(57)【要約】【課題】膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）またはその中間積層体に支持フレームを接合する紫外線硬化型接着剤の硬化阻害が抑制され、ＭＥＧＡまたはその中間積層体に対して支持フレームを良好にかつ短時間で接合することが可能なＭＥＧＡシートの製造方法を提供する。【解決手段】本発明のＭＥＧＡシートの製造方法は、カソード側ガス拡散層とアノード側ガス拡散層のうち少なくとも一方のガス拡散層と、膜電極接合体とからなる積層体（Ｌ）を用意する工程と、積層体の一方の表面の外周部に紫外線硬化型接着剤（３１）を塗布する工程と、一部が、塗布された紫外線硬化型接着剤上に位置するように、積層体上に支持フレーム（５１）を載置する工程と、積層体の表面の中央部の上方から積層体の表面に向けて窒素ガスを吹き付けながら、紫外線硬化型接着剤を硬化させる工程とを有する。【選択図】図２Ｃ
2020087669.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に形成されたカソード側電極触媒層と、前記電解質膜の他方の面に形成されたアノード側電極触媒層とからなる膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持するカソード側ガス拡散層およびアノード側ガス拡散層とを含む膜電極ガス拡散層接合体を含む、膜電極ガス拡散層接合体シートの製造方法であって、
前記カソード側ガス拡散層と前記アノード側ガス拡散層のうち少なくとも一方のガス拡散層と、前記膜電極接合体とからなる積層体を用意する工程と、
前記積層体の一方の表面の外周部に紫外線硬化型接着剤を塗布する工程と、
一部が、塗布された前記紫外線硬化型接着剤上に位置するように、前記積層体上に支持フレームを載置する工程と、
前記積層体の前記表面の中央部の上方から前記積層体の前記表面に向けて窒素ガスを吹き付けながら、前記紫外線硬化型接着剤に対して紫外線を照射し、前記紫外線硬化型接着剤を硬化させる工程とを有する、膜電極ガス拡散層接合体シートの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜電極ガス拡散層接合体シートの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池等の燃料電池の単セルは、
高分子電解質膜等からなる電解質膜と、電解質膜の一方の面に形成されたカソード側電極触媒層と、電解質膜の他方の面に形成されたアノード側電極触媒層とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ）と、
このＭＥＡを挟持するカソード側ガス拡散層およびアノード側ガス拡散層とを含む膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）を備える。
燃料電池の単セルはさらに、ＭＥＧＡを挟持するカソード側セパレータとアノード側セパレータを備える。カソード側セパレータのカソード側ガス拡散層側の面には酸化ガス流路が形成され、アノード側セパレータのアノード側ガス拡散層側の面には燃料ガス流路が形成されている。
【０００３】
特許文献１には、
アノード側ガス拡散層とＭＥＡとの積層体を得る工程（図３）と、
上記積層体上に、外周部を空けて、カソード側ガス拡散層を載置し加圧等により接合する工程（図４）と、
上記積層体の外周部上に紫外線硬化型接着剤を塗布する工程（図５）と、
塗布された紫外線硬化型接着剤に紫外線を照射して硬化させる工程（図６）と、
一部が、硬化させた紫外線硬化型接着剤上に位置するように支持フレームを載置し加熱加圧等により接合する工程（図７）とを有する、ＭＥＧＡシートの製造方法が開示されている。
本明細書では、ＭＥＧＡと支持フレームとの接合体を「膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）シート」と言う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１６２６５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載のＭＥＧＡの製造方法では、塗布された紫外線硬化型接着剤は、硬化中に空気に触れた状態にある（図６）。このような状況では、空気中に存在する酸素によって紫外線硬化が阻害され、硬化が不充分になる、あるいは、硬化に時間が要する恐れがある。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）またはその中間積層体に支持フレームを接合する紫外線硬化型接着剤の硬化阻害が抑制され、ＭＥＧＡまたはその中間積層体に対して支持フレームを良好にかつ短時間で接合することが可能な、燃料電池の膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）シート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】
