JP2008153081A - Fuel cell and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高分子電解質膜と電極を一体化した膜/電極接合体を具備する燃料電池に係り、特にメタノールのような液体を燃料とするのに好適な燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell including a membrane / electrode assembly in which a polymer electrolyte membrane and an electrode are integrated, and more particularly to a fuel cell suitable for using a liquid such as methanol as a fuel.
燃料電池は、燃料から電気化学的に直接電気エネルギーを取り出すためエネルギー効率が高く、また、排出物の主体が水であることから環境に調和し易い等の利点がある。このため、自動車、分散電源、情報電子機器等への適用が試みられている。 The fuel cell has advantages such as high energy efficiency because it directly extracts electric energy electrochemically from the fuel, and is easy to harmonize with the environment because the main substance of the discharge is water. For this reason, application to automobiles, distributed power supplies, information electronic devices and the like has been attempted.
燃料電池は少なくとも固体又は液体の電解質と、所望の電気化学反応を誘起する二個の電極であるアノード及びカソードから構成され、その燃料が持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに高効率で変換する発電機である。燃料には化石燃料或いは水などから化学変換された水素、通常の環境で液体或いは溶液であるメタノールやアルカリハイドライドやヒドラジン、加圧液化ガスであるジメチルエーテルなどが用いられ、酸化剤ガスには空気又は酸素ガスが用いられる。 A fuel cell is composed of at least a solid or liquid electrolyte and an anode and a cathode, which are two electrodes for inducing a desired electrochemical reaction, and converts the chemical energy of the fuel directly into electrical energy with high efficiency. It is. As the fuel, hydrogen chemically converted from fossil fuel or water, methanol, alkali hydride or hydrazine, which is a liquid or solution in a normal environment, dimethyl ether, which is a pressurized liquefied gas, and the like are used. Oxygen gas is used.
燃料はアノードにおいて電気化学的に酸化され、カソードでは酸素が還元されて、両電極間には電気的なポテンシャルの差が生じる。このときに外部回路として負荷が両極間にかけられると、電解質中にイオンの移動が生起し、外部負荷には電気エネルギーが取り出される。燃料電池は火力機器代替の大型発電システム、小型分散型コージェネレーションシステム、エンジン発電機代替の電気自動車電源としての期待が高い。 The fuel is electrochemically oxidized at the anode and oxygen is reduced at the cathode, resulting in a difference in electrical potential between the electrodes. At this time, if a load is applied between both electrodes as an external circuit, ion migration occurs in the electrolyte, and electric energy is extracted to the external load. Fuel cells are highly expected as large-scale power generation systems that replace thermal power equipment, compact distributed cogeneration systems, and electric vehicle power sources that replace engine generators.
燃料電池の中でも、液体燃料を使用する直接型メタノール燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)、メタルハイドライド燃料電池及びヒドラジン燃料電池は、燃料の体積エネルギー密度が高いために小型の可搬型又は携帯型の電源として有効である。中でも取り扱いが容易で、近い将来バイオマスからの生産も期待されるメタノールを燃料とするDMFCは、理想的な電源システムと言える。 Among fuel cells, direct methanol fuel cells (DMFCs), metal hydride fuel cells, and hydrazine fuel cells that use liquid fuel are small, portable or portable because of their high volumetric energy density. It is effective as a power source. Above all, DMFC using methanol as fuel, which is easy to handle and is expected to be produced from biomass in the near future, is an ideal power system.
燃料電池は1つの発電セルで発生する電圧が室温付近で通常0.3V程度と低い。このため、パーソナルデジタルアシスト(PDA)や情報端末が必要とする3〜5Vや、ノート型パーソナルコンピュータが必要とする6〜12V程度で使用するには、発電セルを電気的に直列に接続する必要がある。 In a fuel cell, the voltage generated in one power generation cell is usually as low as about 0.3 V near room temperature. For this reason, it is necessary to connect the power generation cells electrically in series for use at about 3 to 5 V required for personal digital assist (PDA) and information terminals and about 6 to 12 V required for notebook personal computers. There is.
発電セルを直列に接続する方式は、発電セルを平面状に配置する平面配列方式と、発電セルを積み重ねる積層方式に大別される。平面配列方式は、電源システムを薄く軽量にできる利点がある。 The method of connecting the power generation cells in series is roughly classified into a planar arrangement method in which the power generation cells are arranged in a plane and a lamination method in which the power generation cells are stacked. The planar arrangement method has an advantage that the power supply system can be made thin and light.
