JP6709054B2 - Method for manufacturing electrolyte membrane/electrode structure with resin frame - Google Patents
Method for manufacturing electrolyte membrane/electrode structure with resin frame Download PDFInfo
- Publication number
- JP6709054B2 JP6709054B2 JP2016005890A JP2016005890A JP6709054B2 JP 6709054 B2 JP6709054 B2 JP 6709054B2 JP 2016005890 A JP2016005890 A JP 2016005890A JP 2016005890 A JP2016005890 A JP 2016005890A JP 6709054 B2 JP6709054 B2 JP 6709054B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrolyte membrane
- electrode
- solid polymer
- exposed surface
- resin frame
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims description 184
- 229920005989 resin Polymers 0.000 title claims description 108
- 239000011347 resin Substances 0.000 title claims description 108
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 title claims description 71
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 38
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 11
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 122
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 claims description 119
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 69
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims description 58
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims description 55
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 15
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 86
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 60
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 38
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 32
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 30
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 28
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 20
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 20
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 20
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 17
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 17
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 17
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 11
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 9
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 9
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 8
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 8
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 7
- 229920002799 BoPET Polymers 0.000 description 6
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 6
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 6
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 5
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 5
- 229920005598 conductive polymer binder Polymers 0.000 description 5
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 5
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 5
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 5
- -1 polyethylene naphthalate Polymers 0.000 description 5
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 5
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 5
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 5
- 230000037303 wrinkles Effects 0.000 description 5
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 4
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 238000009832 plasma treatment Methods 0.000 description 4
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 4
- BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N propan-1-ol Chemical compound CCCO BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920002943 EPDM rubber Polymers 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000106 Liquid crystal polymer Polymers 0.000 description 2
- 239000004977 Liquid-crystal polymers (LCPs) Substances 0.000 description 2
- 229920000459 Nitrile rubber Polymers 0.000 description 2
- 239000004695 Polyether sulfone Substances 0.000 description 2
- 239000004734 Polyphenylene sulfide Substances 0.000 description 2
- 239000004954 Polyphthalamide Substances 0.000 description 2
- 229910001260 Pt alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N Styrene Chemical compound C=CC1=CC=CC=C1 PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 2
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 2
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920003207 poly(ethylene-2,6-naphthalate) Polymers 0.000 description 2
- 229920001707 polybutylene terephthalate Polymers 0.000 description 2
- 229920006393 polyether sulfone Polymers 0.000 description 2
- 239000011112 polyethylene naphthalate Substances 0.000 description 2
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 2
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 2
- 229920000069 polyphenylene sulfide Polymers 0.000 description 2
- 229920006375 polyphtalamide Polymers 0.000 description 2
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 2
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- 244000043261 Hevea brasiliensis Species 0.000 description 1
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 1
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 1
- 229920013629 Torelina Polymers 0.000 description 1
- 239000004742 Torelina™ Substances 0.000 description 1
- 239000011358 absorbing material Substances 0.000 description 1
- 229920000800 acrylic rubber Polymers 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010003549 asthenia Diseases 0.000 description 1
- 229920005549 butyl rubber Polymers 0.000 description 1
- 238000005341 cation exchange Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- YACLQRRMGMJLJV-UHFFFAOYSA-N chloroprene Chemical compound ClC(=C)C=C YACLQRRMGMJLJV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000005536 corrosion prevention Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 229920001973 fluoroelastomer Polymers 0.000 description 1
- 229920005560 fluorosilicone rubber Polymers 0.000 description 1
- UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N fluorosulfonic acid Chemical compound OS(F)(=O)=O UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229920003052 natural elastomer Polymers 0.000 description 1
- 229920001194 natural rubber Polymers 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 229920000058 polyacrylate Polymers 0.000 description 1
- 229920000098 polyolefin Polymers 0.000 description 1
- 229920001955 polyphenylene ether Polymers 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 229920002050 silicone resin Polymers 0.000 description 1
- 229920002379 silicone rubber Polymers 0.000 description 1
- 239000004945 silicone rubber Substances 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 1
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 1
- 229920001187 thermosetting polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000009966 trimming Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Description
本発明は、固体高分子電解質膜を第1電極及び第2電極で挟んだ段差電解質膜・電極構造体と、前記段差電解質膜・電極構造体の外周を周回する樹脂枠部材とを備える燃料電池用の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell including a stepped electrolyte membrane/electrode structure in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a first electrode and a second electrode, and a resin frame member that surrounds the outer periphery of the stepped electrolyte membrane/electrode structure. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for manufacturing an electrolyte membrane/electrode structure with a resin frame for use.
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体(MEA)を備えている。アノード電極及びカソード電極は、それぞれ触媒層(電極触媒層)とガス拡散層(多孔質カーボン)とを有している。 Generally, a polymer electrolyte fuel cell employs a solid polymer electrolyte membrane composed of a polymer ion exchange membrane. The fuel cell includes an electrolyte membrane/electrode structure (MEA) in which an anode electrode is arranged on one surface of a solid polymer electrolyte membrane and a cathode electrode is arranged on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane. There is. The anode electrode and the cathode electrode each have a catalyst layer (electrode catalyst layer) and a gas diffusion layer (porous carbon).
電解質膜・電極構造体は、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持されることにより、発電セル(単位燃料電池)が構成されている。この発電セルは、所定の数だけ積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。 The electrolyte membrane/electrode structure is sandwiched between separators (bipolar plates) to form a power generation cell (unit fuel cell). This power generation cell is used as, for example, a vehicle fuel cell stack by stacking a predetermined number of layers.
電解質膜・電極構造体では、一方のガス拡散層が固体高分子電解質膜よりも小さな平面寸法に設定されるとともに、他方のガス拡散層が前記固体高分子電解質膜と略同一の平面寸法に設定される、所謂、段差電解質膜・電極構造体(段差MEA)を構成する場合がある。その際、比較的高価な固体高分子電解質膜の使用量を削減させるとともに、薄膜状で強度が低い前記固体高分子電解質膜を保護するために、樹脂枠部材を組み込んだ樹脂枠付きMEAが採用されている。 In the electrolyte membrane/electrode structure, one gas diffusion layer is set to have a plane dimension smaller than that of the solid polymer electrolyte membrane, and the other gas diffusion layer is set to have substantially the same plane dimension as the solid polymer electrolyte membrane. In some cases, a so-called stepped electrolyte membrane/electrode structure (stepped MEA) is configured. At that time, in order to reduce the amount of the relatively expensive solid polymer electrolyte membrane used and to protect the thin solid polymer electrolyte membrane having low strength, the MEA with a resin frame incorporating a resin frame member is adopted. Has been done.
樹脂枠付きMEAとして、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法が知られている。この燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法では、固体高分子電解質膜の外周を周回するように樹脂枠部材が設けられる。具体的には、一方のガス拡散層側に突出して、該一方のガス拡散層の外周を周回する薄肉状の内周突部が樹脂枠部材に設けられ、該内周突部と固体高分子電解質膜の外縁部とが接着剤により接合されている。 As the MEA with a resin frame, for example, a method of manufacturing an electrolyte membrane/electrode structure with a resin frame for a fuel cell disclosed in Patent Document 1 is known. In this method for manufacturing an electrolyte membrane/electrode structure with a resin frame for a fuel cell, a resin frame member is provided so as to surround the solid polymer electrolyte membrane. Specifically, the resin frame member is provided with a thin-walled inner peripheral projection projecting to one gas diffusion layer side and encircling the outer periphery of the one gas diffusion layer. The outer edge portion of the electrolyte membrane is joined with an adhesive.
このような樹脂枠部材と固体高分子電解質膜との接合を一層強固にするための手段として、例えば、樹脂枠部材の表面のうち、接着剤と接触する部分にプラズマ処理を施すことが知られている。この樹脂枠部材は、一般的に疎水性素材からなり、固体高分子電解質膜よりも表面自由エネルギが低い傾向にある。そこで、樹脂枠部材にプラズマ処理を施して、その表面自由エネルギを上昇させることで、接着剤に対する樹脂枠部材の濡れ性を高める。これによって、樹脂枠部材と接着剤とを有効に接触させることができるため、樹脂枠部材と固体高分子電解質膜とを強固に接合することが可能になる。 As a means for further strengthening the bonding between the resin frame member and the solid polymer electrolyte membrane, for example, it is known to perform plasma treatment on a portion of the surface of the resin frame member that comes into contact with the adhesive. ing. This resin frame member is generally made of a hydrophobic material and tends to have a lower surface free energy than that of the solid polymer electrolyte membrane. Therefore, the wettability of the resin frame member with respect to the adhesive is enhanced by subjecting the resin frame member to plasma treatment to increase the surface free energy thereof. As a result, the resin frame member and the adhesive can be effectively brought into contact with each other, so that the resin frame member and the solid polymer electrolyte membrane can be firmly bonded.