本発明の膜電極ガス拡散層接合体シートの製造方法は、
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に形成されたカソード側電極触媒層と、前記電解質膜の他方の面に形成されたアノード側電極触媒層とからなる膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持するカソード側ガス拡散層およびアノード側ガス拡散層とを含む膜電極ガス拡散層接合体を含む、膜電極ガス拡散層接合体シートの製造方法であって、
前記カソード側ガス拡散層と前記アノード側ガス拡散層のうち少なくとも一方のガス拡散層と、前記膜電極接合体とからなる積層体を用意する工程と、
前記積層体の一方の表面の外周部に紫外線硬化型接着剤を塗布する工程と、
一部が、塗布された前記紫外線硬化型接着剤上に位置するように、前記積層体上に支持フレームを載置する工程と、
前記積層体の前記表面の中央部の上方から前記積層体の前記表面に向けて窒素ガスを吹き付けながら、前記紫外線硬化型接着剤に対して紫外線を照射し、前記紫外線硬化型接着剤を硬化させる工程とを有するものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）またはその中間積層体に支持フレームを接合する紫外線硬化型接着剤の硬化阻害が抑制され、ＭＥＧＡまたはその中間積層体に対して支持フレームを良好にかつ短時間で接合することが可能な燃料電池の膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）シートの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る一実施形態の燃料電池の要部模式断面図である。
【図２Ａ】本発明に係る一実施形態のＭＥＧＡシートの製造工程を示す要部模式断面図である。
【図２Ｂ】本発明に係る一実施形態のＭＥＧＡシートの製造工程を示す要部模式断面図である。
【図２Ｃ】本発明に係る一実施形態のＭＥＧＡシートの製造工程を示す要部模式断面図である。
【図３】同じ紫外線硬化型接着剤を用い、紫外線照射条件を共通としたとき、通常の空気雰囲気下（酸素濃度：約２１％）で硬化を行った場合（比較例１）と、窒素雰囲気下（酸素濃度：０％）で硬化を行った場合（実施例１）の、紫外線照射時間に対するビニル基の残存率のデータの一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［燃料電池の構造］
図面を参照して、本発明に係る一実施形態の燃料電池の構成について、説明する。ここでは、固体高分子型燃料電池を例として説明するが、本発明は任意の燃料電池に適用可能である。図１は、固体高分子型燃料電池の単セルの要部模式断面図である。
【００１１】
固体高分子型燃料電池の単セル１は、
電解質膜１１と、電解質膜１１の一方の面に形成されたカソード側電極触媒層１３Ａと、電解質膜１１の他方の面に形成されたアノード側電極触媒層１３Ｂとからなる膜電極接合体（ＭＥＡ）１２と、
このＭＥＡ１２を挟持するカソード側ガス拡散層１４Ａおよびアノード側ガス拡散層１４Ｂとを含む膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）１０を備える。
燃料電池の単セル１はさらに、ＭＥＧＡ１０を挟持するカソード側セパレータ２０Ａとアノード側セパレータ２０Ｂを備える。カソード側セパレータ２０Ａのカソード側ガス拡散層１４Ａ側の面には酸化ガス流路２１Ａが形成され、アノード側セパレータ２０Ｂのアノード側ガス拡散層１４Ｂ側の面には燃料ガス流路２１Ｂが形成されている。酸化ガスとしては、酸素ガスおよび空気等が挙げられる。燃料ガスとしては、水素ガスおよびメタノールガス等が挙げられる。
【００１２】
電解質膜１１はスルホン酸基を有する含フッ素イオン交換樹脂等の電解質からなり、プロトン伝導性を有する膜である。
電極触媒層１３Ａ、１３Ｂは、粉末状のカーボン担体に触媒が担持された触媒担持カーボンと、電解質樹脂とを含む。カーボン担体の材料としては、アセチレンブラック等のカーボンブラック等が好ましい。触媒としては、白金、金、およびパラジウム等の貴金属触媒が好ましい。
【００１３】
カソード側ガス拡散層１４Ａは、電解質膜１１側から、カソード側マイクロポーラス層１５Ａとカソード側基材１６Ａとの積層構造を有する。同様に、アノード側ガス拡散層１４Ｂは、電解質膜１１側から、アノード側マイクロポーラス層１５Ｂとアノード側基材１６Ｂとの積層構造を有する。ガス拡散層１４Ａ、１４Ｂは、ガス透過性および水透過性を有する。ガス拡散層１４Ａ、１４Ｂは、基材１６Ａ、１６Ｂ上に、マイクロポーラス層形成用ペースト組成物を塗布し、乾燥および焼成してマイクロポーラス層１５Ａ、１５Ｂを形成することで、製造することができる。
