocessed electrolyte membrane 50, and the horizontal axis represents the humidity (unit:% RH) of the unprocessed electrolyte membrane 50. The dimensional change curve 610 shows the dimensional change tendency of the pre-process electrolyte membrane 50 at the initial state transition, and the dimensional change curve 620 shows the dimensional change tendency of the pre-process electrolyte membrane 50 at the second and subsequent state transitions. In the embodiment, the dimensional change rate is the standard area when the area of the pre-processed electrolyte membrane 50 expands and contracts with the area of the pre-processed electrolyte membrane 50 as a reference (the dimensional change rate is 0%). The ratio of the area change with respect to is shown. When the area expands (expands), the dimensional change rate increases from 0%, and when the area contracts (shrinks), the dimensional change rate decreases from 0%. In the examples, the tensile stress acting on the pre-processing electrolyte membrane 50 was calculated using Equation 1. In Equation 1, E is the Young's modulus, β is the linear expansion coefficient with respect to humidity, and Δε corresponds to the minus part of the dimensional change in the plane direction. By reducing the minus amount, the tensile stress acting on the electrolyte membrane can be reduced.

Figure 0005708455
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寸法変化グラフ600において、加工前電解質膜50の寸法変化が0%の状態とは、図2(a)に示す初期状態に当たる。なお、加工前電解質膜50は、湿度が0%の状態で所定の形状・寸法となるように製造されるため、加工前電解質膜50には、製造過程において加工前電解質膜50に作用した応力の残留応力が存在している。残留応力により、加工前電解質膜50の分子鎖は、不均衡な状態で固定されている。寸法変化率を測定する実験において、1回目の加湿時に、加工前電解質膜50を液水に浸して加工前電解質膜50の含水量が飽和するまで加湿しているので、この時点で加工前電解質膜50の分子鎖はゆるみ、残留応力は緩和される。従って、残留応力の緩和後、加湿されている状態から乾燥される場合の加工前電解質膜50の寸法変化傾向は、寸法変化曲線620により表される。ただし、加工前電解質膜50が燃料電池に搭載されている場合には、燃料電池の発電による生成水の吸収と、乾燥とを繰り返しながら徐々に残留応力が緩和されるので、この場合には、初期の複数回の状態変遷時における寸法変化は、寸法変化曲線610によって表される。寸法変化曲線610により表される寸法変化傾向によれば、初期の状態変遷時には、寸法変化率が0%未満となることはないため、加工前電解質膜50に対して引張応力は作用しない。   In the dimensional change graph 600, the state in which the dimensional change of the pre-processing electrolyte membrane 50 is 0% corresponds to the initial state shown in FIG. Since the pre-process electrolyte membrane 50 is manufactured to have a predetermined shape and size in a state where the humidity is 0%, the stress applied to the pre-process electrolyte membrane 50 during the manufacturing process is applied to the pre-process electrolyte membrane 50. Residual stress exists. Due to the residual stress, the molecular chains of the unprocessed electrolyte membrane 50 are fixed in an unbalanced state. In the experiment for measuring the dimensional change rate, the pre-processing electrolyte membrane 50 is soaked in liquid water and humidified until the water content of the pre-processing electrolyte membrane 50 is saturated at the time of the first humidification. The molecular chain of the film 50 is loosened and the residual stress is relaxed. Therefore, the dimensional change tendency of the electrolyte membrane 50 before processing when the residual stress is relaxed and dried from the humidified state is represented by the dimensional change curve 620. However, when the pre-process electrolyte membrane 50 is mounted on the fuel cell, the residual stress is gradually relieved while repeating the absorption and drying of the generated water by the power generation of the fuel cell. In this case, The dimensional change during the initial multiple state transitions is represented by a dimensional change curve 610. According to the dimensional change tendency represented by the dimensional change curve 610, the tensile change does not act on the pre-processed electrolyte membrane 50 because the dimensional change rate does not become less than 0% during the initial state transition.

寸法変化曲線610に示すように、加工前電解質膜50は、初期状態から加湿されると、湿度が上昇して、図2(b)の加工前電解質膜50aに示すように平面方向に面積が増大し、寸法変化率が0%から上昇する。加工前電解質膜50aは、湿度120%RHのときに含水量が飽和状態となり、このときの加工前電解質膜50aの寸法変化率は、図3(b)に示すように+15.8%である。すなわち、加工前電解質膜50の面積は、初期状態から、15.8%、膨張・拡大している。   As shown in the dimensional change curve 610, when the pre-process electrolyte membrane 50 is humidified from the initial state, the humidity increases, and the area in the plane direction is increased as shown in the pre-process electrolyte membrane 50a of FIG. The dimensional change rate increases from 0%. The unprocessed electrolyte membrane 50a is saturated in moisture content when the humidity is 120% RH, and the dimensional change rate of the unprocessed electrolyte membrane 50a at this time is + 15.8% as shown in FIG. . That is, the area of the electrolyte membrane 50 before processing is expanded and expanded by 15.8% from the initial state.

加工前電解質膜50aは、膨潤状態から乾燥されると、寸法変化曲線620に示すように、収縮して面積が収縮し、加工前電解質膜50aの寸法変化率は徐々に低下する。加工前電解質膜50aは、含水量が飽和状態となった際に分子鎖が緩んでいるため、乾燥されると、図2(c)の加工前電解質膜50bに示すように、図2(a)に示す初期状態より更に収縮し、寸法変化率が0%未満(負の状態)となる。過度に乾燥され、湿度が0%となると、加工前電解質膜50が加工前電解質膜50bへと変化する際の寸法変化率は、図3(b)に示すように、−3.6%となる。すなわち、加工前電解質膜50bの面積は、初期状態(図2(a))から、3.6%、収縮している。   When the pre-process electrolyte membrane 50a is dried from the swollen state, as shown by the dimensional change curve 620, the area shrinks and the dimensional change rate of the pre-process electrolyte membrane 50a gradually decreases. Since the pre-process electrolyte membrane 50a has a loose molecular chain when the water content becomes saturated, when dried, as shown in the pre-process electrolyte membrane 50b of FIG. ) Further shrinks from the initial state, and the dimensional change rate becomes less than 0% (negative state). When excessively dried and the humidity becomes 0%, the dimensional change rate when the unprocessed electrolyte membrane 50 changes to the unprocessed electrolyte membrane 50b is −3.6% as shown in FIG. Become. That is, the area of the electrolyte membrane 50b before processing is contracted by 3.6% from the initial state (FIG. 2A).