DMFCは過般型又は携帯型の電源として有望視されていることから、小型化が要求される。平面配列方式において、燃料電池の小型化を図るには、発電セル間ピッチを小さくすることが望ましい。また、ハンドリングなどの製造組立を考慮すると、部品点数は少ないことが望ましい。このようなことから、電解質膜に複数の電極部を形成した膜/電極接合体とすることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Since DMFC is regarded as promising as a general-purpose or portable power source, downsizing is required. In the planar arrangement method, in order to reduce the size of the fuel cell, it is desirable to reduce the pitch between the power generation cells. Further, considering manufacturing and assembly such as handling, it is desirable that the number of parts is small. For this reason, it has been proposed to form a membrane / electrode assembly in which a plurality of electrode portions are formed on an electrolyte membrane (see, for example, Patent Document 1).
膜/電極接合体は、集電機能を有する端板に挟持される。膜/電極接合体の電極と、端板の集電部との接触抵抗を低減させるために、両者はネジ等により締結され、機械的に圧力を掛けた状態にされることが多い。ネジ以外の方法で締結する方法としては、樹脂ビーズ入りの接着剤を使用して、電解質膜と端板を接着する方法がある(例えば、特許文献2参照)。 The membrane / electrode assembly is sandwiched between end plates having a current collecting function. In order to reduce the contact resistance between the electrode of the membrane / electrode assembly and the current collector of the end plate, the two are often fastened with screws or the like and mechanically pressurized. As a method of fastening by a method other than a screw, there is a method of bonding an electrolyte membrane and an end plate using an adhesive containing resin beads (see, for example, Patent Document 2).
複数の電極部を有する膜/電極接合体を端板に実装する場合、ネジによる締結では、発電セル間にネジを通すためのスペースが必要であり、セル間ピッチを狭めるには限界がある。また、発電セル間にネジを通すための穴を開けると、ネジと穴とのクリアランス間に液体燃料が入り込み、燃料漏れにつながる恐れがあり、これを防止するためのシールが必要になるなど、構造が複雑になる問題がある。また、複数の電極の間と両端部分で、それぞれネジ締めすることになるので、端板がたわみやすいという問題もある。 When a membrane / electrode assembly having a plurality of electrode portions is mounted on an end plate, fastening with screws requires a space for passing the screws between the power generation cells, and there is a limit to narrowing the inter-cell pitch. Also, if you make a hole to pass the screw between the power generation cells, liquid fuel may enter the clearance between the screw and the hole, which may lead to fuel leakage, and a seal to prevent this is required, etc. There is a problem that the structure becomes complicated. Further, since the screws are tightened between the plurality of electrodes and at both ends, there is a problem that the end plate is easily bent.
また、小型化のために膜/電極接合体のセル間ピッチを狭めると、隣接セル間のイオン伝導が増大しやすくなり、反応水素イオンの不足や局所発熱或いは局所乾燥等による電池性能劣化を招くおそれがある。膜/電極接合体と端板の接着をガスケットにより行なう場合でも、隣接セル間の電解質膜上に接着剤を塗布することになるため、やはり、発電セル間ピッチを小さくすると、隣接セル間のイオン伝導が増大するという問題がある。 In addition, if the pitch between the cells of the membrane / electrode assembly is reduced for miniaturization, ion conduction between adjacent cells tends to increase, leading to deterioration of battery performance due to lack of reactive hydrogen ions, local heat generation, or local drying. There is a fear. Even when the membrane / electrode assembly and the end plate are bonded with a gasket, an adhesive is applied on the electrolyte membrane between adjacent cells. There is a problem that conduction increases.
本発明の目的は、複数の電極部を有する膜/電極接合体を具備し、ガスケットにより端板と接着される燃料電池において、隣接する発電セル間のイオン伝導の増大を抑制できるようにした燃料電池とその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a fuel cell comprising a membrane / electrode assembly having a plurality of electrode portions and capable of suppressing an increase in ion conduction between adjacent power generation cells in a fuel cell bonded to an end plate by a gasket. It is in providing a battery and its manufacturing method.