ところで、固体高分子電解質膜については、上記の通り、未処理の樹脂枠部材よりも高い表面自由エネルギを有することが多いため、その表面自由エネルギを高める処理は何ら施されていない。しかしながら、固体高分子電解質膜の表面自由エネルギを十分に大きくすることにより、樹脂枠部材と固体高分子電解質膜とが一層強固に接合されることが期待される。そこで、固体高分子電解質膜にも樹脂枠部材と同様の表面処理を施すことが考えられるが、このような表面処理によっては、固体高分子電解質膜の表面自由エネルギを高めることが困難である。 By the way, since the solid polymer electrolyte membrane often has a higher surface free energy than the untreated resin frame member as described above, no treatment for increasing the surface free energy is performed. However, by sufficiently increasing the surface free energy of the solid polymer electrolyte membrane, it is expected that the resin frame member and the solid polymer electrolyte membrane will be bonded more firmly. Therefore, it is considered that the solid polymer electrolyte membrane is subjected to the same surface treatment as that of the resin frame member, but it is difficult to increase the surface free energy of the solid polymer electrolyte membrane by such surface treatment.
なお、単純に固体高分子電解質膜の表面自由エネルギを高めるだけであれば、スチーム加湿等によって固体高分子電解質膜を湿潤状態とすることも考えられるが、以下に示す理由からこの手段を採用することは困難である。すなわち、固体高分子電解質膜の表面自由エネルギを十分に高められるまで高温のスチーム等によって加湿を行うと、固体高分子電解質膜の全体が過度に膨潤してしまう。このため、固体高分子電解質膜にシワが生じたり、カソード電極又はアノード電極と固体高分子電解質膜との間に剥離が生じたりする懸念がある。その結果、固体高分子電解質膜と接着剤とを良好に接触させることができず、結局、樹脂枠部材と固体高分子電解質膜とを強固に接合することができない。 If the surface free energy of the solid polymer electrolyte membrane is simply increased, it is conceivable to put the solid polymer electrolyte membrane in a wet state by steam humidification or the like, but this means is adopted for the following reason. Is difficult. That is, if humidification is performed with high-temperature steam or the like until the surface free energy of the solid polymer electrolyte membrane is sufficiently increased, the entire solid polymer electrolyte membrane will swell excessively. Therefore, there is a concern that wrinkles may occur in the solid polymer electrolyte membrane or peeling may occur between the cathode electrode or the anode electrode and the solid polymer electrolyte membrane. As a result, the solid polymer electrolyte membrane and the adhesive cannot be brought into good contact with each other, and eventually the resin frame member and the solid polymer electrolyte membrane cannot be firmly joined.
また、固体高分子電解質膜の表面上に存在する液体の水が、固体高分子電解質膜と接着剤との接触を阻害することも、樹脂枠部材と固体高分子電解質膜との接合を困難にする。 Further, the liquid water present on the surface of the solid polymer electrolyte membrane also hinders the contact between the solid polymer electrolyte membrane and the adhesive, making it difficult to bond the resin frame member and the solid polymer electrolyte membrane. To do.
以上から、固体高分子電解質膜の表面自由エネルギを高め、且つこれによって、樹脂枠部材と固体高分子電解質膜とを一層強固且つ安定に接合することができる有効な手段は未だ見出されていない。 From the above, no effective means has yet been found for increasing the surface free energy of the solid polymer electrolyte membrane, and thereby more firmly and stably joining the resin frame member and the solid polymer electrolyte membrane. ..
本発明は、この種の問題を解決するものであり、固体高分子電解質膜の表面自由エネルギを高めて、該固体高分子電解質膜と樹脂枠部材とを強固且つ安定に接合可能とする樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention solves this kind of problem, and increases the surface free energy of the solid polymer electrolyte membrane to enable a solid and stable bonding of the solid polymer electrolyte membrane and the resin frame member. It is an object of the present invention to provide a method for producing an attached electrolyte membrane/electrode structure.
前記の目的を達成するために、本発明は、固体高分子電解質膜の一方の面に、第1電極が設けられ、前記固体高分子電解質膜の他方の面に、第2電極が設けられるとともに、前記第1電極の平面寸法は、前記第2電極の平面寸法よりも大きな寸法に設定される段差電解質膜・電極構造体と、前記固体高分子電解質膜の、前記第2電極の外方に露呈する露呈面に接着剤を介して接合される樹脂枠部材と、を有する燃料電池用の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法であって、前記露呈面に40℃以下の液体の水を接触させる工程と、前記固体高分子電解質膜の前記露呈面よりも内部に前記水を含有させた後、前記固体高分子電解質膜の全体が膨潤する前に前記露呈面上に存在する前記水を除去する工程と、前記露呈面に接着剤を塗工する工程と、前記接着剤を介して前記露呈面と前記樹脂枠部材とを接合する工程と、を有することを特徴とする。
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides a first electrode on one surface of a solid polymer electrolyte membrane and a second electrode on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane. The planar dimension of the first electrode is set to a dimension larger than the planar dimension of the second electrode, and the stepped electrolyte membrane/electrode structure and the solid polymer electrolyte membrane are disposed outside the second electrode. A method for producing an electrolyte membrane/electrode structure with a resin frame for a fuel cell, comprising: a resin frame member that is bonded to an exposed surface via an adhesive; The step of contacting with water, and after containing the water inside the exposed surface of the solid polymer electrolyte membrane, the solid polymer electrolyte membrane is present on the exposed surface before the whole swells It is characterized by including a step of removing water, a step of applying an adhesive to the exposed surface, and a step of joining the exposed surface and the resin frame member via the adhesive.
以下では、特に説明する場合を除き「水」は液体の水を示すものとする。本発明では、露呈面に40℃以下の水を直接接触させることで、固体高分子電解質膜の露呈面の近傍を集中的に湿潤状態とすることができる。すなわち、固体高分子電解質膜の全体が過度に膨潤した状態となることを回避できる。このため、露呈面の表面自由エネルギを高めても、固体高分子電解質膜にシワが生じたり、固体高分子電解質膜と第1電極等との間に剥離が生じたりすることを回避できる。その結果、接着剤に対する露呈面の濡れ性を高めて、接着剤と露呈面とを良好に接触させることができる。 Hereinafter, “water” refers to liquid water unless otherwise specified. In the present invention, by directly contacting the exposed surface with water at 40° C. or lower, the vicinity of the exposed surface of the solid polymer electrolyte membrane can be brought into a concentrated wet state. That is, it is possible to prevent the entire solid polymer electrolyte membrane from becoming excessively swollen. Therefore, even if the surface free energy of the exposed surface is increased, it is possible to avoid wrinkles in the solid polymer electrolyte membrane and peeling between the solid polymer electrolyte membrane and the first electrode or the like. As a result, the wettability of the exposed surface with respect to the adhesive can be improved, and the adhesive and the exposed surface can be brought into good contact with each other.
また、固体高分子電解質膜の露呈面よりも内部に水が含有され、且つ露呈面上には水が存在しない状態となるように、該露呈面上の水を除去してから、接着剤の塗工を行う。これによって、露呈面上で接着剤と水とが直接接触して、固体高分子電解質膜と樹脂枠部材との接着が阻害されることを回避できる。なお、水を除去するとは、例えば、露呈面上の水を吸水性のシート等で拭き取ること、エアを吹き付けること、自然乾燥させること等が挙げられる。つまり、人為的であるか否かを問わず、露呈面上に水が存在しない状態とし得ればよい。 Further, water is contained inside the exposed surface of the solid polymer electrolyte membrane, and the water on the exposed surface is removed so that water does not exist on the exposed surface. Apply the coating. This makes it possible to prevent the adhesive and water from directly contacting each other on the exposed surface and obstructing the adhesion between the solid polymer electrolyte membrane and the resin frame member. The removal of water includes, for example, wiping off the water on the exposed surface with a water-absorbent sheet, blowing air, or naturally drying. That is, it suffices that water is not present on the exposed surface regardless of whether it is artificial or not.
さらに、段差電解質膜・電極構造体(段差MEA)の製造後に、固体高分子電解質膜の露呈面よりも内部に水を含有させる工程を行うため、該工程を段差MEAの製造前に行う場合よりも効果的に固体高分子電解質膜と樹脂枠部材との接合を強固にすることができる。すなわち、段差MEAの製造工程では、例えば、ホットプレスによって、固体高分子電解質膜に第1電極及び第2電極を接合するため、該ホットプレス時の加熱等により、固体高分子電解質膜が乾燥する懸念がある。 Further, since the step of containing water inside the exposed surface of the solid polymer electrolyte membrane is performed after the step electrolyte membrane/electrode structure (step MEA) is manufactured, the step may be performed before the step MEA is manufactured. It is also possible to effectively strengthen the bond between the solid polymer electrolyte membrane and the resin frame member. That is, in the manufacturing process of the step MEA, for example, the first electrode and the second electrode are joined to the solid polymer electrolyte membrane by hot pressing, so that the solid polymer electrolyte membrane is dried by heating during the hot pressing. I have a concern.
