JP2018190536A - Manufacturing method of polymer electrolyte with resin frame/electrode structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質膜・電極構造体の外周部に樹脂枠部材が設けられてなる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 method for producing an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame in which a resin frame member is provided on the outer periphery of the electrolyte membrane / electrode structure.
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)を備える。 In general, a polymer electrolyte fuel cell employs a polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. The fuel cell includes an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode electrode is disposed on one surface of a solid polymer electrolyte membrane and a cathode electrode is disposed on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane.
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。発電セルは、所定の数だけ積層されることにより、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). The power generation cells are used as, for example, an in-vehicle fuel cell stack by stacking a predetermined number of power generation cells.
近年、比較的高価な固体高分子電解質膜の使用量を削減するとともに、薄膜状で強度が低い固体高分子電解質膜を保護するために、外周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(例えば、特許文献1を参照)。 In recent years, in order to reduce the amount of relatively expensive solid polymer electrolyte membranes used and to protect thin polymer electrolyte membranes with low strength, MEA with a resin frame incorporating a resin frame member on the outer periphery has been adopted. (For example, refer to Patent Document 1).
ところで、樹脂枠付きMEAの製造工程では、電解質膜・電極構造体と樹脂枠部材とはホットプレスにより一体化される。 By the way, in the manufacturing process of the MEA with a resin frame, the electrolyte membrane / electrode structure and the resin frame member are integrated by hot pressing.
本発明は上述した従来技術に関連してなされたものであり、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を効率良く製造することが可能な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 has been made in connection with the above-described prior art, and provides a method for producing an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame capable of efficiently producing an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame. For the purpose.
上記の目的を達成するため、本発明の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法は、第1電極と該第1電極が一方面に設けられた電解質膜とを有するシート状部材と、開口部が設けられるとともに一方面に接着層が設けられた樹脂枠部材とを、前記シート状部材の外周部と、前記樹脂枠部材の前記一方面における内周部とを接合するように熱圧着する第1接合工程と、第2電極と前記樹脂枠部材とを、前記第2電極の外周部と、前記樹脂枠部材の他方面における内周部とを接合するように熱圧着する第2接合工程と、を含む。 In order to achieve the above object, a method for producing an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame according to the present invention includes a sheet-like member having a first electrode and an electrolyte membrane provided with the first electrode on one surface; Thermocompression-bonding a resin frame member provided with an opening and an adhesive layer on one side so as to join the outer peripheral part of the sheet-like member and the inner peripheral part on the one side of the resin frame member A first joining step, and a second joining in which the second electrode and the resin frame member are thermocompression-bonded so as to join the outer peripheral portion of the second electrode and the inner peripheral portion of the other surface of the resin frame member. And a process.
前記第2接合工程での熱圧着温度は、前記第1接合工程での熱圧着温度よりも高いことが好ましい。 The thermocompression bonding temperature in the second joining step is preferably higher than the thermocompression bonding temperature in the first joining step.
前記第2接合工程では、前記開口部において前記電解質膜を介して前記第1電極と前記第2電極とを熱圧着することが好ましい。 In the second bonding step, it is preferable that the first electrode and the second electrode are thermocompression bonded through the electrolyte membrane in the opening.
前記第1接合工程では、前記第1電極の前記外周部の形状に沿った枠形状の金型を用い、前記電解質膜の前記外周部と前記樹脂枠部材の前記内周部とが重なり合う箇所を上下から挟み込んで熱圧着することが好ましい。 In the first bonding step, a frame-shaped mold that follows the shape of the outer peripheral portion of the first electrode is used, and the outer peripheral portion of the electrolyte membrane and the inner peripheral portion of the resin frame member overlap each other. It is preferable to perform thermocompression bonding by sandwiching from above and below.
前記第1接合工程では、複数個分の前記樹脂枠部材を構成する枠部材素材シートに、前記電解質膜を熱圧着することが好ましい。 In the first joining step, it is preferable that the electrolyte membrane is thermocompression bonded to a plurality of frame member material sheets constituting the resin frame members.
