(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、電極アッセンブリ１０として、膜電極接合体１１の両面にガス拡散層１４ａ、１４ｂが配置された電極アッセンブリ１０を準備する。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が接着された側のガス拡散層１４ａに水を含ませる。または、樹脂フレーム１５が接着された側のセパレータ３０の表面または膜電極接合体１の表面に水を付着させる。水を含ませた状態または水を付着させた状態で、電極アッセンブリ１０の両面を挟むよう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を熱圧することにより、樹脂フレーム１５を各セパレータ２０（３０）に融着しつつ、水から水蒸気Ｓを発生させる。【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の外周縁に、接着剤を介して樹脂フレームの内周縁が重なるように接着され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た燃料電池単セルの製造方法であって、
前記電極アッセンブリとして、前記膜電極接合体の両面にガス拡散層が配置された電極アッセンブリを準備する工程と、
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ガス拡散層に水を含ませる、または、前記接着された側に配置される前記セパレータの表面または前記接着された側の前記膜電極接合体の表面に水を付着させる工程と、
前記水を含ませた状態または前記水を付着させた状態で、前記電極アッセンブリの両面を挟むよう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、前記樹脂フレームを前記各セパレータに融着しつつ、前記水から水蒸気を発生させる工程と、を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、電極アッセンブリとして、膜電極接合体の両面にガス拡散層が配置された電極アッセンブリを準備して、その両面を挟むよう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。これにより、樹脂フレームを各セパレータに融着して、燃料電池単セルを製造する。
【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、上述した樹脂フレームを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。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の外周縁に、接着剤を介して樹脂フレームの内周縁が重なるように接着され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た燃料電池単セルの製造方法であって、前記電極アッセンブリとして、前記膜電極接合体の両面にガス拡散層が配置された電極アッセンブリを準備する工程と、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ガス拡散層に水を含ませる、または、前記接着された側に配置される前記セパレータの表面または前記接着された側の前記膜電極接合体の表面に水を付着させる工程と、前記水を含ませた状態または水を付着させた状態で、前記電極アッセンブリの両面を挟むよう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、前記樹脂フレームを前記各セパレータに融着しつつ、前記水から水蒸気を発生させる工程と、を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、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、本発明によれば、樹脂フレームを各セパレータに融着する前に、予め、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（以下、「接着剤側」）のガス拡散層に水を含ませる。または、接着剤側に配置されるセパレータの表面もしくは、膜電極接合体の表面に水を付着させる。水を含ませた後、または、水を付着させた後、一対のセパレータを熱圧して、樹脂フレームを各セパレータに融着しつつ、熱圧の際の加熱により、接着剤側のガス拡散層に含ませた水から水蒸気を発生させる。
【００１０】
これにより、接着剤側のガス拡散層の空隙内は水蒸気で充満されるため、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）〜（ｃ）は、図１に示す燃料電池単セルの製造方法を説明する模式的概念図である。
【図３】図２（ｃ）に示す接着剤付近の拡大図である。
【図４】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３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発電領域１９となっている。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】
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。
【００１９】
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、または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。
【００２０】
樹脂フレーム１５は、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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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１９に対応する中央領域２１、３１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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
＜準備工程＞
まず、図２（ａ）に示すように、電極アッセンブリ１０として、膜電極接合体１１の両面にガス拡散層１４ａ、１４ｂが配置された電極アッセンブリ１０を準備する。
【００３２】
具体的には、準備した電極アッセンブリ１０では、ガス拡散層１４ｂの平面視での大きさと形状は膜電極接合体１１の大きさと形状とほぼ同じある。ガス拡散層１４ａは、樹脂フレーム１５の空所１５ｄに収まる大きさであり、ガス拡散層１４ｂよりも小さい。ガス拡散層１４ａは、空所１５ｄ内において、膜電極接合体１１の一方面に配置されており、ガス拡散層１４ｂは、膜電極接合体１１の他方面に配置されている。
【００３３】
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。樹脂フレーム１５は、膜電極接合体１１の外周縁に、接着剤１３を介して樹脂フレーム１５の内周縁が重なるように、膜電極接合体１１に接着されている。なお、以下の明細書では、「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」を、「接着剤１３側」という。
【００３４】
＜含水工程＞
次いで、図２（ｂ）に示すように、準備した電極アッセンブリ１０の接着剤１３側のガス拡散層１４ａに水を含ませる。具体的には、図２（ｂ）の如く、ガス拡散層１４ａに対向するように配置されたノズル４０から、少なくとも発電領域１９に向かって、水道水、イオン交換水、または蒸留水等の水を吹き付けて、ガス拡散層１４ａに水を含ませる。また、この他にも、接着剤１３側に配置されるセパレータ３０の表面（具体的には、膜電極接合体１１と対向する表面）、または、接着剤１３側の膜電極接合体１の表面（具体的には、触媒層３ａの表面）に水を付着させてもよい。接着剤１３側の膜電極接合体１の表面に水を付着させる場合には、ガス拡散層１４ａを介して水を付着させてもよいが、たとえば、ガス拡散層１４ａを膜電極接合体１に積層する前にこれを行ってもよい。このような水の付着は、上述したノズル等で行うことができる。
【００３５】
発電領域１９内に含ませる水の量（発電面積面内の含水量）は、１００℃で発生した水蒸気Ｓが、ガス拡散層１４ａの空隙内、および、後述する熱圧着工程で形成される流路３３内に充満することができる量以上であることが好ましい。具体的には、次の式１の関係を満たすことが好ましい。
【００３６】
発電面積面内の含水量（ｇ／セル）≧{流路体積（Ｌ／セル）＋ガス拡散層の空隙体積（Ｌ／セル）}／１．７  …（式１）
【００３７】
ここで、流路体積は、接着剤１３側の流路体積であり、流路３３の断面積から流路３３の体積を算出する。また、ガス拡散層の空隙体積は、接着剤１３側のガス拡散層１４ａの空隙体積であり、ガス拡散層１４ａの厚みから算出される体積に、水銀ポロシメーターで測定した空隙率を乗じて算出する。
【００３８】
＜熱圧着工程＞
次いで、図２（ｃ）に示すように、ガス拡散層１４ａに水を含ませた状態の電極アッセンブリ１０の両面を挟むよう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を熱圧することにより、樹脂フレーム１５を各セパレータ２０（３０）に融着する。
【００３９】
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。これにより、樹脂フレーム１５を各セパレータ２０（３０）に融着させる。
【００４０】
ところで、融着の際、図３に示すように、熱圧のための加熱により、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が接着剤１３付近に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。
【００４１】
図４に示す従来の燃料電池単セルの製造方法では、不純物を含むガスＶが発生すると、発生したガスＶの一部は、膜電極接合体１１に向かって、接着剤１３側のガス拡散層１４ａを通過し、ガス拡散層１４ａに隣接する触媒層（不図示）と接触する。これにより、ガスＶ中の不純物が触媒層に付着して、膜電極接合体１１の触媒層の触媒作用が低下することがある。
【００４２】
そこで、本実施形態では、一対のセパレータ２０、３０を熱圧することにより、樹脂フレーム１５を各セパレータ２０（３０）に融着しつつ、上述した含水工程において、予め接着剤１３側のガス拡散層１４ａに含ませた水から水蒸気Ｓを発生させる。水蒸気Ｓは熱圧の際の加熱を利用して発生させる。なお、上述したように、接着剤１３側に配置されるセパレータ３０の表面、または、接着剤１３側の膜電極接合体１の表面に水を付着させた場合には、この付着した水から水蒸気Ｓを発生させる。熱圧するための加熱温度は、樹脂フレーム１５の接着層１５ｂ、１５ｃが軟化し、かつ、ガス拡散層１４ａに含ませた水が水蒸気Ｓになる温度が好ましく、具体的には、１００℃以上である。
【００４３】
これにより、接着剤１３側のガス拡散層１４ａの空隙内は水蒸気Ｓで充満される。このため、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。
【００４４】
なお、水蒸気Ｓの発生前に、不純物を含むガスＶが発生したとしても、ガス拡散層１４ａは水を含むため、発生するガスＶに、膜電極接合体１１が直接的に晒されることを抑えることができる。
【００４５】
本実施形態では、発生した水蒸気Ｓは、ガス拡散層１４ａと、接着剤１３側に配置されたセパレータ３０とにより形成された流路３３内に流れる。これにより、水蒸気Ｓは、発生したガスＶと共に、流路３３内を通過して、燃料電池単セル１の外部へ排出される。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。なお、流路３３内の水蒸気ＳおよびガスＶを、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からポンプで吸引してもよい。
【００４６】
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。
【００４７】
本実施形態の含水工程では、水を吹き付けることによりガス拡散層に水を含ませているが、ガス拡散層に所定量の水を含ませることができればこれに限定されない。例えば、準備した電極アッセンブリを高湿度環境下で保管して、ガス拡散層に水を含ませてもよい。
【００４８】
なお、本実施形態では、膜電極接合体の一方側のみガス拡散層に水を含ませ、水蒸気を発生させるが、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拡散層に水を含ませ、水蒸気を発生させてもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１：燃料電池単セル、２：電解質膜、３ａ、３ｂ：触媒層、１４ａ、１４ｂ：ガス拡散層、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、Ｓ：水蒸気
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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