(57)【要約】【課題】セパレータとシール部材を十分な接着力で確実に接着させることができる、燃料電池セルの製造方法を提供する。【解決手段】セパレータ及びシール部材を備える燃料電池セルの製造方法は、水を用いて前記セパレータを洗浄すること（Ｓ１）と、洗浄後に、前記セパレータに１１０ｋｃａｌ／ｍｏｌ以上のエネルギーを有する紫外光を照射して、前記セパレータに付着した水分を除去すること（Ｓ２）と、紫外光照射後に、前記セパレータに水分が再付着する前に前記セパレータを前記シール部材に接着すること（Ｓ３）とを含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレータ及び前記セパレータに接着されたシール部材を備える燃料電池セルの製造方法であって、
水を用いて前記セパレータを洗浄することと、
洗浄後に、前記セパレータに１１０ｋｃａｌ／ｍｏｌ以上のエネルギーを有する紫外光を照射して、前記セパレータに付着した水分を除去することと、
紫外光照射後に、前記セパレータに水分が再付着する前に前記セパレータを前記シール部材に接着することとを含む、燃料電池セルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側触媒層（電極層）及びカソード側触媒層（電極層）とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を備える。膜電極接合体の両側には、燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層（ＧＤＬ：Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ）が形成されている。ＧＤＬが両側に配置された膜電極接合体は、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：ｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ＆  Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と称される。ＭＥＧＡの外周には、反応ガスの漏洩（いわゆるクロスリーク）、及び電極同士の電気的短絡を抑制するために、シール部材が配置されている。シール部材は、一対のセパレータに挟まれ、該一対のセパレータに接着されている。それによりＭＥＧＡが一対のセパレータに挟持される。
【０００３】
特許文献１には、熱可塑性樹脂製のコア層と該コア層の両面に配置された接着層とを有する樹脂フレームをシール部材として用いた燃料電池が記載されている。また、ＭＥＧＡと樹脂フレームからなるＭＥＧＡプレートを一対のセパレータで挟み、治具を用いてこれらを加熱押圧することにより、樹脂フレームとセパレータを接着させることが記載されている。
【０００４】
特許文献２には、酸化チタンとカーボンブラックの混合層を有する燃料電池用カーボンコートセパレータが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１７−２１２１２６号公報
【特許文献２】特開２０１８−０６７４５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
クロスリークの発生を防止するために、セパレータとシール部材を十分な接着力で確実に接着することが望まれる。そこで、本発明は、セパレータとシール部材を十分な接着力で確実に接着させることができる、燃料電池セルの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様に従えば、セパレータ及び前記セパレータに接着されたシール部材を備える燃料電池セルの製造方法であって、水を用いて前記セパレータを洗浄することと、洗浄後に、前記セパレータに１１０ｋｃａｌ／ｍｏｌ以上のエネルギーを有する紫外光を照射して、前記セパレータに付着した水分を除去することと、紫外光照射後に、前記セパレータに水分が再付着する前に前記セパレータを前記シール部材に接着することとを含む、燃料電池セルの製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の製造方法によれば、セパレータとシール部材を十分な接着力で確実に接着することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施形態に係る燃料電池セルの製造方法により製造される燃料電池セルを概略的に示す分解斜視図である。