前記第2接合工程では、前記第2電極の上に、前記シート状部材と接合された前記樹脂枠部材を重ねた状態で、熱圧着することが好ましい。 In the second joining step, it is preferable to perform thermocompression bonding in a state where the resin frame member joined to the sheet-like member is stacked on the second electrode.
本発明の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法によれば、電解質膜、第1電極、第2電極及び樹脂枠部材を1回の熱圧着で一体化するのではなく、電解質膜と第1電極とを有するシート状部材と、樹脂枠部材とを熱圧着する第1接合工程と、樹脂枠部材と第2電極とを熱圧着する第2接合工程とを行う。このため、電解質膜の両側に第1電極及び第2電極が配置されてなる電解質膜・電極構造体と、当該電解質膜・電極構造体の外周部に接合された樹脂枠部材とを備えた樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を、効率良く製造することが可能となる。 According to the method for manufacturing an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame of the present invention, the electrolyte membrane, the first electrode, the second electrode, and the resin frame member are not integrated by one thermocompression bonding, A first joining step for thermocompression bonding the sheet-like member having the first electrode and the resin frame member, and a second joining step for thermocompression bonding the resin frame member and the second electrode are performed. Therefore, a resin comprising an electrolyte membrane / electrode structure in which the first electrode and the second electrode are arranged on both sides of the electrolyte membrane, and a resin frame member joined to the outer periphery of the electrolyte membrane / electrode structure. The framed electrolyte membrane / electrode structure can be efficiently manufactured.
以下、本発明に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the method for producing an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1及び図2に示すように、発電セル(燃料電池)12は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体10(以下、「樹脂枠付きMEA10」という)と、樹脂枠付きMEA10の両側に配置された第1セパレータ14及び第2セパレータ16とを備える。発電セル12は、例えば、横長(又は縦長)の長方形状の固体高分子型燃料電池である。複数の発電セル12は、例えば、矢印A方向(水平方向)又は矢印C方向(重力方向)に積層されて燃料電池スタック11が構成される。燃料電池スタック11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, the power generation cell (fuel cell) 12 is disposed on both sides of an electrolyte membrane /
発電セル12では、樹脂枠付きMEA10が第1セパレータ14及び第2セパレータ16により挟持される。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。
In the
樹脂枠付きMEA10は、電解質膜・電極構造体10a(以下、「MEA10a」という)と、MEA10aの外周部に接合されるとともに該外周部を周回する樹脂枠部材24とを備える。MEA10aは、電解質膜18と、電解質膜18の一方の面に設けられたアノード電極20と、電解質膜18の他方の面に設けられたカソード電極22とを有する。アノード電極20は、第1電極及び第2電極の一方を構成する。カソード電極22は、第1電極及び第2電極の他方を構成する。
The
電解質膜18は、例えば、固体高分子電解質膜(陽イオン交換膜)である。固体高分子電解質膜は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である。電解質膜18は、アノード電極20及びカソード電極22に挟持される。電解質膜18は、フッ素系電解質の他、HC(炭化水素)系電解質を使用することができる。
