JP7041655B2 - Manufacturing method of electrolyte / electrode structure - Google Patents
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Description
本発明は、電解質・電極構造体の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing an electrolyte / electrode structure.
一般的に、燃料電池は、電解質膜(電解質層)の両側に、それぞれアノード電極体及びカソード電極体を設けた電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)を、セパレータによって挟持した発電セルを備える。 Generally, a fuel cell is a power generation cell in which an electrolyte membrane / electrode structure (electrolyte / electrode structure) having an anode electrode body and a cathode electrode body provided on both sides of an electrolyte membrane (electrolyte layer) is sandwiched between separators. To prepare for.
この種の電解質膜・電極構造体を製造するために、例えば、アノード電極体及びカソード電極体間に例えば固体高分子電解質膜などの電解質層を配置して積層体を形成し、当該積層体に、その積層方向両側から加熱した金型を押し付けてホットプレスを行う。これによって、アノード電極体及びカソード電極体を介して電解質層まで金型の熱を伝導させ、アノード電極体及びカソード電極体と電解質層とを一体化して、電解質・電極構造体を得る。 In order to produce this type of electrolyte membrane / electrode structure, for example, an electrolyte layer such as a solid polymer electrolyte membrane is arranged between the anode electrode body and the cathode electrode body to form a laminate, and the laminate is formed. , Press the heated mold from both sides in the stacking direction to perform hot pressing. As a result, the heat of the mold is conducted to the electrolyte layer through the anode electrode body and the cathode electrode body, and the anode electrode body, the cathode electrode body and the electrolyte layer are integrated to obtain an electrolyte / electrode structure.
しかしながら、アノード電極体、カソード電極体及び電解質層を加熱した金型を押し付けてホットプレスする製法では、プレス機の昇降および加熱時には製品の搬送は行うことができず、高速で大量生産する場合には障害となる懸念がある。 However, in the manufacturing method in which the anode electrode body, the cathode electrode body, and the electrolyte layer are hot-pressed by pressing a heated die, the product cannot be transported when the press is raised and lowered and heated, and the product cannot be transported at high speed for mass production. May be an obstacle.
例えば、特許文献1には、アノード電極体及びカソード電極体の多孔性、すなわちガス透過性と、電解質層の非多孔性、すなわちガス非透過性を利用して、搬送を行い、アノード電極体とカソード電極体と電解質層とを接合する技術が開示されている。 For example, in Patent Document 1, the porosity of the anode electrode body and the cathode electrode body, that is, the gas permeability, and the non-porousness of the electrolyte layer, that is, the gas impermeable property are used to carry out transportation, and the anode electrode body and the anode electrode body are used. A technique for joining a cathode electrode body and an electrolyte layer is disclosed.
しかしながら、この方法では、アノード電極体、カソード電極体及び電解質層をそれぞれ吸引搬送装置に吸引して搬送し、吸引加熱装置上に配置して、アノード電極体、カソード電極体及び電解質層を接合しなければならなかった。したがって、電極体や電解質層の吸引や搬送を何度も行う必要が生じるため目的とする電解質・電極構造体の製造に時間を要するのみでなく、歩留まりも低下し、製造コストが増大してしまうという問題があった。 However, in this method, the anode electrode body, the cathode electrode body and the electrolyte layer are each sucked and transported to the suction transfer device, arranged on the suction heating device, and the anode electrode body, the cathode electrode body and the electrolyte layer are joined. I had to. Therefore, since it is necessary to repeatedly suck and transport the electrode body and the electrolyte layer, not only it takes time to manufacture the target electrolyte / electrode structure, but also the yield is lowered and the manufacturing cost is increased. There was a problem.
本発明は、高速かつ簡易、低コストで燃料電池における電解質・電極構造体を製造する方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a method for manufacturing an electrolyte / electrode structure in a fuel cell at high speed, simplicity, and low cost.