【図２】図２は、実施形態に係る燃料電池セルの製造方法のフローチャートである。
【図３】図３は、波長１７２ｎｍの紫外光の積算照射量とセパレータに付着した水分量との関係を示すグラフである。
【図４】図４は、波長２２２ｎｍの紫外光の積算照射量とセパレータに付着した水分量との関係を示すグラフである。
【図５】図５は、紫外光照射後の放置時間とセパレータに付着した水分量との関係を示すグラフである。
【図６】図６は、セパレータに付着した水分量と、セパレータと樹脂フレームの接着強度との関係を示すグラフである。
【図７】図７は、セパレータに紫外光を照射してから樹脂フレームに接着するまでの放置時間を０時間としたときの、樹脂フレームから剥離した後のセパレータ表面の接着層のＳＥＭ像である。
【図８】図８は、セパレータに紫外光を照射してから樹脂フレームに接着するまでの放置時間を８時間としたときの、樹脂フレームから剥離した後のセパレータ表面の接着層のＳＥＭ像である。
【図９】図９は、セパレータに紫外光を照射してから樹脂フレームに接着するまでの放置時間を２４時間としたときの、樹脂フレームから剥離した後のセパレータ表面の接着層のＳＥＭ像である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（１）燃料電池セル
実施形態に係る燃料電池セルの製造方法により製造される燃料電池セルの構成を、図１を参照しながら説明する。
【００１１】
燃料電池セル１０は、ＭＥＧＡ（膜電極ガス拡散層接合体）１１と、カソード側セパレータ１２と、アノード側セパレータ１３と、シール部材１４とを備える。なお、カソード側セパレータ１２とアノード側セパレータ１３を特に区別しない場合には、適宜、単に「セパレータ１２、１３」とも表記する。燃料電池セル１０は、複数個が積層されて、図示しない燃料電池を構成する。
【００１２】
ＭＥＧＡ１１は、ＭＥＡ（膜電極接合体）と、ＭＥＡの一方の面に配置されたカソード側ＧＤＬ（ガス拡散層）と、ＭＥＡの他方の面に配置されたアノード側ＧＤＬとを備える。
【００１３】
ＭＥＡは、電解質膜と、電解質膜の一方の面に配置されたカソード側触媒層と、電解質膜の他方の面に配置されたアノード側触媒層とを備える接合体である。
【００１４】
電解質膜は、電子及び気体の流通を阻止するとともに、プロトンをアノード側触媒層からカソード側触媒層に移動させる機能を有する。電解質膜は、パーフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）アイオノマー等のプロトン伝導性を有する固体高分子から形成されてよい。
【００１５】
カソード側触媒層は、プロトンと電子と酸素から水を生成する機能を有する。一方、アノード側触媒層は、水素をプロトンと電子に分解する機能を有する。カソード側触媒層及びアノード側触媒層は、触媒を担持した導電性の担体（例えば、白金、白金合金等を担持したカーボン粒子）と、該担体を被覆するプロトン伝導性のアイオノマーから形成されてよい。
【００１６】
カソード側ＧＤＬは、カソード側触媒層に接合される。カソード側ＧＤＬは、酸化剤ガスとしての空気を拡散させ、カソード側触媒層に均一に行き渡らせる機能を有する。アノード側ＧＤＬは、アノード側触媒層に接合される。アノード側ＧＤＬは、燃料ガスとしての水素ガスを拡散させ、アノード側触媒層に均一に行き渡らせる機能を有する。カソード側ＧＤＬ及びアノード側ＧＤＬは、ガス透過性且つ導電性の材料から形成される。そのような材料として、例えば、カーボンペーパーのような、導電性繊維からなる多孔質基材が挙げられる。
