(57)【要約】【課題】製造段階において、不純物が膜電極接合体に付着することを低減することにより、燃料電池単セルの発電性能の低下を抑えることができる燃料電池単セルの製造方法を提供する。【解決手段】この製造方法では、接着剤１３を介して樹脂フレーム１５が配置された電極アッセンブリ１０を準備する。接着剤１３を硬化させながら、接着剤１３を介して樹脂フレーム１５が接着された側から前記膜電極接合体の周りのガスを吸引する。さらに、セパレータ２０、３０を接合する際に、樹脂フレーム１５を各セパレータ２０、３０に融着しつつ、各膜電極接合体１１に対して、接着剤１３を介して樹脂フレーム１５が接着された側の流路３３内のガスを吸引する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に触媒層が形成された膜電極接合体と前記膜電極接合体に接着剤を介して接着された樹脂フレームとを有した電極アッセンブリと、前記電極アッセンブリを挟持する一対のセパレータと、を備え、前記電極アッセンブリに各セパレータが接合された燃料電池単セルの製造方法であって、
前記膜電極接合体の外周縁に前記樹脂フレームの内周縁が重なるように、未硬化の前記接着剤を介して前記樹脂フレームが配置された前記電極アッセンブリを準備する工程と、
前記接着剤を硬化させながら、前記接着剤を介して前記樹脂フレームが接着された側から前記膜電極接合体の周りのガスを吸引する、または、前記接着剤を硬化させながら、前記接着剤を介して前記樹脂フレームが接着された側から前記膜電極接合体に不活性ガスを吹き付ける工程と、
前記電極アッセンブリの両面に前記一対のセパレータを配置した状態で、前記一対のセパレータを熱圧することにより、前記各セパレータと前記膜電極接合体との間に、ガスが流れる流路を形成するように、前記樹脂フレームを前記各セパレータに融着しつつ、前記膜電極接合体に対して、前記接着剤を介して前記樹脂フレームが接着された側の前記流路内のガスを吸引する工程と、を少なくとも含むことを特徴とする燃料電池単セルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池単セルの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池単セルは、電極アッセンブリと、これを挟持する一対のセパレータにより構成されている。電極アッセンブリは、膜電極接合体と、これに接着剤を介して接着された樹脂フレームとを有している。膜電極接合体の両面には、触媒層が形成されている。
【０００３】
このような燃料電池単セルの製造方法として、例えば特許文献１では、膜電極接合体の外周縁に樹脂フレームの内周縁が重なるように、未硬化の接着剤を介して樹脂フレームを配置し、この接着剤を硬化することにより電極アッセンブリを製造している。さらに、製造された電極アッセンブリの両面に、一対のセパレータを配置した状態で、一対のセパレータを熱圧することにより、樹脂フレームを各セパレータに融着し、燃料電池単セルが製造される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１６２６５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池単セルの製造方法では、上述した接着剤を硬化する際、樹脂フレームをセパレータに融着させる際に、接着剤等から、不純物を含むガスが発生することがある。ガスに含まれる不純物が膜電極接合体に付着すると、燃料電池単セルの発電性能を低下させるおそれがある。
【０００６】