本発明の実施形態は、非多孔性の電解質層と、それぞれ当該電解質層の両側に配設され、多孔性のガス拡散層と電極触媒層を有する一対の電極体とを備える電解質・電極構造体の製造方法であって、前記一対の電極体の一方を吸引搬送機上のコンベヤ上に配置する第1工程と、前記電解質層と前記一対の電極体の他方とを一体化してなる電解質・電極接合体を前記一方の電極体を介して吸引し、前記一方の電極体と前記電解質・電極接合体を重ね合せる第2工程と、前記一方の電極体と前記電解質・電極接合体とを加熱して接合する第3工程と、を備えることを特徴とする、電解質・電極構造体の製造方法に関する。 An embodiment of the present invention is an electrolyte / electrode structure including a non-porous electrolyte layer and a pair of electrodes arranged on both sides of the electrolyte layer and having a porous gas diffusion layer and an electrode catalyst layer. The first step of arranging one of the pair of electrodes on a conveyor on a suction carrier, and the electrolyte / electrode in which the electrolyte layer and the other of the pair of electrodes are integrated. The second step of sucking the joint body through the one electrode body and superimposing the one electrode body and the electrolyte / electrode joint body, and heating the one electrode body and the electrolyte / electrode joint body. The present invention relates to a method for manufacturing an electrolyte / electrode structure, which comprises a third step of joining the electrodes.
本発明の実施形態によれば、電解質層の非多孔性(ガス非透過性)及びアノード電極、カソード電極を構成する電極体の多孔性(ガス透過性)に着目し、これらの性質を最大限に生かすべく、吸引搬送機を使用している。すなわち、吸引搬送機上に、1つの電極体を配置しておき、別工程で作製した別の電極体及び電解質層の接合体、すなわち電解質・電極接合体を、上記吸引搬送機の吸引作用を利用し、上記1つの電極体を介して電解質・電極接合体の吸引を行えば、電極体と電解質・電極接合体を重ね合せて接合することができる。すなわち単一の吸引搬送機上で電極体と電解質・電極接合体との重ね合わせ及び接合を行うことができるので、上記吸引搬送機上におけるワンパスで、目的とする電解質・電極構造体の接合を行うことができる。 According to the embodiment of the present invention, attention is paid to the non-porousness (gas non-permeability) of the electrolyte layer and the porosity (gas permeability) of the electrode body constituting the anode electrode and the cathode electrode, and these properties are maximized. A suction carrier is used to make the best use of it. That is, one electrode body is arranged on the suction transfer machine, and another electrode body and an electrolyte layer joint body produced in another step, that is, an electrolyte / electrode joint body, is subjected to the suction action of the suction transfer machine. By utilizing the above-mentioned one electrode body and sucking the electrolyte / electrode joint body, the electrode body and the electrolyte / electrode joint body can be overlapped and joined. That is, since the electrode body and the electrolyte / electrode joint can be superposed and joined on a single suction carrier, the target electrolyte / electrode structure can be joined with one pass on the suction carrier. It can be carried out.
したがって、従来のように何度も吸引や搬送の必要がないので、電解質・電極構造体の製造に時間を要することがない。結果として、高速かつ簡易、低コストで電解質・電極構造体を製造することができる。 Therefore, unlike the conventional method, it is not necessary to repeatedly suck and transport the electrolyte, so that it does not take time to manufacture the electrolyte / electrode structure. As a result, the electrolyte / electrode structure can be manufactured at high speed, easily, and at low cost.
本発明の一態様において、第1工程の後であって第2工程の前において、非多孔性のサブガスケットを一方の電極体の外周端部に重ね合わせる第4工程を備え、第3工程における接合は、一方の電極体及び電解質・電極接合体でサブガスケットを挟むようにして行うことができる。したがって、このようなサブガスケットの重ね合わせも、1つの電極体を介して電解質・電極接合体とサブガスケットの吸引を行うのみで、簡易かつ低コストで行うことができる。 In one aspect of the present invention, there is a fourth step of superimposing a non-porous sub-cascade on the outer peripheral end of one of the electrode bodies after the first step and before the second step, in the third step. The joining can be performed by sandwiching the sub-cassette between one electrode body and the electrolyte / electrode joint body. Therefore, such superposition of the sub-gaskets can be performed easily and at low cost only by sucking the electrolyte / electrode joint and the sub-gasket through one electrode body.
