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JP5615794B2 - Manufacturing method of electrolyte membrane / electrode structure for fuel cell - Google Patents

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JP5615794B2 JP2011262219A JP2011262219A JP5615794B2 JP 5615794 B2 JP5615794 B2 JP 5615794B2 JP 2011262219 A JP2011262219 A JP 2011262219A JP 2011262219 A JP2011262219 A JP 2011262219A JP 5615794 B2 JP5615794 B2 JP 5615794B2
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Description

本発明は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層及びガス拡散層が設けられるとともに、前記電極触媒層の外周端部が、前記固体高分子電解質膜の外周端部及び前記ガス拡散層の外周端部よりも内方に配置される燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法に関する。
In the present invention, an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer are provided on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, respectively, and an outer peripheral end portion of the electrode catalyst layer is an outer peripheral end portion of the solid polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer. The present invention relates to a method of manufacturing an electrolyte membrane / electrode structure for a fuel cell that is disposed inward from the outer peripheral end of a layer.

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。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、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)とからなるアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体(MEA)を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持している。この燃料電池は、所定の数だけ積層して燃料電池スタックを構成するとともに、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。   In general, a polymer electrolyte fuel cell employs a polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. This fuel cell comprises an electrolyte membrane / electrode structure in which an anode electrode and a cathode electrode each comprising a catalyst layer (electrode catalyst layer) and a gas diffusion layer (porous carbon) are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane ( MEA) is sandwiched between separators (bipolar plates). A predetermined number of fuel cells are stacked to form a fuel cell stack, and the fuel cell is used as, for example, an in-vehicle fuel cell stack.

この種の電解質膜・電極構造体では、例えば、アノード電極を構成する電極触媒層の端部とカソード電極を構成する電極触媒層の端部との短絡を防止するために、固体高分子電解質膜の外周端部を各電極触媒層の外周端部から外方に突出させる構成が採用されている。その際、固体高分子電解質膜は、薄膜状を有しており、前記固体高分子電解質膜の外周縁部がアノード電極及びカソード電極の外周端部から外方に突出すると、前記外周縁部の強度が低下するおそれがある。   In this type of electrolyte membrane / electrode structure, for example, in order to prevent a short circuit between the end of the electrode catalyst layer constituting the anode electrode and the end of the electrode catalyst layer constituting the cathode electrode, a solid polymer electrolyte membrane is used. The structure which makes the outer peripheral edge part protrude outward from the outer peripheral edge part of each electrode catalyst layer is employ | adopted. At that time, the solid polymer electrolyte membrane has a thin film shape, and when the outer peripheral edge of the solid polymer electrolyte membrane protrudes outward from the outer peripheral ends of the anode electrode and the cathode electrode, Strength may be reduced.

そこで、アノード電極及びカソード電極を構成する各ガス拡散層を、各電極触媒層よりも大きな外形寸法に設定し、前記ガス拡散層の外周縁部間で固体高分子電解質膜の外周縁部を挟持する構成が知られている。   Therefore, each gas diffusion layer constituting the anode electrode and the cathode electrode is set to have a larger outer dimension than each electrode catalyst layer, and the outer peripheral edge portion of the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between the outer peripheral edge portions of the gas diffusion layer. The structure to do is known.

例えば、特許文献1に開示されている膜電極構造体は、図9に示すように、固体高分子電解質膜1と、この固体高分子電解質膜1を挟んで空気極側の触媒層2及び燃料極側の触媒層3が配設されている。触媒層2、3の外周には、接着剤層4、4が形成されるとともに、前記触媒層2、3及び前記接着剤層4、4を挟んでガス拡散層5、5が配設されている。固体高分子電解質膜1、接着剤層4、4及びガス拡散層5、5は、それぞれの外周端面を一致させて積層されている。   For example, as shown in FIG. 9, a membrane electrode structure disclosed in Patent Document 1 includes a solid polymer electrolyte membrane 1, a catalyst layer 2 on the air electrode side and a fuel sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 1 A pole-side catalyst layer 3 is disposed. Adhesive layers 4 and 4 are formed on the outer periphery of the catalyst layers 2 and 3, and gas diffusion layers 5 and 5 are disposed with the catalyst layers 2 and 3 and the adhesive layers 4 and 4 interposed therebetween. Yes. The solid polymer electrolyte membrane 1, the adhesive layers 4, 4 and the gas diffusion layers 5, 5 are laminated with their outer peripheral end faces coinciding with each other.

特開2010−205484号公報JP 2010-205484 A

ところで、通常、ガス拡散層は、ガス拡散層用基材としてカーボン繊維による多孔質基材が使用されている。このため、ガス拡散層の表面には、カーボン繊維による凹凸部位が存在している。   By the way, normally, the porous base material by carbon fiber is used for the gas diffusion layer as a base material for gas diffusion layers. For this reason, the uneven | corrugated site | part by a carbon fiber exists in the surface of a gas diffusion layer.

従って、ガス拡散層に接着剤が塗布された際、この接着剤が前記ガス拡散層内に染み込んでしまい、前記ガス拡散層の凹凸部位が固体高分子電解質膜に直接押し込まれる場合がある。これにより、固体高分子電解質膜には、局所的な膜厚の減少部位が発生したり、靱性が低下したりするという問題がある。   Accordingly, when an adhesive is applied to the gas diffusion layer, the adhesive may soak into the gas diffusion layer, and the uneven portion of the gas diffusion layer may be pushed directly into the solid polymer electrolyte membrane. As a result, the solid polymer electrolyte membrane has a problem that a region where the film thickness is locally reduced occurs or the toughness is lowered.

