JP2010123491A - Apparatus for manufacturing membrane electrode assembly - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の膜電極接合体を製造する装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for manufacturing a membrane electrode assembly of a fuel cell.
従来から、水素を含有するアノードガスと酸素を含有するカソードガスを反応ガスとして、電気化学反応によって化学エネルギを直接電気エネルギに変換する燃料電池が知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell that directly converts chemical energy into electrical energy by an electrochemical reaction using an anode gas containing hydrogen and a cathode gas containing oxygen as a reaction gas is known.
特許文献1には、電解質膜の一方の面にアノード電極を配置し、他方の面にカソード電極を配置して積層体を構成し、積層体の外周端部に樹脂部を一体形成した燃料電池の膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly;以下「MEA」という)が開示されている。このMEAは樹脂部を備えるので、MEAとセパレータとの間のシール性が高まり、さらにMEA自体の機械的強度が増加してハンドリング性が向上する。
ところで、特許文献1では、金型内に溶融状態の樹脂材を射出して積層体の外周端部に樹脂部を形成するが、金型内に射出された樹脂材の流動状態については考慮していない。したがって、特許文献1に記載のMEAにおいては、積層体のアノード電極やカソード電極のガス拡散層に樹脂材が浸透しにくく、積層体と樹脂部との接合強度が不足するおそれがある。 By the way, in Patent Document 1, a molten resin material is injected into a mold to form a resin portion at the outer peripheral end of the laminate, but the flow state of the resin material injected into the mold is considered. Not. Therefore, in the MEA described in Patent Document 1, it is difficult for the resin material to permeate the gas diffusion layers of the anode and cathode of the laminate, and the bonding strength between the laminate and the resin portion may be insufficient.
そこで、本発明は、上記した問題に鑑みてなされたものであり、電解質膜にアノード電極及びカソード電極を積層した積層体と、積層体外周端部に一体形成される樹脂部との接合強度不足を抑制できる膜電極接合体の製造装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above-described problems, and the bonding strength between the laminate in which the anode electrode and the cathode electrode are laminated on the electrolyte membrane and the resin portion integrally formed on the outer peripheral end of the laminate is insufficient. It aims at providing the manufacturing apparatus of the membrane electrode assembly which can suppress this.
本発明は、以下のような解決手段によって前記課題を解決する。 The present invention solves the above problems by the following means.
本発明は、電解質膜の一方の面にアノード電極を配置し、他方の面にカソード電極を配置した積層体の外周端部に、樹脂材を形成して、膜電極接合体を製造する膜電極接合体製造装置である。膜電極接合体製造装置は、アノード電極に当接するアノード当接部と、カソード電極に当接するカソード当接部と、アノード当接部とカソード当接部とによって挟持される積層体の外周端部に樹脂部を成型するための成型室を画成する成型部とを備える。そして、この成型部には、成型室内に射出されて成型室外縁側から積層体外周端部に流れる樹脂材がアノード電極及びカソード電極のうち一方の電極のガス拡散層に向かって流れるように、樹脂材の流動を制御する流動制御部が設けられる。 The present invention relates to a membrane electrode for producing a membrane electrode assembly by forming a resin material on an outer peripheral end of a laminate in which an anode electrode is arranged on one surface of an electrolyte membrane and a cathode electrode is arranged on the other surface. It is a joined body manufacturing apparatus. The membrane electrode assembly manufacturing apparatus includes an anode abutting portion that abuts on the anode electrode, a cathode abutting portion that abuts on the cathode electrode, and an outer peripheral end portion of the laminate sandwiched between the anode abutting portion and the cathode abutting portion. And a molding part that defines a molding chamber for molding the resin part. In this molding part, the resin material that is injected into the molding chamber and flows from the outer edge of the molding chamber to the outer peripheral end of the laminate flows toward the gas diffusion layer of one of the anode electrode and the cathode electrode. A flow control unit for controlling the flow of the material is provided.