【００１７】
シール部材１４は、いわゆるクロスリーク及び電極同士の電気的短絡を防ぐための機能を有する。シール部材１４は開口１５が形成された枠状の部材であり、シール部材１４の開口１５にはＭＥＧＡ１１が保持されている。シール部材１４は、コア層と、コア層の表面及び裏面に形成された接着層とからなる三層構造を有する。コア層は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等の種々の材料から形成されてよい。例えば、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリプロピレン（ＰＰ）が挙げられる。接着層は、エポキシ樹脂等の熱可塑性樹脂から形成されてよい。
【００１８】
セパレータ１２、１３は、チタン、チタン合金、鉄鋼、ステンレス、アルミニウム等の金属又はカーボン製のプレス成型された板状部材から形成されてよい。セパレータ１２、１３は、該板状部材の表面に形成された、酸化チタンとカーボンブラック等の導電性粒子とを含む混合層をさらに有してもよい。
【００１９】
カソード側セパレータ１２は、ＭＥＧＡ１１のカソード側ＧＤＬ及びシール部材１４に接着される。アノード側セパレータ１３は、ＭＥＧＡ１１のアノード側ＧＤＬ及びシール部材１４に接着される。それにより、ＭＥＧＡ１１及びシール部材１４が一対のセパレータ１２、１３により挟持される。カソード側セパレータ１２とカソード側ＧＤＬの間には、カソード側ＧＤＬの表面に沿って酸化剤ガスとしての空気を流すための酸化剤ガス流路が形成される。アノード側セパレータ１３とアノード側ＧＤＬ間には、アノード側ＧＤＬの表面に沿って燃料ガスとしての水素を流すための燃料ガス流路が形成される。
【００２０】
（２）燃料電池セルの製造方法
実施形態に係る燃料電池セル１０の製造方法を説明する。実施形態に係る燃料電池セル１０の製造方法は、水を用いてセパレータ１２、１３を洗浄すること（Ｓ１）と、洗浄後に、前記セパレータ１２、１３に１１０ｋｃａｌ／ｍｏｌ以上のエネルギーを有する紫外光を照射して、前記セパレータ１２、１３に付着した水分を除去すること（Ｓ２）と、紫外光照射後に、前記セパレータ１２、１３に水分が再付着する前に前記セパレータ１２、１３をシール部材１４に接着すること（Ｓ３）とを含む。以下、各工程について順に説明する。
【００２１】
ｉ）セパレータの洗浄
まず、セパレータ１２、１３を用意する。用意したセパレータ１２、１３を、水を用いて洗浄する。本願において、「水を用いてセパレータを洗浄する」とは、セパレータ１２、１３に付着した異物を水で除去することを意味し、セパレータ１２、１３を洗浄液で洗浄した後にセパレータ１２、１３に付着した洗浄液を水で除去することも含む。例えば、セパレータ１２、１３に付着した有機物等をアルカリ洗浄液で除去した後、セパレータ１２、１３に残留したアルカリ洗浄液を水で除去してよい。
【００２２】
ｉｉ）紫外光照射
次に、セパレータ１２、１３に紫外光を照射して、セパレータ１２、１３に付着した水を除去する。照射する紫外光は、１１０ｋｃａｌ／ｍｏｌ（４６０ｋＪ／ｍｏｌ）以上のエネルギーを有する。すなわち、照射する紫外光は、２６０ｎｍ以下の波長を有する。水分子中の酸素原子と水素原子の結合エネルギーは、約１１０ｋｃａｌ／ｍｏｌであるため、１１０ｋｃａｌ／ｍｏｌ（４６０ｋＪ／ｍｏｌ）以上のエネルギーを有する紫外光を照射することで、セパレータ１２、１３に付着した水を分解し除去することができる。セパレータ１２、１３に付着した水をより効率的に除去するために、照射する紫外光は、好ましくは１２７ｋｃａｌ／ｍｏｌ（５３１ｋＪ／ｍｏｌ）以上のエネルギー（すなわち、２２２ｎｍ以下の波長）を有し、より好ましくは１５０ｋｃａｌ／ｍｏｌ（６２８ｋＪ／ｍｏｌ）以上のエネルギー（すなわち、１９０ｎｍ以下の波長）を有し、特に好ましくは１７０ｋｃａｌ／ｍｏｌ（７１１ｋＪ／ｍｏｌ）以上のエネルギー（すなわち、１７２ｎｍ以下の波長）を有する。