なお、第3工程において、特に、非接触の加熱手段を用いることが好ましい。この場合、吸引搬送機上での電極体と電解質・電極接合体との接合を簡易に行うことができる。 In the third step, it is particularly preferable to use a non-contact heating means. In this case, the electrode body and the electrolyte / electrode joint body can be easily joined on the suction carrier.
以上説明したように、本発明によれば、高速かつ簡易、低コストで燃料電池の電解質・電極構造体を製造する方法を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing an electrolyte / electrode structure of a fuel cell at high speed, simplicity, and low cost.
以下、本発明の実施形態に係る電解質・電極構造体の製造方法について説明する。 Hereinafter, a method for manufacturing an electrolyte / electrode structure according to an embodiment of the present invention will be described.
最初に、本実施形態の製造方法で得られる電解質・電極構造体の構成について説明する。 First, the configuration of the electrolyte / electrode structure obtained by the manufacturing method of the present embodiment will be described.
図1は、上記電解質・電極構造体の構成を概略的に示す断面図である。図1に示すように、本実施形態の電解質・電極構造体10は、非多孔性(ガス非透過性)の電解質層12と、その一方の側に配設された多孔性(ガス透過性)のアノード電極体14と、その他方の側に配設された多孔性(ガス透過性)のカソード電極体16とを有する。図1に示す電解質・電極構造体10は、例えば、固体高分子形燃料電池、固体酸化物形燃料電池の電解質・電極構造体として使用することができる。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the electrolyte / electrode structure. As shown in FIG. 1, the electrolyte /
また、図1に示すように、本実施形態の電解質・電極構造体10では、アノード電極体14の外周端部にサブガスケット18が配設され、アノード電極体14と、電解質層12及びカソード電極体16とでサブガスケット18を挟み込むような構成となっている。なお、サブガスケット18は、例えば、アノード電極体とカソード電極体間をガスが移動しないようにガス非透過性の材料からなり、燃料電池セルを積層する際の位置決めマークや燃料電池セルを積層する際に使用する貫通孔が形成された部材であって、最終的な燃料電池を製造する際に有効なものであるが、当該目的を達成しなくともよい場合は省略してもよい。
Further, as shown in FIG. 1, in the electrolyte /
アノード電極体14は、カーボンペーパやカーボンクロス等からなる多孔性(ガス透過性)のアノードガス拡散層14aと、白金合金が表面に支持された多孔質カーボン粒子をガス拡散層の表面に一様に塗布した多孔性(ガス透過性)のアノード電極触媒層14bとを有する。
The
同様に、カソード電極体16は、カーボンペーパやカーボンクロス等からなる多孔性(ガス透過性)のカソードガス拡散層16aと、白金合金が表面に支持された多孔質カーボン粒子をガス拡散層の表面に一様に塗布した多孔性(ガス透過性)のカソード電極触媒層16bとを有する。
Similarly, the
アノード電極体14及びカソード電極体16は、それぞれロール状のガス拡散層14a,16aに電極触媒層14b、16bを塗布し、乾燥させることでロール状に形成され、電解質・電極構造体として使用されるときには所定形状に切り出して用いられる。
The
次に、本実施形態の電解質・電極構造体の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the electrolyte / electrode structure of the present embodiment will be described.
図2は、本実施形態に係る電解質・電極構造体の製造方法を説明するための概略図である。なお、図中の矢印は、吸引方向を示すものである。 FIG. 2 is a schematic view for explaining a method for manufacturing an electrolyte / electrode structure according to the present embodiment. The arrows in the figure indicate the suction direction.
図2に示すように、本実施形態の電解質・電極構造体を製造するには、一対のローラ22に対して、コンベヤ24が係回されてなる吸引搬送機20を用いる。吸引搬送機20の吸引は、吸引搬送機20の下方に配設された図示しない吸引機や、一対のローラ22間であって、対向するコンベヤ24間に配設された図示しない吸引機を介して、コンベヤ24の隙間から当該コンベヤ24上に配置された物体を吸引するように構成されている。吸引機はコンベヤ24の進行方向のどの位置においてもコンベヤ24上に配置された物体を吸引できるように構成されている。
As shown in FIG. 2, in order to manufacture the electrolyte / electrode structure of the present embodiment, a
最初に本実施形態の製造方法においては、図2(I)に示すように、吸引搬送機20のコンベヤ24上に多孔性(ガス透過性)のアノード電極体14を配設する(第1工程)。
First, in the manufacturing method of the present embodiment, as shown in FIG. 2 (I), the porous (gas permeable)
次いで、図2(II)に示すように、コンベヤ24の進行方向下流側において、サブガスケット18をアノード電極体14の外周端部に重ね合わせるように配設する(第4工程)。このときアノード電極体14を介してサブガスケット18が吸引され、アノード電極体14の外周端部がサブガスケット18によって下方に押し付けられ、アノード電極体14がコンベヤ24上の所定の位置に固定される。
Next, as shown in FIG. 2 (II), the
次いで、図2(III)に示すように、別途、非多孔性(ガス非透過性)の電解質層12と多孔性(ガス透過性)のカソード電極体16とを一体化して形成した電解質・電極接合体17を、サブガスケット18の、アノード電極体14の上面に位置する外周端部の一部を挟むようにしてアノード電極体14に位置合わせし、図示しない吸引機でアノード電極体14を介して電解質・電極接合体17を吸引し、アノード電極体14と電解質・電極接合体17とを重ね合わせる(第2工程)。このとき、電解質・電極接合体17の非多孔質(ガス非透過性)の電解質層12側を下方にしているので、電解質・電極接合体17の電解質層12が吸引され、アノード電極体14と電解質・電極接合体17とが圧着される。また、サブガスケット18の上面の電解質層12と接する面には図示しない接着剤が塗布されており、この外周端部も接着される。
Next, as shown in FIG. 2 (III), the electrolyte / electrode separately formed by integrally forming the non-porous (gas-impermeable)
なお、電解質層12及びカソード電極体16の一体化による電解質・電極接合体17は、カソードガス拡散層16bとカソード電極触媒層16aとが一体化されたロール状のカソード電極体16に、電解質層12を塗布し、乾燥することでロール状に形成され、それを所定形状に切り出すことで形成される。なお、従来同様の方法、例えば、ホットプレスなどでも形成することができる。
The electrolyte /
次いで、吸引搬送機20のコンベヤ24上で、図2(IV)に示すように、アノード電極体14と電解質・電極接合体17とが重ね合わされた後は、例えば、ランプヒータやホットエアー等の非接触の加熱手段で加熱し、アノード電極体14と電解質・電極接合体17とを接合させる(第3工程)。なお、このときも図示しない吸引機でアノード電極体14を介してサブガスケット18と電解質・電極接合体17を吸引して圧着しているため、互いの位置がずれないように固定されている。また、加熱手段としては、吸引搬送機20を構成するローラ22の一端側を二重ローラとし、このローラ内にヒータを配設し、当該二重ローラで挟み込むとともに加熱し、接合してもよく、またコンベヤ24の下方に接触式のヒータを設置してもよい(第3工程)。これにより、目的とする電解質・電極構造体10を得ることができる。
Next, after the
なお、このとき、加熱手段は接合部だけを加熱するように構成するのが望ましく、具体的にはコンベア24上の電解質・電極構造体10がランプヒータ等の非接触の加熱手段の下方を進行する際に、サブガスケット18が下方に位置するときにはその上方のランプヒータを停止し、電解質・電極構造体10のカソード電極体16が下方に位置するときにはその対応するランプヒータを駆動して加熱するとよい。これにより、サブガスケット18への入熱による品質低下が防げる。
At this time, it is desirable that the heating means is configured to heat only the joint portion, and specifically, the electrolyte /
また、上記実施形態によれば、アノード電極体14を吸引搬送機20のコンベヤ24上に配置し、これに電解質層12及びカソード電極体16が一体化してなる電解質・電極接合体17を重ね合わせているが、カソード電極体16を吸引搬送機20のコンベヤ24上に配置し、これに電解質層12及びアノード電極体14が一体化してなる電解質・電極接合体を重ね合わせて接合してもよい。
Further, according to the above embodiment, the
本実施形態の製造方法によれば、電解質層12の非多孔性(ガス非透過性)及びアノード電極体14、カソード電極体16を構成する電極体の多孔性(ガス透過性)に着目し、これらの性質を最大限に生かすべく、吸引搬送機20を使用している。すなわち、吸引搬送機20のコンベヤ24上に、アノード電極体14を配置し、別工程で作製したカソード電極体16及び電解質層12の接合体、すなわち電解質・電極接合体17を、上記吸引搬送機20の吸引作用を利用し、アノード電極体14を介して電解質・電極接合体17の吸引を行えば、アノード電極体14と電解質・電極接合体17を重ね合わせることができ、吸引搬送機上で加熱して接合することで目的とする電解質・電極構造体の製造を行うことができる。
According to the manufacturing method of the present embodiment, attention is paid to the non-porous (gas impermeable) of the
したがって、従来のように何度も吸引や搬送の必要がないので、電解質・電極構造体10の製造に時間を要することがない。結果として、高速かつ簡易、低コストで電解質・電極構造体を製造することができる。また、単一の吸引搬送機20のコンベヤ24上でアノード電極体14と電解質・電極接合体17との重ね合わせ及び接合を行うことができるので、コンベヤ24上におけるワンパスで、目的とする電解質・電極構造体10の製造を行うことができる。したがって、電解質・電極構造体10の製造をより高速で行うことができる。
Therefore, unlike the conventional case, it is not necessary to suck and transport the electrolyte /
さらに、上記実施形態では、第1工程の後であって第2工程の前において、コンベヤ24上で非多孔性のサブガスケット18をアノード電極体14の外周端部に重ね合わせる第4工程を備え、第3工程における接合は、アノード電極体14及び電解質・電極接合体17でサブガスケット18を挟むようにして行っている。したがって、得られた電解質・電極構造体10に対して、上述したサブガスケット18の作用効果を簡易に付与することができる。また、サブガスケット18も、アノード電極体14を介して吸引を行い、電解質・電極接合体17に重ね合わせることができ、アノード電極体14をコンベヤ24上に固定することができる。
Further, in the above embodiment, a fourth step of superimposing the
なお、第3工程における接合を、特に、非接触の加熱手段を用いて行っているので、吸引搬送機20上でのアノード電極体14と電解質・電極接合体17との接合を簡易に行うことができる。
Since the bonding in the third step is performed by using a non-contact heating means, the bonding between the
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として掲示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although some embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are shown as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
10 電解質・電極構造体
12 電解質層
14 アノード電極体
16 カソード電極体
17 電解質・電極接合体
18 サブガスケット
20 吸引搬送機
22 ローラ
24 コンベヤ
10 Electrolyte /
Claims (3)
前記一対の電極体の一方を吸引搬送機のコンベヤ上に配置する第1工程と、
前記電解質層と前記一対の電極体の他方とを一体化してなる電解質・電極接合体を、前記コンベヤ上に配置された一方の電極体を介して吸引し、前記一方の電極体と前記電解質・電極接合体を重ね合わせる第2工程と、
前記一方の電極体と前記電解質・電極接合体とを加熱して接合する第3工程と、
を備えることを特徴とする、電解質・電極構造体の製造方法。 A method for manufacturing an electrolyte / electrode structure including a non-porous electrolyte layer and a pair of electrodes arranged on both sides of the electrolyte layer and having a porous gas diffusion layer and an electrode catalyst layer. ,
The first step of arranging one of the pair of electrode bodies on the conveyor of the suction carrier, and
An electrolyte / electrode joint body formed by integrating the electrolyte layer and the other of the pair of electrode bodies is sucked through one of the electrode bodies arranged on the conveyor, and the one electrode body and the electrolyte / electrode body are sucked. The second step of superimposing the electrode joints and
The third step of heating and joining the one electrode body and the electrolyte / electrode joint body,
A method for manufacturing an electrolyte / electrode structure, which comprises the above.
前記第3工程における接合は、前記一方の電極体及び前記電解質・電極接合体で前記サブガスケットを挟むようにして行うことを特徴とする、請求項1に記載の電解質・電極構造体の製造方法。 A fourth step of superimposing the non-porous sub-gasket on the outer peripheral end of the one electrode body after the first step and before the second step is provided.
The method for manufacturing an electrolyte / electrode structure according to claim 1, wherein the bonding in the third step is performed so that the sub-gasket is sandwiched between the one electrode body and the electrolyte / electrode joint body.
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