本発明によれば、積層体外周端部に浸透する樹脂材が電極のガス拡散層に向かって流動するので、積層体と樹脂部との接合強度が十分な膜電極接合体を製造することができる。 According to the present invention, since the resin material that permeates the outer peripheral edge of the laminate flows toward the gas diffusion layer of the electrode, it is possible to manufacture a membrane electrode assembly with sufficient bonding strength between the laminate and the resin portion. it can.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
(第1実施形態)
車両用の燃料電池スタックは、固体高分子型の燃料電池である単セルを複数積層して構成される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
A fuel cell stack for a vehicle is configured by stacking a plurality of single cells that are solid polymer fuel cells.
図1は、燃料電池スタック100において隣接する単セル10の積層方向の一部断面を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a partial cross section in the stacking direction of adjacent
燃料電池スタック100の単セル10は、MEA20と、MEA20を挟むように配置されるアノードセパレータ32及びカソードセパレータ33とを備える。
The
MEA20は、電解質膜21の一方の面にアノード電極22を配置し、他方の面にカソード電極23を配置した積層体24であって、積層体24の外周端部に樹脂枠25を一体形成して構成される。
The
電解質膜21は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜21は、カソード電極23よりも外形が大きく、カソード電極23が配置されない外縁部21Aを有する。電解質膜21は湿潤状態で良好な電気伝導性を示すので、燃料電池スタック100ではアノードガスやカソードガスを加湿する。
The
アノード電極22は、電解質膜21とほぼ同形状に形成され、触媒層22Aとガス拡散層22Bとを備える。アノード電極22の触媒層22Aは、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子から形成され、電解質膜21に接する。アノード電極22のガス拡散層22Bは、触媒層22Aの外側に設けられ、アノードセパレータ32に接する。ガス拡散層22Bは、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。
The
カソード電極23は、電解質膜21よりも外形が小さくなるように形成され、電解質膜21及びアノード電極22の外形内に収まるように配置される。カソード電極23は、アノード電極22と同様に触媒層23Aとガス拡散層23Bとを備える。カソード電極23の触媒層23Aは電解質膜21に接し、ガス拡散層23Bは触媒層23Aの外側に設けられてカソードセパレータ33に接する。
The
樹脂枠25は、合成樹脂等からなる枠体であって、積層体24の外周端部に一体形成される。樹脂枠25は、アノードセパレータ32及びカソードセパレータ33と密着して燃料ガス等の漏出を抑えるとともに、MEA自体の機械的強度を増加させてMEA20のハンドリング性を向上させる。
The
アノードセパレータ32は、金属等の導電性材料で形成された凹凸状の板部材である。アノードセパレータ32は、アノード電極22と接する面に、アノードガスを流すアノードガス流路32Aを形成する。アノードセパレータ32は、アノード電極22と接する側とは反対側の面に、燃料電池スタック100を冷却するための冷却水を流す冷却水流路32Bを形成する。
The
カソードセパレータ33は、金属等の導電性材料で形成された凹凸状の板部材である。カソードセパレータ33は、カソード電極23と接する面に、カソードガスを流すカソードガス流路33Aを形成する。カソードセパレータ33は、カソード電極23と接する側とは反対側の面に、燃料電池スタック100を冷却するための冷却水を流す冷却水流路33Bを形成する。
The
なお、隣接する単セル10において、一方の単セル10のアノードセパレータ32と他方の単セル10のカソードセパレータ33とに設けられたそれぞれの冷却水流路32B、33Bは互いに向き合うように構成され、これら冷却水流路32B、33Bによって1つの冷却水流路31となる。
In the adjacent
上記した単セル10のMEA20を製造する本実施形態のMEA製造装置200について、図2(A)及び図2(B)を参照して説明する。
The MEA