【００２３】
紫外光の積算照射量は、１００ｍＪ／ｃｍ２以上としてよい。それにより、セパレータ１２、１３に付着した水分を十分に除去することができる。
【００２４】
紫外光照射工程後、後続の接着工程の前まで、セパレータ１２、１３を湿度５０％以下の環境に置いておいてよい。また、紫外光照射工程と接着工程の間の時間は、８時間以下、好ましくは２．５時間以下、より好ましくは１時間以下としてよい。それにより、セパレータ１２、１３に所定量（例えば３００ｎｇ／ｃｍ２）を超える水分が再付着する前にセパレータ１２、１３をシール部材に接着することができる。
【００２５】
ｉｉｉ）セパレータとシール部材の接着
紫外光を照射したカソード側セパレータ１２とアノード側セパレータ１３とで、シール部材１４及びシール部材１４の開口１５に保持されたＭＥＧＡ１１を挟み、加熱プレスする。すると、シール部材１４の接着層が溶融後固化して、セパレータ１２、１３とシール部材１４とが接着される。
【００２６】
以上の工程により、燃料電池セル１０が製造される。
【００２７】
セパレータ１２、１３とシール部材１４の接着時にセパレータ１２、１３とシール部材１４の間に水分が存在すると、加熱プレス中に水分が蒸発して接着層中に空隙が生じ、その結果、セパレータ１２、１３とシール部材１４の接着強度が不十分になることがある。特に、セパレータ１２、１３が酸化チタンと導電性粒子の混合層を有する場合、酸化チタンが親水性であるため、セパレータに水分が付着しやすい。本実施形態では、紫外光照射によりセパレータを乾燥させた後、所定量を超える水分が再付着する前に、セパレータ１２、１３とシール部材１４の接着を行う。そのため、付着水分による接着強度の低下を抑制でき、セパレータ１２、１３とシール部材１４を十分な接着力で確実に接着させることができる。また、本実施形態において紫外光照射によりセパレータ１２、１３を乾燥させることには以下の利点がある。すなわち、セパレータ１２、１３の洗浄後にアクリルポリマー等の有機物がセパレータ１２、１３に残留した場合に、セパレータ１２、１３の乾燥のための紫外光照射により、セパレータ１２、１３に残留した有機物も除去できる。
【００２８】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができる。
【実施例】
【００２９】
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３０】
実施例１
コイル状に巻かれた長尺帯状のチタン基材の表面に、カーボンブラックを塗布することにより、カーボンブラック層を形成した。カーボンブラックを塗布したチタン基材を低酸素雰囲気下で加熱処理した。それにより、酸化チタン及びカーボンブラックからなる混合層がチタン基材上に形成された。次に、ブラシ洗浄及び超音波洗浄を行い、混合層の表面に残存した余剰のカーボンブラックを除去した。その後、チタン基材を加熱処理した。こうして、ＮＣコイルを得た。ＮＣコイルの混合層の保護のために、混合層上にアクリルポリマーを塗布し、固着した。次いで、ＮＣコイルをセパレータの形状にプレス成型して、セパレータを得た。
【００３１】
次に、セパレータを洗浄した。具体的には、まず、アクリルポリマーを除去するためにセパレータをアルカリ洗浄液で洗浄し、さらに、アルカリ洗浄液を除去するためにセパレータを水洗した。
【００３２】
洗浄後のセパレータに波長１７２ｎｍ又は２２２ｎｍの紫外光を照射した。積算照射量は０〜１６０ｍＪ／ｃｍ２とした。なお、波長１７２ｎｍの紫外光のエネルギーは１７０ｋｃａｌ／ｍｏｌ、波長２２２ｎｍの紫外光のエネルギーは１２７ｋｃａｌ／ｍｏｌである。
【００３３】
紫外光照射後１０分以内に、セパレータに付着している水分量を測定した。水分量は熱重量測定装置を用いて測定した。波長１７２ｎｍの紫外光を照射したときの水分量を図３に、図４に波長２２２ｎｍの紫外光を照射したときの水分量を図４に示す。