燃料電池のセルに加工前の電解質膜が搭載される場合、電解質膜は、寸法変化率が0%の状態で、セパレータによって端部が固定されているので、寸法変化率が0%未満となって収縮しようとすると、電解質膜には、引張応力(乾燥応力)が作用する。この引張応力により、電解質膜に形態変化(裂け、薄肉化等)が生じる。すなわち、過度に乾燥されると、電解質膜には、乾燥による収縮に起因して引張応力が作用する。電解質膜の許容限度を超える引張応力が電解質膜に対して働くと、電解質膜には、裂けや薄肉化が生じ、電解質膜の劣化を招くおそれがある。   When an unprocessed electrolyte membrane is mounted on a cell of a fuel cell, the dimensional change rate is less than 0% because the end of the electrolyte membrane is fixed by a separator with a dimensional change rate of 0%. If it is attempted to shrink, tensile stress (drying stress) acts on the electrolyte membrane. Due to this tensile stress, the electrolyte membrane undergoes a shape change (such as tearing or thinning). That is, when it is dried excessively, tensile stress acts on the electrolyte membrane due to shrinkage due to drying. When tensile stress exceeding the allowable limit of the electrolyte membrane acts on the electrolyte membrane, the electrolyte membrane may be torn or thinned, which may cause deterioration of the electrolyte membrane.

実施例の電解質膜112は、図3(b)に示すように、加工前電解質膜50に対して、初期状態の寸法から所定の収縮量を収縮させた状態で乾燥させる収縮処理を施して作製される。所定の収縮量とは、膨潤処理前の加工前電解質膜50が、燃料電池に搭載されている場合に、燃料電池発電時に膨潤処理前の加工前電解質膜50が曝されうる湿度における寸法変化率に対応する収縮変形の量であり、実施例では、寸法変化率が−1.6%のときの収縮量である。こうすることにより、湿潤状態の変化に伴う電解質膜112の損傷が抑制される。電解質膜112は以下に述べる製造方法により製造される。   As shown in FIG. 3B, the electrolyte membrane 112 of the example is manufactured by subjecting the pre-processed electrolyte membrane 50 to a shrinking treatment that dries in a state in which a predetermined shrinkage amount is shrunk from the initial size. Is done. The predetermined shrinkage amount is a dimensional change rate in humidity at which the unprocessed electrolyte membrane 50 before the swelling treatment can be exposed during power generation of the fuel cell when the unprocessed electrolyte membrane 50 before the swelling treatment is mounted on the fuel cell. It is the amount of shrinkage deformation corresponding to, and in the example, it is the amount of shrinkage when the dimensional change rate is -1.6%. By doing so, damage to the electrolyte membrane 112 due to a change in the wet state is suppressed. The electrolyte membrane 112 is manufactured by the manufacturing method described below.

A3.電解質膜の製造工程:
図4は、実施例における電解質膜の製造方法を説明するフローチャートである。まず、電解質膜112となる加工前電解質膜50を準備する(ステップS10)。加工前電解質膜50は、図2(a)における初期状態の電解質膜に当たる。
A3. Manufacturing process of electrolyte membrane:
FIG. 4 is a flowchart illustrating a method for manufacturing an electrolyte membrane in the example. First, an unprocessed electrolyte membrane 50 to be the electrolyte membrane 112 is prepared (step S10). The unprocessed electrolyte membrane 50 corresponds to the electrolyte membrane in the initial state in FIG.

加工前電解質膜50は、プロトン伝導性および絶縁性を有するものであればよい。加工前電解質膜50は、フッ素系樹脂材料(例えば、パーフルオロスルホン酸系ポリマー)と、水、アルコールなどの溶媒とを混合して作製された溶液を、撥水性シート(例えば、テフロン(登録商標)シート)上に塗布し、乾燥させることにより作製される。加工前電解質膜50は、膜厚が10μm〜50μmとなるように作製されることが好ましい。なお、加工前電解質膜50は、ナフィオンNRE211などの市販されている電解質膜を用いてもよい。   The pre-process electrolyte membrane 50 only needs to have proton conductivity and insulation. The electrolyte membrane 50 before processing is obtained by mixing a solution prepared by mixing a fluorine-based resin material (for example, perfluorosulfonic acid polymer) with a solvent such as water or alcohol into a water-repellent sheet (for example, Teflon (registered trademark)). It is prepared by coating on a sheet) and drying. It is preferable that the pre-process electrolyte membrane 50 is produced so that a film thickness may be 10 micrometers-50 micrometers. Note that the electrolyte membrane 50 before processing may be a commercially available electrolyte membrane such as Nafion NRE211.

ステップS10において準備された加工前電解質膜50を、膨潤処理溶液に浸漬し、膨潤させる(ステップS12)。以降、本明細書では、ステップS12における処理を、「膨潤処理」と呼ぶ。   The pre-process electrolyte membrane 50 prepared in step S10 is immersed in a swelling treatment solution and swollen (step S12). Hereinafter, in this specification, the processing in step S12 is referred to as “swelling processing”.

実施例における膨潤処理溶液は、例えば、水;ジメチルスルホキシド;Nメチル−2ピロリドン;メタノール、エタノール、プロパノール、エチレングリコール、プロピレングリコール等のアルコール類;ジメチルアセトアミド、N−ジメチルホルムアミドのアミド類;およびこれらの混合物を利用してもよい。特に、水、ジメチルスルホキシドが好ましい。水を利用すれば、膨潤処理溶液が電解質膜に残留したとしても、燃料電池を構成する他の部品や燃料電池の動作自体に影響をあたえることがない、という利点がある。また、ジメチルスルホキシドはフッ素樹脂材料により作製された加工前電解質膜50に対して高浸透率を有しているので、ジメチルスルホキシドを利用すれば、加工前電解質膜50における配向している分子鎖が緩みやすくなり、加工前電解質膜50を確実に膨潤させることができる。また、膨潤処理溶液は、70℃以上の熱水であることが好ましい。こうすれば、加工前電解質膜50を容易に膨潤させることができる。   Examples of the swelling treatment solution in the examples include water; dimethyl sulfoxide; N-methyl-2-pyrrolidone; alcohols such as methanol, ethanol, propanol, ethylene glycol, propylene glycol; amides of dimethylacetamide and N-dimethylformamide; A mixture of these may be used. In particular, water and dimethyl sulfoxide are preferable. If water is used, even if the swelling treatment solution remains on the electrolyte membrane, there is an advantage that it does not affect other parts constituting the fuel cell and the operation of the fuel cell itself. Further, since dimethyl sulfoxide has a high permeation rate with respect to the pre-process electrolyte membrane 50 made of a fluororesin material, if dimethyl sulfoxide is used, the oriented molecular chain in the pre-process electrolyte membrane 50 is reduced. It becomes easy to loosen, and the pre-processing electrolyte membrane 50 can be reliably swollen. The swelling treatment solution is preferably hot water of 70 ° C. or higher. By so doing, the unprocessed electrolyte membrane 50 can be easily swollen.

また、膨潤処理において、加工前電解質膜50を十分に膨潤させるため、加工前電解質膜50を膨潤処理溶液に、少なくとも、10分程度浸漬させることが好ましい。加工前電解質膜50は、膨潤工程により、図2(b)に示す膨潤状態となる。   In the swelling treatment, in order to sufficiently swell the unprocessed electrolyte membrane 50, it is preferable to immerse the unprocessed electrolyte membrane 50 in the swelling treatment solution for at least about 10 minutes. The electrolyte membrane 50 before processing becomes a swollen state shown in FIG.