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、本発明として、製造段階において、不純物が膜電極接合体に付着することを低減することにより、燃料電池単セルの発電性能の低下を抑えることができる燃料電池単セルの製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を鑑みて、本発明に係る燃料電池単セルの製造方法は、電解質膜の両面に触媒層が形成された膜電極接合体と前記膜電極接合体に接着剤を介して接着された樹脂フレームとを有した電極アッセンブリと、前記電極アッセンブリを挟持する一対のセパレータと、を備え、前記電極アッセンブリに各セパレータが接合された燃料電池単セルの製造方法であって、前記膜電極接合体の外周縁に前記樹脂フレームの内周縁が重なるように、未硬化の前記接着剤を介して前記樹脂フレームが配置された前記電極アッセンブリを準備する工程と、前記接着剤を硬化させながら、前記接着剤を介して前記樹脂フレームが接着された側から前記膜電極接合体の周りのガスを吸引する、または、前記接着剤を硬化させながら、前記接着剤を介して前記樹脂フレームが接着された側から前記膜電極接合体に不活性ガスを吹き付ける工程と、前記電極アッセンブリの両面に前記一対のセパレータを配置した状態で、前記一対のセパレータを熱圧することにより、前記各セパレータと前記膜電極接合体との間に、ガスが流れる流路を形成するように、前記樹脂フレームを前記各セパレータに融着しつつ、前記膜電極接合体に対して、前記接着剤を介して前記樹脂フレームが接着された側の前記流路内のガスを吸引する工程と、を少なくとも含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る製造方法では、接着剤を硬化させる際、並びに、樹脂フレームを各セパレータに融着する際に、接着剤等から不純物を含むガスが発生することがある。
【０００９】
そこで、本発明では、まず、接着剤を硬化させる際に、接着剤を介して樹脂フレームが接着された側から膜電極接合体の周りのガスを吸引する。または、この際、樹脂フレームが接着された側から膜電極接合体に不活性ガスを吹き付ける。これにより、接着剤の硬化時に発生するガスに、膜電極接合体が晒されることを抑え、ガスに含まれる不純物が膜電極接合体に付着することを防止することができる。
【００１０】
さらに本発明では、樹脂フレームを各セパレータに融着する際に、膜電極接合体に対して、接着剤を介して樹脂フレームが接着された側の流路内のガスを吸引する。これにより、樹脂フレームを各セパレータに融着する際に接着剤等から発生するガスに、膜電極接合体が晒されることを抑え、ガスに含まれる不純物が膜電極接合体に付着することを防止することができる。
【００１１】
このようにして、不純物が膜電極接合体に付着することを低減することにより、燃料電池単セルの発電性能の低下を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（ａ）は、本発明の実施形態に係る燃料電池単セルの分解斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す燃料電池単セルの短手方向の要部断面図であり、（ｃ）は、（ｂ）に示す膜電極接合体の模式的断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、図１に示す燃料電池単セルの製造方法を説明する概念図である。
【図３】図２（ｄ）に示す接着剤付近の拡大図である。
【図４】図２に示す燃料電池単セルの製造方法の変形例を説明する図である。
【図５】従来の燃料電池単セルの製造方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、図１〜図４を参照しながら本発明に係る実施形態について説明する。
【００１４】
１．燃料電池単セル１について
まず、図１を参照しながら、本実施形態の燃料電池単セル１について説明する。燃料電池単セル１は、これを複数積層することにより燃料電池が構成される。図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、本実施形態の燃料電池単セル１は、電極アッセンブリ１０と、電極アッセンブリ１０を挟持する一対のセパレータ２０、３０と、を備えている。
【００１５】