【００１４】
基材１６Ａ、１６Ｂは導電性多孔質材料からなり、カーボンペーパー、カーボンクロス、およびカーボンフェルト（カーボン不織布）等が好ましく、ガス拡散層１４Ａ、１４Ｂの撥水性向上の観点から公知の撥水処理が施されていることが望ましい。
マイクロポーラス層形成用ペースト組成物は、導電性材料と撥水性材料と分散媒とを含む。導電性材料としては、アセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイト、および炭素繊維等の各種カーボンが好ましい。撥水性材料としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂が好ましい。分散媒としては、水等が挙げられる。
【００１５】
上記構造の固体高分子型燃料電池では、外部より酸化ガス流路２１Ａに供給された酸化ガスの一部がカソード側ガス拡散層１４Ａを介してカソード側電極触媒層１３Ａに供給される。外部より燃料ガス流路２１Ｂに供給された燃料ガスの一部がアノード側ガス拡散層１４Ｂを介してアノード側電極触媒層１３Ｂに供給され、触媒存在下の反応により水素イオン（プロトン）が生成される。アノード側電極触媒層１３Ｂで生成された水素イオンは電解質膜１１を選択的に透過し、カソード側電極触媒層１３Ａにおいて、触媒存在下で酸素および電子と反応して、水を生成する。生成された水は、カソード側ガス拡散層１４Ａを介して外部に排出される。燃料電池では、このような水素と酸素の化学反応によって、電気エネルギー（発電）が生じる。
【００１６】
［ＭＥＧＡシートの製造方法］
本発明の膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）シートの製造方法は、
カソード側ガス拡散層とアノード側ガス拡散層のうち少なくとも一方のガス拡散層と、膜電極接合体とからなる積層体を用意する工程と、
上記積層体の一方の表面の外周部に紫外線硬化型接着剤を塗布する工程と、
一部が、塗布された紫外線硬化型接着剤上に位置するように、積層体上に支持フレームを載置する工程と、
上記積層体の表面の中央部の上方から積層体の表面に向けて窒素ガスを吹き付けながら、紫外線硬化型接着剤に対して紫外線を照射し、紫外線硬化型接着剤を硬化させる工程とを有する。
【００１７】
図面を参照して、本発明に係る一実施形態のＭＥＧＡシートの製造方法について、説明する。図２Ａ〜図２Ｃは、各製造工程を示す要部模式断面図である。
はじめに図２Ａに示すように、アノード側ガス拡散層１４Ｂと膜電極接合体（ＭＥＡ）１２とからなる積層体（ＭＥＧＡの中間積層体）Ｌを用意し、この積層体ＬのＭＥＡ１２側の表面の外周部に紫外線硬化型接着剤３１を塗布する。
この工程において、紫外線硬化型接着剤３１は、支持フレーム５１が接着される部分と、カソード側ガス拡散層１４Ａが接着される部分を含むように、塗布される。
紫外線硬化型接着剤３１としては特に制限されず、ポリイソブチレン系、エポキシ系、およびアクリル系等の公知の紫外線硬化型接着剤を用いることができる。
紫外線硬化型接着剤３１の塗布方法としては特に制限されず、スクリーン印刷法およびディスペンサを用いる方法等が挙げられる。
【００１８】
次に図２Ｂに示すように、一部が、塗布された紫外線硬化型接着剤３１上に位置するように、積層体Ｌ上に支持フレーム５１を載置する。載置後、加圧により、積層体Ｌと支持フレーム５１との間に存在する空気を抜き、積層体Ｌ上に支持フレーム５１を強く密着させることが好ましい。
【００１９】
支持フレーム５１としては公知のものを用いることができ、電気絶縁性および気密性を有する樹脂フレームを含み、樹脂フレームの一方の面の少なくとも紫外線硬化型接着剤３１に接する部分、好ましくは樹脂フレームの両面全体に、接着剤被覆層が形成されていてもよい。
樹脂フレームの構成樹脂は特に制限されず、ポリエチレンナフタレート系樹脂（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート系樹脂（ＰＥＴ）、ポリフェニレンサルファイド系樹脂（ＰＰＳ）、およびシンジオタクチックポリスチレン系樹脂（ＳＰＳ）等のエンジニアリングプラスチック；ポリプロピレン系樹脂（ＰＰ）等の汎用プラスチック：これらの組合せ等が挙げられる。
接着剤被覆層の材料としては特に制限されず、酢酸ビニル系樹脂、ポリビニルアルコール系樹脂、エチレン酢酸ビニル系樹脂、塩化ビニル系樹脂、アクリル系樹脂、ポリアミド系樹脂、セルロース系樹脂、ポリビニルピロリドン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、シアノアクリレート系樹脂、およびポリビニルアセタール系樹脂等の熱可塑性樹脂を含む公知の接着剤を用いることができる。