このため、段差MEAの製造工程前に、固体高分子電解質膜の露呈面よりも内部に水を含有させても、段差MEAの製造工程を経ることによって、露呈面が乾燥して表面自由エネルギが低下してしまう懸念がある。しかしながら、上記の通り、段差MEAの製造後に固体高分子電解質膜に水を含有させる本発明では、該段差MEAの製造において低下した分の表面自由エネルギを補った状態で、露呈面に接着剤を塗工することができる。 Therefore, even if water is contained inside the exposed surface of the solid polymer electrolyte membrane before the manufacturing process of the step MEA, the exposed surface is dried and the surface free energy is reduced by the manufacturing process of the step MEA. There is a concern that it will fall. However, as described above, in the present invention in which the solid polymer electrolyte membrane contains water after the step MEA is manufactured, an adhesive is applied to the exposed surface in a state of compensating for the surface free energy decreased in the step MEA manufacturing. Can be coated.
以上から、本発明によれば、固体高分子電解質膜の露呈面の表面自由エネルギを効果的に高めることができ、且つこれによって、樹脂枠部材と固体高分子電解質膜とを一層強固且つ安定に接合することが可能になる。 From the above, according to the present invention, the surface free energy of the exposed surface of the solid polymer electrolyte membrane can be effectively increased, and thereby, the resin frame member and the solid polymer electrolyte membrane can be made more solid and stable. It becomes possible to join.
上記の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法において、前記水を除去する工程では、前記水を前記露呈面の面方向に押し広げながら拭き取ることが好ましい。この場合、固体高分子電解質膜の露呈面よりも内部に水を効果的に含有させつつ、露呈面上の余分な水を速やかに除去することができるため、一層容易且つ効率的に樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を製造することが可能になる。 In the method of manufacturing an electrolyte membrane/electrode structure with a resin frame described above, it is preferable that in the step of removing the water, the water is wiped while being spread in the surface direction of the exposed surface. In this case, since the excess water on the exposed surface can be quickly removed while effectively containing water inside the exposed surface of the solid polymer electrolyte membrane, the resin frame can be attached more easily and efficiently. It becomes possible to manufacture an electrolyte membrane/electrode structure.
本発明によれば、露呈面に40℃以下の水を直接接触させることにより、固体高分子電解質膜全体が過度に膨潤した状態となることを回避できる。また、露呈面よりも内部に水を含有し、且つ露呈面上には水が存在しない状態とすることにより、接着剤と水とが直接接触することを回避できる。さらに、段差MEAの製造後に固体高分子電解質膜の露呈面よりも内部に水を含有させることにより、段差MEAの製造において低下した分の表面自由エネルギを補うことができる。その結果、露呈面の表面自由エネルギを高めて、接着剤に対する濡れ性を効果的に高めることができ、且つこれによって、樹脂枠部材と固体高分子電解質膜とを一層強固且つ安定に接合することが可能になる。 According to the present invention, by directly contacting the exposed surface with water at 40° C. or lower, it is possible to prevent the entire solid polymer electrolyte membrane from becoming excessively swollen. Further, by containing water in the inside of the exposed surface and leaving no water on the exposed surface, direct contact between the adhesive and water can be avoided. Furthermore, by including water inside the exposed surface of the solid polymer electrolyte membrane after manufacturing the step MEA, it is possible to supplement the surface free energy that has been reduced in the manufacturing of the step MEA. As a result, the surface free energy of the exposed surface can be increased and the wettability with respect to the adhesive can be effectively increased, and by this, the resin frame member and the solid polymer electrolyte membrane can be more firmly and stably bonded. Will be possible.
図1及び図2に示すように、本発明の実施形態に係る製造方法が適用される樹脂枠付き電解質膜・電極構造体10は、横長(又は縦長)の長方形状の固体高分子型発電セル12に組み込まれる。複数の発電セル12が、例えば、矢印A方向(水平方向)又は矢印C方向(重力方向)に積層されることで、燃料電池スタックが構成される。燃料電池スタックは、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車(図示せず)に搭載される。
As shown in FIGS. 1 and 2, a resin frame-attached electrolyte membrane/
発電セル12は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体10を第1セパレータ14及び第2セパレータ16で挟持する。第1セパレータ14及び第2セパレータ16は、横長(又は縦長)の長方形状を有する。第1セパレータ14及び第2セパレータ16は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成される。
The
長方形状の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体10は、段差電解質膜・電極構造体(段差MEA)10aを備える。段差MEA10aは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜(陽イオン交換膜)18と、前記固体高分子電解質膜18を挟持するアノード電極(第1電極)20及びカソード電極(第2電極)22とを有する。固体高分子電解質膜18は、フッ素系電解質の他、HC(炭化水素)系電解質を使用してもよい。
The rectangular resin frame-attached electrolyte membrane/
カソード電極22は、固体高分子電解質膜18及びアノード電極20よりも小さな平面寸法(外形寸法)を有する。なお、上記の構成に代えて、アノード電極20は、固体高分子電解質膜18及びカソード電極22よりも小さな平面寸法を有するように構成してもよい。その際、アノード電極20は第2電極となり、カソード電極22は第1電極となる。
The
図2に示すように、アノード電極20は、固体高分子電解質膜18の一方の面18aに接合される第1電極触媒層20aと、前記第1電極触媒層20aに積層される第1ガス拡散層20bとを設ける。第1電極触媒層20a及び第1ガス拡散層20bは、同一の外形寸法を有するとともに、固体高分子電解質膜18と同一(又は同一未満)の外形寸法に設定される。
As shown in FIG. 2, the
カソード電極22は、固体高分子電解質膜18の面18bに接合される第2電極触媒層22aと、前記第2電極触媒層22aに積層される第2ガス拡散層22bとを設ける。第2電極触媒層22a及び第2ガス拡散層22bは、同一の平面寸法を有するとともに、固体高分子電解質膜18の平面寸法よりも小さな平面寸法に設定される。固体高分子電解質膜18の面18b側の外周縁部には、カソード電極22の外方に露呈する露呈面18beが設けられる。後述するように、露呈面18beは、40°以下の水との接触角が87°〜104°であることが好ましい。
The
なお、第2電極触媒層22aと第2ガス拡散層22bとは、同一の平面寸法に設定されているが、前記第2電極触媒層22aの平面寸法は、前記第2ガス拡散層22bの平面寸法よりも大きな寸法(又は小さな寸法)を有してもよい。
The second
第1電極触媒層20aは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、第1ガス拡散層20bの表面に一様に塗布されて形成される。第2電極触媒層22aは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、第2ガス拡散層22bの表面に一様に塗布されて形成される。
The first
第1ガス拡散層20bは、多孔性と導電性を有するマイクロポーラス層20b(m)と、カーボンペーパ又はカーボンクロス等のカーボン層20b(c)とから形成される。第2ガス拡散層22bは、多孔性と導電性を有するマイクロポーラス層22b(m)と、カーボンペーパ又はカーボンクロス等のカーボン層22b(c)とから形成される。第2ガス拡散層22bの平面寸法は、第1ガス拡散層20bの平面寸法よりも小さく設定される。第1電極触媒層20a及び第2電極触媒層22aは、それぞれ、固体高分子電解質膜18の面18a、18bに形成される。
The first
樹脂枠付き電解質膜・電極構造体10は、固体高分子電解質膜18の外周を周回するとともに、前記固体高分子電解質膜18の外周面に接合されるフィルム状の樹脂枠部材(樹脂成形体又は樹脂フィルム)24を備える。
The resin frame-attached electrolyte membrane/
樹脂枠部材24は、例えば、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、PPA(ポリフタルアミド)、PEN(ポリエチレンナフタレート)、PES(ポリエーテルサルフォン)、LCP(リキッドクリスタルポリマー)、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、又はm−PPE(変性ポリフェニレンエーテル樹脂)等で構成される。樹脂枠部材24は、さらにPET(ポリエチレンテレフタレート)、PBT(ポリブチレンテレフタレート)又は変性ポリオレフィン等で構成される。
The
樹脂枠部材24は、平板状を有し、固体高分子電解質膜18の露呈面18beに接合される接着面24aを設ける。固体高分子電解質膜18の露呈面18beと樹脂枠部材24の接着面24aとの間には、接着剤層26が設けられる。接着剤層26を構成する接着剤26aは、特に限定されないが、固体高分子電解質膜18と同系統の成分を有することが好ましい。すなわち、例えば、固体高分子電解質膜18がフッ素系電解質である場合、接着剤26aはフッ素系の成分を有することが好ましい。この場合、接着剤層26を介して、固体高分子電解質膜18と樹脂枠部材24とを一層良好に接着することが可能になる。
The
図1に示すように、発電セル12の矢印B方向(図1中、水平方向)の一端縁部には、積層方向である矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体入口連通孔32a及び燃料ガス出口連通孔34bが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔30aは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、冷却媒体入口連通孔32aは、冷却媒体を供給する。燃料ガス出口連通孔34bは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体入口連通孔32a及び燃料ガス出口連通孔34bは、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。
As shown in FIG. 1, one end edge portion of the
発電セル12の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給する燃料ガス入口連通孔34a、冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔32b、及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔30bが設けられる。燃料ガス入口連通孔34a、冷却媒体出口連通孔32b及び酸化剤ガス出口連通孔30bは、矢印C方向に配列して設けられる。