図2(A)は、MEA製造装置200の正面図である。また、図2(B)は、MEA20を構成する積層体24の積層方向における、MEA製造装置200の一部断面図である。
FIG. 2A is a front view of the MEA
MEA製造装置200は、電解質膜21の一方の面にアノード電極22を配置し、他方の面にカソード電極23を配置した積層体24に溶融状態の樹脂材を射出し、積層体24の外周端部に樹脂枠25を一体形成して、MEA20を製造する装置である。
The MEA
図2(A)に示すように、MEA製造装置200は、アノード側金型210と、カソード側金型220と、アノード側金型210を積層方向に移動させるアノード側移動部231と、カソード側金型220を積層方向に移動させるカソード側移動部232とを備える。
2A, the MEA
アノード側金型210は、カソード側金型220の下側に水平に配置される。アノード側金型210は、アノード電極22に当接する当接部211と、当接部211の周囲に形成される枠壁部212とを備える。
The
アノード側金型210の当接部211は、図2(B)に示すように、当接面213を介してアノード電極22に当接する。アノード側金型210は、当接面213よりも外側の当接部211と、枠壁部212とによって、樹脂枠25の一部を成型するための成型部214を形成する。
The
一方、カソード側金型220は、図2(A)に示すように、アノード側金型210の上側に水平に配置される。カソード側金型220は、カソード電極23に当接する当接部221と、当接部221の周囲に形成される枠壁部222とを備える。
On the other hand, the
カソード側金型220の当接部221には、図2(B)に示すように、当接部221からアノード電極側に突出する当接面223が形成される。当接部221は、突出する当接面223を介してカソード電極23に当接する。カソード側金型220は、当接面223よりも外側の当接部221と、枠壁部222とによって、樹脂枠25の一部を成型するための成型部224を形成する。
As shown in FIG. 2B, a
カソード側金型220の成型部224とアノード側金型210の成型部214とは互いに対向するように構成されており、積層体24を挟持した状態で樹脂枠25を成型するための成型室240となる。
The
カソード側金型220には、枠壁部222の各辺に、溶融状態の樹脂材を供給する供給管226が設けられる。供給管226から供給された樹脂材は、枠壁部222に形成された射出孔225を介して成型室240内に射出される。射出された樹脂材は、図2(B)の矢印に示すように、成型室240の外縁側から積層体24の外周端部に向かう方向(樹脂材流れ方向)に流れる。
The
カソード側金型220の成型部側の当接部221には、成型室240内に突出する突出部227が積層体24の周囲に沿って形成される。突出部227は、樹脂材の流れを阻害しないような形状とされ、樹脂材流れ方向において突出高さが徐々に増加して、その後突出高さが徐々に低下するように形成される。突出部227は、突出高さが最も高くなる最高突出部227Aが樹脂材流れ方向においてアノード電極22の端部近傍又はアノード電極22の端部に一致するように配置される。
A protruding
なお、MEA製造時における成型室240の高さHAは0.30〜0.50mmとなるように設定され、カソード側金型220の突出部227は最高突出高さHBが0.05〜0.45mm、突出端幅WBが0.50〜3.00mmとなるように設定される。より好ましくは、突出部227は最高突出高さHBが0.10〜0.30mm、突出端幅WBが1.00〜2.00mmとなるように形成される。
Incidentally, the height H A of the
上記したMEA製造装置200では、MEA製造時に、アノード側移動部231によってアノード側金型210を移動させ、カソード側移動部232によってカソード側金型220を移動させて、アノード側金型210の当接面213とカソード側金型220の当接面223とによって積層体24を挟持する。その後、アノード側金型210及びカソード側金型220は所定温度まで加熱され、溶融状態の樹脂材が成型室240内に射出される。これにより積層体24の外周端部に樹脂枠25が一体形成されてMEA20が製造される。
In the
ところで、従来のMEA製造装置では、金型内に射出された樹脂材の流動状態については考慮していないので、積層体と樹脂枠との接合強度が不足するという問題があった。従来のMEA製造装置における問題点について、図5を参照して説明する。 By the way, in the conventional MEA manufacturing apparatus, since the flow state of the resin material injected into the mold is not considered, there is a problem that the bonding strength between the laminate and the resin frame is insufficient. Problems in the conventional MEA manufacturing apparatus will be described with reference to FIG.