本発明は、この種の問題を解決するものであり、ガス拡散層の繊維により固体高分子電解質膜が損傷することがなく、しかも前記ガス拡散層と前記固体高分子電解質膜とを強固に接合することが可能な燃料電池用電解質膜・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 type of problem, and the solid polymer electrolyte membrane is not damaged by the fibers of the gas diffusion layer, and the gas diffusion layer and the solid polymer electrolyte membrane are firmly bonded. It is an object of the present invention to provide a method for producing an electrolyte membrane / electrode structure for a fuel cell that can be used.

本発明は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層及びガス拡散層が設けられるとともに、前記電極触媒層の外周端部が、前記固体高分子電解質膜の外周端部及び前記ガス拡散層の外周端部よりも内方に配置される燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法に関するものである。
In the present invention, an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer are provided on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, respectively, and an outer peripheral end portion of the electrode catalyst layer is an outer peripheral end portion of the solid polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer. The present invention relates to a method of manufacturing an electrolyte membrane / electrode structure for a fuel cell that is disposed inward from the outer peripheral edge of the layer.

の燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法では、電極触媒層の外周端部から外方に延在し、固体高分子電解質膜の外周縁部に接合されるガス拡散層の外周縁部に、第1接着剤を塗布して第1接着層を形成する工程と、前記第1接着剤が硬化した後、前記第1接着層に前記第1接着剤よりも低粘度の第2接着剤を塗布して第2接着層を形成する工程と、前記第2接着層により、前記固体高分子電解質膜の外周縁部と前記ガス拡散層の外周縁部とを接着する工程とを有している。
The method for manufacturing a fuel cell membrane electrode assembly of this, extends outwardly from the outer edge of the electrode catalyst layer, the outer peripheral edge of the gas diffusion layer which is joined to the outer peripheral edge portion of the solid polymer electrolyte membrane Forming a first adhesive layer by applying a first adhesive to the portion; and after the first adhesive is cured, a second adhesive having a lower viscosity than the first adhesive is applied to the first adhesive layer Forming a second adhesive layer by applying an agent, and bonding the outer peripheral edge of the solid polymer electrolyte membrane and the outer peripheral edge of the gas diffusion layer by the second adhesive layer. ing.

本発明によれば、ガス拡散層側に設けられる第1接着剤は、固体高分子電解質膜側に設けられる第2接着剤よりも高粘度であるため、前記ガス拡散層の内部に染み込み難く、前記第1接着剤が前記ガス拡散層の表面に残存している。さらに、第2接着剤が第1接着剤上に塗布されると、低粘度の前記第2接着剤は、ガス拡散層の内部への浸透が第1接着層により抑制され、前記第1接着層上に所定の厚さを有する第2接着層を形成することができる。   According to the present invention, since the first adhesive provided on the gas diffusion layer side has a higher viscosity than the second adhesive provided on the solid polymer electrolyte membrane side, it is difficult to soak into the gas diffusion layer. The first adhesive remains on the surface of the gas diffusion layer. Further, when the second adhesive is applied onto the first adhesive, the second adhesive having a low viscosity is prevented from penetrating into the gas diffusion layer by the first adhesive layer, and the first adhesive layer A second adhesive layer having a predetermined thickness can be formed thereon.

従って、第1接着層及び第2接着層により、ガス拡散層の表面の凹凸部位が確実に覆われるため、前記ガス拡散層と固体高分子電解質膜とが接合(接着)される際、前記固体高分子電解質膜への局所的な食い込みが有効に低減される。これにより、固体高分子電解質膜の損傷が可及的に抑制される。   Therefore, since the uneven portion on the surface of the gas diffusion layer is surely covered by the first adhesive layer and the second adhesive layer, the solid state when the gas diffusion layer and the solid polymer electrolyte membrane are bonded (adhered). Local biting into the polymer electrolyte membrane is effectively reduced. Thereby, damage to the solid polymer electrolyte membrane is suppressed as much as possible.

さらに、第2接着剤は、低粘度であるため、良好な接着性を確保することが可能になる。しかも、第2接着剤は、第1接着剤の塗り斑を埋めることができるとともに、平坦性を維持することが可能になる。このため、固体高分子電解質膜との接着強度が向上し、ガス拡散層と前記固体高分子電解質膜とを強固に接着することができる。   Furthermore, since the second adhesive has a low viscosity, it is possible to ensure good adhesiveness. Moreover, the second adhesive can fill the smear of the first adhesive and can maintain flatness. For this reason, the adhesive strength with the solid polymer electrolyte membrane is improved, and the gas diffusion layer and the solid polymer electrolyte membrane can be firmly bonded.