At the other end edge portion of the
第2セパレータ16の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体10に向かう面16aには、酸化剤ガス入口連通孔30aと酸化剤ガス出口連通孔30bとに連通して矢印B方向に延在する複数本の酸化剤ガス流路36が設けられる。
On the
第1セパレータ14の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体10に向かう面14aには、燃料ガス入口連通孔34aと燃料ガス出口連通孔34bとに連通して矢印B方向に延在する複数本の燃料ガス流路38が形成される。互いに隣接する第1セパレータ14の面14bと第2セパレータ16の面16bとの間には、冷却媒体入口連通孔32aと冷却媒体出口連通孔32bとに連通して矢印B方向に延在する複数本の冷却媒体流路40が形成される。
On the
図1及び図2に示すように、第1セパレータ14の面14a、14bには、この第1セパレータ14の外周端部を周回して、第1シール部材42が一体化される。第2セパレータ16の面16a、16bには、この第2セパレータ16の外周端部を周回して、第2シール部材44が一体化される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
図2に示すように、第1シール部材42は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体10を構成する樹脂枠部材24に当接する第1凸状シール42aと、第2セパレータ16の第2シール部材44に当接する第2凸状シール42bとを有する。第2シール部材44は、第2凸状シール42bに当接する面がセパレータ面に沿って平面状に延在する平面シールを構成する。なお、第2凸状シール42bに代えて、第2シール部材44に凸状シール(図示せず)を設けてもよい。
As shown in FIG. 2, the
第1シール部材42及び第2シール部材44には、例えば、EPDM(エチレンプロピレンジエンゴム)、NBR(ニトリルゴム)、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。
The
次いで、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体10を製造するための本実施形態に係る製造方法について、以下に説明する。
Next, a manufacturing method according to the present embodiment for manufacturing the resin frame-attached electrolyte membrane/
先ず、段差MEA10aが作製される一方、樹脂枠部材24は、金型(図示せず)を用いて射出成形され、又は、フィルムをトムソン刃で枠状に切断した部材が用意される。段差MEA10aを作製するには、先ず、カーボンペーパからなるカーボン層20b(c)の平坦面に、カーボンブラックとPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)粒子との混合物からなるスラリーを塗布し、乾燥させて下地層であるマイクロポーラス層20b(m)が形成される。
First, while the
マイクロポーラス層20b(m)にカーボン層20b(c)が接合されることにより、第1ガス拡散層20bが形成される。同様に、マイクロポーラス層22b(m)が形成され、前記マイクロポーラス層22b(m)にカーボン層22b(c)が接合されることにより、第2ガス拡散層22bが形成される。
The first
一方、電極触媒に溶媒を加えた後、イオン導電性高分子バインダ溶液として、例えば、パーフルオロアルキルスルホン酸高分子化合物の溶液が投入される。そして、所定のインク粘度になるまで溶媒を添加することにより、アノード電極インク及びカソード電極インクが作成される。 On the other hand, after adding a solvent to the electrode catalyst, for example, a solution of a perfluoroalkylsulfonic acid polymer compound is added as an ion conductive polymer binder solution. Then, the anode electrode ink and the cathode electrode ink are prepared by adding a solvent until the ink has a predetermined viscosity.
アノード電極インクは、PETフィルム(図示せず)にスクリーン印刷により塗工され、加熱乾燥されることにより、第1電極触媒層20aを設けたアノード電極シート(図示せず)が形成される。第1電極触媒層20aは、固体高分子電解質膜18と同一の平面寸法に設定される。
The anode electrode ink is applied to a PET film (not shown) by screen printing and dried by heating to form an anode electrode sheet (not shown) provided with the first
同様に、カソード電極インクは、PETフィルム(図示せず)にスクリーン印刷により塗工され、加熱乾燥されることにより、第2電極触媒層22aを設けたカソード電極シート(図示せず)が形成される。第2電極触媒層22aは、固体高分子電解質膜18よりも小さな平面寸法に設定される。
Similarly, the cathode electrode ink is applied to a PET film (not shown) by screen printing and heated and dried to form a cathode electrode sheet (not shown) provided with the second
次いで、固体高分子電解質膜18が、アノード電極シート及びカソード電極シートに挟持された状態で、ホットプレスが行われる。そして、PETフィルムが剥離されることにより、接合体(CCM)(catalyst coated membrane)が形成される。さらに、第1ガス拡散層20bと第2ガス拡散層22bとは、マイクロポーラス層20b(m)、22b(m)間にCCMを挟持し、ホットプレスにより一体化されて段差MEA10aが作製される(図3参照)。この段差MEA10aの製造工程におけるホットプレス等によって、固体高分子電解質膜18に含まれていた水が気化すると、固体高分子電解質膜18が乾燥するため、その表面自由エネルギが低下した状態になり易い。
Next, hot pressing is performed with the solid
次いで、段差MEA10aの露呈面18beに40℃以下の液体の水50を接触させる。例えば、図3に示すように、露呈面18be(特に、接着剤26aを塗工する領域)上に、40℃以下の水50を滴下した状態で維持する。これによって、固体高分子電解質膜18の露呈面18be近傍を集中的に湿潤状態とすることができ、上記の段差MEA10aの製造工程で該固体高分子電解質膜18から気化した水分を補うことができる。
Next,
すなわち、固体高分子電解質膜18の全体が過度に膨潤した状態となることを回避しつつ、露呈面18beの表面自由エネルギを高めることができる。このため、固体高分子電解質膜18にシワが生じたり、固体高分子電解質膜18と、アノード電極20の第1電極触媒層20a等との間に剥離が生じたりすること、つまり、段差MEA10aの構造破壊が生じることを回避できる。この際、露呈面18beにおける水50との接触角を87°以上とすることで、上記の作用効果を一層良好に得ることが可能になる。また、前記接触角を104°以下とすることで、固体高分子電解質膜18と第1電極触媒層20a等との間に剥離が生じることをより効果的に抑制できる。
That is, it is possible to increase the surface free energy of the exposed surface 18be while avoiding the state where the entire solid
上記のようにして、固体高分子電解質膜18の露呈面18beよりも内部に前記水50を含有させた後、露呈面18be上に存在する水50を除去する。露呈面18be上の水50を除去する方法としては、吸水性のシート等で拭き取ること、自然乾燥させること、エアを吹き付けること等が挙げられるが、特にこれらに限定されるものではない。また、例えば、固体高分子電解質膜18に水50を効果的に含有させ、且つ露呈面18be上の余分な水50を速やかに除去する観点からは、水50を露呈面18beの面方向に押し広げながら拭き取ることが好ましい。
After the
露呈面18be上の水50が除去された固体高分子電解質膜18は、図4に示すように、露呈面18beよりも内部に水50を含有し、且つ露呈面18be上には水50が存在しない状態となる。これによって、露呈面18beの表面自由エネルギを高めて、接着剤26aに対する濡れ性を高めることができる。また、上記の通り、段差MEA10aの構造破壊が生じることが回避されているため、固体高分子電解質膜18のシワや剥離部が露呈面18beと接着剤26aとの接触を阻害することもない。
As shown in FIG. 4, the solid
従って、図5に示すように、露呈面18be上に接着剤26aを塗工することで、露呈面18beと接着剤26aとを良好に接触させることができる。また、露呈面18be上で接着剤26aと水50とが直接接触することが回避されているため、接着剤26aの接着力を良好に発揮させることができる。
Therefore, as shown in FIG. 5, by coating the exposed surface 18be with the adhesive 26a, the exposed surface 18be and the adhesive 26a can be brought into good contact with each other. Further, the direct contact between the adhesive 26a and the
次いで、接着剤26aを介して露呈面18beと樹脂枠部材24の接着面24aとを接合する。なお、接着面24aは、予め、プラズマ処理等の表面処理が施され、表面自由エネルギが高められていることが好ましい。
Next, the exposed surface 18be and the
露呈面18beと接着面24aの接合方法は、接着剤26aの種類に応じて適宜選択すればよい。例えば、接着剤26aを熱硬化性とした場合、図6に示すように、露呈面18beと接着面24aを、接着剤26aを介して対向させた状態で、サーボプレス機60により加熱及び加圧処理を行えばよい。なお、サーボプレス機60は、固定基台62と可動基台64とを備え、前記可動基台64は、ピストン66により前記固定基台62に対して進退可能となっている。
The method of joining the exposed surface 18be and the
以上から、本実施形態に係る製造方法によれば、露呈面18beの表面自由エネルギを効果的に高めることができ、且つこれによって、樹脂枠部材24と固体高分子電解質膜18とを強固に接合することが可能になる。
From the above, according to the manufacturing method of the present embodiment, the surface free energy of the exposed surface 18be can be effectively increased, and thereby the
このように構成される発電セル12の動作について、以下に説明する。
The operation of the
先ず、図1に示すように、酸化剤ガス入口連通孔30aには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔34aには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔32aには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
First, as shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔30aから第2セパレータ16の酸化剤ガス流路36に導入され、矢印B方向に移動して段差MEA10aのカソード電極22に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔34aから第1セパレータ14の燃料ガス流路38に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路38に沿って矢印B方向に移動し、段差MEA10aのアノード電極20に供給される。
Therefore, the oxidant gas is introduced into the oxidant
従って、各段差MEA10aでは、カソード電極22に供給される酸化剤ガスと、アノード電極20に供給される燃料ガスとが、第2電極触媒層22a及び第1電極触媒層20a内で電気化学反応により消費されて、発電が行われる。
Therefore, in each
次いで、カソード電極22に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔30bに沿って矢印A方向に排出される。同様に、アノード電極20に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔34bに沿って矢印A方向に排出される。
Next, the oxidant gas supplied to and consumed by the
また、冷却媒体入口連通孔32aに供給された冷却媒体は、第1セパレータ14と第2セパレータ16との間の冷却媒体流路40に導入された後、矢印B方向に流通する。この冷却媒体は、段差MEA10aを冷却した後、冷却媒体出口連通孔32bから排出される。
Further, the cooling medium supplied to the cooling medium
なお、本発明は、上記した実施形態に特に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。 The present invention is not particularly limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the invention.