本発明は、電解質膜の一方の面に燃料を酸化する複数のアノード電極を有し、他方の面に前記アノード電極と対を成すように複数のカソード電極を有する膜/電極接合体を備えた燃料電池において、前記膜/電極接合体の両側に端板を有し、前記膜/電極接合体における前記電解質膜の露出部分で前記膜/電極接合体と前記端板とがガスケットにより接着されており、少なくとも前記膜/電極接合体における複数の電極間の前記電解質膜と前記端板とを接着する前記ガスケットに粒状物質が含まれており、その部分の前記電解質膜に前記粒状物質の押し込みにより形成された貫通部を有することを特徴とする燃料電池にある。 The present invention includes a membrane / electrode assembly having a plurality of anode electrodes that oxidize fuel on one surface of an electrolyte membrane and a plurality of cathode electrodes that are paired with the anode electrode on the other surface. In the fuel cell, end plates are provided on both sides of the membrane / electrode assembly, and the membrane / electrode assembly and the end plate are adhered to each other by a gasket at an exposed portion of the electrolyte membrane in the membrane / electrode assembly. And the granular material is included in the gasket for bonding the electrolyte membrane between the plurality of electrodes and the end plate in at least the membrane / electrode assembly, and the granular material is pushed into the electrolyte membrane in that portion. The fuel cell has a formed through portion.
本発明は、電解質膜の一方の面に燃料を酸化する複数のアノード電極を有し、他方の面に前記アノード電極と対を成すように複数のカソード電極を有する膜/電極接合体を備えた燃料電池において、前記膜/電極接合体の両側に端板を有し、前記膜/電極接合体における複数の電極間の前記電解質膜に断続的な切れ目を有し、前記膜/電極接合体における前記電解質膜の露出部分で前記膜/電極接合体と前記端板とがガスケットにより接着されており、少なくとも前記膜/電極接合体における複数の電極間の前記電解質膜と前記端板とを接着する前記ガスケットに粒状物質が含まれており、その部分の前記電解質膜に前記粒状物質の押し込みにより形成された貫通部を有することを特徴とする燃料電池にある。 The present invention includes a membrane / electrode assembly having a plurality of anode electrodes that oxidize fuel on one surface of an electrolyte membrane and a plurality of cathode electrodes that are paired with the anode electrode on the other surface. In the fuel cell, the membrane / electrode assembly has end plates on both sides, the electrolyte membrane between the plurality of electrodes in the membrane / electrode assembly has intermittent cuts, and the membrane / electrode assembly has The membrane / electrode assembly and the end plate are bonded by a gasket at an exposed portion of the electrolyte membrane, and at least the electrolyte membrane and the end plate between a plurality of electrodes in the membrane / electrode assembly are bonded. The fuel cell is characterized in that the gasket contains a particulate material, and the electrolyte membrane in that portion has a through-hole formed by pressing the particulate material.
本発明は、電解質膜の一方の面に燃料を酸化する複数のアノード電極を接合し、他方の面に前記アノード電極と対を成すように複数のカソード電極を接合した膜/電極接合体を両側から端板で挟み、前記膜/電極接合体における前記電解質膜の露出部分で前記膜/電極接合体と前記端板とをガスケットにより接着してなる燃料電池の製造方法であって、少なくとも一方の前記端板の前記膜/電極接合体との接着部にガスケット材料を塗布するガスケット材料形成工程と、前記ガスケット材料形成工程又はその後の工程で前記膜/電極接合体における複数の電極間の前記電解質膜と接着される部分の前記ガスケット材料に粒状物質を混合する工程と、前記膜/電極接合体を両側から前記端板で挟み加圧して前記電解質膜に前記粒状物質を押し込ませて貫通部を形成する工程と、その後、前記ガスケット材料を硬化させて前記膜/電極接合体と前記端板を前記ガスケットにより接着する工程を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法にある。 The present invention provides a membrane / electrode assembly in which a plurality of anode electrodes for oxidizing fuel are joined to one surface of an electrolyte membrane, and a plurality of cathode electrodes are joined to the other surface so as to form a pair with the anode electrode. A fuel cell manufacturing method in which at least one of the membrane / electrode assembly and the end plate is bonded with a gasket at an exposed portion of the electrolyte membrane in the membrane / electrode assembly. A gasket material forming step of applying a gasket material to an adhesion portion between the end plate and the membrane / electrode assembly; and the electrolyte between the plurality of electrodes in the membrane / electrode assembly in the gasket material forming step or a subsequent step. A step of mixing a granular substance into the gasket material at a portion to be bonded to the membrane, and pressing the granular substance into the electrolyte membrane by pressing the membrane / electrode assembly from both sides with the end plate A method of manufacturing a fuel cell, comprising: a step of forming a penetration portion; and a step of curing the gasket material and bonding the membrane / electrode assembly and the end plate with the gasket. .