本発明の実施形態に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体が組み込まれる固体高分子型燃料電池の要部分解斜視説明図である。1 is an exploded perspective view of a main part of a polymer electrolyte fuel cell in which an electrolyte membrane / electrode structure for a fuel cell according to an embodiment of the present invention is incorporated. 前記燃料電池の、図1中、II−II線断面説明図である。FIG. 2 is a sectional view of the fuel cell taken along line II-II in FIG. 1. 前記電解質膜・電極構造体の要部分解斜視説明図である。FIG. 4 is an exploded perspective view of a main part of the electrolyte membrane / electrode structure. 前記電解質膜・電極構造体を構成する固体高分子電解質膜に電極触媒層を設ける方法の説明図である。It is explanatory drawing of the method of providing an electrode catalyst layer in the solid polymer electrolyte membrane which comprises the said electrolyte membrane and electrode structure. 前記電解質膜・電極構造体を構成するアノード電極のガス拡散層側の製造方法の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing method by the side of the gas diffusion layer of the anode electrode which comprises the said electrolyte membrane electrode structure. 前記電解質膜・電極構造体を構成するカソード電極のガス拡散層側の製造方法の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing method by the side of the gas diffusion layer of the cathode electrode which comprises the said electrolyte membrane electrode structure. 前記固体高分子電解質膜の両面に前記ガス拡散層を接着する際の説明図である。It is explanatory drawing at the time of adhere | attaching the said gas diffusion layer on both surfaces of the said solid polymer electrolyte membrane. 前記アノード電極の前記ガス拡散層の要部拡大説明図である。It is a principal part expansion explanatory view of the gas diffusion layer of the anode electrode. 特許文献1に開示された膜電極構造体の説明図である。It is explanatory drawing of the membrane electrode structure disclosed by patent document 1. FIG.

図1及び図2に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池用電解質膜・電極構造体10は、固体高分子型燃料電池12に組み込まれるとともに、複数の前記燃料電池12が矢印A方向に積層されて燃料電池スタック13が構成される。   As shown in FIGS. 1 and 2, an electrolyte membrane / electrode structure 10 for a fuel cell according to an embodiment of the present invention is incorporated in a polymer electrolyte fuel cell 12, and a plurality of the fuel cells 12 are indicated by an arrow A. The fuel cell stack 13 is configured by being stacked in the direction.

燃料電池12は、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、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ている。   In the fuel cell 12, the electrolyte membrane / electrode structure 10 is sandwiched between the first separator 14 and the second separator 16. The first separator 14 and the second separator 16 are made of, for example, a steel plate, a stainless steel plate, an aluminum plate, a plated steel plate, a metal plate whose surface is subjected to anticorrosion treatment, a carbon member, or the like. .

図2に示すように、電解質膜・電極構造体10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20及びカソード電極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)系電解質が使用される。アノード電極20は、固体高分子電解質膜18の一方の面18aに設けられる一方、カソード電極22は、前記固体高分子電解質膜18の他方の面18bに設けられる。   As shown in FIG. 2, the electrolyte membrane / electrode structure 10 includes, for example, a solid polymer electrolyte membrane 18 in which a perfluorosulfonic acid thin film is impregnated with water, and an anode electrode sandwiching the solid polymer electrolyte membrane 18 20 and a cathode electrode 22. The solid polymer electrolyte membrane 18 uses an HC (hydrocarbon) electrolyte in addition to a fluorine electrolyte. The anode electrode 20 is provided on one surface 18 a of the solid polymer electrolyte membrane 18, while the cathode electrode 22 is provided on the other surface 18 b of the solid polymer electrolyte membrane 18.

アノード電極20は、固体高分子電解質膜18の面18aに接合される電極触媒層23aと、前記電極触媒層23aに下地層24aを介して積層されるガス拡散層(多孔質拡散層)26aとを設ける。カソード電極22は、固体高分子電解質膜18の面18bに接合される電極触媒層23bと、前記電極触媒層23bに下地層24bを介して積層されるガス拡散層26bとを設ける。   The anode electrode 20 includes an electrode catalyst layer 23a joined to the surface 18a of the solid polymer electrolyte membrane 18, and a gas diffusion layer (porous diffusion layer) 26a laminated on the electrode catalyst layer 23a via a base layer 24a. Is provided. The cathode electrode 22 is provided with an electrode catalyst layer 23b joined to the surface 18b of the solid polymer electrolyte membrane 18, and a gas diffusion layer 26b laminated on the electrode catalyst layer 23b via a base layer 24b.

アノード電極20を構成する電極触媒層23aは、下地層24aと同一の外形寸法(表面積)に設定されるとともに、固体高分子電解質膜18よりも小さな外形寸法を有する。カソード電極22を構成する電極触媒層23bは、下地層24bと同一の表面積に設定されるとともに、固体高分子電解質膜18よりも小さな外形寸法を有する。電極触媒層23a及び下地層24aは、電極触媒層23b及び下地層24bよりも小さな外形寸法に設定される。なお、電極触媒層23a及び下地層24aは、電極触媒層23b及び下地層24bよりも大きな外形寸法に設定されてもよく、また、同一の外形寸法に設定されてもよい。   The electrode catalyst layer 23 a constituting the anode electrode 20 is set to have the same outer dimension (surface area) as that of the base layer 24 a and has an outer dimension smaller than that of the solid polymer electrolyte membrane 18. The electrode catalyst layer 23b constituting the cathode electrode 22 is set to have the same surface area as that of the base layer 24b and has an outer dimension smaller than that of the solid polymer electrolyte membrane 18. The electrode catalyst layer 23a and the foundation layer 24a are set to have smaller outer dimensions than the electrode catalyst layer 23b and the foundation layer 24b. The electrode catalyst layer 23a and the base layer 24a may be set to have larger outer dimensions than the electrode catalyst layer 23b and the base layer 24b, or may be set to the same outer dimensions.