[段差MEAの作製]
(1) 第1ガス拡散層及び第2ガス拡散層のカーボン層として、東レ社製のカーボンペーパ「TGP−H060」(商品名)をトムソン刃により切り出したものを用いた。具体的には、第1ガス拡散層のカーボン層の平面形状を230mm×130mmとし、第2ガス拡散層のカーボン層の平面形状を200mm×100mmとした。なお、第1ガス拡散層及び第2ガス拡散層の平面形状を除く構成については、互いに同一となるように、それぞれ同様に作製した
[Fabrication of step MEA]
(1) As the carbon layers of the first gas diffusion layer and the second gas diffusion layer, a carbon paper “TGP-H060” (trade name) manufactured by Toray Industries, Inc. was cut out with a Thomson blade and used. Specifically, the planar shape of the carbon layer of the first gas diffusion layer was 230 mm×130 mm, and the planar shape of the carbon layer of the second gas diffusion layer was 200 mm×100 mm. The configurations of the first gas diffusion layer and the second gas diffusion layer other than the planar shapes were made in the same manner so that they are the same.
(2) カーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン(PTFE)粒子とを4:6の重量比で混合した混合物をエチレングリコールに均一となるように分散させたスラリーをマイクロポーラス層用ペーストとして作製した。 (2) A slurry in which carbon black and polytetrafluoroethylene (PTFE) particles were mixed at a weight ratio of 4:6 and uniformly dispersed in ethylene glycol was prepared as a paste for a microporous layer.
(3) 前記(1)で作製したカーボン層の各平坦面に、前記(2)で調製したマイクロポーラス層用ペーストを塗布して、100℃で10分間乾燥させた。これにより、カーボン層にマイクロポーラス層が接合された、第1ガス拡散層及び第2ガス拡散層を得た。 (3) The microporous layer paste prepared in (2) was applied to each flat surface of the carbon layer prepared in (1) and dried at 100° C. for 10 minutes. As a result, a first gas diffusion layer and a second gas diffusion layer in which the microporous layer was bonded to the carbon layer were obtained.
(4) アノード電極インクを得るべく、先ず、ノルマルプロピルアルコール(NPA)と水とを1:2の重量比で混合して溶媒を調整した。次に、この溶媒と、田中貴金属社製の白金触媒「TEC10EA50E」(商品名)とを10:1の重量比で混合した後、該白金触媒との重量比が1:1となるようにイオン導伝性高分子バインダ溶液を加えて、所定のインク粘度となるまで混合した。なお、イオン導伝性高分子バインダ溶液としては、パーフルオロアルキルスルホン酸高分子化合物(例えば、デュポン社製のイオン伝導性ポリマー溶液「DE2020」(商品名))溶液を用いた。次に、この混合溶液に対し、遊星ボールミルを用いて80rpm×120分攪拌して均一化し、アノード電極インクを作製した。 (4) In order to obtain the anode electrode ink, first, normal propyl alcohol (NPA) and water were mixed at a weight ratio of 1:2 to prepare a solvent. Next, this solvent was mixed with a platinum catalyst "TEC10EA50E" (trade name) manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd. in a weight ratio of 10:1, and then the weight ratio of the platinum catalyst to the catalyst was 1:1. A conductive polymer binder solution was added and mixed until a predetermined ink viscosity was obtained. As the ion conductive polymer binder solution, a solution of a perfluoroalkylsulfonic acid polymer compound (for example, an ion conductive polymer solution “DE2020” (trade name) manufactured by DuPont) was used. Next, this mixed solution was stirred using a planetary ball mill at 80 rpm×120 minutes for homogenization to prepare an anode electrode ink.
(5) 前記(4)で調製したアノード電極インクを、白金の重量が0.2mg/cm2となるようにPETフィルム上にスクリーン印刷して塗工し、60℃で10分間加熱した後、減圧下、100℃で15分間加熱して、乾燥させることによりアノード電極シートを作製した。 (5) The anode electrode ink prepared in (4) above was screen-printed and applied on a PET film so that the weight of platinum was 0.2 mg/cm 2, and after heating at 60° C. for 10 minutes, An anode electrode sheet was produced by heating at 100° C. for 15 minutes under reduced pressure and drying.
(6) カソード電極インクを得るべく、先ず、NPAと水とを1:2の重量比で混合して溶媒を調整した。次に、この溶媒と、田中貴金属社製の白金触媒「TEC10EA50E」(商品名)とを10:1の重量比で混合した後、該白金触媒との重量比が1:1.5となるようにイオン導伝性高分子バインダ溶液を加えて、所定のインク粘度となるまで混合した。なお、イオン導伝性高分子バインダ溶液としては、前記(4)と同様の溶液を用いた。次に、この混合溶液に対し、遊星ボールミルを用いて80rpm×120分攪拌して均一化し、カソード電極インクを作製した。 (6) In order to obtain the cathode electrode ink, first, NPA and water were mixed at a weight ratio of 1:2 to prepare a solvent. Next, this solvent was mixed with a platinum catalyst "TEC10EA50E" (trade name) manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd. at a weight ratio of 10:1, and the weight ratio with the platinum catalyst was set to 1:1.5. The ion conductive polymer binder solution was added to and mixed until the ink had a predetermined viscosity. The same solution as in (4) above was used as the ion conductive polymer binder solution. Next, this mixed solution was stirred using a planetary ball mill at 80 rpm×120 minutes for homogenization to prepare a cathode electrode ink.
(7) 前記(6)で調製したカソード電極インクを、白金の重量が0.5mg/cm2となるようにPETフィルム上にスクリーン印刷して塗工し、60℃で10分間加熱した後、減圧下、100℃で15分間加熱して、乾燥させることによりカソード電極シートを作製した。 (7) The cathode electrode ink prepared in (6) above was screen-printed and applied on a PET film so that the weight of platinum was 0.5 mg/cm 2, and after heating at 60° C. for 10 minutes, A cathode electrode sheet was produced by heating at 100° C. for 15 minutes under reduced pressure and drying.
(8) 前記(5)で作製したアノード電極シートのインク塗工面と、前記(7)で作製したカソード電極シートのインク塗工面とに接するように固体高分子電解質膜を挟持し、120℃、2.0MPaの条件下、8分間のホットプレスを行った。なお、固体高分子電解質膜としては、デュポン社製のナフィオン「NRE−211」(商品名)を用いた。その後、アノード電極シート及びカソード電極シートのPETフィルムを剥がすことでCCMを作製した。 (8) A solid polymer electrolyte membrane is sandwiched so as to be in contact with the ink coated surface of the anode electrode sheet prepared in (5) and the ink coated surface of the cathode electrode sheet prepared in (7), and 120° C. Hot pressing was performed for 8 minutes under the condition of 2.0 MPa. As the solid polymer electrolyte membrane, Nafion "NRE-211" (trade name) manufactured by DuPont was used. Then, the PET films of the anode electrode sheet and the cathode electrode sheet were peeled off to prepare a CCM.
(9) 前記(3)で作製した第1ガス拡散層及び第2ガス拡散層のマイクロポーラス層同士の間に前記(8)で作製したCCMを挟持して120℃、2.0MPaの条件下、12分間のホットプレスを行って一体化した。この際、第2ガス拡散層側に荷重吸収材を配置した。その後、第1ガス拡散層の外周部をトムソン刃で打ち抜いてトリミングを行うことで、最大平面形状が210mm×110mmとなる段差MEAを作製した。 (9) The CCM prepared in (8) is sandwiched between the microporous layers of the first gas diffusion layer and the second gas diffusion layer prepared in (3), and the conditions are 120° C. and 2.0 MPa. Then, hot pressing was performed for 12 minutes to integrate them. At this time, the load absorbing material was arranged on the second gas diffusion layer side. After that, the outer peripheral portion of the first gas diffusion layer was punched out with a Thomson blade to perform trimming, thereby producing a step MEA having a maximum planar shape of 210 mm×110 mm.