本発明の燃料電池は、膜/電極接合体における複数の電極間の電解質膜に貫通部を有するので、隣接セル間のイオン伝導の低減を図ることができる。 Since the fuel cell of the present invention has a penetrating portion in the electrolyte membrane between a plurality of electrodes in the membrane / electrode assembly, it is possible to reduce ion conduction between adjacent cells.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施例による燃料電池を側面から見た断面図であり、図2は、図1の燃料電池を、カソード端板5を除いて示した平面透視図である。 FIG. 1 is a sectional view of a fuel cell according to an embodiment of the present invention as viewed from the side, and FIG. 2 is a plan perspective view showing the fuel cell of FIG.
膜/電極接合体4は、電解質膜1の一方の面にカソード電極2を接合し、他方の面にアノード電極3を接合することによって形成される。図1では、第一電極部9と第二電極部10の2つの電極部を電解質膜1に形成した膜/電極接合体が示されている。
The membrane /
電解質膜1の材料について説明する。電解質膜に水素イオン伝導性材料を用いると、大気中の炭酸ガスの影響を受けることなく安定な燃料電池を実現できる。このような水素イオン伝導性材料として、ポリパーフルオロスチレンスルフォン酸、パーフルオロカーボン系スルフォン酸などに代表されるスルフォン酸化したフッ素系ポリマーや、ポリスチレンスルフォン酸、スルフォン酸化ポリエーテルスルフォン類がある。また、スルフォン酸化ポリエーテルエーテルケトン類などの炭化水素系ポリマーをスルフォン化した材料或いは炭化水素系ポリマーをアルキルスルフォン酸化した材料がある。これらの材料を電解質膜に使用すれば、燃料電池を80℃以下の温度で作動することができる。
The material of the
以上のほかに、電解質膜には、タングステン酸化物水和物、ジルコニウム酸化物水和物、スズ酸化物水和物などの水素イオン伝導性無機物を耐熱性樹脂若しくはスルフォン酸化樹脂にミクロ分散した複合電解質膜を用いることができる。この場合には、より高温域まで作動する燃料電池とすることができる。スルフォン酸化されたポリエーテルスルフォン類、ポリエーテルエーテルスルフォン類或いは水素イオン伝導性無機物を用いた複合電解質類は、ポリパーフルオロカーボンスルフォン酸類に比較して燃料のメタノール透過性が低いという効果もある。いずれにしても水素イオン伝導性が高く、メタノール透過性の低い電解質膜を用いると燃料の発電利用率が高くなる。 In addition to the above, the electrolyte membrane is a composite in which hydrogen ion conductive inorganic substances such as tungsten oxide hydrate, zirconium oxide hydrate, and tin oxide hydrate are micro-dispersed in heat-resistant resin or sulfonated resin. An electrolyte membrane can be used. In this case, the fuel cell can be operated to a higher temperature range. The sulfonated polyether sulphones, polyether ether sulphones or composite electrolytes using hydrogen ion conductive inorganics also have the effect that the methanol permeability of the fuel is lower than that of polyperfluorocarbon sulphonic acids. In any case, when an electrolyte membrane having high hydrogen ion conductivity and low methanol permeability is used, the power generation utilization rate of fuel is increased.
アノード電極3とカソード電極2について説明する。これらの電極は、いずれも触媒層と拡散層よりなる。DMFCのアノード電極の触媒層には、白金とルテニウム或いは白金−ルテニウム合金の微粒子を炭素系粉末担体に担持したものを用いることが多い。カソード電極2の触媒層には、白金微粒子を炭素系粉末担体に担持したものを用いることが多い。
The
カソード電極2の拡散層は、通常、撥水層と多孔質炭素基板から構成され、撥水層がカソード触媒層と接するように積層される。撥水層により撥水性を強めて、カソード近傍の水蒸気圧を高め、生成水蒸気の拡散排気と水の凝集を防ぐ。拡散層の基材には導電性で多孔質な材料が用いられる。一般的には炭素繊維の織布或いは不織布などが用いられる。拡散層は炭素粉末と撥水性微粒子、撥水性フィブリル又は撥水性繊維、例えばポリテトラフルオロエチレンなどを混合して構成される。
The diffusion layer of the
アノード電極3の拡散層は、通常、多孔質炭素基板から構成される。一般には、導電性と多孔性の条件を満たす炭素繊維の織布或いは不織布などが用いられる。アノード電極3の拡散層の機能は、水溶液燃料の供給と、生成された炭酸ガスの速やかな散逸を促進することにある。このため、多孔質炭素基板の表面を親水化して、アノード電極3で生成した炭酸ガスが拡散層内で気泡成長するのを抑制することが行われている。親水化の方法としては、多孔質炭素基板を緩やかな酸化又は紫外線照射などによって表面を親水化する方法、多孔質炭素基板に親水性樹脂を分散する方法、酸化チタンなどに代表される強い親水性を有する物質を分散担持する方法などが知られている。アノード電極3の拡散層は、炭素基材に限定されるものではなく、電気化学的に不活性な金属系材料、例えばステンレススチール繊維不織布、多孔質なチタン、多孔質なタンタルなどを用いることもできる。
The diffusion layer of the
カソード電極2は、集電機能を有するカソード端板5と接触し、電気的に接続される。アノード電極3は、集電機能を有するアノード端板6と接触し、電気的に接続される。
The
図3に本実施例で用いられる端板の平面図と断面図を示す。図3(a)に平面図を示し、図3(b)にA−A断面図を示す。アノード端板6とカソード端板5は同じ形状をしており、このため、以下では、アノード端板6とカソード端板5を総称して端板20と呼ぶ。
FIG. 3 shows a plan view and a cross-sectional view of the end plate used in this embodiment. FIG. 3A shows a plan view, and FIG. 3B shows a cross-sectional view along AA. The
端板20は、絶縁部12と複数の集電部、すなわち、第一集電部13と第二集電部14とからなる。第一集電部13と第二集電部14の材料には、耐メタノール性を有するチタン、ニッケル、ステンレス鋼などの材料を用いることが好ましいが、膜/電極接合体の電極と接合する表面には金メッキ処理を施すことが多いので、耐メタノール性に劣る銅を用いることも可能である。第一集電部13と第二集電部14は、絶縁性を有するプラスチック材料でインサート成形する方法、或いはプラスチック板に形成した凹部に集電板を埋め込む等の方法により、端板の絶縁部12と一体に成形される。そして、膜/電極接合体の電極と接する面に金メッキ処理が施される。
The
端板20は、隣接する電極を電気的に接続するため第一端子部15と、燃料電池から外部へ通電させるための第二端子部16を有する。本実施例では、同じ極性の電極部が2箇所ある膜/電極接合体を用いたが、所望の電圧に応じて、電極部の数が決められ、その数に見合った数の集電部と端子部が形成される。
The
カソード端板5及びアノード端板6の集電部、すなわち、第一集電部13と第二集電部14には貫通孔17が形成されている。貫通孔17は、カソード端板においては、膜/電極接合体に空気などを供給し、また、生成する水分等を揮散させる通路となる。また、アノード端板6においては、メタノール燃料を供給し、生成する二酸化炭素を排出する通路となる。
A through
図4は、燃料タンクを設置した燃料電池の断面図を示している。アノード端板6側に燃料タンク18が接合部19を介して設置されている。燃料タンク18には、メタノール等の液体燃料が入っている。燃料は、カートリッジ等を介して燃料タンクに注入される。
FIG. 4 shows a cross-sectional view of a fuel cell provided with a fuel tank. A
膜/電極接合体における隣接するアノード電極間又はカソード電極間は、ガスケットにより封止されている。ガスケットは、主に固体ガスケットと液状ガスケットに大別される。固体ガスケットは、あらかじめ硬化させ固体としたガスケット材料をシール面に配置し、締め付け等によりシールを確保するものである。一方、液状ガスケットとは、未硬化のガスケット材料をシールする面の片面又は両面に塗布し、加熱硬化させるガスケットのことである。 A gap between adjacent anode electrodes or cathode electrodes in the membrane / electrode assembly is sealed with a gasket. Gaskets are mainly classified into solid gaskets and liquid gaskets. In the solid gasket, a gasket material that has been hardened in advance and placed in a solid state is disposed on a sealing surface, and a seal is secured by tightening or the like. On the other hand, a liquid gasket is a gasket that is applied to one or both sides of a surface to be sealed with an uncured gasket material and is heat-cured.