固体高分子電解質膜18は、面18a側に電極触媒層23a及び下地層24aの外周端部から外方に延在する外周縁部18aeと、面18b側に電極触媒層23b及び下地層24bの外周端部から外方に延在する外周縁部18beとを有する。   The solid polymer electrolyte membrane 18 includes an outer peripheral edge portion 18ae extending outward from the outer peripheral ends of the electrode catalyst layer 23a and the underlayer 24a on the surface 18a side, and an electrode catalyst layer 23b and an underlayer 24b on the surface 18b side. And an outer peripheral edge portion 18be extending outward from the outer peripheral end portion.

固体高分子電解質膜18の外周縁部18aeとガス拡散層26aの外周縁部との間に接着層28が設けられる一方、前記固体高分子電解質膜18の外周縁部18beとガス拡散層26bの外周縁部との間に接着層29が設けられる。図1及び図3に示すように、接着層28、29は、固体高分子電解質膜18の外周縁部18ae、18beの全周に亘って額縁状に形成される。   While an adhesive layer 28 is provided between the outer peripheral edge 18ae of the solid polymer electrolyte membrane 18 and the outer peripheral edge of the gas diffusion layer 26a, the outer peripheral edge 18be of the solid polymer electrolyte membrane 18 and the gas diffusion layer 26b An adhesive layer 29 is provided between the outer peripheral edge portion. As shown in FIGS. 1 and 3, the adhesive layers 28 and 29 are formed in a frame shape over the entire periphery of the outer peripheral edge portions 18 ae and 18 be of the solid polymer electrolyte membrane 18.

電極触媒層23a、23bは、カーボンブラックに白金粒子を担持した触媒粒子を形成し、イオン導伝性バインダーとして高分子電解質を使用し、この高分子電解質の溶液中に前記触媒粒子を均一に混合して作製された触媒ペーストを、固体高分子電解質膜18の両面18a、18bに印刷、塗布又は転写することによって構成される。   The electrode catalyst layers 23a and 23b form catalyst particles in which platinum particles are supported on carbon black, use a polymer electrolyte as an ion conductive binder, and uniformly mix the catalyst particles in a solution of the polymer electrolyte. The catalyst paste produced in this way is configured by printing, coating or transferring on both surfaces 18a and 18b of the solid polymer electrolyte membrane 18.

下地層24a、24bは、カーボンブラック及びFEP(四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体)粒子とカーボンナノチューブをペースト状にした後、ガス拡散層26a、26bに塗布される。ガス拡散層26a、26bは、カーボンペーパ等からなる。   Underlayers 24a and 24b are formed by pasting carbon black, FEP (tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer) particles, and carbon nanotubes, and then applied to gas diffusion layers 26a and 26b. The gas diffusion layers 26a and 26b are made of carbon paper or the like.

接着層28は、ガス拡散層26a側に設けられる第1接着層28aと、固体高分子電解質膜18側に設けられ、前記第1接着層28aに当接する第2接着層28bとを有する。第1接着層28aは、第2接着層28bの第2接着剤よりも高粘度の第1接着剤が硬化した層である。第1接着剤及び第2接着剤は、例えば、液状フッ素エラストマーを用いてそれぞれ粘度を調整して使用される。第1接着剤の粘度は、2〜80Pa・sに調整されるとともに、第2接着剤の粘度は、100〜1000Pa・sに調整される。具体的には、エラストマーの重合度を調整することにより行う。   The adhesive layer 28 includes a first adhesive layer 28a provided on the gas diffusion layer 26a side, and a second adhesive layer 28b provided on the solid polymer electrolyte membrane 18 side and in contact with the first adhesive layer 28a. The first adhesive layer 28a is a layer obtained by curing a first adhesive having a higher viscosity than the second adhesive of the second adhesive layer 28b. A 1st adhesive agent and a 2nd adhesive agent are each used, adjusting a viscosity, for example using a liquid fluoroelastomer. The viscosity of the first adhesive is adjusted to 2 to 80 Pa · s, and the viscosity of the second adhesive is adjusted to 100 to 1000 Pa · s. Specifically, it is carried out by adjusting the degree of polymerization of the elastomer.

接着層29は、ガス拡散層26b側に設けられる第1接着層29aと、固体高分子電解質膜18側に設けられる第2接着層29bとを有する。第1接着層29aは、第2接着層29bの第2接着剤よりも高粘度の第1接着剤が硬化した層である。第1接着剤及び第2接着剤は、例えば、液状フッ素エラストマーを用いてそれぞれ粘度を調整して使用される。   The adhesive layer 29 includes a first adhesive layer 29a provided on the gas diffusion layer 26b side and a second adhesive layer 29b provided on the solid polymer electrolyte membrane 18 side. The first adhesive layer 29a is a layer obtained by curing the first adhesive having a higher viscosity than the second adhesive of the second adhesive layer 29b. A 1st adhesive agent and a 2nd adhesive agent are each used, adjusting a viscosity, for example using a liquid fluoroelastomer.

なお、接着層28、29では、それぞれの第1接着剤及び第2接着剤として、液状フッ素エラストマーに代えて、例えば、エポキシ接着剤、オレフィン接着剤、アクリル接着剤又はウレタン接着剤、又はシリコーン接着剤等を使用することができる。その際、第1接着剤と第2接着剤とは、同じ種類の材料を用いることが好ましい。   In the adhesive layers 28 and 29, for example, an epoxy adhesive, an olefin adhesive, an acrylic adhesive or a urethane adhesive, or a silicone adhesive is used instead of the liquid fluoroelastomer as each of the first adhesive and the second adhesive. An agent or the like can be used. In that case, it is preferable to use the same kind of material for the first adhesive and the second adhesive.