図5に示すように、従来のMEA製造装置300は、本実施形態のMEA製造装置200とほぼ同様の構成であるが、カソード側金型220に突出部を形成していない点及びカソード側金型220の当接面223が当接部221から突出していない点において相違する。
As shown in FIG. 5, the conventional
MEA製造装置300では、射出された樹脂材Rは、図5(A)に示すように、成型室240の外縁側から積層体24の外周端部に向かって流れる。アノード側金型210及びカソード側金型220近傍の樹脂材Rは冷却されて粘度が高くなるので、樹脂材Rは先端が凸形状となって流動する。そのため樹脂材Rの先端は、積層体24の電解質膜21やアノード電極22の触媒層22Aに接触する。このように樹脂材Rが接触すると、樹脂材Rによってアノード電極22のガス拡散層22Bが押圧されるので、図5(B)の領域Aに示すようにガス拡散層22Bが圧縮される。アノード電極22のガス拡散層22Bが圧縮されると、ガス拡散層22B内の空隙が減少するので、樹脂材Rがガス拡散層22B内に浸透しにくくなる。その結果、MEA製造装置300で製造されたMEA20では、積層体24と樹脂枠25との接合強度が不足する。
In the
また、樹脂材Rは、積層体24の電解質膜21の上側を通って、カソード電極23の外周端部へと流動する。アノード電極22のガス拡散層22Bは樹脂材Rによって圧縮されたままであるので、カソード電極23とカソード側金型220の当接面223との間に隙間が生じ、その隙間には樹脂材Rが流入する。図5(B)の領域Bに示すように樹脂材Rが流入すると、カソード電極23の発電反応面が減少してしまう。したがって、MEA製造装置300で製造されたMEA20では、発電効率が悪化する。
In addition, the resin material R flows through the upper side of the
これに対して、本実施形態のMEA製造装置200では、カソード側金型220の突出部227によって積層体24と樹脂枠25との接合強度不足を抑制するとともに、カソード側金型220の当接面223によってカソード電極23の発電反応面の減少を抑制する。
On the other hand, in the
図3を参照して、MEA製造装置200でのMEA20の製造について説明する。
With reference to FIG. 3, manufacture of
MEA製造装置200では、図3(A)に示すように成型室240内に射出された樹脂材Rは成型室外縁側から積層体外周端部へと流れる。アノード側金型210及びカソード側金型220近傍の樹脂材Rは冷却されて粘度が高くなるので、樹脂材Rは先端が凸形状となって流動する。樹脂材Rはカソード側金型220に形成された突出部227によってアノード電極側に寄せられ、樹脂材Rの先端がアノード電極22のガス拡散層22Bの外周端部に接触する。樹脂材Rの先端は金型側よりも粘度が低いので、樹脂材Rの先端がガス拡散層22Bの外周端部に接触した場合には、図3(B)に示すように樹脂材Rがガス拡散層22B内に十分に浸透する。
In the
積層体24の電解質膜21の外周端部に到達した樹脂材Rは、電解質膜21の上側に流れ込み、カソード電極23の外周端部へと流動する。電解質膜21の上側を流れる時においても、樹脂材Rの先端は凸形状となり、樹脂材Rの先端がカソード電極23のガス拡散層23Bの外周端部に接触する。したがって、図3(C)に示すように、樹脂材Rがカソード電極23のガス拡散層23B内に十分に浸透する。
The resin material R that has reached the outer peripheral end of the
また、MEA製造装置200では、カソード側金型220の当接面223は当接部221から突出するように構成されており、この当接面223によってアノード電極22のガス拡散層22Bを厚さ方向に予め圧縮する。そのため、樹脂材Rが電解質膜21の上側に流れ込んでも、カソード電極23のガス拡散層23Bとカソード側金型220との間に隙間が生じることがない。したがって、樹脂材Rが、カソード電極23のガス拡散層23Bとカソード側金型220との間に流れ込むことが抑制される。
In the
MEA製造装置200は、図3(A)から図3(C)の過程を経て、図3(D)に示すように積層体24の外周端部に樹脂枠25を一体形成して、MEA20を製造する。