The
アノード電極20は、電解質膜18及びカソード電極22よりも大きな平面寸法(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、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。
The
アノード電極20は、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、第1電極触媒層20aに積層される第1ガス拡散層20bとを有する。第1電極触媒層20a及び第1ガス拡散層20bは、互いに同一の平面寸法を有するとともに、電解質膜18及びカソード電極22よりも大きな平面寸法に設定される。
The
カソード電極22は、電解質膜18の面18bに接合される第2電極触媒層22aと、第2電極触媒層22aに積層される第2ガス拡散層22bとを有する。第2電極触媒層22a及び第2ガス拡散層22bは、互いに同一の平面寸法を有するとともに、電解質膜18と同一の平面寸法に設定される。従って、電解質膜18の面方向(図2で矢印C方向)において、カソード電極22の外周端22eは、電解質膜18の外周端18eと同じ位置にある。
The
カソード電極22は、アノード電極20よりも小さい平面寸法に設定される。カソード電極22の外周端22e及び電解質膜18の外周端18eは、アノード電極20の外周端20eよりも内方に位置する。
The
なお、カソード電極22は、アノード電極20よりも大きな平面寸法に設定され、カソード電極22の外周端22eは、アノード電極20の外周端20eよりも外方に位置してもよい。あるいは、アノード電極20とカソード電極22は、同一の平面寸法に設定され、アノード電極20の外周端20eと、カソード電極22の外周端22eは、電解質膜18の面方向(図2で矢印C方向)において、同一位置にあってもよい。
The
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、イオン導電性高分子バインダとともに第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、イオン導電性高分子バインダとともに第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及び第2ガス拡散層22bは、カーボンペーパ又はカーボンクロス等から形成される。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、電解質膜18の両面に形成される。
The first
樹脂枠部材24は、厚さの異なる2枚の枠状シートを有する。具体的には、樹脂枠部材24は、内周部24anがMEA10aの外周部に接合された第1枠状シート24aと、第1枠状シート24aに接合された第2枠状シート24bとを有する。第1枠状シート24aと第2枠状シート24bとは、接着剤24dからなる接着層24cにより、厚さ方向に互いに接合されている。第2枠状シート24bは、第1枠状シート24aの外周部に接合される。これにより、樹脂枠部材24の外周部は、樹脂枠部材24の内周部25よりも厚く構成される。第1枠状シート24aと第2枠状シート24bとは、同じ厚さを有していてもよい。
The
第1枠状シート24a及び第2枠状シート24bは樹脂材料により構成される。第1枠状シート24a及び第2枠状シート24bの構成材料としては、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、m−PPE(変性ポリフェニレンエーテル樹脂)、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が挙げられる。
The first frame-
樹脂枠部材24の内周部25(第1枠状シート24aの内周部24an)は、アノード電極20の外周部20cとカソード電極22の外周部22cとの間に配置される。具体的に、樹脂枠部材24の内周部25は、電解質膜18の外周部18cとアノード電極20の外周部20cとの間に挟持される。樹脂枠部材24の内周部25と電解質膜18の外周部18cとは、接着層24cを介して接合される。なお、樹脂枠部材24の内周部25は、電解質膜18とカソード電極22との間に挟持されてもよい。
The inner
上述したアノード電極20には、第1枠状シート24aの内周端24aeに対応する位置に段差が設けられる。具体的に、アノード電極20は、第1枠状シート24aの内周部24anに重なる領域21aと電解質膜18に重なる領域21bとの間に、電解質膜18に対して傾斜した傾斜領域21cを有する。従って、傾斜領域21cでは、第1電極触媒層20a及び第1ガス拡散層20bは、電解質膜18に対して傾斜する。
The
アノード電極20において、第1枠状シート24aの内周部24anに重なる領域21aの第1セパレータ14側の面は、電解質膜18に重なる領域21bの第1セパレータ14側の面よりも、電解質膜18から離間した位置にある。
In the
一方、カソード電極22は、電解質膜18に重なる領域23bから第1枠状シート24aの内周部24anに重なる領域23aに亘って、平坦状に形成される。従って、電解質膜18に重なる領域23bから第1枠状シート24aの内周部24anに重なる領域23aに亘って、第2電極触媒層22a及び第2ガス拡散層22bは、電解質膜18と平行である。
On the other hand, the
なお、上記構成と異なり、アノード電極20が、電解質膜18に重なる領域21bから第1枠状シート24aの内周部24anに重なる領域21aに亘って平坦状に形成され、カソード電極22が、電解質膜18に重なる領域23bと第1枠状シート24aの内周部24anに重なる領域23aとの間に、電解質膜18に対して傾斜する傾斜領域を有してもよい。