ガスケット材料としては、耐メタノール性を有するエポキシ系接着剤、エポキシ変性シリコーン接着剤、シリコーン系接着剤、フッ素系接着剤、ブチルゴム系やウレタンRTVゴム、シリコーンRTVゴム等の弾性接着剤が好ましい。液状で存在し、熱を加えると硬化する熱硬化性樹脂を含む接着剤は、取り扱いやすく、液状ガスケット材料として極めて好適である。本実施例では、液状ガスケット7を用いた例を示した。
As the gasket material, methanol-resistant epoxy adhesive, epoxy-modified silicone adhesive, silicone adhesive, fluorine adhesive, butyl rubber, urethane RTV rubber, silicone RTV rubber, and other elastic adhesives are preferable. An adhesive containing a thermosetting resin that exists in a liquid state and cures when heated is easy to handle and is extremely suitable as a liquid gasket material. In this embodiment, an example in which the
液状ガスケット7は、図2に示すように第一電極部9と第二電極部10の電極間と、それらの電極部の外周に形成されている。液状ガスケット7には粒状物質8が混入されている。液状ガスケット7は、膜/電極接合体と端板を接着するだけでなく、カソード端板5とアノード端板6に挟まれる膜/電極接合体4に所定の圧力をかけた状態を維持する役割も担っている。所定の圧力をかけたことによって、膜/電極接合体4に生じる変位は、粒状物質8によって制御される。
As shown in FIG. 2, the
粒状物質8の材料は、耐メタノール性を有するものが好ましく、また、膜/電極接合体4を両側から端板で挟む工程で加わる圧力に耐えうる機械的強度を有するものが好ましい。このようなものとしては、セラミックス、ガラス、プラスチックスなどの非金属材料があり、また、チタンがある。粒状物質8の形状は、球状が最も好ましいが、立方体、直方体、三角錐等の多角形立体形状や、円柱状或いはリング状でもよい。
The material of the
粒状物質の大きさを選択することによって、膜/電極接合体4に生じる変位を制御できる。本実施例では、粒状物質8を、電解質膜1とカソード端板5との間に配置したが、電解質膜とアノード端板との間に配置しても良い。
By selecting the size of the particulate material, the displacement generated in the membrane /
膜/電極接合体の電解質膜1には、粒状物質8が押し付けられることにより形成された貫通部が存在する。図1において、粒状物質8で押圧されている電解質膜1の部分に貫通部がある。第一電極部9と第二電極部10の電極間の電解質膜に上記の貫通部が存在することにより、電極間のイオン伝導を低減できる。図1のように、電解質膜と一方の端板との間に粒状物質を存在させる場合には、粒状物質の直径は、膜/電極接合体の幅を超えないようにすることが望ましい。
The
図5に本実施例による燃料電池の製造工程図を示す。カソード端板5とアノード端板6にガスケット材料を塗布する。例えば、ディスペンサによってエポキシ系材料を塗布し、大気中80℃で30分加熱して仮硬化させる。
FIG. 5 shows a manufacturing process diagram of the fuel cell according to this embodiment. A gasket material is applied to the
この後、カソード端板5に樹脂ビーズのような粒状物質8を散布する。図5では、粒状物質8の混合をガスケット材料の塗布後に行っているが、あらかじめ、ガスケット材料に樹脂ビーズ等の粒状物質を混入し、それをカソード端板5へ塗布しても良い。また、ガスケット材料を塗布する方法は、ディスペンサ以外に印刷方式でもよい。
Thereafter, a
この後、複数の電極を有する膜/電極接合体4をアノード端板6上に配置し、さらに、カソード端板5を重ねて配置する。この際、膜/電極接合体4が所定の位置に配置されるようにアノード端板6やカソード端板5にガイドや位置決め穴等を設けておくと良い。
Thereafter, the membrane /
膜/電極接合体4をカソード端板5及びアノード端板6で挟み込んだものをプレス装置に置き、接合条件として所定の温度及び荷重を負荷する。例えば、ガスケット材料にエポキシ系接着剤を用いた場合には、大気中で100℃の温度に30分程度保持し、その間、プレス荷重を印加する。プレス荷重は、カソード端板5やアノード端板6や粒状物質の径を合計した厚さになるように、プレス時の変位を考えて決める。接合時には、必要に応じ治具を用いて位置ズレ等を抑えるのが良く、また、治具にはガスケット材料の硬化時に発生するガス等の気体を逃がすための溝や穴を設けておくのが良い。
The membrane /
膜/電極接合体4とカソード端板5及びアノード端板6との接合をより確実にするために、カソード端板5及びアノード端板6の外周部に穴を設け、ネジやボルトを通して締結してもよい。
In order to make the bonding between the membrane /
本実施例による燃料電池のアノード側に燃料タンク18を設置し、メタノール水溶液を燃料として供給し、発電することを確認した。また、第一電極部と第二電極部の2つの電極を有する膜/電極接合体4を用いた燃料電池と、この膜/電極接合体を電極毎に2つに切断した単セル燃料電池について、発電性能を比較したが、各電極での発電性能に有意差はなかった。
It was confirmed that a
なお、隣接する電極間のイオン伝導をより確実に低減するために、膜/電極接合体の電極間に位置する電解質膜1に、断続的な切れ目を設けておくことは非常に好ましい。
In order to more reliably reduce ion conduction between adjacent electrodes, it is very preferable to provide intermittent cuts in the
特許文献2には、樹脂ビーズ入り接着剤により電解質膜とセパレータを接着したものが示されているが、発電セルを積み重ねる積層方式の燃料電池を対象とし、平面配列方式の燃料電池を対象にしていない。また、膜/電極接合体における複数の電極間の電解質膜と端板を樹脂ビーズ入り接着剤で接着することも記載されていない。
本実施例では、図6に示すように、電解質膜を挟んで両側に粒状物質8を配置した。この燃料電池は、あらかじめガスケット材料に粒状物質8を混入し、カソード端板5とアノード端板6の両方に塗布しておくことによって製造できる。
In this example, as shown in FIG. 6, the
本実施例の場合、粒状物質の直径は、最大でも膜/電極接合体の幅の1/2の大きさを超えないようにすることが望ましい。これにより膜/電極接合体における電解質膜を両側の端板間の中央部に位置させることができる。 In the case of the present embodiment, it is desirable that the diameter of the granular material does not exceed a half of the width of the membrane / electrode assembly at the maximum. As a result, the electrolyte membrane in the membrane / electrode assembly can be positioned at the center between the end plates on both sides.
本実施例では、実施例1で用いたものよりも寸法の小さい粒状物質を用いることになるので、ディスペンサ等で塗布する場合にディスペンサのニードルが詰まり難くなるという効果がある。また、電解質膜1が膜/電極接合体4のほぼ中心にくるため、膜のたわみ等によるアノード電極及びカソード電極近傍での応力集中が緩和されるという効果がある。
In this embodiment, since a granular material having a smaller size than that used in
本実施例では、図7に示すように、第一電極部及び第二電極部の外周部に、熱硬化性のエポキシ系ガスケットよりなる液状ガスケット7とともに、フッ素系材料からなる固体ガスケット11を配置した。固体ガスケット11よりも外周に、粒状物質8が含まれている液状ガスケット7を設けた。固体ガスケット11の材料は、シリコーン系或いはEPDM等の弾性ゴム系であってもよい。
In this embodiment, as shown in FIG. 7, a
実施例1及び実施例2では、液状ガスケット7は膜/電極接合体4と端板の接触抵抗を低減させるための固着機能と、メタノール燃料等の漏洩を防ぐためのリーク防止機能を担っていた。これに対し、本実施例では、膜/電極接合体4と端板の接触抵抗を低減させるための固着機能は液状ガスケット7に、メタノール燃料等の漏洩を防ぐためのリーク防止機能は固体ガスケット11に主に担わせている。これにより、液状ガスケットの硬化時に生じるガス抜け跡からの漏洩を防ぐことが可能となり、リーク不良が低減できた。
In Example 1 and Example 2, the
1…電解質膜、2…カソード電極、3…アノード電極、4…膜/電極接合体、5…カソード端板、6…アノード端板、7…液状ガスケット、8…粒状物質、9…第一電極部、10…第二電極部、11…固体ガスケット、12…絶縁部、13…第一集電部、14…第二集電部、15…第一端子部、16…第二端子部、17…貫通孔、18…燃料タンク、19…接合部、20…端板。
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2006
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