膨潤させた加工前電解質膜50を、所定の寸法弛ませた状態で固定する(ステップS14)。加工前電解質膜に対する収縮処理の収縮量(変形量)は、セルに組み付けられた電解質膜が曝されうる湿度と、電解質膜に対して作用する引張応力の大きさに基づいて調整することが好ましい。収縮量の調整について、図5を参照して説明する。   The swollen pre-process electrolyte membrane 50 is fixed in a state of being loosened by a predetermined dimension (step S14). The shrinkage amount (deformation amount) of the shrinkage treatment with respect to the electrolyte membrane before processing is preferably adjusted based on the humidity to which the electrolyte membrane assembled in the cell can be exposed and the magnitude of the tensile stress acting on the electrolyte membrane. . The adjustment of the contraction amount will be described with reference to FIG.

図5は、電解質膜の乾燥時における収縮歪みと引張応力が作用する湿度との相関関係を表す湿度―歪みグラフ700である。湿度―歪みグラフ700において、縦軸は、電解質膜に引っ張り応力が働く湿度[単位%RH]を表し、横軸は、電解質膜の乾燥処理時における収縮歪み(寸法変率)[単位%]を表す。 FIG. 5 is a humidity-strain graph 700 showing the correlation between the shrinkage strain during drying of the electrolyte membrane and the humidity at which tensile stress acts. Humidity - In strain graph 700, the vertical axis represents the humidity [RH Unit%] acting tensile stress in the electrolyte membrane, and the horizontal axis, shrinkage tension (dimension change rate) during the drying process of the membrane [in%] Represents.

本実施例の加工前電解質膜50(ナフィオンNRE211)は、引張応力が作用する湿度曲線702からわかるように、湿度が43%RH未満となると、湿度の低下に伴って収縮歪みが増大する。ここで、加工前電解質膜50は、燃料電池の運転状態が、例えば、高負荷から低負荷へ変化した際、乾燥が進行することが知られており、その際、本実施例の加工前電解質膜50は、例えば、湿度が20%RH程度まで低下することが実験的に知られている。よって、実施例では、加工前電解質膜50に対する収縮処理において、加工前電解質膜50を膨潤させた後、初期状態(寸法変化率=0%)の面積に比して1.6%弛ませた状態で加工前電解質膜50の外周端を固定する。   As can be seen from the humidity curve 702 in which tensile stress acts on the pre-process electrolyte membrane 50 (Nafion NRE 211) of this example, when the humidity is less than 43% RH, shrinkage strain increases as the humidity decreases. Here, it is known that the pre-processing electrolyte membrane 50 is dried when the operating state of the fuel cell is changed from, for example, a high load to a low load. For example, it is experimentally known that the humidity of the film 50 is reduced to about 20% RH. Therefore, in the example, in the shrinkage treatment for the pre-processing electrolyte membrane 50, the pre-processing electrolyte membrane 50 was swollen and then relaxed by 1.6% compared to the area in the initial state (dimensional change rate = 0%). In this state, the outer peripheral end of the unprocessed electrolyte membrane 50 is fixed.

図6は、実施例における電解質膜を弛ませた状態で固定するための方法について説明する説明図である。実施例では、加工前電解質膜50の寸法固定に固定具200を利用する。図6(a)は、固定具200の上面図であり、図6(b)は、図6(a)のA−A断面で切断した断面図である。図6(a)および図6(b)に示すように、固定具200は、表面が撥水加工された台座210と加工前電解質膜50の寸法を調整するステンレス製の枠状治具220と、枠状治具220および加工前電解質膜50を台座210に固定する押圧治具230、ボルト240などの締め付け部材を備える。台座210は、プレート212上に薄いテフロンシート214が配置されている。台座210は、テフロンシートや表面がテフロン加工されたプレートによって構成されていてもよく、加工前電解質膜50との接触部分が撥水性材料によって構成されていればよい。なお、加工前電解質膜50と接する枠状治具220の側面222、および、押圧治具230の下面232もテフロン加工されていることが好ましい。例えば、側面222や下面232に、薄膜状のテフロンシートが貼付されていてもよい。ボルト240は、枠状治具220の四隅だけでなく、枠状治具220の各辺上に、所定の間隔をあけて複数設置されていることが好ましい。こうすれば、加工前電解質膜50の周囲全体に均等に力を作用させることができる。   FIG. 6 is an explanatory view illustrating a method for fixing the electrolyte membrane in a relaxed state in the example. In the embodiment, the fixture 200 is used to fix the dimensions of the electrolyte membrane 50 before processing. 6A is a top view of the fixture 200, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 6A. As shown in FIGS. 6A and 6B, the fixture 200 includes a pedestal 210 whose surface is water repellent and a frame jig 220 made of stainless steel that adjusts the dimensions of the electrolyte membrane 50 before processing. The frame-shaped jig 220 and the pressing jig 230 for fixing the pre-processing electrolyte membrane 50 to the pedestal 210 and a fastening member such as a bolt 240 are provided. The pedestal 210 has a thin Teflon sheet 214 disposed on a plate 212. The pedestal 210 may be constituted by a Teflon sheet or a plate whose surface is processed by Teflon, and the contact portion with the pre-processing electrolyte membrane 50 may be constituted by a water repellent material. In addition, it is preferable that the side surface 222 of the frame-shaped jig | tool 220 which contact | connects the electrolyte membrane 50 before a process, and the lower surface 232 of the press jig | tool 230 are also Teflon-processed. For example, a thin Teflon sheet may be attached to the side surface 222 and the lower surface 232. It is preferable that a plurality of bolts 240 are installed at predetermined intervals on each side of the frame-shaped jig 220 as well as the four corners of the frame-shaped jig 220. In this way, force can be applied evenly to the entire periphery of the pre-processed electrolyte membrane 50.

実施例では、枠状治具220は、枠の内寸が、電解質膜の湿度が20%RHのときの加工前電解質膜50の寸法変化率に対応した収縮量(収縮する方向に1.6%)に対応する面積分だけ小さくなるように形成されている。こうすれば、膨潤状態の加工前電解質膜50を、枠状治具220内に収容することで、加工前電解質膜50を所望の寸法に収縮させることができる。   In the embodiment, the frame-shaped jig 220 has a shrinkage amount corresponding to the dimensional change rate of the electrolyte membrane 50 before processing when the humidity of the electrolyte membrane is 20% RH (1.6 in the shrinking direction). %) To be smaller by the area corresponding to (%). By so doing, the pre-processing electrolyte membrane 50 in a swollen state is accommodated in the frame-shaped jig 220, so that the pre-processing electrolyte membrane 50 can be contracted to a desired dimension.