3A to 3C, the
以上により、本実施形態のMEA製造装置200では、下記の効果を得ることができる。
As described above, the
MEA製造装置200では、カソード側金型220の当接部221に成型室240内に突出する突出部227を形成し、突出部227によって、樹脂材Rの先端がアノード電極22のガス拡散層22Bに向かうように樹脂材Rの流動方向を制御する。これにより樹脂材Rがアノード電極22のガス拡散層22B内に十分に含浸するので、製造されたMEA20において積層体24と樹脂枠25との接合強度不足を抑制することができる。
In the
突出部227は、樹脂材の流れを阻害しないような滑らかな形状として形成されるので、成型室240内を流動する樹脂材Rの圧力損失を可能な限り抑制できる。
Since the
また、MEA製造装置200に配置される積層体24はアノード電極22の外形内にカソード電極23が収まるように構成されているので、電解質膜21の上側に流れ込んだ樹脂材Rの先端はカソード電極23の外周端部に向かって流動する。これにより樹脂材Rがカソード電極23のガス拡散層23B内に十分に含浸するので、製造されたMEA20において積層体24と樹脂枠25との接合強度不足を抑制することができる。
Further, since the laminate 24 arranged in the
さらに、MEA製造装置200では、カソード側金型220の当接部221に形成された当接面223によって、予めアノード電極22のガス拡散層22Bを厚さ方向に圧縮するので、樹脂材Rが電解質膜21の上側に流れ込んでも、カソード電極23とカソード側金型220との間に隙間が生じることがない。これにより樹脂材Rがカソード電極23のガス拡散層23Bとカソード側金型220との間に流れ込むことが抑えられるので、カソード電極23の発電反応面の減少に起因するMEA20の発電効率の悪化を抑制することができる。
Further, in the
(第2実施形態)
図4は、積層体24の積層方向における、第2実施形態のMEA製造装置200の一部断面図である。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a partial cross-sectional view of the
第2実施形態のMEA製造装置200は、第1実施形態とほぼ同様の構成であるが、アノード側金型210に凹部215を形成するようにした点において相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
The
図4に示すように、MEA製造装置200では、カソード側金型220の突出部227と対向する位置において、アノード側金型210の当接部211に凹部215が形成される。この凹部215は、突出部227の突出高さに応じて窪むように形成される。
As shown in FIG. 4, in the
第1実施形態のMEA製造装置では、成型室240内を流れる樹脂材Rが突出部227を通過する時に樹脂材Rの圧力が高くなるので、高圧化した樹脂材Rが積層体24の電解質膜21の上側を流れた場合にアノード電極22のガス拡散層22Bが圧縮され、カソード電極23とカソード側金型220との間に樹脂材Rが僅かに流入することも考えられる。
In the MEA manufacturing apparatus of the first embodiment, since the pressure of the resin material R increases when the resin material R flowing in the
しかしながら、第2実施形態のMEA製造装置200では、アノード側金型210に凹部215を形成するので、樹脂材Rが突出部227を通過しても、樹脂材Rの高圧化が抑制される。したがって、MEA製造装置200では、第1実施形態のMEA製造装置よりも、カソード電極23とカソード側金型220との間への樹脂材Rの流入を抑制することができる。
However, in the
本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is obvious that various modifications can be made within the scope of the technical idea.