[樹脂枠部材の作製]
(10) 厚み250μmである東レ社製PPSシート「トレリナ5000」(商品名)をトムソン刃で枠状に切断して樹脂枠部材を作製した。
[Production of resin frame member]
(10) A resin frame member was produced by cutting a Toray PPS sheet “Torelina 5000” (trade name) having a thickness of 250 μm into a frame shape with a Thomson blade.
(11) 前記(10)で作製した樹脂枠部材の接着面に対して、ヤマト科学社製のプラズマ装置「YAP−510」(商品名)を用いて30秒間、プラズマ処理を施して、表面改質を行った。 (11) Plasma treatment is applied to the adhesive surface of the resin frame member prepared in (10) for 30 seconds using a plasma device “YAP-510” (trade name) manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd. Went quality.
[樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の作製]
[実施例1]
(12) 周辺温度;23℃、相対湿度(RH);50%の環境下において、前記(9)で作製した段差MEAの固体高分子電解質膜の露呈面に30℃の水を滴下して、2分間接触させた後、吸湿性のシートによって押し広げながら拭き取った。
[Preparation of electrolyte membrane/electrode structure with resin frame]
[Example 1]
(12) In an environment of ambient temperature; 23° C., relative humidity (RH); 50%, 30° C. water is dropped on the exposed surface of the solid polymer electrolyte membrane of the step MEA prepared in (9) above. After contacting for 2 minutes, it was wiped off while being spread by a hygroscopic sheet.
(13) 段差MEAにおける固体高分子電解質膜の露呈面に、信越化学工業社製のフッ素系接着剤「SIFEL2661」(商品名)をムサシエンジニアリング社製のディスペンサ「ML−606GX」(商品名)を用いて塗工した。この際、接着剤の幅が1mmとなるように設定し、且つ第2ガス拡散層の端面に接着剤を接触させながら、その外周を周回させた。 (13) On the exposed surface of the solid polymer electrolyte membrane in the step MEA, a fluorine-based adhesive "SIFEL2661" (trade name) manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., a dispenser "ML-606GX" (trade name) manufactured by Musashi Engineering Co., Ltd. Used for coating. At this time, the width of the adhesive was set to 1 mm, and while the adhesive was brought into contact with the end surface of the second gas diffusion layer, the outer periphery was circulated.
(14) 露呈面に塗工した接着剤に接着面を接触させるように段差MEAと樹脂枠部材とを重畳した重畳体を、PTFEシートを介して、新東工業社製のサーボプレス機の固定基台と可動基台との間に挟持させた。そして、140℃で加熱するとともに500Nの荷重を加える加熱・加圧処理を12分行った。これによって、接着剤を硬化させて接着剤層を形成し、該接着剤層を介して、段差MEAに樹脂枠部材が接合された樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を得た。これを実施例1とする。 (14) Fix a servo press made by Shinto Kogyo Co., Ltd. via a PTFE sheet with a superposed body in which a step MEA and a resin frame member are superposed so that the adhesive surface is brought into contact with the adhesive agent applied to the exposed surface. It was held between the base and the movable base. Then, a heating/pressurizing process of heating at 140° C. and applying a load of 500 N was performed for 12 minutes. In this way, the adhesive was cured to form an adhesive layer, and a resin frame-attached electrolyte membrane/electrode structure in which a resin frame member was joined to the step MEA via the adhesive layer was obtained. This is Example 1.
[実施例2]
前記(12)の工程のうち、段差MEAの露呈面に滴下する水の温度を30℃に代えて40℃とし、それ以外は実施例1と同様にして、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を得た。これを実施例2とする。
[Example 2]
In the step (12), the temperature of water dropped on the exposed surface of the step MEA is 40° C. instead of 30° C., and otherwise the same as in Example 1 in the same manner as in Example 1 with a resin frame-attached electrolyte membrane/electrode structure. Got This is Example 2.
[実施例3]
前記(12)の工程のうち、段差MEAの露呈面に滴下した水を接触させる時間を2分間に代えて5分間とし、それ以外は実施例1と同様にして、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を得た。これを実施例3とする。
[Example 3]
In the step (12), the time for contacting the water dropped on the exposed surface of the step MEA is changed from 2 minutes to 5 minutes, and otherwise the same as in Example 1 in the same manner as in Example 1 with a resin frame-attached electrolyte membrane/electrode. The structure was obtained. This is Example 3.
[比較例1]
前記(12)の工程のうち、段差MEAの露呈面に滴下する水の温度を30℃に代えて50℃とした。それ以外は実施例1と同様にして、比較例1の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を得ようとしたが、この場合、固体高分子電解質膜にシワや、第1電極触媒層等との剥離が生じてしまい、段差MEAの構造破壊が生じた。すなわち、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を良好に得ることができなかった。
[Comparative Example 1]
In the step (12), the temperature of water dropped on the exposed surface of the step MEA was set to 50°C instead of 30°C. Other than that was carried out in the same manner as in Example 1 to obtain an electrolyte membrane/electrode structure with a resin frame of Comparative Example 1. In this case, wrinkles, a first electrode catalyst layer, etc. were formed on the solid polymer electrolyte membrane. Was peeled off, and the structure of the step MEA was destroyed. That is, it was not possible to satisfactorily obtain an electrolyte membrane/electrode structure with a resin frame.
[比較例2]
前記(12)の工程に代えて、前記(9)で作製した段差MEAに対して、恒温・恒湿槽内で2分間スチーム加湿した。この際、恒温・恒湿槽内の温度を30℃とし、相対湿度(RH)を90%とした。それ以外は実施例1と同様にして、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を得た。これを比較例2とする。
[Comparative example 2]
Instead of the step of (12), the step MEA produced in (9) was steam humidified for 2 minutes in a constant temperature/humidity bath. At this time, the temperature in the constant temperature/constant humidity tank was set to 30° C., and the relative humidity (RH) was set to 90%. Otherwise in the same manner as in Example 1, an electrolyte membrane-electrode structure with a resin frame was obtained. This is Comparative Example 2.
[比較例3]
前記(12)の工程に代えて、前記(9)で作製した段差MEAに対して、恒温・恒湿槽内で2分間スチーム加湿した。この際、恒温・恒湿槽内の温度を40℃とし、相対湿度(RH)を90%とした。それ以外は実施例1と同様にして、比較例3の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を得ようとしたが、この場合も、段差MEAの構造破壊が生じ、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を良好に得ることができなかった。
[Comparative Example 3]
Instead of the step of (12), the step MEA produced in (9) was steam humidified for 2 minutes in a constant temperature/humidity bath. At this time, the temperature in the constant temperature/humidity bath was set to 40° C., and the relative humidity (RH) was set to 90%. Other than that, in the same manner as in Example 1, an attempt was made to obtain a resin frame-equipped electrolyte membrane/electrode structure of Comparative Example 3, but in this case as well, structural breakdown of the step MEA occurred, resulting in resin frame-equipped electrolyte membrane/electrode. The structure could not be obtained well.
[比較例4]
前記(12)の工程に代えて、前記(9)で作製した段差MEAに対して、恒温・恒湿槽内で2分間スチーム加湿した。この際、恒温・恒湿槽内の温度を50℃とし、相対湿度(RH)を90%とした。それ以外は実施例1と同様にして、比較例4の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を得ようとしたが、この場合も、段差MEAの構造破壊が生じ、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を良好に得ることができなかった。
[Comparative Example 4]
Instead of the step of (12), the step MEA produced in (9) was steam humidified for 2 minutes in a constant temperature/humidity bath. At this time, the temperature inside the constant temperature and humidity chamber was set to 50° C., and the relative humidity (RH) was set to 90%. Other than that was carried out in the same manner as in Example 1 to obtain an electrolyte membrane/electrode structure with a resin frame of Comparative Example 4, but in this case as well, structural destruction of the step MEA occurred and an electrolyte membrane/electrode with a resin frame was formed. The structure could not be obtained well.
[比較例5]
前記(12)の工程に代えて、前記(9)で作製した段差MEAに対して、恒温・恒湿槽内で2分間スチーム加湿した。この際、恒温・恒湿槽内の温度を60℃とし、相対湿度(RH)を90%とした。それ以外は実施例1と同様にして、比較例5の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を得ようとしたが、この場合も、段差MEAの構造破壊が生じ、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を良好に得ることができなかった。
[Comparative Example 5]
Instead of the step of (12), the step MEA produced in (9) was steam humidified for 2 minutes in a constant temperature/humidity bath. At this time, the temperature inside the constant temperature and humidity chamber was set to 60° C., and the relative humidity (RH) was set to 90%. Other than that, in the same manner as in Example 1, an attempt was made to obtain an electrolyte membrane/electrode structure with a resin frame of Comparative Example 5, but in this case as well, structural breakdown of the step MEA occurred, resulting in an electrolyte membrane/electrode with a resin frame. The structure could not be obtained well.