【００２０】
上記したように、紫外線硬化型接着剤３１は、支持フレーム５１が接着される部分と、カソード側ガス拡散層１４Ａが接着される部分を含むように塗布されるので、紫外線硬化型接着剤３１上に支持フレーム５１を配置した後も、紫外線硬化型接着剤３１において後工程でカソード側ガス拡散層１４Ａが積層される部分３１Ａは、露出状態にある。
一般的に、紫外線硬化型接着剤は、硬化中に空気に触れた状態にあると、空気中に存在する酸素によって紫外線硬化が阻害され、硬化が不充分となる、あるいは、硬化に時間を要する恐れがある。
【００２１】
そこで、本実施形態では、図２Ｃに示すように、積層体Ｌの表面の中央部の上方に窒素ガスを噴射するノズル７１を配置し、塗布された紫外線硬化型接着剤３１の上方に紫外線光源６１を配置する。そして、積層体Ｌの表面の中央部の上方から積層体Ｌの表面に向けてノズル７１から窒素ガスを吹き付けながら、紫外線硬化型接着剤３１に対して紫外線光源６１から紫外線を照射し、紫外線硬化型接着剤３１を硬化させる。窒素ガスは、積層体Ｌの表面の中央部から外周部に向かって流れるので、紫外線硬化型接着剤３１の露出部分に窒素ガスを吹き付けることができる。このように、紫外線硬化型接着剤３１の露出部分に窒素ガスを吹き付けながら紫外線硬化型接着剤３１の硬化を行うことで、低酸素状態で硬化を行うことができ、空気中に存在する酸素による紫外線硬化の阻害が抑制されるので、所望の硬化反応が安定的に進み、短時間で硬化を行うことができる。
【００２２】
図３は、同じ紫外線硬化型接着剤を用い、紫外線照射条件を共通としたとき、通常の空気雰囲気下（酸素濃度：約２１％）で硬化を行った場合（比較例１）と、窒素雰囲気下（酸素濃度：０％）で硬化を行った場合（実施例１）の、紫外線照射時間に対するビニル基の残存率のデータの一例である。この実験に用いた紫外線硬化型接着剤では、硬化反応が進むことで、ビニル基の残存量が低下する。空気雰囲気下では硬化反応が良好に進行しないのに対し、窒素雰囲気下では硬化反応が良好に進行することが示されている。
【００２３】
最後に、一部が、硬化後の紫外線硬化型接着剤３１上に位置するように、積層体Ｌ上にカソード側ガス拡散層１４Ａを載置し、加圧接合することで、ＭＥＧＡシートが製造される（図示略）。
【００２４】
本実施形態では、はじめにアノード側ガス拡散層１４ＢとＭＥＡ１２とからなる積層体（ＭＥＧＡの中間積層体）Ｌを用意し、最後にカソード側ガス拡散層１４Ａを積層する場合について説明したが、はじめにカソード側ガス拡散層１４ＡとＭＥＡ１２とからなる積層体（ＭＥＧＡの中間積層体）を用意し、最後にアノード側ガス拡散層１４Ｂを積層してもよい。はじめに、カソード側ガス拡散層１４ＡとＭＥＡ１２とアノード側ガス拡散層１４Ｂとからなる積層体（ＭＥＧＡ）を用意し、この上に、支持フレーム５１を積層してもよい。
【００２５】
以上説明したように、本発明によれば、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）またはその中間積層体に支持フレームを接合する紫外線硬化型接着剤の硬化阻害が抑制され、ＭＥＧＡまたはその中間積層体に対して支持フレームを良好にかつ短時間で接合することが可能な燃料電池の膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）シートの製造方法を提供することができる。
【００２６】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、適宜設計変更が可能である。
【符号の説明】
【００２７】
１  固体高分子型燃料電池の単セル
１０  膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）
１１  電解質膜
１２  膜電極接合体（ＭＥＡ）
１３Ａ  カソード側電極触媒層
１３Ｂ  アノード側電極触媒層
１４Ａ  カソード側ガス拡散層
１４Ｂ  アノード側ガス拡散層
１５Ａ  カソード側マイクロポーラス層
１５Ｂ  アノード側マイクロポーラス層
１６Ａ  カソード側基材
１６Ｂ  アノード側基材
２０Ａ  カソード側セパレータ
２０Ｂ  アノード側セパレータ
２１Ａ  酸化ガス流路
２１Ｂ  燃料ガス流路
３１  紫外線硬化型接着剤
５１  支持フレーム
６１  紫外線光源
７１  ノズル
【図１】
2020087669.tif 000003
【図２Ａ】
2020087669.tif 000004
【図２Ｂ】
2020087669.tif 000005
【図２Ｃ】
2020087669.tif 000006
【図３】
2020087669.tif 000007