10 単セル
21 電解質膜
22 アノード電極
23 カソード電極
24 積層体
25 樹脂枠(樹脂部)
200 MEA製造装置
210 アノード側金型
211 当接部(アノード当接部)
213 当接面
214 成型部
215 凹部
220 カソード側金型
221 当接部(カソード当接部)
223 当接面(突出当接面)
224 成型部
227 突出部(流動制御部)
240 成型室
R 樹脂材
10
200
213
223 Contact surface (projection contact surface)
224
240 Molding chamber R Resin material
Claims (7)
前記アノード電極に当接するアノード当接部と、
前記カソード電極に当接するカソード当接部と、
前記アノード当接部と前記カソード当接部とによって挟持される前記積層体の外周端部に前記樹脂部を成型するための成型室を画成する成型部と、
前記成型部に設けられ、前記成型室内に射出されて成型室外縁側から積層体外周端部に流れる樹脂材が前記アノード電極及び前記カソード電極のうち一方の電極のガス拡散層に向かって流れるように前記樹脂材の流動を制御する流動制御部と、
を備えることを特徴とする膜電極接合体製造装置。 Membrane / electrode assembly manufacturing apparatus for manufacturing a membrane / electrode assembly by forming a resin material on the outer peripheral end of a laminate in which the anode electrode is disposed on one surface of the electrolyte membrane and the cathode electrode is disposed on the other surface Because
An anode contact portion that contacts the anode electrode;
A cathode contact portion that contacts the cathode electrode;
A molding part that defines a molding chamber for molding the resin part on the outer peripheral end of the laminate sandwiched between the anode contact part and the cathode contact part;
A resin material that is provided in the molding part and is injected into the molding chamber and flows from the outer edge side of the molding chamber to the outer peripheral end of the laminated body flows toward the gas diffusion layer of one of the anode electrode and the cathode electrode. A flow control unit for controlling the flow of the resin material;
A membrane electrode assembly manufacturing apparatus, comprising:
前記流動制御部は、カソード電極側の前記成型部から前記成型室内に突出する突出部である、
ことを特徴とする請求項1に記載の膜電極接合体製造装置。 The laminate is configured such that the cathode electrode fits within the outer shape of the anode electrode,
The flow control part is a protruding part that protrudes from the molding part on the cathode electrode side into the molding chamber.
The membrane electrode assembly manufacturing apparatus according to claim 1.
ことを特徴とする請求項2に記載の膜電極接合体製造装置。 The protrusion is formed such that the protrusion height increases from the outer edge side of the molding chamber toward the outer peripheral end of the laminate, and then the protrusion height decreases.
The membrane electrode assembly manufacturing apparatus according to claim 2.
ことを特徴とする請求項2又は3に記載の膜電極接合体製造装置。 The protruding portion is arranged so that the maximum protruding height position is in the vicinity of the outer peripheral end portion of the anode electrode in the direction from the outer edge side of the molding chamber toward the outer peripheral end portion of the laminate.
The apparatus for manufacturing a membrane electrode assembly according to claim 2 or 3,
ことを特徴とする請求項2から請求項4のいずれか1つに記載の膜電極接合体製造装置。 In the molding part on the anode electrode side, a recess is formed at a position facing the protruding part.
The membrane electrode assembly manufacturing apparatus according to any one of claims 2 to 4, wherein:
ことを特徴とする請求項5に記載の膜電極接合体製造装置。 The recess is formed so as to be recessed according to the protrusion height of the protrusion.
The membrane electrode assembly manufacturing apparatus according to claim 5.
ことを特徴とする請求項2から請求項6のいずれか1つに記載の膜電極接合体製造装置。 The cathode contact portion forms a protruding contact surface that protrudes toward the anode electrode, and contacts the cathode electrode through the protruding contact surface.
The apparatus for manufacturing a membrane electrode assembly according to any one of claims 2 to 6, wherein:
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