固定具200によって固定された加工前電解質膜50を乾燥させる(ステップS16)。加工前電解質膜50の乾燥には、乾燥機を用いる方法、ヒータを用いる方法など種々の乾燥方法を適用可能である。実施例では、乾燥機を用いて加工前電解質膜50を乾燥させる。加工前電解質膜50が固定された固定具200を、乾燥機内に設置し、50〜70℃の範囲内の温度で、40分〜1時間の時間範囲内で加工前電解質膜50に乾燥処理を施す。なお、乾燥温度、乾燥時間などは、加工前電解質膜50の製造過程や膨潤処理溶液の種類に応じて適宜適切な値を選択して適用することが好ましい。以降、本明細書では、ステップS14およびS16における処理を、まとめて、「乾燥処理」と呼び、膨潤処理と乾燥処理の一連の処理を「収縮処理」と呼ぶ。   The pre-process electrolyte membrane 50 fixed by the fixture 200 is dried (step S16). Various drying methods, such as a method using a dryer and a method using a heater, can be applied to dry the electrolyte membrane 50 before processing. In the embodiment, the electrolyte membrane 50 before processing is dried using a dryer. The fixture 200 to which the pre-process electrolyte membrane 50 is fixed is placed in a dryer, and the pre-process electrolyte membrane 50 is dried at a temperature in the range of 50 to 70 ° C. within a time range of 40 minutes to 1 hour. Apply. The drying temperature, the drying time, and the like are preferably selected by appropriately selecting appropriate values according to the manufacturing process of the pre-process electrolyte membrane 50 and the type of the swelling treatment solution. Hereinafter, in this specification, the processes in steps S14 and S16 are collectively referred to as “drying process”, and a series of processes of swelling process and drying process is referred to as “shrinking process”.

なお、ステップS14において、膨潤した状態の加工前電解質膜50を枠状治具220内に収容して固定することにより、加工前電解質膜50が弛み、しわが生じるが、ステップS16において加工前電解質膜50が乾燥される過程で弛みは低減または解消される。   In step S14, the pre-processing electrolyte membrane 50 in a swollen state is accommodated and fixed in the frame-shaped jig 220, so that the pre-processing electrolyte membrane 50 is loosened and wrinkled. However, in step S16, the pre-processing electrolyte membrane is formed. Sag is reduced or eliminated in the process of drying the membrane 50.

以上説明したように、電解質膜が製造される。以下に、このように製造された電解質膜と、収縮処理が施されていない電解質膜との湿度変化に伴う寸法変化の比較について説明する。   As described above, the electrolyte membrane is manufactured. Hereinafter, a comparison of the dimensional change accompanying the humidity change between the electrolyte membrane manufactured in this way and the electrolyte membrane not subjected to the shrinkage treatment will be described.

A4.比較結果:
図7は、電解質膜の湿度と寸法変化との関係についての比較例を示す寸法変化グラフ800である。寸法変化グラフ800は、収縮処理を施した電解質膜と収縮処理を施していない電解質膜との、湿度と寸法変化との相関関係についての比較例を表す。寸法変化グラフ800の縦軸、横軸は、寸法変化グラフ600と同様である。寸法変化曲線802は、加工前電解質膜50に対して膨潤処理を施した後、端部を固定せずに乾燥処理を施して作製された電解質膜の寸法変化率を表す。寸法変化曲線804は、図4において説明した収縮処理を施すことにより作製された電解質膜112の寸法変化率を表す。寸法変化曲線806は、加工前電解質膜50に収縮処理(膨潤処理、乾燥処理)を施していない電解質膜(すなわち、加工前電解質膜50そのもの)の寸法変化率を表しており、寸法変化グラフ600の寸法変化曲線620と同一である。なお、寸法変化グラフ800では、寸法変化曲線802の収縮処理における乾燥処理後の寸法を、寸法変化率=0%として表している。
A4. Comparison result:
FIG. 7 is a dimensional change graph 800 showing a comparative example of the relationship between the humidity and dimensional change of the electrolyte membrane. The dimensional change graph 800 represents a comparative example of the correlation between humidity and dimensional change between the electrolyte membrane that has undergone the shrinkage treatment and the electrolyte membrane that has not undergone the shrinkage treatment. The vertical axis and horizontal axis of the dimension change graph 800 are the same as those of the dimension change graph 600. A dimensional change curve 802 represents a dimensional change rate of an electrolyte membrane produced by subjecting the pre-processed electrolyte membrane 50 to a swelling treatment and then performing a drying treatment without fixing the end portion. A dimensional change curve 804 represents a dimensional change rate of the electrolyte membrane 112 manufactured by performing the shrinkage processing described with reference to FIG. A dimensional change curve 806 represents a dimensional change rate of an electrolyte membrane (that is, the pre-processed electrolyte membrane 50 itself) in which the pre-processed electrolyte membrane 50 has not been subjected to shrinkage treatment (swelling process, drying process). This is the same as the dimensional change curve 620. In the dimension change graph 800, the dimension after the drying process in the contraction process of the dimension change curve 802 is expressed as a dimension change rate = 0%.

寸法変化曲線802に示すように、加工前電解質膜50に対して膨潤処理を施した後、端部拘束なしで乾燥処理を施して作製された電解質膜は、残留応力が除去されており、電解質膜に対して、膨潤処理および乾燥処理を施すと、膨潤処理によって増大した面積は、乾燥処理により初期状態(寸法変化率=0%)に戻る。すなわち、電解質膜に対して引張応力が作用しない。   As shown in the dimensional change curve 802, the residual stress is removed from the electrolyte membrane produced by subjecting the electrolyte membrane 50 before processing to a swelling treatment and then subjecting it to a drying treatment without restraining the end portion. When the membrane is subjected to swelling treatment and drying treatment, the area increased by the swelling treatment returns to the initial state (dimensional change rate = 0%) by the drying treatment. That is, no tensile stress acts on the electrolyte membrane.

しかし、加工前電解質膜50の端部を固定しない状態で乾燥させて電解質膜を作製した場合、平面方向への収縮量が大きくなり、電解質膜の膜厚が厚くなったり、電解質膜の歪み(うねり)が生じたりし、プロトン伝導性の低下という問題が生じるおそれがある。このため、加工前電解質膜50に対して収縮処理を施して電解質膜を作製する場合、電解質膜に引張応力が作用し難い範囲で、できる限り電解質膜の膜厚を薄くすることが好ましい。   However, when the electrolyte membrane is dried without fixing the end portion of the electrolyte membrane 50 before processing, the amount of shrinkage in the planar direction increases, the electrolyte membrane becomes thicker, or the electrolyte membrane is strained ( Undulation) may occur, which may cause a problem of a decrease in proton conductivity. For this reason, when producing an electrolyte membrane by performing shrinkage treatment on the pre-processed electrolyte membrane 50, it is preferable to make the thickness of the electrolyte membrane as thin as possible within a range in which tensile stress is unlikely to act on the electrolyte membrane.

また、寸法変化曲線806に示すように、加工前電解質膜50に対して何ら収縮処理を施していない場合、実施例の電解質膜(ナフィオンNRE211)では、湿度が43%RH未満となると、電解質膜の寸法変化率が0%未満となり、電解質膜に対して引張応力が作用する。この結果、引張応力に起因した電解質膜の損傷が生じ、燃料電池の発電性能が低下するというおそれがある。   Further, as shown in the dimensional change curve 806, when the shrinkage treatment is not performed on the unprocessed electrolyte membrane 50, the electrolyte membrane (Nafion NRE211) of the example has an electrolyte membrane of less than 43% RH. The dimensional change rate is less than 0%, and tensile stress acts on the electrolyte membrane. As a result, the electrolyte membrane may be damaged due to the tensile stress, and the power generation performance of the fuel cell may be reduced.

よって、実施例のように、予め、電解質膜が燃料電池発電時に曝されうる湿度の下限値のときの寸法変化率に対応する収縮量だけ収縮変形させて、電解質膜112を作製することにより、寸法変化曲線806に示すように、燃料電池の動作条件のもとで、電解質膜が曝されると想定される湿度の下限値(20%RH)のときにも、電解質膜112に対して引張応力が作用することを抑制できる。なお、電解質膜が燃料電池発電時に曝されうる湿度の下限値とは、特許請求の範囲における「燃料電池の動作状態に基づいて規定される下限値」にあたる。   Therefore, as in the embodiment, by preliminarily deforming the electrolyte membrane by the amount of contraction corresponding to the dimensional change rate when the electrolyte membrane is exposed to the lower limit value of the humidity during fuel cell power generation, the electrolyte membrane 112 is produced. As indicated by a dimensional change curve 806, the electrolyte membrane 112 is pulled even when the humidity is assumed to be exposed to the lower limit (20% RH) under the operating conditions of the fuel cell. It can suppress that a stress acts. The lower limit value of the humidity to which the electrolyte membrane can be exposed during power generation of the fuel cell corresponds to the “lower limit value defined based on the operating state of the fuel cell” in the claims.

なお、実施例では、加工前電解質膜50としてナフィオンNRE211を利用しているので、収縮処理における収縮量を既述の通り1.6%としているが、収縮量は、電解質膜の種類、電解質膜が曝される湿度と電解質膜に作用する引張応力とに基づいて、適宜決定されることが好ましい。   In the embodiment, Nafion NRE211 is used as the pre-processing electrolyte membrane 50, and thus the shrinkage amount in the shrinkage treatment is set to 1.6% as described above. However, the shrinkage amount depends on the type of the electrolyte membrane and the electrolyte membrane. It is preferably determined as appropriate based on the humidity to which the material is exposed and the tensile stress acting on the electrolyte membrane.

以上説明した製造方法にて作製された電解質膜を有するセルを備える燃料電池スタックについて、以下に説明する。   A fuel cell stack including a cell having an electrolyte membrane manufactured by the manufacturing method described above will be described below.

A5.燃料電池概略構成:
図8は、実施例における燃料電池の概略構成である。実施例の燃料電池スタック100は、固体高分子形の燃料電池であり、複数のセル110(図1において説明)、ターミナル124,エンドプレート125、抵抗測定部130を備える。燃料電池スタック100は、積層された複数のセル110を、積層方向の両端から挟持するように、ターミナル124,エンドプレート125が配置されている。
A5. Fuel cell schematic configuration:
FIG. 8 is a schematic configuration of the fuel cell in the example. The fuel cell stack 100 according to the embodiment is a polymer electrolyte fuel cell, and includes a plurality of cells 110 (described in FIG. 1), a terminal 124, an end plate 125, and a resistance measuring unit 130. In the fuel cell stack 100, a terminal 124 and an end plate 125 are arranged so as to sandwich a plurality of stacked cells 110 from both ends in the stacking direction.

抵抗測定部130は、ターミナル124に接続されており、燃料電池スタック100の抵抗を測定する。抵抗測定部130は、両ターミナル124間を流れる交流電流を検出することにより、燃料電池スタック100の交流インピーダンスを測定する。   The resistance measurement unit 130 is connected to the terminal 124 and measures the resistance of the fuel cell stack 100. The resistance measurement unit 130 measures the alternating current impedance of the fuel cell stack 100 by detecting the alternating current flowing between both terminals 124.

実施例では、各セル110に対して、燃料電池スタック100の積層方向に締結荷重が作用しているため、各セル110内に配置されている電解質膜112には、摩擦による拘束力が働いており、論理的には、平面方向に収縮することはない。しかしながら、セル面内の面圧分布やセルを構成する部材の厚みの分布により、締結荷重による拘束力が十分に働かない部分が存在する。このような部分では、電解質膜112は、含水状態に応じた寸法変化が生じやすい状態となり、既述のように、電解質膜112の耐久性が低下するおそれがある。そのため、実施例では、加工前電解質膜50に対して収縮処理を施して作製された電解質膜112を乾燥しやすいと考えられるセルに組み付けることで、セルの耐久性向上を図る。   In the embodiment, since a fastening load is acting on each cell 110 in the stacking direction of the fuel cell stack 100, a binding force due to friction acts on the electrolyte membrane 112 disposed in each cell 110. Logically, it does not shrink in the plane direction. However, there is a portion where the binding force due to the fastening load does not sufficiently work due to the distribution of the surface pressure in the cell surface and the distribution of the thickness of the members constituting the cell. In such a portion, the electrolyte membrane 112 is likely to undergo a dimensional change in accordance with the moisture content, and as described above, the durability of the electrolyte membrane 112 may be reduced. Therefore, in the embodiment, the durability of the cell is improved by assembling the electrolyte membrane 112 manufactured by subjecting the pre-processed electrolyte membrane 50 to the cell considered to be easily dried.

A6.セルに搭載する電解質膜の選定処理:
図9は、実施例における燃料電池スタックを構成するセルごとの電解質膜の選定方法について説明するフローチャートである。燃料電池スタックが搭載される車両の運転条件下において燃料電池スタックの発電を行い、燃料電池スタック100を構成する複数のセルのそれぞれについて、セル抵抗を測定する(ステップS20)。
A6. Selection process of electrolyte membrane to be installed in the cell:
FIG. 9 is a flowchart illustrating a method for selecting an electrolyte membrane for each cell constituting the fuel cell stack in the example. Power generation of the fuel cell stack is performed under the operating conditions of the vehicle on which the fuel cell stack is mounted, and cell resistance is measured for each of the plurality of cells constituting the fuel cell stack 100 (step S20).

燃料電池スタックにおいて、燃料電池スタックの負荷状態が高負荷から低負荷へ変化した場合に、搭載されている電解質膜が乾燥し易い状態となることが知られている。よって、実施例では、燃料電池スタックの負荷状態を、高負荷から低負荷へ変化させた後の、各セルの面内抵抗を測定し、測定結果に基づき、乾燥しやすいセルを特定する。セル抵抗は、各セルの面内の複数個所において測定された局所的な抵抗値である。抵抗値が所定値以上となる部分を有するセルは、乾燥しやすいセルと判断される。 In the fuel cell stack, when the load state of the fuel cell stack is changed from a high load to a low load, it is known that the mounted electrolyte membrane is easily dried. Therefore, in the embodiment, the in-plane resistance of each cell after the load state of the fuel cell stack is changed from a high load to a low load is measured, and a cell that is easily dried is specified based on the measurement result. The cell resistance is a local resistance value measured at a plurality of locations in the plane of each cell. A cell having a portion having a resistance value equal to or higher than a predetermined value is determined as a cell that is easily dried.