Unlike the above configuration, the
第2枠状シート24bは、第1枠状シート24aの外周部に接着剤24dにより接合される。第2枠状シート24bの内周端24beは、第1枠状シート24aの内周端24aeよりも外方(MEA10aから離れる方向)に位置するとともに、アノード電極20の外周端20e及びカソード電極22の外周端22eよりも外方に位置する。
The second frame-
接着層24cは、第1枠状シート24aの第2枠状シート24b側(カソード側)の面24asに、全面に亘って設けられる。従って、接着層24cは、内周部25にも設けられる。接着層24cを構成する接着剤24dとしては、例えば、液状シールやホットメルト剤が設けられる。なお、接着剤24dは、液体や固体、熱可塑性や熱硬化性等に制限されない。
The
なお、樹脂枠部材24は、第1枠状シート24aと第2枠状シート24bとが接着層24cを介して接合された構成に限らず、全体が一体成形された部材であってもよい。また、樹脂枠部材24は、相対的に薄肉の内周部と相対的に厚肉の外周部とを有する段付き形状に限らず、内周部から外周部に亘って段差の無い(略平坦状の)形状であってもよい。
The
図1に示すように、発電セル12の矢印B方向(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 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。
The other end edge of the
第2セパレータ16の樹脂枠付きMEA10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とに連通する酸化剤ガス流路36が設けられる。具体的に、酸化剤ガス流路36は、第2セパレータ16と樹脂枠付きMEA10との間に形成される。酸化剤ガス流路36は、矢印B方向に延在する複数本の直線状流路溝(又は波状流路溝)を有する。
An oxidant
第1セパレータ14の樹脂枠付きMEA10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とに連通する燃料ガス流路38が設けられる。具体的に、燃料ガス流路38は、第1セパレータ14と樹脂枠付きMEA10との間に形成される。燃料ガス流路38は、矢印B方向に延在する複数本の直線状流路溝(又は波状流路溝)を有する。
A
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とに連通する冷却媒体流路40が、矢印B方向に延在して形成される。
Between the
図2に示すように、第1セパレータ14の面14a(樹脂枠付きMEA10と対向する面)には、燃料ガス流路38を形成する凸部39が複数設けられる。凸部39は、アノード電極20側に向かって膨出するとともにアノード電極20に当接する。第2セパレータ16の面16a(樹脂枠付きMEA10と対向する面)には、酸化剤ガス流路36を形成する凸部37が複数設けられる。凸部37は、カソード電極22側に向かって膨出するとともにカソード電極22に当接する。凸部37、39間に、MEA10aが挟持される。
As shown in FIG. 2, the
第1セパレータ14の面14aには、この第1セパレータ14の外周部を周回する第1シールライン42(メタルビードシール)が設けられる。第1シールライン42は、樹脂枠部材24に向かって膨出するとともに、第1枠状シート24a(第2枠状シート24bと重なる領域)に気密及び液密に当接する。第1シールライン42は、外側ビード部42aと、外側ビード部42aよりも内側に設けられた内側ビード部42bとを有する。
The
内側ビード部42bは、燃料ガス流路38、燃料ガス入口連通孔34a及び燃料ガス出口連通孔34bを周回し且つこれらを連通させる。各ビード部42a、42bの断面形状は、先端側(樹脂枠部材24側)に向かって先細り形状である。各ビード部42a、42bの先端は、平坦形状(湾曲形状でもよい)を有する。
The
第1シールライン42よりも内方(MEA10a側)で、第1セパレータ14と樹脂枠部材24との間に形成された流路38aは、燃料ガス流路38と連通する。従って、当該流路38aには、燃料ガスが供給される。
A
第2セパレータ16の面16aには、この第2セパレータ16の外周部を周回する第2シールライン44(メタルビードシール)が設けられる。第2シールライン44は、樹脂枠部材24に向かって膨出するとともに、第2枠状シート24bに気密及び液密に当接する。第1シールライン42と第2シールライン44は樹脂枠部材24を介して対向する。樹脂枠部材24は、第1シールライン42と第2シールライン44との間に挟持される。第2シールライン44は、外側ビード部44aと、外側ビード部44aよりも内側に設けられた内側ビード部44bとを有する。
The
内側ビード部44bは、酸化剤ガス流路36、酸化剤ガス入口連通孔30a及び酸化剤ガス出口連通孔30bを周回し且つこれらを連通させる。各ビード部44a、44bの断面形状は、先端側(樹脂枠部材24側)に向かって先細り形状である。各ビード部44a、44bの先端は、平坦形状(湾曲形状でもよい)を有する。
The
第2シールライン44よりも内方(MEA10a側)で、第2セパレータ16と樹脂枠部材24との間に形成された流路36aは、酸化剤ガス流路36と連通する。従って、当該流路36aには、酸化剤ガスが供給される。
A
このように構成される発電セル12を含む燃料電池スタック11の動作について、以下に説明する。
The operation of the