電極アッセンブリ１０は、膜電極接合体１１と、樹脂フレーム１５とを少なくとも備えている。図１（ｃ）に示すように、膜電極接合体１１は、イオン透過性を有した電解質膜２と、電解質膜２の両面に形成された触媒層３ａ、３ｂと、を備えている。本実施形態では、一例として、触媒層３ａおよび触媒層３ｂが、カソード電極層およびアノード電極層をそれぞれ構成している。電解質膜２は、プロトン伝導性を有した固体高分子樹脂で形成されたイオン交換膜であり、各触媒層３ａ、３ｂは、白金等の触媒を担持したカーボン粒子同士をアイオノマ（樹脂）で連結した多孔質層である。
【００１６】
膜電極接合体１１の中央部は矩形状であり、この両面に、燃料ガスと、酸化剤ガスとをそれぞれ供給することで、電気化学反応が生じ発電する。各触媒層３ａ、３ｂの表面には、供給されたガスを触媒層３ａ、３ｂに拡散させるガス拡散層１４ａ、１４ｂが接合されている。ガス拡散層１４ａ、１４ｂを接合した接合体は、一般的に、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）１２と称される。
【００１７】
ガス拡散層１４ａ、１４ｂは、例えばカーボンペーパー若しくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体、または、金属メッシュ若しくは発泡金属等の金属多孔質体等のガス透過性を有する導電性部材によって形成されている。
【００１８】
なお、以下の明細書では、膜電極接合体１１の一方側にガス拡散層１４ａが接合されず、その他方側にガス拡散層１４ｂが接合されたものを、ＭＥＧＡ１２’と称する。
【００１９】
樹脂フレーム１５は、平面視が長方形状であり、ＭＥＧＡ１２を支持する部材である。具体的には、樹脂フレーム１５は、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂からなるフレーム本体となる主層１５ａと、その両面に熱可塑性樹脂からなる接着剤が被覆された接着層１５ｂ、１５ｃと、を備えた３層シート構造である。本実施形態では、主層１５ａおよび接着層１５ｂ、１５ｃは、所定の波長の紫外線が透過可能な樹脂であってもよい。
【００２０】
接着層１５ｂ、１５ｃとしては、酢酸ビニル系樹脂の接着剤、ポリビニルアルコール系樹脂の接着剤、エチレン酢酸ビニル系樹脂の接着剤、塩化ビニル系樹脂の接着剤、アクリル系樹脂の接着剤、ポリアミド系樹脂の接着剤、セルロース系樹脂の接着剤、ポリビニルピロリドン系樹脂の接着剤、ポリスチレン系樹脂の接着剤、シアノアクリレート系樹脂の接着剤、ポリビニルアセタール系樹脂の接着剤等を挙げることができる。
【００２１】
樹脂フレーム１５は、膜電極接合体１１にその後接合されるガス拡散層１４ａが入り込むことのできる形状および大きさの空所１５ｄを中央部に持つ額縁状の部材である。樹脂フレーム１５の外周縁部には、接着層１５ｂ、１５ｃが形成され、接着層１５ｂ、１５ｃが熱圧により溶融する（軟化する）ことにより、樹脂フレーム１５にセパレータ２０、３０が融着される。
【００２２】
樹脂フレーム１５は、膜電極接合体１１の一方の面に融着されている。図１（ｂ）に示すように、樹脂フレーム１５は、膜電極接合体１１の外周縁に樹脂フレーム１５の内周縁が重なるように、接着剤１３を介して膜電極接合体１１に接着されている。なお、接着剤１３の一部が空所１５ｄにはみ出している。後述の燃料電池単セル１の製造方法で説明するように、ＭＥＧＡ１２’に対して樹脂フレーム１５が接着一体化されて、その後、ＭＥＧＡ１２’にガス拡散層１４ａが接合されて、電極アッセンブリ１０とされる。
【００２３】
接着剤１３としては、有機溶媒を含む紫外線硬化性を有した接着剤を挙げることができ、好ましくは、熱硬化剤等で熱硬化性を付与された紫外線硬化性の接着であり、例えば熱硬化性を付与されたラジカル重合性樹脂を用いたＵＶ硬化型接着剤が挙げられる。ラジカル重合性樹脂を用いたＵＶ硬化型接着剤としては、例えばＵＶ硬化ポリイソブチレン系樹脂の接着剤、ＵＶ硬化エポキシ系樹脂の接着剤、ＵＶ硬化アクリル系樹脂の接着剤が挙げられる。接着剤１３は、紫外線を照射され、少なくとも形状を保持可能な程度に硬化したとき、粘着性を有する接着剤となることが好ましく、テルペン系樹脂を副成分に有することが好ましい。また、接着剤１３は、熱硬化性を付与されたカチオン重合性樹脂を用いたＵＶ硬化型接着剤であってもよい。なお、本明細書では、接着剤１３は、接合前に塗布される未硬化の接着剤も、硬化して接合された状態の接着剤層も、接着剤と称し、同じ符号を付している。