各セルにおける局所的な抵抗値は、従来から利用されている種々の方法を利用可能である。例えば、ターミナル124を、絶縁体により複数の領域に分割し、分割された領域のそれぞれに、抵抗測定部130を接続する。抵抗測定部130は、各領域を流れる局所的な電流値を測定し、セル電圧を局所的な電流値で除算することにより、各セルの局所的な面内抵抗値を算出する。各領域は、乾燥しやすい位置など種々の条件に基づいて分割されることが好ましく、例えば、酸化ガス入り口近傍部分、燃料ガス入り口近傍部分、燃料ガス出口近傍付近の3カ所としてもよい。   For the local resistance value in each cell, various methods conventionally used can be used. For example, the terminal 124 is divided into a plurality of regions by an insulator, and the resistance measuring unit 130 is connected to each of the divided regions. The resistance measurement unit 130 measures a local current value flowing through each region, and calculates a local in-plane resistance value of each cell by dividing the cell voltage by the local current value. Each region is preferably divided on the basis of various conditions such as a position where it is easy to dry. For example, three regions may be provided in the vicinity of the oxidizing gas inlet, the fuel gas inlet, and the fuel gas outlet.

ステップ20において乾燥しやすいと判断されたセルについて、測定したセルの抵抗値に基づき、当該セルに備えられている電解質膜の湿度を算出する(ステップS22)。なお、このとき算出される湿度は予測値であり、湿度は、分割された領域ごとに算出される。   For the cell determined to be easy to dry in step 20, the humidity of the electrolyte membrane provided in the cell is calculated based on the measured resistance value of the cell (step S22). Note that the humidity calculated at this time is a predicted value, and the humidity is calculated for each divided area.

乾燥しやすいと判断された各セルについて、算出された湿度と、電解質膜の寸法変化率に基づき、当該セルに備えられている電解質膜に対して引張応力が作用するか否かを判断する(ステップS24)。具体的には、当該セルに備えられている電解質膜が、算出された湿度に対応する電解質膜の寸法変化率が負となる部位を少なくとも一つ有する場合には、電解質膜に対して引張応力が作用すると判断する。   For each cell determined to be easy to dry, it is determined whether tensile stress acts on the electrolyte membrane included in the cell based on the calculated humidity and the dimensional change rate of the electrolyte membrane ( Step S24). Specifically, when the electrolyte membrane provided in the cell has at least one portion where the dimensional change rate of the electrolyte membrane corresponding to the calculated humidity is negative, the tensile stress is applied to the electrolyte membrane. Is determined to work.

引張応力が作用する部分を含む電解質膜が備えられているセルについて、当該セルに備えられている電解質膜を、燃料電池スタックの発電において想定される湿度の下限値に対応する収縮量だけ予め収縮処理が施された電解質膜112に交換する(ステップS26)。実施例では、電解質膜としてNRE211を利用しているので、図4において説明したように、加工前の電解質膜の初期状態の寸法に対して、1.6%収縮された状態で乾燥された電解質膜112に交換する。以上の通り選定されたセルに電解質膜を組み付け、セルを複数積層して燃料電池スタックが製造される。   For a cell provided with an electrolyte membrane including a portion on which tensile stress acts, the electrolyte membrane provided in the cell is contracted in advance by a contraction amount corresponding to a lower limit value of humidity assumed in power generation of the fuel cell stack. It replaces | exchanges for the electrolyte membrane 112 to which the process was performed (step S26). In the embodiment, since NRE 211 is used as the electrolyte membrane, as described in FIG. 4, the electrolyte dried in a contracted state by 1.6% with respect to the initial size of the electrolyte membrane before processing. Replace with membrane 112. The fuel cell stack is manufactured by assembling the electrolyte membrane to the selected cell as described above and stacking a plurality of cells.

実施例の電解質膜の製造方法によれば、湿潤状態に応じて変化する加工前電解質膜の平面方向の寸法変化率が負のときの加工前電解質膜の収縮量を、予め収縮変形させた状態で固定して乾燥させている。従って、燃料電池の発電時において、燃料電池に備えられている電解質膜が湿潤状態から乾燥状態へと変化した場合に、乾燥に起因して電解質膜に引張応力が作用することを抑制できる。よって、形態変化(裂けや薄肉化等)の生じ難い電解質膜を提供することができ、電解質膜と電極触媒層からなる膜電極接合体の機械的な形態変化の抑制、ひいては、膜電極接合体を備える燃料電池の耐久性を向上できる。   According to the manufacturing method of the electrolyte membrane of the example, the amount of contraction of the electrolyte membrane before processing when the dimensional change rate in the plane direction of the electrolyte membrane before processing that changes according to the wet state is negative is a state in which the membrane is contracted and deformed beforehand It is fixed with and dried. Therefore, it is possible to suppress the tensile stress from acting on the electrolyte membrane due to drying when the electrolyte membrane provided in the fuel cell changes from a wet state to a dry state during power generation of the fuel cell. Therefore, it is possible to provide an electrolyte membrane that is unlikely to undergo morphological changes (such as tearing or thinning), and suppressing the mechanical morphological change of the membrane electrode assembly comprising the electrolyte membrane and the electrode catalyst layer, and thus the membrane electrode assembly. The durability of the fuel cell comprising

また、実施例の電解質膜の製造方法によれば、加工前電解質膜は、加工前電解質膜の湿度が、燃料電池の動作状態に基づいて規定される加工前電解質膜の湿度の下限値ときの寸法変化率に対応した収縮量だけ、予め変形された状態で乾燥される。従って、燃料電池の動作条件のもとで、電解質膜が湿潤状態から乾燥状態へと変化した場合、電解質膜が予め変形された収縮量以上変形することを抑制できる。よって、電解質膜の損傷を抑制でき、耐久性の高い電解質膜を提供できる。   In addition, according to the method for manufacturing an electrolyte membrane of the example, the pre-processed electrolyte membrane has a humidity when the pre-processed electrolyte membrane has a lower limit of the humidity of the pre-processed electrolyte membrane defined based on the operating state of the fuel cell. Only the amount of shrinkage corresponding to the dimensional change rate is dried in a deformed state. Therefore, when the electrolyte membrane changes from a wet state to a dry state under the operating conditions of the fuel cell, it is possible to suppress the electrolyte membrane from being deformed more than a previously deformed contraction amount. Therefore, damage to the electrolyte membrane can be suppressed, and a highly durable electrolyte membrane can be provided.

また、本発明による電解質膜の製造方法によれば、膨潤、収縮処理の寸法に応じて、電解質膜の収縮歪みを調整できる。そのため、実施例の電解質膜の製造方法によれば、加工前電解質膜の端部を固定しない状態で乾燥させた場合における、加工前電解質膜の平面方向の寸法変化率に対応する加工前電解質膜の収縮量よりも小さい収縮量だけ、予め収縮変形させる。従って、電解質膜が湿潤状態から乾燥状態へと変化した場合に、乾燥に起因して電解質膜に引張応力が作用することを抑制しつつ、電解質膜の歪みを抑制し、プロトン伝導性を確保できる。   Moreover, according to the manufacturing method of the electrolyte membrane by this invention, the shrinkage distortion of an electrolyte membrane can be adjusted according to the dimension of swelling and shrinkage | contraction processing. Therefore, according to the manufacturing method of the electrolyte membrane of the example, the electrolyte membrane before processing corresponding to the dimensional change rate in the planar direction of the electrolyte membrane before processing when the end portion of the electrolyte membrane before processing is dried without being fixed. The amount of contraction is smaller than the amount of contraction in advance. Therefore, when the electrolyte membrane is changed from a wet state to a dry state, it is possible to suppress the distortion of the electrolyte membrane while preventing the tensile stress from acting on the electrolyte membrane due to drying, and to ensure proton conductivity. .

また、燃料電池の動作条件のもとで、電解質膜が曝されうる湿度の下限値における収縮量だけ予め収縮変形させて電解質膜を製造することができ、乾燥に起因して電解質膜に引張応力が作用することを抑制できる。 In addition, under the operating conditions of the fuel cell, the electrolyte membrane can be manufactured by being contracted and deformed in advance by the amount of contraction at the lower limit of the humidity to which the electrolyte membrane can be exposed, and tensile stress is applied to the electrolyte membrane due to drying. Can be prevented from acting.

また、実施例の燃料電池スタックによれば、セルの配置位置に応じて、異なる収縮量で予め収縮変形された電解質膜をセルに組み付けることができる。よって、全てのセルに対して収縮処理が施された電解質膜を設置する場合に比してコストを抑制できる。 Further, according to the fuel cell stack of the embodiment, the electrolyte membrane that has been contracted and deformed in advance with different contraction amounts can be assembled to the cell according to the arrangement position of the cell. Therefore, the cost can be reduced as compared with the case where the electrolyte membrane subjected to the shrinkage treatment is installed for all the cells.

B.変形例:
B1.変形例1:
燃料電池スタック100を構成するセル110に用いられている加工前電解質膜の湿度の下限値や寸法変化率は、燃料電池スタックの発電条件(燃料電池スタックが搭載される車両の運転条件)や、加工前電解質膜の種類、作製方法など種々の条件によって変化する。従って、種々の条件に応じて、加工前電解質膜の収縮処理における収縮量を適宜変更することが好ましい。実施例では、−1.6%の収縮量で収縮処理が施された電解質膜を利用しているが、収縮させる変形量は、電解質膜が所定の湿潤状態であるときの、電解質膜の平面方向の寸法変化率に対応する電解質膜の変形量分だけ、収縮変形させることが好ましい。所定の湿潤状態とは、電解質膜の湿度が、燃料電池の運転状態に基づいて規定される湿度の下限値のときの状態であり、燃料電池の運転状態に基づいて規定される湿度の下限値とは、燃料電池の運転状態に応じて負荷が変化した後の電解質膜の湿度である。こうすることにより、材料や製造工程によって異なる電解質膜の湿度下限値に応じた収縮処理を施した電解質膜をセルに組み付けることができる。
B. Variation:
B1. Modification 1:
The lower limit value of the humidity and the dimensional change rate of the pre-process electrolyte membrane used in the cells 110 constituting the fuel cell stack 100 are the power generation conditions of the fuel cell stack (operating conditions of the vehicle on which the fuel cell stack is mounted), It varies depending on various conditions such as the type of the electrolyte membrane before processing and the manufacturing method. Therefore, it is preferable to appropriately change the contraction amount in the contraction process of the electrolyte membrane before processing according to various conditions. In the embodiment, an electrolyte membrane that has been subjected to a shrinking treatment with a shrinkage amount of −1.6% is used, but the amount of deformation to shrink is the flat surface of the electrolyte membrane when the electrolyte membrane is in a predetermined wet state. It is preferable to cause shrinkage deformation by the amount of deformation of the electrolyte membrane corresponding to the dimensional change rate in the direction. The predetermined wet state is a state in which the humidity of the electrolyte membrane is a lower limit value of humidity defined based on the operating state of the fuel cell, and a lower limit value of humidity defined based on the operating state of the fuel cell Is the humidity of the electrolyte membrane after the load changes according to the operating state of the fuel cell. By carrying out like this, the electrolyte membrane which performed the contraction process according to the humidity lower limit of the electrolyte membrane which changes with materials and a manufacturing process can be assembled | attached to a cell.

B2.変形例2:
実施例では、乾燥しやすいと判断されたセルの全てについて、−1.6%の収縮量で収縮処理が施された電解質膜を適用しているが、セルごとに湿度の下限値を特定し、それぞれのセルについて、湿度の下限値に対応した収縮量で収縮処理が施された電解質膜を組み付けてもよい。こうすれば、各セルについて、最適な収縮量で収縮処理が施された電解質膜を備えることができ、燃料電池の発電性能の向上を図ることができる。
B2. Modification 2:
In the examples, the electrolyte membrane subjected to the shrinkage treatment with the shrinkage amount of −1.6% is applied to all the cells judged to be easily dried, but the lower limit value of the humidity is specified for each cell. For each cell, an electrolyte membrane that has been subjected to shrinkage treatment with a shrinkage amount corresponding to the lower limit of humidity may be assembled. In this way, each cell can be provided with an electrolyte membrane that has been subjected to shrinkage treatment with an optimum shrinkage amount, and the power generation performance of the fuel cell can be improved.

以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成をとることができる。   As mentioned above, although the various Example of this invention was described, this invention is not limited to these Examples, A various structure can be taken in the range which does not deviate from the meaning.