【００３４】
いずれの波長の紫外光を照射した場合も、セパレータに付着した水分量が減少することが確認された。特に波長１７２ｎｍの紫外光は、付着水分量をより効率的に減少させた。波長１７２ｎｍの紫外光を１００ｍＪ／ｃｍ２以上の積算照射量で照射することで、付着水分量を十分に減少させることができた。
【００３５】
実施例２
実施例１と同様に、セパレータを作製して洗浄した。次いで、セパレータに波長１７２ｎｍの紫外光を照射した。積算照射量は１２０ｍＪ／ｃｍ２とした。
【００３６】
紫外光照射後、セパレータを湿度３０〜８０％の環境下に０〜２．５時間放置し、熱重量測定装置を用いてセパレータに付着している水分量を測定した。測定結果を図５に示す。湿度５０％以下であれば放置中の水分の再付着が比較的遅かった。また、放置時間が２．５時間以下、好ましくは１時間以下であれば、水分の再付着量が比較的少なかった。
【００３７】
実施例３
ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）フィルムの両面に熱可塑性樹脂を圧着した。得られたフィルムを所定の形状に裁断した。それにより、コア層としてＰＥＮフィルムを有し、接着層として熱可塑性樹脂を有する、樹脂フレームを作製した。
【００３８】
実施例２と同様に、セパレータを作製して洗浄し、紫外光を照射した。
【００３９】
紫外光照射後、セパレータを湿度５０％の環境下に０、８、２４又は１２０時間放置し、熱重量測定装置を用いてセパレータに付着している水分量を測定した。放置時間が０、８、２４、１２０時間のとき、付着水分量はそれぞれ、１０、３００、１０００、７９７７ｎｇ／ｃｍ２であった。
【００４０】
セパレータの混合層が樹脂フレームと対向するようにセパレータと樹脂フレームを重ね合わせ、加熱プレスすることにより、セパレータと樹脂フレームを接着した。加熱プレスは、１９０℃で４秒間加熱した後１００℃で２秒間加熱しながら、４０ｋＮの圧力を印加することにより行った。引張試験機を用いて、９０℃の温水中でセパレータを樹脂フレームから剥離し、セパレータと樹脂フレームの間の接着強度を測定した。
【００４１】
図６に、セパレータに付着した水分量と接着強度の関係を示す。なお、セパレータの放置時間が１２０時間の場合、セパレータと樹脂フレームが接着しなかったため、接着強度は０Ｎ／ｍｍとした。また、剥離後のセパレータ表面の接着層のＳＥＭ像を図７〜９に示す。図７〜９はそれぞれ、セパレータに付着した水分量が約１０ｎｇ／ｃｍ２、約３００ｎｇ／ｃｍ２、１０００ｎｇ／ｃｍ２のとき（すなわち、セパレータの放置時間を０時間、８時間、２４時間としたとき）のＳＥＭ像である。
【００４２】
図６に示されるように、セパレータへの付着水分量が少ないほど、接着強度が高かった。付着水分量が１０ｎｇ／ｃｍ２の場合、接着層中に空隙は見られなかったが（図７参照）、付着水分量が３００ｎｇ／ｃｍ２の場合、接着層中に空隙が存在していた（図８参照）。さらに、付着水分量が１０００ｎｇ／ｃｍ２の場合、接着層中により多くの空隙が存在していた（図９参照）。これらの結果は、セパレータに付着した水分が、セパレータと樹脂フレームを接着するための加熱プレス時に気化して接着層に空隙を生じさせ、接着強度の低下を引き起こしていることを示唆している。
【００４３】
セパレータに紫外光を照射してから樹脂フレームと接着するまでの間の放置時間を８時間以下とした場合、セパレータの付着水分量が３００ｎｇ／ｃｍ２以下となり、セパレータと樹脂フレームを十分な強度で接着できた。
【符号の説明】
【００４４】
１０：燃料電池セル、１１：ＭＥＧＡ、１２：カソード側セパレータ、１３：アノード側セパレータ、１４：シール部材、１５：開口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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