【００２４】
樹脂フレーム１５は、長手方向の両側に、燃料ガス流路を構成する開口部１６ａ、１６ｂと、酸化剤ガス流路を構成する開口部１７ａ、１７ｂと、冷媒流路を構成する開口部１８ａ、１８ｂとが形成されている。本実施形態では、一方側の開口部１６ａは、燃料ガスの入口であり、他方側の開口部１６ｂは燃料ガスの出口である。また、一方側の開口部１７ａは酸化剤ガスの入口であり、他方側の開口部１７ｂは酸化剤ガスの出口となっている。さらに、一方側の中央の開口部１８ａは冷却水等の冷媒の入口であり、他方側の中央の開口部１８ｂは冷媒の出口となっている。燃料ガス、酸化剤ガス、および冷媒の流路は、電極アッセンブリ１０と、一対のセパレータ２０、３０との間に形成されたシール材等（図示せず）により区画されている。
【００２５】
セパレータ２０、３０は、基本的には同一構成であり、本実施形態では、一例として、セパレータ２０およびセパレータ３０が、それぞれアノードセパレータおよびカソードセパレータを構成する。
【００２６】
セパレータ２０、３０は、平面視で長方形状に形成された金属製の薄板から成形された部材である。セパレータ２０、３０は、複数積層された燃料電池単セル１同士のＭＥＧＡ１２を区画するとともに、ＭＥＧＡ１２の膜電極接合体１１で発電された電力を集電する役割を果たす。セパレータ２０、３０は、チタン、チタン合金、またはステンレス鋼等の金属からなる。
【００２７】
セパレータ２０、３０は、電極アッセンブリ１０の膜電極接合体１１の中央に位置する発電領域に対応する中央領域の両面に、長手方向に沿って、複数の溝が形成されている。膜電極接合体１１に対向する側の溝には、水素ガス等の燃料ガスまたは大気等の酸化剤ガスが流れる。燃料電池単セル１を積層した状態（スタックした状態）で、セパレータ同士が対向する側の溝には、冷媒が流れる。これにより、膜電極接合体１１の一方側から燃料ガスが供給され、他方側から酸化剤ガスが供給され、膜電極接合体１１で発電される。また、発電時に発熱した燃料電池単セル１を、冷媒で冷却することができる。
【００２８】
なお、以下のセパレータ２０、３０は、略同一形状であるので、セパレータ３０に対する部位の説明は、セパレータ２０の対応する部位の符号の後に括弧内に符号を付してその説明を省略する。セパレータ２０（３０）には、長手方向の両側部に、それぞれ３つの開口部が形成されている。これらの開口部は、電極アッセンブリ１０の長手方向の両側に形成された開口部に対応した位置に、同じ形状で形成されている。具体的には、一方側の開口部２６ａ（３６ａ）は燃料ガスの入口であり、他方側の開口部２６ｂ（３６ｂ）は燃料ガスの出口である。また、一方側の開口部２７ａ（３７ａ）は酸化剤ガスの入口であり、他方側の開口部２７ｂ（３７ｂ）は酸化剤ガスの出口となっている。さらに、一方側の開口部２８ａ（３８ａ）は冷媒の入口であり、他方側の開口部２８ｂ（３８ｂ）は冷媒の出口となっている。
【００２９】
セパレータ２０（３０）は、ＭＥＧＡ１２に接触し、燃料ガス（セパレータ３０の場合には、酸化剤ガス）が流れる断面波状の中央領域２１（３１）と、中央領域２１（３１）を囲繞するように外周側に形成された溶着領域２２（３２）とを備えている。中央領域２１（３１）で、ＭＥＧＡ１２で発電された電力が集電され、溶着領域２２（３２）で、樹脂フレーム１５の接着層１５ｂ（１５ｃ）の樹脂が溶着される。
【００３０】
電極アッセンブリ１０に各セパレータ２０（３０）が接合された燃料電池単セル１は、図１（ｂ）に示されるように構成されている。すなわち、セパレータ２０（３０）の中央領域２１（３１）にガス拡散層１４ｂ（１４ａ）が対接し、溶着領域２２（３２）に樹脂フレーム１５が対接している。ガス拡散層１４ｂとセパレータ２０との間には、燃料ガスの流路２３が形成され、ガス拡散層１４ａとセパレータ３０との間には、酸化剤ガスの流路３３が形成されている。
【００３１】
２．燃料電池単セル１の製造方法について
次に、図２および図３を参照して、本実施形態の燃料電池単セル１の製造方法について説明する。
【００３２】
＜準備工程＞
まず、図２（ａ）に示すように、膜電極接合体１１の外周縁に樹脂フレーム１５の内周縁が重なるように、未硬化の接着剤１３を介して樹脂フレーム１５が配置された電極アッセンブリ１０を準備する。接着剤１３は、膜電極接合体１１の外周縁を周回するように配置されている。
【００３３】
具体的には、膜電極接合体１１の一方面のみにガス拡散層１４ｂが接合されており、他方面には、ガス拡散層１４ａが接合されておらず、この他方の面に接着剤１３を介して樹脂フレーム１５が配置されている。なお、本明細書では、ガス拡散層１４ａが接合される前のもの、ガス拡散層１４ａが接合されたものの双方を、電極アッセンブリ１０として表現している。
【００３４】
＜接着工程＞
次いで、図２（ｂ）に示すように、接着剤１３を硬化させ、膜電極接合体１１に樹脂フレーム１５を接着する。具体的には、樹脂フレーム１５の上から未硬化の接着剤１３に向かって、所定波長の紫外線を照射して行う。紫外線を受けた接着剤１３は紫外線硬化を開始して、樹脂フレーム１５と、接着剤１３とが接着される。
【００３５】
ところで、図２（ｂ）に示すように、紫外線照射の際に、接着剤１３付近から不純物(たとえば接着剤１３に含まれる揮発した有機溶媒）を含むガスＶが発生する場合がある。不純物を含むガスＶは、例えば、炭化水素系の揮発性ガスであり、不純物としては、有機カルボン酸、または有機アルデヒド等のガスを挙げることができる。なお、ガスＶは、接着剤１３および樹脂フレーム１５のうち、少なくとも接着剤１３から発生すると考えられる。ガスＶが発生すると、図５に示す従来の製造方法では、ガスＶに膜電極接合体９１が晒されて、ガスＶ中の不純物が膜電極接合体９１の触媒層（不図示）に付着して、膜電極接合体９１の触媒層の触媒作用が低下するおそれがある。
【００３６】
このような点を鑑みて、本実施形態では、接着剤１３を硬化させながら、接着剤１３を介して樹脂フレーム１５が接着された側から膜電極接合体１１の周りのガスを吸引する。具体的には、図２（ｂ）に示す、膜電極接合体１１に対向するように配置されたノズル４０で、少なくとも膜電極接合体１１の周りのガスを吸引する。これにより、樹脂フレームを各セパレータに融着する際に発生するガスＶに、膜電極接合体１１が晒されることを抑え、ガスＶに含まれる不純物が膜電極接合体１１に付着することを防止することができる。このようにして、不純物が膜電極接合体に付着することを低減することにより、燃料電池単セル１の発電性能の低下を抑えることができる。
【００３７】
＜ガス拡散層接合工程＞
次いで、図２（ｃ）に示すように、樹脂フレーム１５が接着された状態のＭＥＧＡ１２’の膜電極接合体１１の表面にガス拡散層１４ａを接合する。
【００３８】
具体的には、樹脂フレーム１５の空所１５ｄ内にガス拡散層１４ａを挿入し、ガス拡散層１４ａを膜電極接合体１１の表面に配置する。この状態で、膜電極接合体１１に向けて、ガス拡散層１４ａを押圧することにより、ＭＥＧＡ１２’にガス拡散層１４ａが接合される。
【００３９】
＜接合工程＞
次いで、図２（ｄ）に示すように、電極アッセンブリ１０とセパレータ２０、３０とを接合する。この工程では、電極アッセンブリ１０の両面に一対のセパレータ２０、３０を配置した状態で、一対のセパレータ２０、３０を熱圧する。これにより、各セパレータ２０、３０と膜電極接合体１１（具体的にはＭＥＧＡ１２）との間に、ガスが流れる流路２３、３３を形成するように、樹脂フレーム１５を各セパレータ２０、３０に融着する。
【００４０】
具体的には、熱圧の際には、図１（ａ）に示すように、電極アッセンブリ１０を一対のセパレータ２０、３０で挟むようにこれらを積層し、溶着領域２２、３２と樹脂フレーム１５とを、一対の金型で加熱しながら加圧する。
【００４１】
ところで、接合の際、図３に示すように、熱圧のための加熱により、上述した不純物を含むガスＶが接着剤１３付近に発生し、ガス拡散層１４ａを通過して、膜電極接合体１１に向かう場合がある。
【００４２】
そこで、本実施形態では、熱圧により樹脂フレーム１５を各セパレータ２０、３０に融着しつつ、膜電極接合体１１に対して、接着剤１３を介して樹脂フレーム１５が接着された側の流路３３内のガスを吸引する。好ましくは、流路３３内を減圧状態にする。
【００４３】
吸引は、樹脂フレーム１５およびセパレータ３０の間から、燃料電池単セル１内に外気が侵入しない程度にこれらが密着してから開始する。これにより、接着剤１３の外気の噛み込みを回避することができる。また、流路３３内のガスの吸引は、酸化剤ガスの入口および出口である開口部３７ａおよび開口部３７ｂのそれぞれにポンプを接続し、それぞれの開口部３７ａ、３７ｂからポンプでガスを吸引することにより行う。
【００４４】
このようにして、樹脂フレーム１５を各セパレータ２０、３０に融着する際に接着剤等から発生するガスＶに、膜電極接合体１１が晒されることを抑え、ガスＶに含まれる不純物が膜電極接合体１１に付着することを防止することができる。このようにして、不純物が膜電極接合体に付着することを低減することにより、燃料電池単セルの発電性能の低下を抑えることができる。
【００４５】
＜変形例＞
本変形例に係る製造方法が上述した実施形態のものと相違する点は、接着剤１３を硬化させながら、膜電極接合体１１の周りのガスを吸引する（図２（ｂ）参照）代わりに、膜電極接合体１１に不活性ガスＧを吹き付ける点（図４参照）である。よって、以下に相違点について説明し、上述した実施形態と同じ部材および部分に関しては、同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４６】
本変形例では、接着工程において、図４の如く、接着剤１３を硬化させながら、接着剤１３を介して樹脂フレーム１５が接着された側から膜電極接合体１１に不活性ガスＧを吹き付ける。不活性ガスＧとしては、窒素ガス、または、アルゴンガス等を挙げることができる。この変形例では、図４の如く、膜電極接合体１１に対向するように配置されたノズル５０から不活性ガスＧを膜電極接合体１１に向かって吹き付ける。
【００４７】
本変形例によれば、膜電極接合体１１に不活性ガスＧを吹き付けることにより、接着剤１３の硬化時に発生するガスＶに、膜電極接合体１１が晒されることを抑え、ガスに含まれる不純物が膜電極接合体１１に付着することを防止することができる。このようにして、不純物が膜電極接合体１１に付着することを低減することにより、燃料電池単セル１の発電性能の低下を抑えることができる。
【００４８】
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の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ものである。
【００４９】
なお、本実施形態では、膜電極接合体の一方側のみのガスの吸引、または、不活性ガスの吹き付けを行ったが、必要に応じて、膜電極接合体の一方側と同時に、膜電極接合体の他方側に対してもガスの吸引、または、不活性ガスの吹き付けを行ってもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１：燃料電池単セル、２：電解質膜、３ａ、３ｂ：触媒層、１０：電極アッセンブリ、１１：膜電極接合体、１３：接着剤、１５：樹脂フレーム、２０、３０：一対のセパレータ、２３、３３：流路、Ｇ：不活性ガス
【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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