10…燃料電池
50、50a、50b…加工前電解質膜
100…燃料電池スタック
110…セル
112…電解質膜
114…アノード側触媒層
116…カソード側触媒層
118…セパレータ
120…膜電極接合体
124…ターミナル
125…エンドプレート
130…抵抗測定部
200…固定具
210…台座
212…プレート
214…テフロンシート
220…枠状治具
230…押圧治具
240…ボルト
600…寸法変化グラフ
610…寸法変化曲線
620…寸法変化曲線
700…引張応力が作用する湿度−電解質膜の乾燥時における収縮歪みグラフ
702…引張応力が作用する湿度曲線
800…寸法変化グラフ
802…寸法変化曲線
804…寸法変化曲線
806…寸法変化曲線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell 50, 50a, 50b ... Pre-process electrolyte membrane 100 ... Fuel cell stack 110 ... Cell 112 ... Electrolyte membrane 114 ... Anode side catalyst layer 116 ... Cathode side catalyst layer 118 ... Separator 120 ... Membrane electrode assembly 124 ... Terminal 125 ... End plate 130 ... Resistance measurement part 200 ... Fixing tool 210 ... Base 212 ... Plate 214 ... Teflon sheet 220 ... Frame jig 230 ... Pressing jig 240 ... Bolt 600 ... Dimensional change graph 610 ... Dimensional change curve 620 ... Dimension Change curve 700: Humidity where tensile stress acts-Shrinkage strain graph when drying electrolyte membrane 702 ... Humidity curve where tensile stress acts 800 ... Dimensional change graph 802 ... Dimensional change curve 804 ... Dimensional change curve 806 ... Dimensional change curve

Claims (5)

燃料電池に用いられる電解質膜の製造方法であって、
前記電解質膜を湿潤雰囲気において膨潤させる膨潤工程と、
前記膨潤工程後に、前記電解質膜の端部を固定して乾燥させる乾燥工程と、を備え、
前記膨潤工程前の前記電解質膜が、前記燃料電池の発電時の湿度における寸法変化率に対応して収縮変形する量を所定の収縮量とし、
前記乾燥工程は、前記膨潤している前記電解質膜を、前記膨潤工程前における前記電解質膜の寸法である初期寸法よりも、前記所定の収縮量だけ弛ませて固定し、乾燥させ、
前記電解質膜を弛ませることは、前記電解質膜の周囲全体に均等に力を作用させることによって実現する
製造方法。
A method for producing an electrolyte membrane used in a fuel cell,
A swelling step of swelling the electrolyte membrane in a humid atmosphere;
A drying step of fixing and drying the end of the electrolyte membrane after the swelling step,
The amount of the electrolyte membrane before the swelling step that shrinks and deforms in accordance with the dimensional change rate in humidity during power generation of the fuel cell is set as a predetermined shrinkage amount,
In the drying step, the swollen electrolyte membrane is loosened and fixed by the predetermined shrinkage amount from the initial size which is the size of the electrolyte membrane before the swelling step, and dried .
The manufacturing method is realized by loosening the electrolyte membrane by applying a force uniformly to the entire periphery of the electrolyte membrane .
燃料電池に用いられる第1の電解質膜の製造方法であって、
湿潤状態に応じて平面方向の寸法変化率が変化する第2の電解質膜を、湿潤雰囲気において膨潤させる膨潤工程と、
前記膨潤工程後に、前記第2の電解質膜を乾燥させて前記第1の電解質膜を作製する乾燥工程と、を備え、
前記乾燥工程は、
前記膨潤している前記第2の電解質膜を、前記燃料電池の発電時における前記第2の電解質膜の湿度に応じた前記寸法変化率に対応する収縮量だけ、前記膨潤工程前の前記第2の電解質膜の寸法より弛ませ、
前記弛ませた状態で前記第2の電解質膜の端部を固定し、乾燥させ、
前記第2の電解質膜を弛ませることは、前記第2の電解質膜の周囲全体に均等に力を作用させることによって実現する
製造方法。
A method for producing a first electrolyte membrane used in a fuel cell, comprising:
A swelling step of swelling the second electrolyte membrane whose dimensional change rate in the planar direction changes according to the wet state in a wet atmosphere;
And after the swelling step, drying the second electrolyte membrane to produce the first electrolyte membrane, and
The drying step
The second electrolyte membrane being the swelling, by contraction amount corresponding to the dimensional change rate according to the humidity of the second electrolyte membrane during power generation of the fuel cell, wherein the swelling step prior to the second More slack than the electrolyte membrane dimensions,
Fixing the end of the second electrolyte membrane in the relaxed state, and drying ;
The loosening of the second electrolyte membrane is a manufacturing method realized by applying a force evenly to the entire periphery of the second electrolyte membrane .
燃料電池に用いられる第1の電解質膜の製造方法であって、
湿潤状態に応じて平面方向の寸法変化率が変化する第2の電解質膜を、湿潤雰囲気において膨潤させる膨潤工程と、
前記膨潤工程後に、前記第2の電解質膜を乾燥させて前記第1の電解質膜を作製する乾燥工程と、を備え、
前記乾燥工程は、
前記膨潤している前記第2の電解質膜を、前記燃料電池の発電時における前記第2の電解質膜の湿度に応じた前記寸法変化率に対応する収縮量だけ、前記膨潤工程前の前記第2の電解質膜の寸法より弛ませ、
前記弛ませた状態で前記第2の電解質膜の端部を固定し、乾燥させ、
前記第2の電解質膜の収縮量は、前記第2の電解質膜の湿度が、前記燃料電池の動作状態に基づいて規定される下限値ときの前記寸法変化率に対応した収縮量である、
製造方法。
A method for producing a first electrolyte membrane used in a fuel cell, comprising:
A swelling step of swelling the second electrolyte membrane whose dimensional change rate in the planar direction changes according to the wet state in a wet atmosphere;
And after the swelling step, drying the second electrolyte membrane to produce the first electrolyte membrane, and
The drying step
The second electrolyte membrane being the swelling, by contraction amount corresponding to the dimensional change rate according to the humidity of the second electrolyte membrane during power generation of the fuel cell, wherein the swelling step prior to the second More slack than the electrolyte membrane dimensions,
Fixing the end of the second electrolyte membrane in the relaxed state, and drying ;
Contraction amount of the second electrolyte membrane humidity of the second electrolyte membrane, a contraction amount corresponding to the dimensional change rate when the lower limit is defined based on the operating state of the fuel cell,
Production method.
請求項2または請求項3記載の第1の電解質膜の製造方法であって、
前記第2の電解質膜の収縮量は、前記第1の電解質膜の端部を固定しない状態で乾燥させた場合における、前記第1の電解質膜の平面方向の寸法変化率に対応する前記第1の電解質膜の収縮量よりも小さい収縮量である、
製造方法。
A method for producing the first electrolyte membrane according to claim 2 or 3, wherein
The amount of contraction of the second electrolyte membrane corresponds to the dimensional change rate in the planar direction of the first electrolyte membrane when the end portion of the first electrolyte membrane is dried without being fixed. The amount of contraction is smaller than the amount of contraction of the electrolyte membrane of
Production method.
請求項2ないし請求項4いずれかに記載の製造方法によって製造された第1の電解質膜を用いたセルが複数積層されて構成される燃料電池スタックであって、
前記セルの湿潤状態は、前記燃料電池スタックにおける前記セルの配置位置によって異なり、
前記セルは、前記セルの配置位置に応じて前記収縮量が異なる前記第1の電解質膜を備える、
燃料電池スタック。
A fuel cell stack configured by stacking a plurality of cells using the first electrolyte membrane manufactured by the manufacturing method according to claim 2,
The wet state of the cell depends on the position of the cell in the fuel cell stack,
The cell includes the first electrolyte membrane having a different amount of shrinkage depending on an arrangement position of the cell.
Fuel cell stack.
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