[比較例6]
前記(12)の工程に代えて、前記(9)で作製した段差MEAに対して、恒温・恒湿槽内で2分間スチーム加湿した。この際、恒温・恒湿槽内の温度を40℃とし、相対湿度(RH)を80%とした。それ以外は実施例1と同様にして、比較例6の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を得ようとしたが、この場合も、段差MEAの構造破壊が生じ、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を良好に得ることができなかった。
[Comparative Example 6]
Instead of the step of (12), the step MEA produced in (9) was steam humidified for 2 minutes in a constant temperature/humidity bath. At this time, the temperature inside the constant temperature and humidity chamber was set to 40° C., and the relative humidity (RH) was set to 80%. Other than that, in the same manner as in Example 1, an attempt was made to obtain a resin frame-attached electrolyte membrane/electrode structure of Comparative Example 6, but in this case as well, structural breakdown of the step MEA occurred, and the resin frame-attached electrolyte membrane/electrode was formed. The structure could not be obtained well.
[比較例7]
前記(12)の工程に代えて、前記(9)で作製した段差MEAに対して、恒温・恒湿槽内で15秒間スチーム加湿した。この際、恒温・恒湿槽内の温度を40℃とし、相対湿度(RH)を90%とした。それ以外は実施例1と同様にして、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を得た。これを比較例7とする。
[Comparative Example 7]
Instead of the step (12), the step MEA produced in (9) was steam humidified for 15 seconds in a constant temperature/humidity bath. At this time, the temperature in the constant temperature/humidity bath was set to 40° C., and the relative humidity (RH) was set to 90%. Otherwise in the same manner as in Example 1, an electrolyte membrane-electrode structure with a resin frame was obtained. This is Comparative Example 7.
[比較例8]
前記(12)の工程に代えて、前記(9)で作製した段差MEAに対して、恒温・恒湿槽内で30秒間スチーム加湿した。この際、恒温・恒湿槽内の温度を40℃とし、相対湿度(RH)を90%とした。それ以外は実施例1と同様にして、比較例8の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を得ようとしたが、この場合も、段差MEAの構造破壊が生じ、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を良好に得ることができなかった。
[Comparative Example 8]
Instead of the step (12), the step MEA produced in (9) was steam humidified for 30 seconds in a constant temperature/humidity bath. At this time, the temperature in the constant temperature/humidity bath was set to 40° C., and the relative humidity (RH) was set to 90%. Other than that, in the same manner as in Example 1, an attempt was made to obtain a resin frame-attached electrolyte membrane/electrode structure of Comparative Example 8. In this case as well, structural breakdown of the step MEA occurred, and resin frame-attached electrolyte membrane/electrode structure was produced. The structure could not be obtained well.
[比較例9]
前記(12)の工程を省略した以外、実施例1と同様にして、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を得た。すなわち、段差MEAの露呈面を何ら加湿処理することなく作製した樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を比較例9とする。
[Comparative Example 9]
An electrolyte membrane/electrode structure with a resin frame was obtained in the same manner as in Example 1 except that the step (12) was omitted. That is, Comparative Example 9 is an electrolyte membrane/electrode structure with a resin frame, which was produced without subjecting the exposed surface of the step MEA to any humidification treatment.
上記の実施例1〜3の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体と、段差MEAの構造破壊が生じなかった比較例2、7、9の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体とについて、それぞれ180度方向の剥離試験を行った。この剥離試験では、最初に、実施例1〜3及び比較例2、7、9の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体のそれぞれから試験片を作製した。 The resin frame-attached electrolyte membrane/electrode structures of Examples 1 to 3 and the resin frame-attached electrolyte membrane/electrode structures of Comparative Examples 2, 7 and 9 in which the structural breakage of the step MEA did not occur were each 180 A peel test in the direction of degree was performed. In this peeling test, first, test pieces were prepared from each of the resin frame-attached electrolyte membrane/electrode structures of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 2, 7, and 9.
具体的には、固体高分子電解質膜の露呈面と、樹脂枠部材の接着面とが接着剤層を介して接着された部分の幅が2cmであり、長さが5cmとなるように短冊状に切り出した。そして、固体高分子電解質膜から第1ガス拡散層を剥離させた後、さらに第2ガス拡散層を剥離させた。これによって、樹脂枠部材とCCMとの接合体からなる試験片を作製した。同様にして、実施例1〜3及び比較例2、7、9の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体のそれぞれにつき、試験片を40個ずつ作製した。 Specifically, the exposed surface of the solid polymer electrolyte membrane and the adhesive surface of the resin frame member are bonded to each other via the adhesive layer to have a width of 2 cm and a length of 5 cm. I cut it out. Then, after the first gas diffusion layer was peeled off from the solid polymer electrolyte membrane, the second gas diffusion layer was further peeled off. As a result, a test piece composed of a joined body of the resin frame member and CCM was produced. In the same manner, 40 test pieces were produced for each of the resin frame-attached electrolyte membrane/electrode structures of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 2, 7, and 9.
次に、島津製作所社製の応用試験装置「オートグラフAGS−J」(商品名)の一端に試験片の樹脂枠部材側を把持させ、且つ他端に試験片のCCM側を把持させて180度方向の剥離強度を測定した。 Next, the resin frame member side of the test piece is held at one end of the applied test apparatus “Autograph AGS-J” (trade name) manufactured by Shimadzu Corporation, and the CCM side of the test piece is held at the other end, and 180 The peel strength in the degree direction was measured.
実施例1〜3及び比較例2、7、9の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体のそれぞれについて、40個の試験片の剥離強度の平均値と、最も小さい剥離強度との差を、前記平均値で除した値を変動割合(%)として求めた。すなわち、変動割合が小さいほど、露呈面と接着面とが強固且つ安定に接合されていることを意味する。実施例1〜3及び比較例2、7、9の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体ごとに求めた変動割合を表1に示す。なお、表1には、実施例1〜3及び比較例1〜9の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体のそれぞれの作製条件と、作製工程において段差MEAの構造破壊が生じたか否かについても併せて示す。 For each of the resin frame-attached electrolyte membrane/electrode structures of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 2, 7, and 9, the difference between the average peel strength of 40 test pieces and the smallest peel strength was calculated as above. The value divided by the average value was obtained as the variation rate (%). That is, the smaller the variation rate, the stronger and stably the exposed surface and the adhesive surface are joined together. Table 1 shows the rate of change obtained for each of the resin frame-attached electrolyte membrane/electrode structures of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 2, 7, and 9. In addition, Table 1 also shows the respective production conditions of the electrolyte membrane-attached electrolyte membrane/electrode structures of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 9 and whether or not structural breakdown of the step MEA occurred in the production process. Shown together.
表1から、恒温・恒湿槽によるスチーム加湿では、槽内の温度が30℃を超え且つ加湿時間が15秒を超えた場合に、段差MEAに構造破壊が生じてしまうことが分かった。つまり、上記の条件でスチーム加湿を行うと、固体高分子電解質膜が全体的に加湿されて過度に膨潤した状態となってしまい、これによって、段差MEAが構造破壊するに至ると考えられる。 From Table 1, it was found that in steam humidification in a constant temperature/constant humidity tank, structural failure occurs in the step MEA when the temperature in the tank exceeds 30° C. and the humidification time exceeds 15 seconds. That is, when steam humidification is performed under the above conditions, the solid polymer electrolyte membrane is entirely humidified and becomes excessively swollen, which may lead to structural destruction of the step MEA.
また、露呈面に接触させる水が40℃を超えた場合も、段差MEAに構造破壊が生じることが分かった。従って、露呈面に40℃以下の水を接触させることで、固体高分子電解質膜の全体が過度に膨潤した状態となることを回避できることが分かった。 It was also found that structural damage occurs in the step MEA when the water contacting the exposed surface exceeds 40°C. Therefore, it was found that by contacting the exposed surface with water at 40° C. or lower, it is possible to prevent the entire solid polymer electrolyte membrane from becoming excessively swollen.
さらに、表1から、実施例1〜3の変動割合は、段差MEAに構造破壊が生じなかった比較例2、7や、露呈面に加湿処理を施さなかった比較例9の変動割合に比べて1/3未満となっていることが分かった。すなわち、比較例2、7の条件におけるスチーム加湿処理では、露呈面の表面自由エネルギを高めるために十分な加湿を行うことができなかったと考えられる。また、比較例9では、段差MEAを作製する際に行ったホットプレス等によって、固体高分子電解質膜が乾燥し、露呈面の表面自由エネルギが低下したと考えられる。 Further, from Table 1, the fluctuation ratios of Examples 1 to 3 are higher than the fluctuation ratios of Comparative Examples 2 and 7 in which no structural destruction occurs in the step MEA and Comparative Example 9 in which the exposed surface is not humidified. It was found to be less than 1/3. That is, it is considered that the steam humidification treatment under the conditions of Comparative Examples 2 and 7 could not perform sufficient humidification to increase the surface free energy of the exposed surface. Further, in Comparative Example 9, it is considered that the solid polymer electrolyte membrane was dried by the hot pressing or the like performed when the step MEA was manufactured, and the surface free energy of the exposed surface was lowered.