図2及び図3に示すように、接着層28は、ガス拡散層26aの外周縁部に下地層24aを周回して額縁状に設けられる。接着層29は、同様に、ガス拡散層26bの外周縁部に下地層24bを周回して額縁状に設けられる。なお、接着層28、29の外周端部には、燃料ガスや酸化剤ガスの漏れを阻止するための封止処理を施すことが好ましい。   As shown in FIGS. 2 and 3, the adhesive layer 28 is provided in a frame shape around the base layer 24a around the outer peripheral edge of the gas diffusion layer 26a. Similarly, the adhesive layer 29 is provided in a frame shape around the base layer 24b around the outer peripheral edge of the gas diffusion layer 26b. In addition, it is preferable to perform the sealing process for preventing the leakage of fuel gas or oxidant gas on the outer peripheral end portions of the adhesive layers 28 and 29.

図1に示すように、燃料電池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、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔32a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔34bが、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 fuel cell 12 in the arrow B direction (horizontal direction in FIG. 1) communicates with each other in the arrow A direction, which is the stacking direction, and contains an oxidant gas, for example, oxygen An oxidant gas inlet communication hole 30a for supplying gas, a cooling medium inlet communication hole 32a for supplying a cooling medium, and a fuel gas outlet communication hole 34b for discharging a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas, Arranged in the direction of arrow C (vertical direction).

燃料電池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ための燃料ガス入口連通孔34a、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔32b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔30bが、矢印C方向に配列して設けられる。   The other end edge of the fuel cell 12 in the direction of arrow B communicates with each other in the direction of arrow A, a fuel gas inlet communication hole 34a for supplying fuel gas, and a cooling medium outlet communication hole for discharging the cooling medium. 32b and an oxidant gas outlet communication hole 30b for discharging the oxidant gas are arranged in the direction of arrow C.

第2セパレータ16の電解質膜・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とに連通する酸化剤ガス流路36が設けられる。   An oxidant gas flow path 36 that communicates with the oxidant gas inlet communication hole 30a and the oxidant gas outlet communication hole 30b is provided on the surface 16a of the second separator 16 facing the electrolyte membrane / electrode structure 10.

第1セパレータ14の電解質膜・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とに連通する燃料ガス流路38が形成される。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が形成される。   A fuel gas flow path 38 communicating with the fuel gas inlet communication hole 34 a and the fuel gas outlet communication hole 34 b is formed on the surface 14 a of the first separator 14 facing the electrolyte membrane / electrode structure 10. Between the surface 14 b of the first separator 14 and the surface 16 b of the second separator 16, a cooling medium flow path 40 communicating with the cooling medium inlet communication hole 32 a and the cooling medium outlet communication hole 32 b is formed.

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 first seal member 42 is integrated with the surfaces 14 a and 14 b of the first separator 14 around the outer peripheral end of the first separator 14. The second seal member 44 is integrated with the surfaces 16 a and 16 b of the second separator 16 around the outer peripheral end portion of the second separator 16.

図2に示すように、第1シール部材42は、電解質膜・電極構造体10を構成するガス拡散層26a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1凸状シール42aと当接する面に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、第1シール部材42を平面シールで構成してもよい。   As shown in FIG. 2, the first seal member 42 includes a first convex seal 42 a that contacts the gas diffusion layer 26 a constituting the electrolyte membrane / electrode structure 10, and a second seal member 44 of the second separator 16. And a second convex seal 42b in contact therewith. The second seal member 44 constitutes a flat seal on the surface in contact with the first convex seal 42a. Instead of the second convex seal 42b, the second seal member 44 may be provided with a convex seal (not shown), and the first seal member 42 may be constituted by a flat seal.

第1シール部材42及び第2シール部材44には、例えば、EPDM、NBR、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が用いられる。   For the first seal member 42 and the second seal member 44, for example, EPDM, NBR, fluororubber, silicone rubber, fluorosilicone rubber, butyl rubber, natural rubber, styrene rubber, chloroprene or acrylic rubber or the like, cushion material Or a packing material is used.

図1に示すように、第1セパレータ14には、燃料ガス入口連通孔34aを燃料ガス流路38に連通する供給孔部46と、前記燃料ガス流路38を燃料ガス出口連通孔34bに連通する排出孔部48とが形成される。   As shown in FIG. 1, the first separator 14 has a supply hole portion 46 that communicates the fuel gas inlet communication hole 34a with the fuel gas passage 38, and the fuel gas passage 38 communicates with the fuel gas outlet communication hole 34b. A discharge hole 48 is formed.

次いで、電解質膜・電極構造体10を製造する方法について、以下に説明する。   Next, a method for manufacturing the electrolyte membrane / electrode structure 10 will be described below.

先ず、図4に示すように、固体高分子電解質膜18の面18aには、アノード電極20を構成する電極触媒層23aが設けられるとともに、前記固体高分子電解質膜18の面18bには、カソード電極22を構成する電極触媒層23bが設けられる。   First, as shown in FIG. 4, the surface 18a of the solid polymer electrolyte membrane 18 is provided with an electrode catalyst layer 23a constituting the anode electrode 20, and the surface 18b of the solid polymer electrolyte membrane 18 has a cathode An electrode catalyst layer 23 b constituting the electrode 22 is provided.

また、図5中、(a)に示すように、アノード電極20を構成するガス拡散層26aには、電極触媒層23aが設けられる領域に対応して長方形状の下地層24aが形成される。さらに、図5中、(b)に示すように、下地層24aが形成されたガス拡散層26aには、前記下地層24aが設けられない領域、すなわち、外周縁部に、スクリーン印刷により第1接着剤(例えば、粘度が230Pa・s)が塗工されて第1接着層28aが形成される。第1接着層28aは、ガス拡散層26aから盛り上がることがなく、前記ガス拡散層26aの厚さは、塗工前と変わらない。表面の凹凸と多孔質とにより吸収されるからである。   Further, as shown in FIG. 5A, a rectangular base layer 24a is formed in the gas diffusion layer 26a constituting the anode electrode 20 corresponding to the region where the electrode catalyst layer 23a is provided. Further, as shown in FIG. 5B, the gas diffusion layer 26a on which the base layer 24a is formed is first screen-printed in a region where the base layer 24a is not provided, that is, on the outer peripheral edge. An adhesive (for example, a viscosity of 230 Pa · s) is applied to form the first adhesive layer 28a. The first adhesive layer 28a does not rise from the gas diffusion layer 26a, and the thickness of the gas diffusion layer 26a is the same as that before coating. This is because it is absorbed by the surface irregularities and the porosity.

第1接着層28aでは、第1接着剤が乾燥処理されて硬化した後、図5中、(c)に示すように、前記第1接着層28a上に重ねて第2接着剤(例えば、粘度が25Pa・s)が塗工され、第2接着層28bが形成される。このため、ガス拡散層26aには、接着層28が設けられる。なお、ここで、硬化とは、所謂、完全硬化の他、半硬化の状態も含み、半硬化とは、表層が固まりかけた状態をいい、表層を軽く押さえても、接着剤が横や下に自重により流動しない状態をいう。   In the first adhesive layer 28a, after the first adhesive is dried and cured, as shown in FIG. 5C, the second adhesive (for example, viscosity) is superimposed on the first adhesive layer 28a. 25 Pa · s) is applied to form the second adhesive layer 28 b. For this reason, the adhesive layer 28 is provided in the gas diffusion layer 26a. Here, the term “cured” includes the so-called complete curing as well as the semi-cured state. The semi-cured refers to a state in which the surface layer is hardened. The state that does not flow due to its own weight.

一方、図6中、(a)に示すように、カソード電極22を構成するガス拡散層26bには、電極触媒層23bが設けられる領域に対応して長方形状の下地層24bが形成される。さらに、図6中、(b)に示すように、下地層24bが形成されたガス拡散層26bには、前記下地層24bが設けられない領域、すなわち、外周縁部に、スクリーン印刷により第1接着剤(例えば、粘度が230Pa・s)が塗工されて第1接着層29aが形成される。   On the other hand, as shown in FIG. 6A, a rectangular base layer 24b is formed in the gas diffusion layer 26b constituting the cathode electrode 22 corresponding to the region where the electrode catalyst layer 23b is provided. Further, as shown in FIG. 6B, the gas diffusion layer 26b on which the base layer 24b is formed has a first region formed by screen printing in a region where the base layer 24b is not provided, that is, on the outer peripheral edge. An adhesive (for example, a viscosity of 230 Pa · s) is applied to form the first adhesive layer 29a.

第1接着層29aでは、第1接着剤が乾燥処理されて硬化した後、図6中、(c)に示すように、前記第1接着層29aに重ねて第2接着剤(例えば、粘度が25Pa・s)が塗工され、第2接着層29bが形成される。従って、ガス拡散層26bには、接着層29が設けられる。第1接着層29aは、ガス拡散層26bから盛り上がることがなく、前記ガス拡散層26bの厚さは、塗工前と変わらない。表面の凹凸と多孔質とにより吸収されるからである。   In the first adhesive layer 29a, after the first adhesive is dried and cured, as shown in FIG. 6C, a second adhesive (for example, having a viscosity) is stacked on the first adhesive layer 29a. 25 Pa · s) is applied to form the second adhesive layer 29 b. Therefore, the adhesive layer 29 is provided in the gas diffusion layer 26b. The first adhesive layer 29a does not rise from the gas diffusion layer 26b, and the thickness of the gas diffusion layer 26b is the same as before coating. This is because it is absorbed by the surface irregularities and the porosity.

次いで、図7に示すように、固体高分子電解質膜18の面18a側には、ガス拡散層26aが接着層28を外周縁部18aeに対向して配置されるとともに、前記固体高分子電解質膜18の面18b側には、ガス拡散層26bが接着層29を外周縁部18beに対向して配置される。その際、図8に示すように、ガス拡散層26aの表面26asは、凹凸形状を有するとともに、前記凹凸形状は、接着層28に埋設されている。   Next, as shown in FIG. 7, on the surface 18a side of the solid polymer electrolyte membrane 18, a gas diffusion layer 26a is disposed with the adhesive layer 28 facing the outer peripheral edge 18ae, and the solid polymer electrolyte membrane The gas diffusion layer 26b is disposed on the 18 surface 18b side so that the adhesive layer 29 faces the outer peripheral edge 18be. At this time, as shown in FIG. 8, the surface 26 as of the gas diffusion layer 26 a has an uneven shape, and the uneven shape is embedded in the adhesive layer 28.

そして、ホットプレス処理が施されることにより、第2接着層28bが外周縁部18aeに接着される一方、第2接着層29bが外周縁部18beに接着される。これにより、電解質膜・電極構造体10が製造される。   Then, by performing a hot press process, the second adhesive layer 28b is bonded to the outer peripheral edge portion 18ae, while the second adhesive layer 29b is bonded to the outer peripheral edge portion 18be. As a result, the electrolyte membrane / electrode structure 10 is manufactured.

このように構成される燃料電池12の動作について、以下に説明する。   The operation of the fuel cell 12 configured as described above will be described below.

先ず、図1に示すように、酸化剤ガス入口連通孔30aに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 inlet communication hole 30a, and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is supplied to the fuel gas inlet communication hole 34a. Further, a cooling medium such as pure water, ethylene glycol, or oil is supplied to the cooling medium inlet communication hole 32a.

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方向に移動して電解質膜・電極構造体10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から供給孔部46を通って第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、電解質膜・電極構造体10のアノード電極20に供給される。   For this reason, the oxidant gas is introduced into the oxidant gas flow path 36 of the second separator 16 from the oxidant gas inlet communication hole 30a and moves in the direction of arrow B to the cathode electrode 22 of the electrolyte membrane / electrode structure 10. Supplied. On the other hand, the fuel gas is introduced from the fuel gas inlet communication hole 34 a through the supply hole 46 into the fuel gas flow path 38 of the first separator 14. The fuel gas moves in the direction of arrow B along the fuel gas flow path 38 and is supplied to the anode electrode 20 of the electrolyte membrane / electrode structure 10.

従って、各電解質膜・電極構造体10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、電極触媒層23a、23b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 electrolyte membrane / electrode structure 10, the oxidant gas supplied to the cathode electrode 22 and the fuel gas supplied to the anode electrode 20 are consumed by an electrochemical reaction in the electrode catalyst layers 23 a and 23 b. Power generation.

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、排出孔部48を通り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 consumed by being supplied to the cathode electrode 22 is discharged in the direction of arrow A along the oxidant gas outlet communication hole 30b. Similarly, the fuel gas consumed by being supplied to the anode electrode 20 passes through the discharge hole 48 and is discharged in the direction of arrow A along the fuel gas outlet communication hole 34b.

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、電解質膜・電極構造体10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 inlet communication hole 32a is introduced into the cooling medium flow path 40 between the first separator 14 and the second separator 16, and then flows in the direction of arrow B. The cooling medium is discharged from the cooling medium outlet communication hole 32b after the electrolyte membrane / electrode structure 10 is cooled.

この場合、本実施形態では、図2に示すように、固体高分子電解質膜18の外周縁部18aeとガス拡散層26aの外周縁部との間には、接着層28が設けられている。そして、接着層28は、ガス拡散層26a側に設けられる第1接着層28aと、固体高分子電解質膜18側に設けられ、前記第1接着層28aよりも低粘度の第2接着層28bとを有している。   In this case, in this embodiment, as shown in FIG. 2, an adhesive layer 28 is provided between the outer peripheral edge 18ae of the solid polymer electrolyte membrane 18 and the outer peripheral edge of the gas diffusion layer 26a. The adhesive layer 28 includes a first adhesive layer 28a provided on the gas diffusion layer 26a side, a second adhesive layer 28b provided on the solid polymer electrolyte membrane 18 side, and having a lower viscosity than the first adhesive layer 28a. have.

このように、ガス拡散層26a側に設けられる第1接着剤は、固体高分子電解質膜18側に設けられる第2接着剤よりも高粘度である。このため、図8に示すように、第1接着剤(第1接着層28a)は、ガス拡散層26aの内部に染み込み難く、前記第1接着剤が前記ガス拡散層26aの表面26asに残存し、平滑な面を形成する。   Thus, the first adhesive provided on the gas diffusion layer 26a side has a higher viscosity than the second adhesive provided on the solid polymer electrolyte membrane 18 side. Therefore, as shown in FIG. 8, the first adhesive (first adhesive layer 28a) does not easily penetrate into the gas diffusion layer 26a, and the first adhesive remains on the surface 26as of the gas diffusion layer 26a. Form a smooth surface.

さらに、第2接着剤(第2接着層28b)が第1接着剤上に塗布されると、低粘度の前記第2接着剤は、ガス拡散層26aの内部への浸透が第1接着層28aにより抑制される。従って、ガス拡散層26aの表面26as上(第1接着層28a上)には、所定の厚さを有する第2接着層28bを形成することができる。   Further, when the second adhesive (second adhesive layer 28b) is applied onto the first adhesive, the low-viscosity second adhesive penetrates into the gas diffusion layer 26a and the first adhesive layer 28a. It is suppressed by. Therefore, the second adhesive layer 28b having a predetermined thickness can be formed on the surface 26as (on the first adhesive layer 28a) of the gas diffusion layer 26a.

これにより、接着層28では、第1接着層28a及び第2接着層28bにより、ガス拡散層26aの表面26asの凹凸部位が確実に覆われている。このため、ガス拡散層26aと固体高分子電解質膜18とが接合(接着)される際、前記固体高分子電解質膜18への局所的な食い込みが有効に低減される。従って、固体高分子電解質膜18の損傷が可及的に抑制される。   Thereby, in the adhesive layer 28, the uneven part of the surface 26as of the gas diffusion layer 26a is reliably covered by the first adhesive layer 28a and the second adhesive layer 28b. For this reason, when the gas diffusion layer 26a and the solid polymer electrolyte membrane 18 are joined (adhered), local biting into the solid polymer electrolyte membrane 18 is effectively reduced. Therefore, damage to the solid polymer electrolyte membrane 18 is suppressed as much as possible.

さらに、第2接着剤は、低粘度であるため、良好な接着性を確保することが可能になる。しかも、第2接着剤は、第1接着剤の塗り斑を埋めることができるとともに、平坦性を維持することが可能になる。これにより、固体高分子電解質膜18との接着強度が向上し、ガス拡散層26aと前記固体高分子電解質膜18とを強固に接着することができるという利点が得られる。   Furthermore, since the second adhesive has a low viscosity, it is possible to ensure good adhesiveness. Moreover, the second adhesive can fill the smear of the first adhesive and can maintain flatness. Thereby, the adhesive strength with the solid polymer electrolyte membrane 18 is improved, and there is an advantage that the gas diffusion layer 26a and the solid polymer electrolyte membrane 18 can be firmly bonded.

一方、固体高分子電解質膜18の外周縁部18beとガス拡散層26bの外周縁部との間には、接着層29が設けられている。この接着層29は、接着層28と同様に構成されており、上記と同様の効果が得られる。   On the other hand, an adhesive layer 29 is provided between the outer peripheral edge portion 18be of the solid polymer electrolyte membrane 18 and the outer peripheral edge portion of the gas diffusion layer 26b. The adhesive layer 29 is configured in the same manner as the adhesive layer 28, and the same effect as described above can be obtained.

なお、第1接着剤と第2接着剤との間には、接着性を有する中間層を設けてもよく、また、下地層24a、24bは、必ずしも設けなくてもよい。   Note that an intermediate layer having adhesiveness may be provided between the first adhesive and the second adhesive, and the base layers 24a and 24b are not necessarily provided.

10…電解質膜・電極構造体 12…燃料電池
13…燃料電池スタック 14、16…セパレータ
18…固体高分子電解質膜 18a、18b…面
18ae、18be…外周縁部 20…アノード電極
22…カソード電極 23a、23b…電極触媒層
24a、24b…下地層 26a、26b…ガス拡散層
28、28a、28b、29、29a、29b…接着層
30a…酸化剤ガス入口連通孔 30b…酸化剤ガス出口連通孔
32a…冷却媒体入口連通孔 32b…冷却媒体出口連通孔
34a…燃料ガス入口連通孔 34b…燃料ガス出口連通孔
36…酸化剤ガス流路 38…燃料ガス流路
40…冷却媒体流路 42、44…シール部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Electrolyte membrane / electrode structure 12 ... Fuel cell 13 ... Fuel cell stack 14, 16 ... Separator 18 ... Solid polymer electrolyte membrane 18a, 18b ... Surface 18ae, 18be ... Outer peripheral edge 20 ... Anode electrode 22 ... Cathode electrode 23a , 23b ... Electrode catalyst layer 24a, 24b ... Underlayer 26a, 26b ... Gas diffusion layer 28, 28a, 28b, 29, 29a, 29b ... Adhesive layer 30a ... Oxidant gas inlet communication hole 30b ... Oxidant gas outlet communication hole 32a ... cooling medium inlet communication hole 32b ... cooling medium outlet communication hole 34a ... fuel gas inlet communication hole 34b ... fuel gas outlet communication hole 36 ... oxidant gas flow path 38 ... fuel gas flow path 40 ... cooling medium flow path 42, 44 ... Seal member

Claims (1)

固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層及びガス拡散層が設けられるとともに、前記電極触媒層の外周端部が、前記固体高分子電解質膜の外周端部及び前記ガス拡散層の外周端部よりも内方に配置される燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法であって、
前記電極触媒層の外周端部から外方に延在し、前記固体高分子電解質膜の外周縁部に接合される前記ガス拡散層の外周縁部に、第1接着剤を塗布して第1接着層を形成する工程と、
前記第1接着剤が硬化した後、前記第1接着層に前記第1接着剤よりも低粘度の第2接着剤を塗布して第2接着層を形成する工程と、
前記第2接着層により、前記固体高分子電解質膜の外周縁部と前記ガス拡散層の外周縁部とを接着する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法。
An electrode catalyst layer and a gas diffusion layer are provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, respectively, and an outer peripheral end portion of the electrode catalyst layer is an outer peripheral end portion of the solid polymer electrolyte membrane and an outer peripheral end of the gas diffusion layer. A method for producing an electrolyte membrane / electrode structure for a fuel cell disposed inward of a part,
A first adhesive is applied to the outer peripheral edge of the gas diffusion layer that extends outward from the outer peripheral edge of the electrode catalyst layer and is joined to the outer peripheral edge of the solid polymer electrolyte membrane. Forming an adhesive layer;
After the first adhesive is cured, forming a second adhesive layer by applying a second adhesive having a lower viscosity than the first adhesive to the first adhesive layer;
Bonding the outer peripheral edge of the solid polymer electrolyte membrane and the outer peripheral edge of the gas diffusion layer with the second adhesive layer;
A method for producing an electrolyte membrane / electrode structure for a fuel cell, comprising:
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