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。
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、MEA10aのアノード電極20に供給される。
Therefore, the oxidant gas is introduced from the oxidant gas
従って、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 the
次いで、図1において、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, in FIG. 1, the oxidant gas consumed by being supplied to 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、MEA10aを冷却した後、冷却媒体出口連通孔32bから排出される。
The cooling medium supplied to the cooling medium
次いで、本実施形態に係る樹脂枠付きMEA10の製造方法について、以下に説明する。
Subsequently, the manufacturing method of
樹脂枠付きMEA10の製造方法は、樹脂枠付きMEA10の一方の電極である第1電極(本実施形態では、カソード電極22)及び電解質膜18を有する第1シート状部材56と樹脂枠部材24とを熱圧着により接合する第1接合工程と、樹脂枠付きMEA10の他方の電極である第2電極(本実施形態では、アノード電極20)と樹脂枠部材24とを熱圧着により接合する第2接合工程とを含む。
The manufacturing method of the
第1接合工程では、例えば、図3A及び図3Bに示すように、複数個分の樹脂枠部材24を構成する枠部材素材シート50が用いられる。具体的に、枠部材素材シート50は、図3Bに示すように、複数の樹脂枠部材24が直列に配置された構成を有する帯状の部材である。樹脂枠部材24の内周端24aeを形成する複数の開口部24eが、枠部材素材シート50の長さ方向に間隔を置いて設けられている。
In the first joining step, for example, as shown in FIGS. 3A and 3B, a frame
枠部材素材シート50は、ロール体52(第1ロール体)から巻き出されて、第1接合工程を行う設備(図4に示す第1接合装置54)に供給される。ロール体52では、枠部材素材シート50と図示しない層間フィルム(保護フィルム)とが重ねられた状態でロール状に巻かれている。ロール体52からの枠部材素材シート50の巻出しに伴い、層間フィルムも巻き出される。巻き出された層間フィルムは、図示しない巻取ロールによって巻き取られる。枠部材素材シート50は、接着層24c(図2)が設けられた面を上方に向けた状態で、図4の第1接合装置54に供給される。
The frame
図4に示すように、第1接合装置54には、カソード電極22と電解質膜18とを有する長方形状の第1シート状部材56が供給される。第1シート状部材56は、第1支持シート58と、第1支持シート58に支持されたカソード電極22と、一方面にカソード電極22が設けられた電解質膜18とを有する。第1支持シート58は、例えば、カーボンペーパにより構成される。
As shown in FIG. 4, the first joining
例えば、第1支持シート58、カソード電極22及び電解質膜18からなる帯状の多層シートがロール状に巻かれたロール体(以下、「第2ロール体」という)が用いられる。第2ロール体から、多層シートが巻き出される。そして、巻き出された多層シートをカッタ(例えば、ローラカッタ)により所定間隔で切断することで、所定寸法に切り出された長方形状の第1シート状部材56が得られる。
For example, a roll body (hereinafter referred to as “second roll body”) in which a strip-shaped multilayer sheet composed of the
第1シート状部材56は、電解質膜18を下方に向けた状態で第1接合装置54に供給され、樹脂枠部材24(枠部材素材シート50)上に載置される(第1シート状部材配置工程)。この場合、第1シート状部材56は、電解質膜18が樹脂枠部材24の開口部24eに対向するとともに、電解質膜18の外周部が樹脂枠部材24の内周部25に全周に亘って重なり合うように、樹脂枠部材24上に配置される。
The first sheet-
第1接合工程では、第1シート状部材56と樹脂枠部材24とを、電解質膜18の外周部と、樹脂枠部材24の第1面24s1(接着層24cが設けられた面)における内周部25とを全周に亘って接合するように熱圧着する。具体的に、第1接合工程では、カソード電極22の外周部の形状に沿った枠形状の金型(上金型54a及び下金型54b)を備えた第1接合装置54を用い、電解質膜18の外周部と樹脂枠部材24の内周部25とが重なり合う箇所を上下から挟み込んで熱圧着(加熱及び押圧)する。
In the first joining step, the first sheet-
第1接合工程における第1シート状部材56と樹脂枠部材24との熱圧着では、第1接合工程後、第2接合工程が開始する前までの間に、第1シート状部材56が樹脂枠部材24に対して動くことがない程度の接合力が得られればよい。すなわち、第1接合工程の熱圧着は、第1シート状部材56と樹脂枠部材24とを互いに比較的弱く接合する仮圧着(仮固定)である。第1接合工程の熱圧着温度は例えば、90〜110℃であり、押圧時間は数秒程度である。