一方、実施例1〜3では、固体高分子電解質膜を過度に膨潤させることなく、露呈面の表面自由エネルギを十分に高めることができており、これによって、固体高分子電解質膜と樹脂枠部材との接合を強固且つ安定にすることができた。 On the other hand, in Examples 1 to 3, it is possible to sufficiently increase the surface free energy of the exposed surface without excessively swelling the solid polymer electrolyte membrane, and thereby the solid polymer electrolyte membrane and the resin frame member. It was possible to make the joint with and strong and stable.
10…樹脂枠付き電解質膜・電極構造体 10a…段差MEA
12…発電セル 14、16…セパレータ
18…固体高分子電解質膜 18be…露呈面
20…アノード電極 20a…第1電極触媒層
20b…第1ガス拡散層 22…カソード電極
22a…第2電極触媒層 22b…第2ガス拡散層
24…樹脂枠部材 24a…接着面
26…接着剤層 26a…接着剤
50…水
10... Electrolyte Membrane/Electrode Structure with
12...
Claims (4)
前記固体高分子電解質膜の、前記第2電極の外方に露呈する露呈面に接着剤を介して接合される樹脂枠部材と、
を有する燃料電池用の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法であって、
前記露呈面に40℃以下の液体の水を接触させる工程と、
前記固体高分子電解質膜の前記露呈面よりも内部に前記水を含有させた後、前記固体高分子電解質膜の全体が膨潤する前に前記露呈面上に存在する前記水を除去する工程と、
前記露呈面に接着剤を塗工する工程と、
前記接着剤を介して前記露呈面と前記樹脂枠部材とを接合する工程と、
を有することを特徴とする樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法。 A first electrode is provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane, a second electrode is provided on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane, and the planar dimension of the first electrode is the second dimension. A stepped electrolyte membrane/electrode structure set to a size larger than the planar size of the electrode,
A resin frame member joined to the exposed surface of the solid polymer electrolyte membrane exposed to the outside of the second electrode via an adhesive;
A method for manufacturing an electrolyte membrane/electrode structure with a resin frame for a fuel cell having:
Contacting the exposed surface with liquid water at 40° C. or lower,
After containing the water inside the exposed surface of the solid polymer electrolyte membrane , removing the water present on the exposed surface before the entire solid polymer electrolyte membrane swells ,
A step of applying an adhesive to the exposed surface,
Bonding the exposed surface and the resin frame member via the adhesive,
A method for producing an electrolyte membrane/electrode structure with a resin frame, comprising:
前記固体高分子電解質膜の、前記第2電極の外方に露呈する露呈面に接着剤を介して接合される樹脂枠部材と、
を有する燃料電池用の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法であって、
前記露呈面に40℃以下の液体の水を接触させる工程と、
前記固体高分子電解質膜の前記露呈面よりも内部に前記水を含有させた後、前記水が前記固体高分子電解質膜の前記露呈面の裏面に達する前に前記露呈面上に存在する前記水を除去する工程と、
前記露呈面に接着剤を塗工する工程と、
前記接着剤を介して前記露呈面と前記樹脂枠部材とを接合する工程と、
を有することを特徴とする樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法。 The first electrode is provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane, the second electrode is provided on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane, and the planar dimension of the first electrode is the second dimension. A stepped electrolyte membrane/electrode structure set to a size larger than the planar size of the electrode,
A resin frame member joined to the exposed surface of the solid polymer electrolyte membrane exposed to the outside of the second electrode via an adhesive;
A method for manufacturing an electrolyte membrane/electrode structure with a resin frame for a fuel cell having:
Contacting the exposed surface with liquid water at 40° C. or lower,
After containing the water inside the exposed surface of the solid polymer electrolyte membrane, the water present on the exposed surface before the water reaches the back surface of the exposed surface of the solid polymer electrolyte membrane The step of removing
A step of applying an adhesive to the exposed surface,
Bonding the exposed surface and the resin frame member via the adhesive,
A method for producing an electrolyte membrane/electrode structure with a resin frame, comprising:
前記固体高分子電解質膜の、前記第2電極の外方に露呈する露呈面に接着剤を介して接合される樹脂枠部材と、
を有する燃料電池用の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法であって、
前記露呈面に40℃以下の液体の水を接触させる工程と、
前記固体高分子電解質膜の前記露呈面よりも内部に前記水を含有させた後、前記露呈面の前記水との接触角が104°を超える前に前記露呈面上に存在する前記水を除去する工程と、
前記露呈面に接着剤を塗工する工程と、
前記接着剤を介して前記露呈面と前記樹脂枠部材とを接合する工程と、
を有することを特徴とする樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法。 The first electrode is provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane, the second electrode is provided on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane, and the planar dimension of the first electrode is the second dimension. A stepped electrolyte membrane/electrode structure set to a size larger than the planar size of the electrode,
A resin frame member joined to the exposed surface of the solid polymer electrolyte membrane exposed to the outside of the second electrode via an adhesive;
A method for manufacturing an electrolyte membrane/electrode structure with a resin frame for a fuel cell having:
Contacting the exposed surface with liquid water at 40° C. or lower,
After the water is contained inside the exposed surface of the solid polymer electrolyte membrane, the water existing on the exposed surface is removed before the contact angle of the exposed surface with water exceeds 104°. The process of
A step of applying an adhesive to the exposed surface,
Bonding the exposed surface and the resin frame member via the adhesive,
A method for producing an electrolyte membrane/electrode structure with a resin frame, comprising:
前記水を除去する工程では、前記水を前記露呈面の面方向に押し広げながら拭き取ることを特徴とする樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法。 The method for producing an electrolyte membrane/electrode structure with a resin frame according to claim 1, wherein
In the step of removing the water, the water is wiped while being spread in the surface direction of the exposed surface, and the method for producing an electrolyte membrane/electrode structure with a resin frame.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016005890A JP6709054B2 (en) | 2016-01-15 | 2016-01-15 | Method for manufacturing electrolyte membrane/electrode structure with resin frame |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016005890A JP6709054B2 (en) | 2016-01-15 | 2016-01-15 | Method for manufacturing electrolyte membrane/electrode structure with resin frame |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2017126511A JP2017126511A (en) | 2017-07-20 |
JP6709054B2 true JP6709054B2 (en) | 2020-06-10 |
Family
ID=59365081
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2016005890A Expired - Fee Related JP6709054B2 (en) | 2016-01-15 | 2016-01-15 | Method for manufacturing electrolyte membrane/electrode structure with resin frame |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6709054B2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6848830B2 (en) * | 2017-11-27 | 2021-03-24 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell manufacturing method |
-
2016
- 2016-01-15 JP JP2016005890A patent/JP6709054B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2017126511A (en) | 2017-07-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4700612B2 (en) | Integrated membrane electrode assembly and manufacturing method thereof | |
JP4882314B2 (en) | Electrolyte membrane-electrode assembly and method for producing the same | |
JP5326189B2 (en) | Electrolyte membrane-electrode assembly and method for producing the same | |
CN103119771A (en) | Membrane structure | |
JP2007141674A (en) | Manufacturing method of membrane-electrode assembly and method of assembling fuel cell | |
JP4506796B2 (en) | Electrolyte membrane-electrode assembly and method for producing electrolyte membrane | |
CN1606814A (en) | Electrolyte membrane-electrode assembly for fuel cell and manufacturing method thereof | |
JP6832849B2 (en) | Membrane sealing assembly | |
JP6100230B2 (en) | Electrolyte membrane / electrode structure with resin frame for fuel cell and production method thereof | |
JP6709054B2 (en) | Method for manufacturing electrolyte membrane/electrode structure with resin frame | |
KR102110843B1 (en) | Process | |
CN106463746B (en) | Film seal assembly | |
JP6144650B2 (en) | Manufacturing method of fuel cell | |
JP2013258096A (en) | Production method of electrolyte membrane/electrode structure with resin frame for fuel cell | |
JP2017068908A (en) | Manufacturing method for resin frame-attached electrolyte membrane-electrode structure | |
JP2014026799A (en) | Membrane electrode assembly for fuel cell | |
JP5273207B2 (en) | ELECTROLYTE MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY WITH MASK FILM FOR SOLID POLYMER FUEL CELL AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME | |
JP5245440B2 (en) | Manufacturing method of membrane-electrode assembly for fuel cell | |
JP2006066161A (en) | Manufacturing method of fuel cell film/electrode junction | |
JP2017004607A (en) | Manufacturing method of electrolyte membrane electrode structure with resin frame for fuel battery | |
JP2004214001A (en) | Jointing method and jointing device for electrode and solid polyelectrolyte membrane | |
JP6356436B2 (en) | Electrolyte membrane / electrode structure | |
JP5461370B2 (en) | Manufacturing method of electrolyte membrane / electrode structure for fuel cell | |
JP2010062040A (en) | Method of manufacturing fuel cell | |
JP2017010704A (en) | Method for manufacturing electrolyte membrane/electrode structure with resin frame |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20181127 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20190926 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20191001 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20191129 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20200519 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20200522 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6709054 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |