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JP2013037932A - Method for manufacturing electrode-membrane-frame assembly, and method for manufacturing fuel cell - Google Patents

Method for manufacturing electrode-membrane-frame assembly, and method for manufacturing fuel cell Download PDF

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JP2013037932A
JP2013037932A JP2011173740A JP2011173740A JP2013037932A JP 2013037932 A JP2013037932 A JP 2013037932A JP 2011173740 A JP2011173740 A JP 2011173740A JP 2011173740 A JP2011173740 A JP 2011173740A JP 2013037932 A JP2013037932 A JP 2013037932A
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Japan
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membrane
diffusion layer
gas diffusion
electrode
protrusion
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Application number
JP2011173740A
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Japanese (ja)
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Yasushi Sugawara
靖 菅原
Masaki Yamauchi
将樹 山内
Shinsuke Takeguchi
伸介 竹口
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Panasonic Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】燃料電池の発電性能及び耐久性を一層向上させることができる電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
【解決手段】金型の内面に設けられた先端部が尖っている突起部をガス拡散層の周縁部に突き刺して、当該ガス拡散層の面方向の移動を規制した状態で、金型内に溶融した樹脂材料を流し込んで枠体を射出成形する。
【選択図】図3C
An electrode-membrane-frame assembly manufacturing method capable of further improving the power generation performance and durability of a fuel cell is provided.
A protrusion provided on the inner surface of a mold with a sharp tip is pierced into the peripheral portion of the gas diffusion layer, and the movement of the gas diffusion layer in the surface direction is regulated, and the mold is placed in the mold. The molten resin material is poured into the frame to be injection molded.
[Selection] Figure 3C

Description

本発明は、例えば、自動車などの移動体、分散発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動源として使用される燃料電池に関し、特に当該燃料電池が備える電極−膜−枠接合体の製造方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell used as a driving source for a mobile body such as an automobile, a distributed power generation system, a household cogeneration system, and the like, and in particular, a method for manufacturing an electrode-membrane-frame assembly provided in the fuel cell. About.

燃料電池(例えば、高分子電解質形燃料電池)は、水素を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる装置である。   BACKGROUND ART A fuel cell (for example, a polymer electrolyte fuel cell) is an apparatus that generates electric power and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air. It is.

燃料電池(単電池)は、膜電極接合体(以下、MEA:Membrane-Electrode-Assemblyという)を一対の板状の導電性のセパレータで挟んで構成されている。MEAは、ハンドリング性の向上のため、その周縁部(外縁部ともいう)を、額縁状に成形された樹脂製の枠体で保持されている。ここでは、前記枠体を備えるMEAを電極−膜−枠接合体という。   A fuel cell (unit cell) is configured by sandwiching a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA: Membrane-Electrode-Assembly) between a pair of plate-like conductive separators. The MEA is held at its peripheral edge (also referred to as an outer edge) by a resin frame formed into a frame shape in order to improve handling properties. Here, the MEA including the frame is referred to as an electrode-membrane-frame assembly.

MEAは、周縁部を前記枠体に支持される高分子電解質膜と、当該電解質膜の両面に形成され、かつ前記枠体より内側に配置された一対の電極層とで構成されている。一対の電極層は、高分子電解質膜の両面に形成される白金等の触媒層と、当該触媒層上に形成される多孔質で導電性を有するガス拡散層とで構成されている。前記一対の電極層にそれぞれ燃料ガス又は酸化剤ガスが供給されることにより、電気化学反応が起こり、電力と熱とが発生する。   The MEA is composed of a polymer electrolyte membrane whose peripheral portion is supported by the frame, and a pair of electrode layers formed on both sides of the electrolyte membrane and disposed on the inner side of the frame. The pair of electrode layers includes a catalyst layer made of platinum or the like formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane and a porous and conductive gas diffusion layer formed on the catalyst layer. When fuel gas or oxidant gas is supplied to the pair of electrode layers, respectively, an electrochemical reaction occurs, and electric power and heat are generated.

従来の電極−膜−枠接合体の製造方法としては、例えば、特許文献1(特開2011−40290号公報)に開示されたものがある。特許文献1には、ガス拡散層及び触媒層への成形樹脂材料の侵入を制御することを目的として、金型に設けた突起部でガス拡散層を圧縮することが開示されている。   As a conventional method for producing an electrode-membrane-frame assembly, for example, there is one disclosed in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2011-40290). Patent Document 1 discloses that the gas diffusion layer is compressed by a protrusion provided on the mold for the purpose of controlling the penetration of the molding resin material into the gas diffusion layer and the catalyst layer.

特開2011−40290号公報JP 2011-40290 A

本発明者らは、燃料電池の発電性能の向上と低コスト化の両方を実現すべく、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成されているガス拡散層を用いた燃料電池を検討した。   The present inventors have used a gas diffusion layer composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin in order to realize both improvement in power generation performance and cost reduction of a fuel cell. The fuel cell that had been studied.

しかしながら、かかるガス拡散層を用いた燃料電池の製造に際し、従来の電極−膜−枠接合体の製造方法を適用しても、製造された燃料電池の発電性能及び耐久性を十分に確保することはできなかった。   However, in the production of a fuel cell using such a gas diffusion layer, the power generation performance and durability of the produced fuel cell are sufficiently ensured even if the conventional method for producing an electrode-membrane-frame assembly is applied. I couldn't.

従って、本発明の目的は、前記課題を解決することにあって、燃料電池の発電性能及び耐久性を一層向上させることができる電極−膜−枠接合体の製造方法及び燃料電池の製造方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problems, and to provide a method for manufacturing an electrode-membrane-frame assembly and a method for manufacturing a fuel cell that can further improve the power generation performance and durability of the fuel cell. It is to provide.

前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明によれば、高分子電解質膜の両面に触媒層とガス拡散層とを順に積層した膜電極接合体の周縁部に枠体を形成した電極−膜−枠接合体の製造方法であって、
金型の内面に設けられた先端部が尖っている突起部を前記ガス拡散層の周縁部に突き刺して、当該ガス拡散層の面方向の移動を規制した状態で、前記金型内に溶融した樹脂材料を流し込んで前記枠体を射出成形する、
ことを含む、電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
According to the present invention, there is provided a method for producing an electrode-membrane-frame assembly in which a frame body is formed on the periphery of a membrane electrode assembly in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are sequentially laminated on both surfaces of a polymer electrolyte membrane. ,
A protrusion provided on the inner surface of the mold with a sharp tip is pierced into the peripheral edge of the gas diffusion layer and melted in the mold in a state where movement in the surface direction of the gas diffusion layer is restricted. Pour resin material and injection mold the frame,
A method for producing an electrode-membrane-frame assembly.

本発明にかかる電極−膜−枠接合体の製造方法によれば、燃料電池の発電性能及び耐久性を一層向上させることができるという効果を奏する。   According to the method for manufacturing an electrode-membrane-frame assembly according to the present invention, the power generation performance and durability of the fuel cell can be further improved.

本発明の実施形態にかかる膜−触媒層接合体の製造方法により製造される電極−膜−枠接合体の基本構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the basic composition of the electrode-membrane-frame assembly manufactured with the manufacturing method of the membrane-catalyst layer assembly concerning embodiment of this invention. 図1の電極−膜−枠接合体の基本構成を模式的に示す平面図である。FIG. 2 is a plan view schematically showing the basic configuration of the electrode-membrane-frame assembly of FIG. 1. 本発明の実施形態にかかる膜−触媒層接合体の製造方法を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the manufacturing method of the membrane-catalyst layer assembly concerning embodiment of this invention. 図3Aに続く工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the process of following FIG. 3A. 図3Bに続く工程を示す断面図である。FIG. 3C is a cross-sectional view showing a step following FIG. 3B. 本発明の実施形態にかかる膜−触媒層接合体の製造方法に用いる第1金型を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the 1st metal mold | die used for the manufacturing method of the membrane-catalyst layer assembly concerning embodiment of this invention. 図4の第1金型に設けられた突起部をガス拡散層に突き刺した状態を模式的に示す拡大断面図である。It is an expanded sectional view showing typically the state where the projection part provided in the 1st metallic mold of Drawing 4 was stuck in the gas diffusion layer. 本発明の実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を備える燃料電池の基本構成を模式的に示す断面図であり、ガス流路がセパレータに設けられた例を示す図である。It is sectional drawing which shows typically the basic composition of a fuel cell provided with the electrode-membrane-frame assembly concerning embodiment of this invention, and is a figure which shows the example by which the gas flow path was provided in the separator. 図6の燃料電池を複数個連結した燃料電池スタックの基本構成を示す分解斜視図である。FIG. 7 is an exploded perspective view showing a basic configuration of a fuel cell stack in which a plurality of the fuel cells of FIG. 6 are connected. 本発明の実施形態にかかる電極−膜−枠接合体を備える燃料電池の基本構成を模式的に示す断面図であり、ガス流路がガス拡散層に設けられた例を示す図である。It is sectional drawing which shows typically the basic composition of a fuel cell provided with the electrode-membrane-frame assembly concerning embodiment of this invention, and is a figure which shows the example by which the gas flow path was provided in the gas diffusion layer. 金型に設けられる突起部の第1変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the 1st modification of the projection part provided in a metal mold | die. 金型に設けられる突起部の第2変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the 2nd modification of the projection part provided in a metal mold | die. 内面に矩形断面の突起部を有する金型に膜電極接合体を配置した状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state which has arrange | positioned the membrane electrode assembly to the metal mold | die which has a protrusion part of a rectangular cross section on the inner surface. 図10の部分拡大図である。It is the elements on larger scale of FIG.

(本発明の基礎となった知見)
導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成されているガス拡散層は、カーボンペーパー等の基材を有するガス拡散層と比して多孔度が低く、かつ剛性が低いという性質がある。本発明者らは鋭意研究したところ、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成されているガス拡散層を用いて電極−膜−枠接合体を製造すると、上述の性質に起因した以下の問題が生じることを見出した。
(Knowledge that became the basis of the present invention)
A gas diffusion layer composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin has lower porosity and lower rigidity than a gas diffusion layer having a base material such as carbon paper. It has the nature of As a result of diligent research, the present inventors have produced an electrode-membrane-frame assembly using a gas diffusion layer composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin. It has been found that the following problems due to properties occur.

射出成形は、膜電極接合体を金型に配置し、型閉じし、その周縁部に溶融した樹脂材料を流し込むことで行う。この際、ガス拡散層の周縁部が金型により押さえられる力が弱い場合には、ガス拡散層がその中心部に向かって滑りながら移動する(以下、「横滑り」という)現象が起きる。この横滑り現象が起こるのは、以下の理由による。   The injection molding is performed by placing the membrane electrode assembly in a mold, closing the mold, and pouring a molten resin material into the peripheral edge thereof. At this time, if the force that the peripheral edge of the gas diffusion layer is pressed by the mold is weak, a phenomenon occurs in which the gas diffusion layer moves while sliding toward the center (hereinafter referred to as “side slip”). This skid phenomenon occurs for the following reason.

すなわち、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成されているガス拡散層は、多孔度が低いため、射出される樹脂材料はガス拡散層に含侵しにくい。したがって、ガス拡散層の側面からガス拡散層に向かって樹脂材料が射出されると、射出圧力によりガス拡散層はその中心部に向かって押されることになる。また、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成されているガス拡散層は、剛性が低いため、形状が変化しやすい。したがって、ガス拡散層はその形状を変形させながら、その中心部に向かって横滑りする。   That is, since the gas diffusion layer composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin has low porosity, the injected resin material is less likely to be impregnated into the gas diffusion layer. Therefore, when the resin material is injected from the side surface of the gas diffusion layer toward the gas diffusion layer, the gas diffusion layer is pushed toward the center by the injection pressure. In addition, since the gas diffusion layer composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin has low rigidity, the shape is likely to change. Accordingly, the gas diffusion layer slides toward the center while changing its shape.

次に、射出成形の際に、ガス拡散層の周縁部が金型により押さえられる力が強い場合に生じる問題について、図10及び図11を参照しながら説明する。図10は、内面に矩形断面の突起部を有する金型に膜電極接合体を配置した状態を示す断面図である。図11は、図10の部分拡大図である。   Next, a problem that occurs when the peripheral portion of the gas diffusion layer is strongly pressed by the mold during injection molding will be described with reference to FIGS. 10 and 11. FIG. 10 is a cross-sectional view showing a state in which the membrane electrode assembly is disposed in a mold having a rectangular cross-section protrusion on the inner surface. FIG. 11 is a partially enlarged view of FIG.

図10に示すように、内面に矩形断面の突起部101aを有する金型101に電極−膜接合体102を配置すると、突起部101aによりガス拡散層121の周縁部が強く押さえられることになる。これにより、上述の横滑りを防ぐことができる。しかしながら、このとき、図11に示すように、突起部101aの下方に位置する高分子電解質膜123も圧縮され、機械的ダメージを受けることになる。これは、以下の理由による。   As shown in FIG. 10, when the electrode-membrane assembly 102 is disposed on the mold 101 having the protrusion 101a having a rectangular cross section on the inner surface, the periphery of the gas diffusion layer 121 is strongly pressed by the protrusion 101a. Thereby, the above-mentioned side slip can be prevented. However, at this time, as shown in FIG. 11, the polymer electrolyte membrane 123 positioned below the protrusion 101a is also compressed and mechanically damaged. This is due to the following reason.

すなわち、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成されているガス拡散層121は、多孔度が低く、かつ剛性が低い。そのため、ガス拡散層121に加わった厚さ方向(図10では上下方向)からの力は、面方向(図10では横方向)の力として分散されにくく、ガス拡散層121の下方に伝わりやすい。   That is, the gas diffusion layer 121 composed of a porous member mainly composed of conductive particles and polymer resin has low porosity and low rigidity. Therefore, the force applied to the gas diffusion layer 121 from the thickness direction (vertical direction in FIG. 10) is not easily dispersed as a force in the plane direction (lateral direction in FIG. 10), and is easily transmitted below the gas diffusion layer 121.

ガス拡散層121が突起部101aにより押さえられ圧縮されると、その力は突起部101aの下方に位置するガス拡散層121、触媒層122、及び高分子電解質膜123に伝わる。このため、突起部101aの下方に位置する高分子電解質膜123は圧縮され、機械的ダメージを受ける。高分子電解質膜123が機械的ダメージを受けると、発電時にその部分の劣化が加速する。その結果として、燃料電池の発電性能の低下及び耐久性の低下がもたらされる。   When the gas diffusion layer 121 is pressed and compressed by the protrusion 101a, the force is transmitted to the gas diffusion layer 121, the catalyst layer 122, and the polymer electrolyte membrane 123 located below the protrusion 101a. For this reason, the polymer electrolyte membrane 123 positioned below the protrusion 101a is compressed and mechanically damaged. When the polymer electrolyte membrane 123 is mechanically damaged, deterioration of the portion is accelerated during power generation. As a result, the power generation performance and durability of the fuel cell are lowered.

このように、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成されているガス拡散層121を用いて電極−膜−枠接合体を製造する際に、ガス拡散層121の横滑りを防ぐことと、高分子電解質膜123に機械的ダメージを与えないこととを両立することが困難であった。   As described above, when the electrode-membrane-frame assembly is manufactured using the gas diffusion layer 121 composed of the porous member mainly composed of the conductive particles and the polymer resin, the gas diffusion layer 121 It has been difficult to achieve a balance between preventing side slip and not causing mechanical damage to the polymer electrolyte membrane 123.

かかる知見に基づき本発明者らは鋭意検討したところ、金型の突起部の形状を工夫することで前記課題を解決できると考え、本発明に至った。   Based on this knowledge, the present inventors diligently studied, and thought that the above-mentioned problems could be solved by devising the shape of the protrusions of the mold, leading to the present invention.

本発明の第1態様によれば、高分子電解質膜の両面に触媒層とガス拡散層とを順に積層した膜電極接合体の周縁部に枠体を形成した電極−膜−枠接合体の製造方法であって、
金型の内面に設けられた先端部が尖っている突起部を前記ガス拡散層の周縁部に突き刺して、当該ガス拡散層の面方向の移動を規制した状態で、前記金型内に溶融した樹脂材料を流し込んで前記枠体を射出成形する、
ことを含む、電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。
According to the first aspect of the present invention, an electrode-membrane-frame assembly in which a frame body is formed on the peripheral edge of a membrane electrode assembly in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are sequentially laminated on both surfaces of a polymer electrolyte membrane. A method,
A protrusion provided on the inner surface of the mold with a sharp tip is pierced into the peripheral edge of the gas diffusion layer and melted in the mold in a state where movement in the surface direction of the gas diffusion layer is restricted. Pour resin material and injection mold the frame,
A method for producing an electrode-membrane-frame assembly.

なお、上述した特許文献1には、金型の突起部の形状が半円状、三角形、四角形、台形等であってもよいことが開示されている。しかしながら、特許文献1の製造方法で用いられる金型の突起部は、ガス拡散層及び触媒層への成形樹脂材料の侵入を制御するためにガス拡散層を圧縮することを目的として設けられるものである。このため、特許文献1の金型の突起部の形状は、ガス拡散層を圧縮可能な形状である必要がある。すなわち、特許文献1の金型の突起部の形状が三角形である場合であっても、当該三角形は、例えば、頂角が90°よりも180°に近いような鈍角三角形である必要がある。   Note that Patent Document 1 described above discloses that the shape of the protrusion of the mold may be a semicircle, a triangle, a quadrangle, a trapezoid, or the like. However, the mold protrusion used in the manufacturing method of Patent Document 1 is provided for the purpose of compressing the gas diffusion layer in order to control the intrusion of the molded resin material into the gas diffusion layer and the catalyst layer. is there. For this reason, the shape of the protrusion part of the metal mold | die of patent document 1 needs to be a shape which can compress a gas diffusion layer. That is, even when the shape of the protrusion of the mold of Patent Document 1 is a triangle, the triangle needs to be an obtuse angle triangle whose apex angle is closer to 180 ° than 90 °, for example.

これに対し、本発明の第1態様にかかる金型の突起部は、高分子電解質膜が機械的ダメージを受けることを避けるため、突起部の下方に位置するガス拡散層の部分を極力圧縮することなく、ガス拡散層の移動を規制することを目的として設けられるものである。このため、本発明の第1態様にかかる金型の突起部は、先端部が尖った形状としており、特許文献1の突起部とは明らかに異なるものである。   On the other hand, the protrusion of the mold according to the first aspect of the present invention compresses the portion of the gas diffusion layer located below the protrusion as much as possible in order to avoid the polymer electrolyte membrane from being mechanically damaged. Without any problem, it is provided for the purpose of regulating the movement of the gas diffusion layer. For this reason, the protrusion part of the metal mold | die concerning the 1st aspect of this invention is made into the shape where the front-end | tip part was sharp, and is different from the protrusion part of patent document 1. FIG.

本発明の第2態様によれば、前記ガス拡散層は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成されている、第1態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。   According to the second aspect of the present invention, the gas diffusion layer is composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin, and the electrode-membrane-frame joint according to the first aspect. A method for manufacturing a body is provided.

本発明の第3態様によれば、前記突起部の高さは、前記ガス拡散層の厚さ未満である、第1態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。   According to a third aspect of the present invention, there is provided the method for producing an electrode-membrane-frame assembly according to the first aspect, wherein the height of the protrusion is less than the thickness of the gas diffusion layer.

本発明の第4態様によれば、前記突起部の高さは、前記ガス拡散層の厚さの50%以上〜95%未満である、第3態様に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。   According to a fourth aspect of the present invention, in the electrode-membrane-frame assembly according to the third aspect, the height of the protrusion is not less than 50% and less than 95% of the thickness of the gas diffusion layer. A manufacturing method is provided.

本発明の第5態様によれば、前記突起部の断面形状が三角形である、第1〜4態様のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。   According to the 5th aspect of this invention, the manufacturing method of the electrode-membrane-frame assembly as described in any one of the 1st-4th aspect whose cross-sectional shape of the said protrusion part is a triangle is provided.

本発明の第6態様によれば、前記突起部の頂角が90°以下である、第1〜5態様のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。   According to a sixth aspect of the present invention, there is provided the method for producing an electrode-membrane-frame assembly according to any one of the first to fifth aspects, wherein an apex angle of the protrusion is 90 ° or less.

本発明の第7態様によれば、前記突起部の頂角が45°以下である、第1〜5態様のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。   According to a seventh aspect of the present invention, there is provided the method for producing an electrode-membrane-frame assembly according to any one of the first to fifth aspects, wherein an apex angle of the protrusion is 45 ° or less.

本発明の第8態様によれば、前記突起部は、前記金型の厚さ方向から見て環状に設けられている、第1〜7態様のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法を提供する。   According to an eighth aspect of the present invention, in the electrode-membrane-frame according to any one of the first to seventh aspects, the protrusion is provided in an annular shape when viewed from the thickness direction of the mold. A method for producing a joined body is provided.

本発明の第9態様によれば、高分子電解質膜の両面に触媒層とガス拡散層とを順に積層した膜電極接合体の周縁部に枠体を形成した電極−膜−枠接合体と、前記電極−膜−枠接合体を挟持する一対のセパレータとを有する燃料電池の製造方法であって、
金型の内面に設けられた先端部が尖っている突起部を前記ガス拡散層の周縁部に突き刺して、当該ガス拡散層の面方向の移動を規制した状態で、前記金型内に溶融した樹脂材料を流し込んで前記枠体を射出成形する、
ことを含む、燃料電池の製造方法を提供する。
According to the ninth aspect of the present invention, an electrode-membrane-frame assembly in which a frame body is formed on the periphery of a membrane electrode assembly in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are sequentially laminated on both surfaces of a polymer electrolyte membrane; A method of manufacturing a fuel cell having a pair of separators sandwiching the electrode-membrane-frame assembly,
A protrusion provided on the inner surface of the mold with a sharp tip is pierced into the peripheral edge of the gas diffusion layer and melted in the mold in a state where movement in the surface direction of the gas diffusion layer is restricted. Pour resin material and injection mold the frame,
The manufacturing method of a fuel cell including this is provided.

本発明の第10態様によれば、前記セパレータ及び前記ガス拡散層の少なくとも一方には、ガス流路が設けられ、
前記突起部が前記ガス拡散層に突き刺さることにより形成された突起痕の断面積は、前記突起痕の近傍に位置するガス流路の断面積よりも小さい、第9態様に記載の燃料電池の製造方法を提供する。
According to the tenth aspect of the present invention, a gas flow path is provided in at least one of the separator and the gas diffusion layer,
The fuel cell manufacturing according to the ninth aspect, wherein a cross-sectional area of a protrusion trace formed by the protrusion projecting into the gas diffusion layer is smaller than a cross-sectional area of a gas flow channel located in the vicinity of the protrusion trace. Provide a method.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の全ての図において、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all of the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

《実施形態》
本発明の実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の製造方法について説明する前に、当該製造方法より製造される電極−膜−枠接合体の構成について説明する。図1は、本実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の製造方法により製造される電極−膜−枠接合体の基本構成を模式的に示す断面図であり、図2は、その平面図である。
<Embodiment>
Before describing the method for producing an electrode-membrane-frame assembly according to an embodiment of the present invention, the configuration of the electrode-membrane-frame assembly produced by the production method will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a basic configuration of an electrode-membrane-frame assembly manufactured by the electrode-membrane-frame assembly manufacturing method according to the present embodiment, and FIG. 2 is a plan view thereof. It is.

本実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の製造方法により製造される電極−膜−枠接合体1は、MEA(膜電極接合体)10と、MEA10の周縁部に形成された枠体20とを備えている。   An electrode-membrane-frame assembly 1 manufactured by the method for manufacturing an electrode-membrane-frame assembly according to the present embodiment includes an MEA (membrane electrode assembly) 10 and a frame body 20 formed on the peripheral edge of the MEA 10. And.

MEA10は、高分子電解質膜11と、当該高分子電解質膜11の両面に形成された一対の電極層12,12とを備えている。一対の電極層12の一方はアノード電極であり、他方はカソード電極である。電極層12は、触媒層13とガス拡散層14とを備えている。触媒層13は、高分子電解質膜11の表面に形成され、当該触媒層13上にガス拡散層14が形成されている。すなわち、高分子電解質膜11の両面に、触媒層13とガス拡散層14とが順に積層されている。ガス拡散層14の周縁部には、後で詳しく説明するように、金型に設けられた突起部により形成された突起痕(金型痕)14aが形成されている。   The MEA 10 includes a polymer electrolyte membrane 11 and a pair of electrode layers 12 and 12 formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 11. One of the pair of electrode layers 12 is an anode electrode, and the other is a cathode electrode. The electrode layer 12 includes a catalyst layer 13 and a gas diffusion layer 14. The catalyst layer 13 is formed on the surface of the polymer electrolyte membrane 11, and the gas diffusion layer 14 is formed on the catalyst layer 13. That is, the catalyst layer 13 and the gas diffusion layer 14 are sequentially laminated on both surfaces of the polymer electrolyte membrane 11. As will be described in detail later, a protrusion mark (mold mark) 14 a formed by a protrusion provided on the mold is formed on the peripheral edge of the gas diffusion layer 14.

また、高分子電解質膜11は、触媒層13及びガス拡散層14よりもサイズが大きく、周縁部がそれらからはみ出すように設けられている。また、触媒層13はガス拡散層14と同じサイズもしくは大きいサイズでも良い。この高分子電解質膜11のはみ出し部分を覆うように枠体20が設けられている。枠体20の形状は、特に限定されるものではないが、本実施形態では略矩形環状とする。   The polymer electrolyte membrane 11 is larger in size than the catalyst layer 13 and the gas diffusion layer 14 and is provided so that the peripheral edge protrudes from them. The catalyst layer 13 may be the same size as the gas diffusion layer 14 or a larger size. A frame body 20 is provided so as to cover the protruding portion of the polymer electrolyte membrane 11. The shape of the frame 20 is not particularly limited, but in the present embodiment, it is a substantially rectangular ring.

高分子電解質膜11は、好ましくは、水素イオン伝導性を有する高分子膜である。高分子電解質膜11としては、特に限定されるものではないが、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなるフッ素系高分子電解質膜(例えば、米国DuPont社製のNafion(登録商標)、旭化成(株)製のAciplex(登録商標)、旭硝子(株)製のFlemion(登録商標)など)や各種炭化水素系電解質膜を使用することができる。高分子電解質膜11の材料は、水素イオンを選択的に移動させるものであればよい。高分子電解質膜11の形状は、特に限定されるものではないが、本実施形態では略矩形とする。   The polymer electrolyte membrane 11 is preferably a polymer membrane having hydrogen ion conductivity. The polymer electrolyte membrane 11 is not particularly limited. For example, a fluorine-based polymer electrolyte membrane made of perfluorocarbon sulfonic acid (for example, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, USA, manufactured by Asahi Kasei Corporation) Aciplex (registered trademark), Flemion (registered trademark) manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) and various hydrocarbon electrolyte membranes can be used. The material of the polymer electrolyte membrane 11 may be any material that selectively moves hydrogen ions. The shape of the polymer electrolyte membrane 11 is not particularly limited, but is substantially rectangular in this embodiment.

触媒層13は、好ましくは、水素又は酸素の酸化還元反応に対する触媒を含む層である。触媒層13は、特に限定されるものではないが、例えば、白金系金属触媒を坦持したカーボン粉末とプロトン導電性を有する高分子材料とを主成分とした多孔質部材により構成することができる。触媒層13は、導電性を有し、かつ水素及び酸素の酸化還元反応に対する触媒能を有するものであればよい。触媒層13の形状は、特に限定されるものではないが、本実施形態では略矩形とする。触媒層13は、高分子電解質膜11の表面に触媒層形成用インクを塗工又はスプレーするなどして形成することができる。   The catalyst layer 13 is preferably a layer containing a catalyst for a redox reaction of hydrogen or oxygen. The catalyst layer 13 is not particularly limited. For example, the catalyst layer 13 can be composed of a porous member mainly composed of carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst and a polymer material having proton conductivity. . The catalyst layer 13 only needs to have conductivity and have a catalytic ability for a redox reaction of hydrogen and oxygen. The shape of the catalyst layer 13 is not particularly limited, but is approximately rectangular in this embodiment. The catalyst layer 13 can be formed by coating or spraying a catalyst layer forming ink on the surface of the polymer electrolyte membrane 11.

ガス拡散層14は、炭素繊維を基材として用いずに構成したいわゆる基材レスガス拡散層で構成されている。具体的には、ガス拡散層14は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成されている。ここで、「導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材」とは、炭素繊維を基材とすることなく、導電性粒子と高分子樹脂のみで支持される構造(いわゆる自己支持体構造)を持つ多孔質部材を意味する。導電性粒子と高分子樹脂とで多孔質部材を製造する場合、例えば、界面活性剤と分散溶媒とを用いる。この場合、製造工程中に、焼成により界面活性剤と分散溶媒とを除去するが、十分に除去できずにそれらが多孔質部材中に残留することが有り得る。従って、「導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材」とは、炭素繊維を基材として使用しない自己支持体構造である限り、そのようにして残留した界面活性剤と分散溶媒が多孔質部材に含まれてもよいことを意味する。また、炭素繊維を基材として基材として使用しない自己支持体構造であれば、他の材料(例えば、短繊維の炭素繊維など)が多孔質部材に含まれてもよいことも意味する。   The gas diffusion layer 14 is configured by a so-called base material-less gas diffusion layer configured without using carbon fiber as a base material. Specifically, the gas diffusion layer 14 is composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin. Here, the “porous member mainly composed of conductive particles and polymer resin” means a structure (so-called self-supporting structure) that is supported only by conductive particles and polymer resin without using carbon fiber as a base material. It means a porous member having a support structure. When producing a porous member with conductive particles and a polymer resin, for example, a surfactant and a dispersion solvent are used. In this case, during the production process, the surfactant and the dispersion solvent are removed by firing, but they may not be sufficiently removed and may remain in the porous member. Therefore, as long as the “porous member mainly composed of conductive particles and polymer resin” has a self-supporting structure in which carbon fiber is not used as a base material, the surfactant and the dispersion remaining in this manner are dispersed. It means that a solvent may be included in the porous member. In addition, if the self-supporting structure does not use carbon fibers as a base material, it means that other materials (for example, carbon fibers of short fibers) may be included in the porous member.

ガス拡散層14は、高分子樹脂と導電性粒子とを含む混合物を混練して、押出し、圧延してから、焼成することにより製造することができる。具体的には、導電性粒子であるカーボンと分散溶媒、界面活性剤を攪拌・混錬機に投入後、混錬して粉砕・造粒して、カーボンを分散溶媒中に分散させる。次いで、高分子樹脂であるフッ素樹脂をさらに攪拌・混錬機に投下して、攪拌及び混錬して、カーボンとフッ素樹脂を分散する。得られた混錬物を圧延してシートを形成し、焼成して分散溶媒、界面活性剤を除去する。これにより、シート状のガス拡散層14を製造することができる。   The gas diffusion layer 14 can be manufactured by kneading, extruding, rolling, and firing a mixture containing a polymer resin and conductive particles. Specifically, carbon, which is conductive particles, a dispersion solvent, and a surfactant are introduced into a stirrer / kneader, and then kneaded, pulverized, and granulated to disperse the carbon in the dispersed solvent. Next, the fluororesin, which is a polymer resin, is further dropped into a stirrer / kneader and stirred and kneaded to disperse the carbon and the fluororesin. The obtained kneaded material is rolled to form a sheet and fired to remove the dispersion solvent and the surfactant. Thereby, the sheet-like gas diffusion layer 14 can be manufactured.

ガス拡散層14を構成する導電性粒子の材料としては、例えば、グラファイト、カーボンブラック、活性炭などのカーボン材料が挙げられる。前記カーボンブラックとしては、アセチレンブラック(AB)、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、バルカンなどが挙げられ、これらの材料を単独で使用してもよく、また、複数の材料を組み合わせて使用してもよい。また、カーボン材料の原料形態としては、粉末状、繊維状、粒状等のいずれの形状であってもよい。   Examples of the material of the conductive particles constituting the gas diffusion layer 14 include carbon materials such as graphite, carbon black, and activated carbon. Examples of the carbon black include acetylene black (AB), furnace black, ketjen black, vulcan, and the like. These materials may be used alone, or a plurality of materials may be used in combination. . In addition, the raw material form of the carbon material may be any shape such as powder, fiber, and granule.

ガス拡散層14を構成する高分子樹脂の材料としては、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、FEP(テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体)、PVDF(ポリビニリデンフルオライド)、ETFE(テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体)、PCTFE(ポリクロロトリフルオロエチレン)、PFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)等が挙げられる。これらの中でも、高分子樹脂の材料としてPTFEが使用されることが、耐熱性、撥水性、耐薬品性の観点から好ましい。PTFEの原料形態としては、ディスパージョン、粉末状などがあげられる。それらの中でも、PTFEの原料形態としてディスパージョンが採用されることが、作業性の観点から好ましい。なお、ガス拡散層14を構成する高分子樹脂は、導電性粒子同士を結着するバインダーとしての機能を有する。また、前記高分子樹脂は、撥水性を有するため、燃料電池の内部にて水を系内に閉じ込める機能(保水性)も有する。   Materials for the polymer resin constituting the gas diffusion layer 14 include PTFE (polytetrafluoroethylene), FEP (tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer), PVDF (polyvinylidene fluoride), ETFE (tetrafluoroethylene). -Ethylene copolymer), PCTFE (polychlorotrifluoroethylene), PFA (tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer) and the like. Among these, PTFE is preferably used as the polymer resin material from the viewpoints of heat resistance, water repellency, and chemical resistance. Examples of the raw material form of PTFE include dispersion and powder. Among these, it is preferable from the viewpoint of workability that a dispersion is adopted as a raw material form of PTFE. The polymer resin constituting the gas diffusion layer 14 has a function as a binder for binding the conductive particles. Further, since the polymer resin has water repellency, it also has a function (water retention) for confining water in the system inside the fuel cell.

また、ガス拡散層14には、上述したように、導電性粒子及び高分子樹脂以外に、該カソードガス拡散層の製造時に使用する界面活性剤及び分散溶媒などが微量含まれていてもよい。分散溶媒としては、例えば、水、メタノール及びエタノール等のアルコール類、エチレングリコール等のグリコール類が挙げられる。界面活性剤としては、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテルなどのノニオン系、アルキルアミンオキシドなどの両性イオン系が挙げられる。製造時に使用する分散溶媒の量及び界面活性剤の量は、導電性粒子の種類、高分子樹脂の種類、それらの配合比率などに応じて適宜設定すればよい。なお、一般的には、分散溶媒の量、界面活性剤の量が多いほど、高分子樹脂と導電性粒子が均一分散しやすい傾向がある一方で、流動性が高くなり、ガス拡散層のシート化が難しくなる傾向がある。なお、界面活性剤は、導電性粒子の材料、分散溶媒の種類により適宜選択することができる。また、界面活性剤を使用しなくてもよい。   Further, as described above, the gas diffusion layer 14 may contain a trace amount of a surfactant and a dispersion solvent used in the production of the cathode gas diffusion layer in addition to the conductive particles and the polymer resin. Examples of the dispersion solvent include water, alcohols such as methanol and ethanol, and glycols such as ethylene glycol. Examples of the surfactant include nonionic compounds such as polyoxyethylene alkyl ethers and zwitterionic compounds such as alkylamine oxides. What is necessary is just to set suitably the quantity of the dispersion solvent used at the time of manufacture, and the quantity of surfactant according to the kind of electroconductive particle, the kind of polymer resin, those compounding ratios, etc. In general, as the amount of the dispersion solvent and the amount of the surfactant increases, the polymer resin and the conductive particles tend to be uniformly dispersed, but the fluidity increases and the sheet of the gas diffusion layer is increased. It tends to be difficult. The surfactant can be appropriately selected depending on the material of the conductive particles and the type of the dispersion solvent. Moreover, it is not necessary to use a surfactant.

なお、ガス拡散層14は、カソード電極側及びアノード電極側において同じ構造のガス拡散層を用いても、異なる構造のガス拡散層を用いてもよい。例えば、カソード電極側及びアノード電極側のいずれか一方に炭素繊維を基材としたガス拡散層を用い、いずれか他方に前記基材レスガス拡散層を用いてもよい。   In addition, the gas diffusion layer 14 may use a gas diffusion layer having the same structure or a gas diffusion layer having a different structure on the cathode electrode side and the anode electrode side. For example, a gas diffusion layer using carbon fiber as a base material may be used on either the cathode electrode side or the anode electrode side, and the base material-less gas diffusion layer may be used on either side.

枠体20の材料としては、一般的な熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂などを用いることができる。例えば、枠体20の材料として、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイミド系樹脂、アクリル樹脂、ABS樹脂、ポリプロピレン、液晶性ポリマー、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリスルホン、ガラス繊維強化樹脂などを用いることができる。   As a material of the frame body 20, a general thermoplastic resin, a thermosetting resin, or the like can be used. For example, as a material of the frame 20, silicon resin, epoxy resin, melamine resin, polyurethane resin, polyimide resin, acrylic resin, ABS resin, polypropylene, liquid crystalline polymer, polyphenylene sulfide resin, polysulfone, glass fiber reinforced resin, etc. Can be used.

次に、本実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の製造方法について説明する。図3A〜図3Cは、本実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の製造方法を模式的に示す説明図である。   Next, the manufacturing method of the electrode-membrane-frame assembly according to the present embodiment will be described. 3A to 3C are explanatory views schematically showing a method for manufacturing the electrode-membrane-frame assembly according to the present embodiment.

本実施形態にかかる製造方法においては、金型として、第1金型T1と第2金型T2とを用いる。第1金型T1の内面には、先端部が尖っている(くさび状の)周縁部押さえ用の突起部T1aが設けられている。突起部T1aは、図4に示すように、環状に形成されている。同様に、第2金型T1の内面には、先端部が尖っている周縁部押さえ用の突起部T2aが設けられている。突起部T2aは、突起部T1aと同様に、環状に形成されている。また、第1金型T1には、溶融した樹脂材料を金型内に流し込むためのゲートT1bが設けられている。なお、当該ゲートは、第2金型T2に設けられてもよい。   In the manufacturing method according to the present embodiment, the first mold T1 and the second mold T2 are used as molds. On the inner surface of the first mold T1, there is provided a protrusion T1a for pressing the peripheral edge with a sharp tip (wedge shape). The protrusion T1a is formed in an annular shape as shown in FIG. Similarly, the inner surface of the second mold T1 is provided with a peripheral edge pressing protrusion T2a having a sharp tip. The protrusion T2a is formed in an annular shape, like the protrusion T1a. The first mold T1 is provided with a gate T1b for pouring the molten resin material into the mold. The gate may be provided in the second mold T2.

まず、図3Aに示すように、第2金型T2の突起部T2aが一方のガス拡散層14の周縁部に突き刺さるように、第2金型T2にMEA10を配置する。これにより、MEA10のガス拡散層14の面方向(図3Aでは横方向)の移動を規制する。なお、「周縁部」とは、電極−膜−枠接合体1が燃料電池に搭載されたときに、電極−膜−枠接合体1の厚さ方向から見た場合に、主にガス拡散層14の端部の近傍に位置する領域を意味する。   First, as shown in FIG. 3A, the MEA 10 is disposed in the second mold T2 such that the protrusion T2a of the second mold T2 pierces the peripheral edge of one gas diffusion layer 14. Thereby, the movement of the gas diffusion layer 14 of the MEA 10 in the surface direction (lateral direction in FIG. 3A) is restricted. The “peripheral portion” mainly refers to a gas diffusion layer when the electrode-membrane-frame assembly 1 is mounted on a fuel cell and viewed from the thickness direction of the electrode-membrane-frame assembly 1. 14 means an area located in the vicinity of the end of 14.

次いで、図3Bに示すように、第1金型T1の突起部T1aが他方のガス拡散層14の周縁部に突き刺さるように、第1金型T1と第2金型T2とを型閉じする。このとき、第1金型T1の突起部T1aは、図5の矢印で示すように、ガス拡散層14をかき分けるように押圧する。すなわち、当該ガス拡散層14に対する突起部T1aの圧縮力は、主として突起部T1aの側方に加わり、突起部T1aの下方にはほとんど加わらない。その結果、高分子電解質膜11が機械的ダメージを受けることを避けることができる。また、ガス拡散層14において、突起部T1aの周囲に位置する部分の多孔度は低くなり、突起部T1aの先端部の下方に位置する部分の多孔度は突起部T1aの周囲に比べて高くなる。なお、図5に示す複数の黒丸は、密度の違いを示すために便宜的に付したものであり、黒丸が多いほど密度が高いことを示す。多孔度は密度の逆数に比例する。「多孔度が高い」ことは「密度が低い」ことに対応し、「多孔度が低い」ことは「密度が高い」ことに対応する。なお、前記では、第1金型T1の突起部T1aがガス拡散層14に加える押圧力について説明したが、第2金型T2の突起部T2aがガス拡散層14に加える押圧力についても同様であるので説明を省略している。   Next, as shown in FIG. 3B, the first mold T1 and the second mold T2 are closed so that the protrusion T1a of the first mold T1 pierces the peripheral edge of the other gas diffusion layer 14. At this time, the protrusion T1a of the first mold T1 presses the gas diffusion layer 14 so as to be separated as indicated by the arrows in FIG. That is, the compressive force of the protrusion T1a against the gas diffusion layer 14 is mainly applied to the side of the protrusion T1a and hardly applied below the protrusion T1a. As a result, the polymer electrolyte membrane 11 can be prevented from being mechanically damaged. In the gas diffusion layer 14, the porosity of the portion located around the protrusion T1a is low, and the porosity of the portion located below the tip of the protrusion T1a is higher than that around the protrusion T1a. . Note that the plurality of black circles shown in FIG. 5 are given for convenience in order to show the difference in density, and the more black circles, the higher the density. Porosity is proportional to the inverse of density. “High porosity” corresponds to “low density” and “low porosity” corresponds to “high density”. In the above description, the pressing force applied by the projection T1a of the first mold T1 to the gas diffusion layer 14 has been described. The same applies to the pressing force applied by the projection T2a of the second mold T2 to the gas diffusion layer 14. The explanation is omitted because it exists.

次いで、図3Cに示すように、第1金型T1に設けられたゲートT1bを通じて第1金型T1と第2金型T2との間の空間(すなわち、金型内)に溶融した樹脂材料を流し込んで枠体20を射出成形する。この際、ガス拡散層14がその側面から射出圧力を受けても、その射出圧力は、ガス拡散層14内に埋まって存在する突起部T1a,T2aによって打ち消されるので、ガス拡散層14がその中心部に向かって横滑りすることを防ぐことができる。   Next, as shown in FIG. 3C, the molten resin material is introduced into the space between the first mold T1 and the second mold T2 (that is, in the mold) through the gate T1b provided in the first mold T1. The frame 20 is injected and molded. At this time, even if the gas diffusion layer 14 receives an injection pressure from its side surface, the injection pressure is canceled by the projections T1a and T2a existing in the gas diffusion layer 14, so that the gas diffusion layer 14 has its center It is possible to prevent a skidding toward the part.

なお、前記では、第1金型T1及び第2金型T2の両方に突起部を設けるようにしたが、いずれか一方のみに設けてもよい。この場合でも、ガス拡散層14が横滑りすることを防ぐことができる。   In the above description, the protrusions are provided on both the first mold T1 and the second mold T2. However, the protrusions may be provided on only one of them. Even in this case, the gas diffusion layer 14 can be prevented from sliding.

次に、本実施形態にかかる電極−膜−枠接合体1を備える燃料電池(単電池)2について説明する。図6は、本実施形態にかかる電極−膜−枠接合体1を備える燃料電池2の基本構成を模式的に示す断面図である。   Next, a fuel cell (unit cell) 2 including the electrode-membrane-frame assembly 1 according to the present embodiment will be described. FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a basic configuration of a fuel cell 2 including the electrode-membrane-frame assembly 1 according to the present embodiment.

図6に示すように、燃料電池2は、電極−膜−枠接合体1を一対のセパレータ30,340で挟持するように構成されている。一対のセパレータ30,40は、好ましくは、カーボンを含む材質や金属を含む材質で構成される。一方のセパレータ(アノードセパレータ)30のガス拡散層14と接触する主面(以下、電極面ともいう)には、燃料ガス用のガス流路31が設けられている。また、他方のセパレータ(カソードセパレータ)40のガス拡散層14と接触する主面(以下、電極面ともいう)には、酸化剤ガス用のガス流路41が設けられている。一方のセパレータ30のガス流路31に燃料ガスを供給し、他方のセパレータ40のガス流路41に酸化剤ガスを供給することで、電気化学反応が起こり、電力と熱とが発生する。   As shown in FIG. 6, the fuel cell 2 is configured such that the electrode-membrane-frame assembly 1 is sandwiched between a pair of separators 30 and 340. The pair of separators 30 and 40 is preferably made of a material containing carbon or a material containing metal. A gas flow path 31 for fuel gas is provided on a main surface (hereinafter also referred to as an electrode surface) of one separator (anode separator) 30 that contacts the gas diffusion layer 14. A gas channel 41 for oxidizing gas is provided on the main surface (hereinafter also referred to as electrode surface) of the other separator (cathode separator) 40 that contacts the gas diffusion layer 14. By supplying the fuel gas to the gas flow path 31 of one separator 30 and supplying the oxidant gas to the gas flow path 41 of the other separator 40, an electrochemical reaction occurs, and electric power and heat are generated.

なお、燃料電池2を電源として使うときには、図6に示す燃料電池(単電池)2を必要とする個数だけ直列に連結して、いわゆる燃料電池スタックとして使用することができる。この場合、ガス流路31,41に反応ガス(燃料ガス又は酸化剤ガス)を供給するためには、使用するセパレータ30,40の枚数に対応する数に反応ガスを分岐し、それらの分岐先をガス流路31,41につなぐマニホールドが必要となる。   When the fuel cell 2 is used as a power source, the required number of fuel cells (unit cells) 2 shown in FIG. 6 can be connected in series and used as a so-called fuel cell stack. In this case, in order to supply the reaction gas (fuel gas or oxidant gas) to the gas flow paths 31 and 41, the reaction gas is branched into a number corresponding to the number of separators 30 and 40 to be used, and the branch destinations thereof. Is required to connect the gas flow paths 31 and 41 to each other.

図7は、燃料電池2を複数個連結した燃料電池スタック3の基本構成を示す分解斜視図である。図7に示すように、枠体20及び一対のセパレータ30,40には、それぞれ、燃料ガスが供給される一対の貫通孔である燃料ガスマニホールド孔22,32,42が設けられている。また、枠体20及び一対のセパレータ30,40には、それぞれ、酸化剤ガスが流通する一対の貫通孔である酸化剤ガスマニホールド孔23,33,43が設けられている。枠体20及び一対のセパレータ30,40が、燃料電池(単電池)2として連結された状態では、燃料ガスマニホールド孔22,32,42が連結され、燃料ガスマニホールドが形成される。同様に、枠体20及び一対のセパレータ30,40が、燃料電池(単電池)2として連結された状態では、酸化剤ガスマニホールド孔23,33,43が連結され、酸化剤ガスマニホールドが形成される。   FIG. 7 is an exploded perspective view showing a basic configuration of a fuel cell stack 3 in which a plurality of fuel cells 2 are connected. As shown in FIG. 7, the frame 20 and the pair of separators 30 and 40 are provided with fuel gas manifold holes 22, 32 and 42, which are a pair of through holes to which fuel gas is supplied, respectively. The frame 20 and the pair of separators 30 and 40 are provided with oxidant gas manifold holes 23, 33, and 43, which are a pair of through holes through which the oxidant gas flows. In a state where the frame 20 and the pair of separators 30 and 40 are connected as the fuel cell (unit cell) 2, the fuel gas manifold holes 22, 32, and 42 are connected to form a fuel gas manifold. Similarly, in a state where the frame 20 and the pair of separators 30 and 40 are connected as the fuel cell (unit cell) 2, the oxidant gas manifold holes 23, 33 and 43 are connected to form an oxidant gas manifold. The

また、枠体20及び一対のセパレータ30,40には、冷却媒体(例えば、純水やエチレングリコール)が流通するそれぞれ二対の貫通孔である冷却媒体マニホールド孔24,34,44が設けられている。枠体20及び一対のセパレータ30,40が、燃料電池(単電池)2として連結された状態では、冷却媒体マニホールド孔24,34,44が連結され、二対の冷却媒体マニホールドが形成される。   The frame body 20 and the pair of separators 30 and 40 are provided with cooling medium manifold holes 24, 34, and 44, which are two pairs of through holes, respectively, through which a cooling medium (for example, pure water or ethylene glycol) flows. Yes. In a state where the frame 20 and the pair of separators 30 and 40 are connected as the fuel cell (unit cell) 2, the cooling medium manifold holes 24, 34 and 44 are connected to form two pairs of cooling medium manifolds.

また、枠体20及び一対のセパレータ30,40には、それぞれの角部の近傍に4つのボルト孔50が設けられている。各ボルト孔50に締結ボルトが挿通され、当該締結ボルトにナットが結合することによって複数の燃料電池2が締結される。   The frame body 20 and the pair of separators 30 and 40 are provided with four bolt holes 50 in the vicinity of each corner. A fastening bolt is inserted into each bolt hole 50, and a plurality of fuel cells 2 are fastened by coupling a nut to the fastening bolt.

ガス流路31は、一対の燃料ガスマニホールド32,32間を結ぶように設けられている。ガス流路41は、一対の酸化剤ガスマニホールド43,43間を結ぶように設けられている。なお、図7では、ガス流路31,41をサーペンタイン型の流路として示したが、その他の形態(例えば直線型)の流路であってもよい。   The gas flow path 31 is provided so as to connect the pair of fuel gas manifolds 32, 32. The gas flow path 41 is provided so as to connect the pair of oxidant gas manifolds 43, 43. In addition, in FIG. 7, although the gas flow paths 31 and 41 were shown as a serpentine type flow path, the flow path of another form (for example, linear type) may be sufficient.

また、セパレータ30の電極面とは反対側の主面及びセパレータ40の電極面とは反対側の主面には、図示していないが、それぞれ冷却媒体流路が形成されている。冷却媒体流路は、二対の冷却媒体マニホールド孔34,44間を結ぶように形成されている。すなわち、冷却媒体がそれぞれ供給側の冷却媒体マニホールドから冷却媒体流路に分岐して、それぞれ排出側の冷却媒体マニホールドに流通するように構成されている。これにより、冷却媒体の伝熱能力を利用して、燃料電池2を電気化学反応に適した所定の温度に保つようにしている。   Moreover, although not shown in figure, the cooling medium flow path is formed in the main surface on the opposite side to the electrode surface of the separator 30, and the main surface on the opposite side to the electrode surface of the separator 40, respectively. The cooling medium flow path is formed so as to connect the two pairs of cooling medium manifold holes 34 and 44. That is, the cooling medium is configured to branch from the cooling medium manifold on the supply side to the cooling medium flow path and to flow to the cooling medium manifold on the discharge side. Thus, the fuel cell 2 is maintained at a predetermined temperature suitable for the electrochemical reaction by utilizing the heat transfer capability of the cooling medium.

なお、前記では、セパレータ30,40に燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水の各マニホールド孔を設け、積層した際に燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水の各供給マニホールドが形成されるように構成した、いわゆる内部マニホールド方式の燃料電池を例示して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、燃料電池スタック3の側面に燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水の各供給マニホールドを設けた、いわゆる外部マニホールド方式の燃料電池であってもよい。この場合でも、同様の効果を得ることができる。また、セパレータ30,40を多孔状の導電材にて形成し、冷却媒体流路を流れる冷却水の圧力が、ガス流路31,41を流れる反応ガスの圧力よりも高くなるようにして、冷却水の一部を電極面側にセパレータ30,40を透過させて、高分子電解質膜11を湿らせる、いわゆる内部加湿型の燃料電池であってもよい。   In the above description, the manifolds for the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling water are provided in the separators 30 and 40, and the supply manifolds for the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling water are formed when they are stacked. The so-called internal manifold type fuel cell configured as described above has been described as an example, but the present invention is not limited to this. For example, a so-called external manifold type fuel cell in which supply manifolds of fuel gas, oxidant gas, and cooling water are provided on the side surface of the fuel cell stack 3 may be used. Even in this case, the same effect can be obtained. Further, the separators 30 and 40 are formed of a porous conductive material, and cooling is performed so that the pressure of the cooling water flowing through the cooling medium flow path is higher than the pressure of the reaction gas flowing through the gas flow paths 31 and 41. A so-called internal humidification type fuel cell in which a part of water is allowed to pass through the separators 30 and 40 to the electrode surface side to wet the polymer electrolyte membrane 11 may be used.

また、前記では、セパレータ30,40にガス流路31,41を設けるようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図8に示すように、一方のガス拡散層14にガス流路31を設け、他方のガス拡散層14にガス流路41を設けるようにしてもよい。また、セパレータ30と一方のガス拡散層14の両方にガス流路31を形成するようにしてもよい。また、セパレータ40と他方のガス拡散層14の両方にガス流路41を形成するようにしてもよい。   In the above description, the gas flow paths 31 and 41 are provided in the separators 30 and 40. However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 8, the gas flow path 31 may be provided in one gas diffusion layer 14 and the gas flow path 41 may be provided in the other gas diffusion layer 14. Further, the gas flow path 31 may be formed in both the separator 30 and the one gas diffusion layer 14. Further, the gas flow path 41 may be formed in both the separator 40 and the other gas diffusion layer 14.

次に、第1金型T1の突起部T1aの好ましい形状、高さ、及び断面積について説明する。なお、第2金型T2の突起部T2aの好ましい形状、高さ、及び断面積は、第1金型T1の突起部T1aと同様であるので説明は省略する。   Next, a preferable shape, height, and cross-sectional area of the protrusion T1a of the first mold T1 will be described. In addition, since the preferable shape, height, and cross-sectional area of the projection part T2a of the 2nd metal mold | die T2 are the same as that of the projection part T1a of the 1st metal mold | die T1, description is abbreviate | omitted.

突起部T1aは、ガス拡散層14に突き刺された際、ガス拡散層14の突起部T1aの先端部の下方に位置する部分の多孔度を低下させない形状であればよい。このような突起部T1aの形状としては、図5に示したような三角形の他、図9Aに示すような五角形、図9Bに示すような三角形の先端を僅かに丸めた形状などが挙げられる。   The protrusion T1a may have any shape that does not reduce the porosity of the portion of the gas diffusion layer 14 located below the tip of the protrusion T1a when stabbed into the gas diffusion layer 14. Examples of the shape of the projection T1a include a triangle as shown in FIG. 5, a pentagon as shown in FIG. 9A, and a shape obtained by slightly rounding the tip of the triangle as shown in FIG. 9B.

また、突起部T1aの頂角θは、小さくすればするほど、ガス拡散層14の突起部T1aの先端部の下方に位置する部分の多孔度の低下を抑えることができる。このため、突起部T1aの頂角θは、好ましくは90°以下とし、より好ましくは45°以下とする。また、突起部T1aの頂角θは、さらに好ましくは30°以下とし、特に好ましくは15°以下とする。   Further, as the apex angle θ of the protrusion T1a is reduced, the porosity of the portion of the gas diffusion layer 14 located below the tip end of the protrusion T1a can be suppressed. For this reason, the apex angle θ of the protrusion T1a is preferably 90 ° or less, and more preferably 45 ° or less. Further, the apex angle θ of the protrusion T1a is more preferably 30 ° or less, and particularly preferably 15 ° or less.

また、突起部T1aの高さは、ガス拡散層14の厚さ未満であることが好ましい。これにより、突起部T1aがガス拡散層14を貫通して高分子電解質膜11に突き刺されることを防ぐことができる。ここで、ガス拡散層14の厚さとは、第1金型T1と第2金型T2とを型閉じした状態におけるガス拡散層14の厚さをいう。また、突起部T1aの高さは、ガス拡散層14の製造バラツキを考慮して、好ましくはガス拡散層14の厚さの95%以下とする。   Further, the height of the protrusion T1a is preferably less than the thickness of the gas diffusion layer 14. Thereby, it can prevent that protrusion part T1a penetrates the gas diffusion layer 14, and is pierced by the polymer electrolyte membrane 11. FIG. Here, the thickness of the gas diffusion layer 14 refers to the thickness of the gas diffusion layer 14 in a state where the first mold T1 and the second mold T2 are closed. Further, the height of the protrusion T1a is preferably 95% or less of the thickness of the gas diffusion layer 14 in consideration of manufacturing variations of the gas diffusion layer 14.

また、突起部T1aの高さは、好ましくはガス拡散層14の厚さの50%以上とし、より好ましくは75%以上とする。これにより、ガス拡散層14の横滑りをより確実に防ぐことができる。また、突起部T1aによりガス拡散層14の発電に寄与する内側領域に溶融した樹脂が流れ込むことを抑えることができるので、燃料電池2の発電性能の低下を抑えることができる。   Further, the height of the protrusion T1a is preferably 50% or more of the thickness of the gas diffusion layer 14, and more preferably 75% or more. Thereby, the side slip of the gas diffusion layer 14 can be prevented more reliably. In addition, since the molten resin can be prevented from flowing into the inner region that contributes to the power generation of the gas diffusion layer 14 by the protrusion T1a, a decrease in the power generation performance of the fuel cell 2 can be suppressed.

また、突起部T1aにより形成される突起痕14aの断面積は、図6又は図8で示したガス流路31の断面積よりも小さくすることが好ましい。その理由は、以下の通りである。   Moreover, it is preferable to make the cross-sectional area of the protrusion trace 14a formed by the protrusion T1a smaller than the cross-sectional area of the gas flow path 31 shown in FIG. The reason is as follows.

図1及び図2に示すように、本実施形態の電極−膜−枠接合体の製造方法により製造された電極−膜−枠接合体1のガス拡散層14の周縁部には、突起部T1aの形状が転写された突起痕14aが形成される。この突起痕14aが形成された電極−膜−枠接合体1を用いて燃料電池2を製造し、当該燃料電池2の内部に反応ガスを供給すると、当該反応ガスが、突起痕14a内に流れ、ガス流路31に流れることなく燃料電池2の外部に排出されることが起こり得る。以下、この現象をガスの回り込み現象という。このガスの回り込み現象が発生すると、反応ガスの利用効率が低下し、燃料電池2の発電性能が低下することになる。   As shown in FIGS. 1 and 2, a protrusion T <b> 1 a is formed at the peripheral portion of the gas diffusion layer 14 of the electrode-membrane-frame assembly 1 manufactured by the electrode-membrane-frame assembly manufacturing method of the present embodiment. A protrusion mark 14a having the shape transferred is formed. When the fuel cell 2 is manufactured using the electrode-membrane-frame assembly 1 in which the protrusion marks 14a are formed and the reaction gas is supplied into the fuel cell 2, the reaction gas flows into the protrusion marks 14a. It is possible that the fuel cell 2 is discharged to the outside without flowing into the gas flow path 31. Hereinafter, this phenomenon is referred to as a gas wraparound phenomenon. When this gas wraparound phenomenon occurs, the utilization efficiency of the reaction gas decreases, and the power generation performance of the fuel cell 2 decreases.

このガスの回り込み現象を防ぐには、突起痕14aの断面積を突起痕14aの近傍に位置するガス流路31の断面積よりも小さくすることが有効である。このため、突起痕14aの断面積は、好ましくは突起痕14aの近傍に位置するガス流路31の断面積の75%以下とし、より好ましくは50%以下とし、さらに好ましくは25%以下とする。なお、突起痕14aの近傍に位置するガス流路31とは、燃料電池2を厚さ方向(図6又は図8では上下方向)から見たとき、突起痕14aの最も近くに位置するガス流路31を意味する。   In order to prevent this gas wraparound phenomenon, it is effective to make the cross-sectional area of the protrusion trace 14a smaller than the cross-sectional area of the gas flow path 31 located in the vicinity of the protrusion trace 14a. For this reason, the cross-sectional area of the protrusion mark 14a is preferably 75% or less, more preferably 50% or less, and further preferably 25% or less of the cross-sectional area of the gas flow path 31 located in the vicinity of the protrusion mark 14a. . The gas flow path 31 located in the vicinity of the projection mark 14a is a gas flow located closest to the projection mark 14a when the fuel cell 2 is viewed from the thickness direction (vertical direction in FIG. 6 or FIG. 8). This means the road 31.

以上、本実施形態にかかる電極−膜−枠接合体の製造方法によれば、突起部T1a,T2aをガス拡散層14の周縁部に突き刺して、ガス拡散層14の面方向に移動を規制した状態で枠体20を射出成形するようにしているので、ガス拡散層14の横滑りを防止すると共に、高分子電解質膜11が機械的ダメージを受けることを避けることができる。よって、燃料電池の発電性能及び耐久性を一層向上させることができる。   As described above, according to the method for manufacturing the electrode-membrane-frame assembly according to the present embodiment, the protrusions T1a and T2a are pierced into the peripheral portion of the gas diffusion layer 14 to restrict movement in the surface direction of the gas diffusion layer 14. Since the frame body 20 is injection-molded in this state, it is possible to prevent the gas diffusion layer 14 from slipping and to prevent the polymer electrolyte membrane 11 from being mechanically damaged. Therefore, the power generation performance and durability of the fuel cell can be further improved.

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can implement in another various aspect.

本発明にかかる膜−電極−枠接合体の製造方法は、燃料電池の発電性能及び耐久性を一層向上させることができるので、例えば、自動車などの移動体、分散発電システム、家庭用のコージェネレーションシステムなどの駆動源として使用される燃料電池が備える膜−触媒層接合体の製造方法として有用である。   The method for manufacturing a membrane-electrode-frame assembly according to the present invention can further improve the power generation performance and durability of a fuel cell. For example, a mobile body such as an automobile, a distributed power generation system, and a household cogeneration system This is useful as a method for producing a membrane-catalyst layer assembly provided in a fuel cell used as a drive source for a system or the like.

1 電極−膜−枠接合体
2 燃料電池
3 燃料電池スタック
10 MEA(膜電極接合体)
11 高分子電解質膜
12 電極層
13 触媒層
14 ガス拡散層
14a 突起痕
20 枠体
30,40 セパレータ
31,41 ガス流路
T1,T2 第1,第2金型
T1a,T2a 突起部
T1b ゲート
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrode-membrane-frame assembly 2 Fuel cell 3 Fuel cell stack 10 MEA (membrane electrode assembly)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Polymer electrolyte membrane 12 Electrode layer 13 Catalyst layer 14 Gas diffusion layer 14a Protrusion trace 20 Frame body 30,40 Separator 31,41 Gas flow path T1, T2 1st, 2nd metal mold T1a, T2a Protrusion part T1b Gate

Claims (10)

高分子電解質膜の両面に触媒層とガス拡散層とを順に積層した膜電極接合体の周縁部に枠体を形成した電極−膜−枠接合体の製造方法であって、
金型の内面に設けられた先端部が尖っている突起部を前記ガス拡散層の周縁部に突き刺して、当該ガス拡散層の面方向の移動を規制した状態で、前記金型内に溶融した樹脂材料を流し込んで前記枠体を射出成形する、
ことを含む、電極−膜−枠接合体の製造方法。
A method for producing an electrode-membrane-frame assembly in which a frame body is formed on the peripheral edge of a membrane electrode assembly in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are sequentially laminated on both surfaces of a polymer electrolyte membrane,
A protrusion provided on the inner surface of the mold with a sharp tip is pierced into the peripheral edge of the gas diffusion layer and melted in the mold in a state where movement in the surface direction of the gas diffusion layer is restricted. Pour resin material and injection mold the frame,
Manufacturing method of an electrode-membrane-frame assembly.
前記ガス拡散層は、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分とした多孔質部材から構成されている、請求項1に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。   The method for producing an electrode-membrane-frame assembly according to claim 1, wherein the gas diffusion layer is composed of a porous member mainly composed of conductive particles and a polymer resin. 前記突起部の高さは、前記ガス拡散層の厚さ未満である、請求項1に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。   The method of manufacturing an electrode-membrane-frame assembly according to claim 1, wherein the height of the protrusion is less than the thickness of the gas diffusion layer. 前記突起部の高さは、前記ガス拡散層の厚さの50%以上〜95%未満である、請求項3に記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。   The method of manufacturing an electrode-membrane-frame assembly according to claim 3, wherein the height of the protrusion is 50% or more and less than 95% of the thickness of the gas diffusion layer. 前記突起部の断面形状が三角形である、請求項1〜4のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。   The method for producing an electrode-membrane-frame assembly according to any one of claims 1 to 4, wherein a cross-sectional shape of the protrusion is a triangle. 前記突起部の頂角が90°以下である、請求項1〜5のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。   The method for producing an electrode-membrane-frame assembly according to any one of claims 1 to 5, wherein the protrusion has an apex angle of 90 ° or less. 前記突起部の頂角が45°以下である、請求項1〜5のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。   The method for producing an electrode-membrane-frame assembly according to any one of claims 1 to 5, wherein the protrusion has an apex angle of 45 ° or less. 前記突起部は、前記金型の厚さ方向から見て環状に設けられている、請求項1〜7のいずれか1つに記載の電極−膜−枠接合体の製造方法。   The method of manufacturing an electrode-membrane-frame assembly according to any one of claims 1 to 7, wherein the protrusion is provided in an annular shape when viewed from the thickness direction of the mold. 高分子電解質膜の両面に触媒層とガス拡散層とを順に積層した膜電極接合体の周縁部に枠体を形成した電極−膜−枠接合体と、前記電極−膜−枠接合体を挟持する一対のセパレータとを有する燃料電池の製造方法であって、
金型の内面に設けられた先端部が尖っている突起部を前記ガス拡散層の周縁部に突き刺して、当該ガス拡散層の面方向の移動を規制した状態で、前記金型内に溶融した樹脂材料を流し込んで前記枠体を射出成形する、
ことを含む、燃料電池の製造方法。
An electrode-membrane-frame assembly in which a frame body is formed on the periphery of a membrane electrode assembly in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are sequentially laminated on both surfaces of the polymer electrolyte membrane, and the electrode-membrane-frame assembly is sandwiched A method of manufacturing a fuel cell having a pair of separators,
A protrusion provided on the inner surface of the mold with a sharp tip is pierced into the peripheral edge of the gas diffusion layer and melted in the mold in a state where movement in the surface direction of the gas diffusion layer is restricted. Pour resin material and injection mold the frame,
The manufacturing method of a fuel cell including this.
前記セパレータ及び前記ガス拡散層の少なくとも一方には、ガス流路が設けられ、
前記突起部が前記ガス拡散層に突き刺さることにより形成された突起痕の断面積は、前記突起痕の近傍に位置するガス流路の断面積よりも小さい、請求項9に記載の燃料電池の製造方法。
At least one of the separator and the gas diffusion layer is provided with a gas flow path,
10. The fuel cell manufacturing according to claim 9, wherein a cross-sectional area of a protrusion trace formed by the protrusion protruding into the gas diffusion layer is smaller than a cross-sectional area of a gas flow channel located in the vicinity of the protrusion trace. Method.
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CN105304911A (en) * 2015-11-27 2016-02-03 上海空间电源研究所 Fuel cell electrode structure and preparation method thereof
CN115133064A (en) * 2021-03-25 2022-09-30 中国科学院大连化学物理研究所 Fuel cell/electrolytic cell membrane electrode frame

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