In the thermocompression bonding of the first sheet-
第1接合工程により互いに接合された第1シート状部材56及び樹脂枠部材24(以下、「中間接合体59」という)は、図5に示すように、第2接合工程を行う設備(第2接合装置60)に供給される。第2接合装置60は、ワーク保持用治具であるテーブル62と、中間接合体59とアノード電極20とを上下から挟んで加熱及び押圧する上金型64a及び下金型64bとを備える。
As shown in FIG. 5, the first sheet-
テーブル62には、支持面63a(段部)を有する長方形状のワーク保持溝63と、ワーク保持溝63に連通する長方形状の孔部66とが形成されている。支持面63aには、孔部66を覆うように、外形寸法が孔部66よりも大きい長方形状のクッションパッド68(支持部材)が載置されている。孔部66は、テーブル62の下面62bにて開口しており、下金型64bが挿入されるようになっている。
The table 62 is formed with a rectangular
上金型64a及び下金型64bは、上下方向に互いに離間し、ワーク保持溝63を介して対向配置されており、上下方向に移動可能に構成されている。孔部66の開口寸法及び下金型64bの押圧面65bの外径寸法は、第1シート状部材56(カソード電極22及び電解質膜18)の外形寸法及び後述する第2シート状部材72の外形寸法よりも大きい。上金型64aの押圧面65aの外形寸法は、樹脂枠部材24の開口部24eよりも大きく、且つ第1シート状部材56の外形寸法よりも若干だけ小さい。
The
例えば、第2支持シート70及びアノード電極20からなる帯状の多層シートがロール状に巻かれたロール体(以下、「第3ロール体」という)が用いられる。当該第3ロール体から、多層シートが巻き出される。そして、巻き出された当該多層シートをカッタ(例えば、ローラカッタ)により所定間隔で切断することで、所定寸法に切り出された長方形状の第2シート状部材72が得られる。第2シート状部材72では、第2支持シート70にアノード電極20が重ね合されている。第2支持シート70は、例えば、カーボンペーパにより構成される。
For example, a roll body (hereinafter referred to as “third roll body”) in which a strip-shaped multilayer sheet composed of the
第2シート状部材72は、アノード電極20を上方に向けた状態で第2接合装置60に供給され、クッションパッド68上に載置される(第2シート状部材配置工程)。この場合、第2シート状部材72は、平面視で孔部66の範囲内に配置される。クッションパッド68の上面には、第2シート状部材72を位置決めするための溝が設けられているとよい。なお、第2シート状部材72は、クッションパッド68により支持されるため、孔部66へと落下することはない。
The second sheet-
次に、第2シート状部材72の上に、第1接合工程により得られた中間接合体59(第1シート状部材56及び樹脂枠部材24)が載置される。この場合、中間接合体59は、アノード電極20が樹脂枠部材24の開口部24eに対向するとともに、アノード電極20の外周部が樹脂枠部材24の第2面24s2における内周部25に全周に亘って重なり合うように、第2シート状部材72の上に配置される。これにより、第1シート状部材56の外周部(電解質膜18の外周部)と、第2シート状部材72の外周部(アノード電極20の外周部)とが、樹脂枠部材24の内周部25を介して重なり合う状態となる。
Next, the intermediate joined body 59 (the first sheet-
そして、第2接合工程では、アノード電極20と樹脂枠部材24とを、アノード電極20の外周部と樹脂枠部材24の第2面24s2における内周部25とを全周に亘って接合するように熱圧着する。具体的に、第2接合工程では、第2接合装置60の上金型64a及び下金型64bにより、電解質膜18の外周部と、樹脂枠部材24の内周部25と、アノード電極20の外周部とが重なり合う箇所を上下から挟み込んで熱圧着(加熱及び押圧)する。また、この場合、第2接合工程では、樹脂枠部材24の開口部24eを介してカソード電極22とアノード電極20とを熱圧着する。
In the second bonding step, the
第2接合工程により、電解質膜18の両側にカソード電極22及びアノード電極20が配置されてなるMEA10a(図2)が得られるとともに、当該MEA10aの外周部に樹脂枠部材24(枠部材素材シート50)が接合によって一体化された状態が得られる。
The
第2接合工程の熱圧着は、MEA10aの外周部に樹脂枠部材24が一体化された状態を得るために、中間接合体59と第2シート状部材72とを強固に接合する本圧着である。従って、第2接合工程の熱圧着による接合強度は、第1接合工程の熱圧着による接合強度よりも高い。第2接合工程の熱圧着温度は、例えば、160〜180℃である。第2接合工程での押圧時間は、第1接合工程での押圧時間よりも長いことが好ましい。
The thermocompression bonding in the second bonding step is a main pressure bonding in which the intermediate bonded
第2接合工程の後、MEA10aと一体化された枠部材素材シート50が所定寸法の長方形状に切り出されることで、図1に示した樹脂枠付きMEA10が得られる。
After the second joining step, the frame
この場合、本実施形態に係る樹脂枠付きMEA10の製造方法は、以下の効果を奏する。
In this case, the manufacturing method of
樹脂枠付きMEA10の製造方法は、カソード電極22と電解質膜18とを有する第1シート状部材56と、第1面24s1に接着層24cが設けられた樹脂枠部材24とを、第1シート状部材56の外周部と、樹脂枠部材24の第1面24s1における内周部25とを接合するように熱圧着する第1接合工程(図4)と、アノード電極20と樹脂枠部材24とを、アノード電極20の外周部と、樹脂枠部材24の第2面24s2における内周部25とを接合するように熱圧着する第2接合工程(図5)とを含む。
In the manufacturing method of the
従って、樹脂枠付きMEA10の製造方法によれば、電解質膜18、カソード電極22、アノード電極20及び樹脂枠部材24を1回の熱圧着で一体化するのではなく、電解質膜18とカソード電極22とを有する第1シート状部材56と、樹脂枠部材24とを熱圧着する第1接合工程と、樹脂枠部材24とアノード電極20とを熱圧着する第2接合工程とを行う。このため、電解質膜18の両側にカソード電極22及びアノード電極20が配置されてなるMEA10aと、当該MEA10aの外周部に接合された樹脂枠部材24とを備えた樹脂枠付きMEA10を、効率良く製造することが可能となる。
Therefore, according to the manufacturing method of the
第2接合工程での熱圧着温度は、第1接合工程での熱圧着温度よりも高い。これにより、第1接合工程では簡易な熱圧着で済むことから第1接合工程の所要時間を短くすることができるとともに、第2接合工程では十分な接合強度が得られる。 The thermocompression bonding temperature in the second joining process is higher than the thermocompression bonding temperature in the first joining process. As a result, since the first bonding process requires simple thermocompression bonding, the time required for the first bonding process can be shortened, and sufficient bonding strength can be obtained in the second bonding process.
第1接合工程では、複数個分の樹脂枠部材24を構成する枠部材素材シート50(図3A及び図3B)に、一方面にカソード電極22が設けられた電解質膜18(第1シート状部材56)を熱圧着する。これにより、第1シート状部材56を第2接合工程(第2接合装置60)へと連続的に搬送することができるため、樹脂枠付きMEA10を一層効率良く製造することが可能となる。
In the first joining step, the electrolyte membrane 18 (first sheet-like member) in which the
第2接合工程では、アノード電極20の上に、第1シート状部材56と接合された樹脂枠部材24(中間接合体59)を重ねた状態で、上下から熱圧着する。これにより、テーブル62にアノード電極20を載せ、その上に、第1シート状部材56と接合された樹脂枠部材24を重ねることで、樹脂枠部材24とアノード電極20との位置を正確且つ容易に合わせた状態で、熱圧着することができる。
In the second bonding step, the resin frame member 24 (intermediate bonded body 59) bonded to the first sheet-
なお、第1シート状部材56は、カソード電極22に代えてアノード電極20が設けられ、第2シート状部材72は、アノード電極20に代えてカソード電極22が設けられてもよい。この場合、第1接合工程では、一方面にアノード電極20が設けられた電解質膜18の外周部が、樹脂枠部材24の第1面24s1における内周部25に熱圧着により接合される。第2接合工程では、カソード電極22の外周部が、樹脂枠部材24の第2面24s2における内周部25に熱圧着により接合される。
The first sheet-
本実施形態では、2枚のセパレータで1枚のMEAを挟持するセルを積層するとともに、各セル間に冷却媒体を流通させる各セル冷却構造が採用されている。なお、複数のセル毎に冷却媒体を流通させる、所謂、間引き冷却構造が採用されてもよい。その際、セルは、3枚以上のセパレータと2枚以上のMEAを備えている。 In this embodiment, each cell cooling structure is used in which cells that sandwich one MEA with two separators are stacked and a cooling medium is circulated between the cells. A so-called thinning cooling structure in which a cooling medium is circulated for each of a plurality of cells may be employed. At that time, the cell includes three or more separators and two or more MEAs.
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
10…樹脂枠付き電解質膜・電極構造体 10a…電解質膜・電極構造体
12…発電セル 20…アノード電極
22…カソード電極 24…樹脂枠部材
24c…接着層
DESCRIPTION OF
Claims (6)
第2電極と前記樹脂枠部材とを、前記第2電極の外周部と、前記樹脂枠部材の他方面における内周部とを接合するように熱圧着する第2接合工程と、を含む、
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 sheet-like member having a first electrode and an electrolyte membrane having the first electrode provided on one surface, and a resin frame member having an opening and an adhesive layer provided on one surface, the sheet-like member. A first bonding step of thermocompression bonding so as to bond the outer peripheral portion of the resin frame member and the inner peripheral portion of the one surface of the resin frame member;
A second joining step of thermocompression bonding the second electrode and the resin frame member so as to join the outer peripheral portion of the second electrode and the inner peripheral portion of the other surface of the resin frame member;
A method for producing an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame, wherein:
前記第2接合工程での熱圧着温度は、前記第1接合工程での熱圧着温度よりも高い、
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。 In the manufacturing method of the electrolyte membrane and electrode structure with a resin frame of Claim 1,
The thermocompression bonding temperature in the second joining step is higher than the thermocompression bonding temperature in the first joining step.
A method for producing an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame, wherein:
前記第2接合工程では、前記開口部において前記電解質膜を介して前記第1電極と前記第2電極とを熱圧着する、
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。 In the method for producing an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame according to claim 1 or 2,
In the second bonding step, the first electrode and the second electrode are thermocompression bonded through the electrolyte membrane in the opening.
A method for producing an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame, wherein:
前記第1接合工程では、前記第1電極の前記外周部の形状に沿った枠形状の金型を用い、前記電解質膜の前記外周部と前記樹脂枠部材の前記内周部とが重なり合う箇所を上下から挟み込んで熱圧着する、
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。 In the manufacturing method of the electrolyte membrane and electrode structure with a resin frame of any one of Claims 1-3,
In the first bonding step, a frame-shaped mold that follows the shape of the outer peripheral portion of the first electrode is used, and the outer peripheral portion of the electrolyte membrane and the inner peripheral portion of the resin frame member overlap each other. Sandwiched from above and below and thermocompression bonded,
A method for producing an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame, wherein:
前記第1接合工程では、複数個分の前記樹脂枠部材を構成する枠部材素材シートに、前記電解質膜を熱圧着する、
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。 In the manufacturing method of the electrolyte membrane and electrode structure with a resin frame of any one of Claims 1-4,
In the first joining step, the electrolyte membrane is thermocompression-bonded to a frame member material sheet constituting the resin frame member for a plurality of times.
A method for producing an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame, wherein:
前記第2接合工程では、前記第2電極の上に、前記シート状部材と接合された前記樹脂枠部材を重ねた状態で、熱圧着する、
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。 In the manufacturing method of the electrolyte membrane and electrode structure with a resin frame of any one of Claims 1-5,
In the second joining step, the resin frame member joined to the sheet-like member is thermocompression bonded on the second electrode.
A method for producing an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame, wherein:
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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