(57)【要約】【課題】接着剤に含まれた気泡が抜けやすく、生産性の向上を図ることができるフレーム付き膜電極接合体の製造方法を提供する。【解決手段】フレーム付き膜電極接合体２０の製造方法は、電解質膜１７の接着面１７ａに第１幅Ｗ１を有する接着剤２２ａを塗布する第１幅の接着剤塗布工程と、第１幅Ｗ１を有する接着剤２２ａの中央位置に第１幅Ｗ１よりも小さい第２幅Ｗ２を有する接着剤２２ｂを塗布する第２幅の接着剤塗布工程と、第１幅Ｗ１を有する接着剤２２ａ及び第２幅Ｗ２を有する接着剤２２ｂを接着面１７ａに押し広げるように、樹脂フレーム２１を第２幅Ｗ２を有する接着剤２２ｂの上に配置するフレーム配置工程と、を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外周に配置されるとともに前記電解質膜の外縁部に設けられた接着面に接着される樹脂フレームと、を備えるフレーム付き膜電極接合体の製造方法であって、
前記電解質膜の前記接着面に第１幅を有する接着剤を塗布する第１幅の接着剤塗布工程と、
第１幅を有する接着剤の中央位置に、第１幅よりも小さい第２幅を有する接着剤を塗布する第２幅の接着剤塗布工程と、
第１幅を有する接着剤及び第２幅を有する接着剤を前記接着面に押し広げるように、前記樹脂フレームを第２幅を有する接着剤の上に配置するフレーム配置工程と、
を含むことを特徴とするフレーム付き膜電極接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フレーム付き膜電極接合体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池に用いられるフレーム付き膜電極接合体は、電解質膜を有する膜電極接合体と、膜電極接合体の外周に配置される枠状の樹脂フレームとを備えている。このようなフレーム付き膜電極接合体は、例えば特許文献１に示すように、電解質膜の外縁部に設けられた接着面に接着剤を塗布する塗布工程と、接着剤が塗布された接着面に樹脂フレームを配置する配置工程と、接着剤が塗布された接着面を振動させる振動工程によって製造されている。振動工程において、接着剤が塗布された接着面を振動させることにより、接着剤を接着面に均一に拡げることができるので、膜電極接合体と樹脂フレームとの間の接着強度やシール性を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１１５２４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
塗布された接着剤には、気泡が含まれる場合が多い。接着剤に気泡が存在すると、接着強度やシール性などに影響を与えてしまうため、気泡の除去が望まれている。しかし、上述の製造方法では、接着剤に含まれた気泡が抜けにくく、気泡を除去するのに時間がかかるため、生産性の向上を図りにくい問題があった。
【０００５】
本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、接着剤に含まれた気泡が抜けやすく、生産性の向上を図ることができるフレーム付き膜電極接合体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】
【０００６】
本発明に係るフレーム付き膜電極接合体の製造方法は、電解質膜を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外周に配置されるとともに前記電解質膜の外縁部に設けられた接着面に接着される樹脂フレームと、を備えるフレーム付き膜電極接合体の製造方法であって、前記電解質膜の前記接着面に第１幅を有する接着剤を塗布する第１幅の接着剤塗布工程と、第１幅を有する接着剤の中央位置に、第１幅よりも小さい第２幅を有する接着剤を塗布する第２幅の接着剤塗布工程と、第１幅を有する接着剤及び第２幅を有する接着剤を前記接着面に押し広げるように、前記樹脂フレームを第２幅を有する接着剤の上に配置するフレーム配置工程と、を含むことを特徴としている。
【０００７】
本発明に係るフレーム付き膜電極接合体の製造方法では、接着剤塗布工程が第１幅の接着剤塗布工程と第２幅の接着剤塗布工程に分けられており、しかも第２幅が第１幅よりも小さいので、塗布された第１幅の接着剤と第２幅の接着剤とが階段状になる。このため、フレーム配置工程で樹脂フレームが配置されると、塗布された接着剤と膜電極接合体との間、塗布された接着剤と樹脂フレームとの間にそれぞれ隙間が生じる。そして、配置された樹脂フレームの重さ又は加圧により、第１幅を有する接着剤及び第２幅を有する接着剤が接着面に広がり、これに伴い接着剤に含まれた気泡が押し出され、上述した隙間に移動することができる。従って、接着剤に含まれた気泡が抜けやすくなり、気泡の除去にかかる時間を短縮できるので、生産性の向上を図ることが可能になる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、接着剤に含まれた気泡が抜けやすく、生産性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】フレーム付き膜電極接合体が用いられた燃料電池の要部を示す模式断面図である。
【図２】フレーム付き膜電極接合体の製造方法を示す工程図である。
【図３】フレーム付き膜電極接合体の製造方法を説明するための模式断面図である。
【図４】実施例に係る最大気泡サイズ、最小シール幅を説明するための模式断面図である。
【図５】（ａ）は最大気泡サイズについて実施例及び比較例の確認結果を示す図であり、（ｂ）は最小シール幅について実施例及び比較例の確認結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照してフレーム付き膜電極接合体の製造方法の実施形態について説明するが、その前に図１を基にフレーム付き膜電極接合体が用いられた燃料電池の構造を簡単に説明する。
【００１１】
図１はフレーム付き膜電極接合体が用いられた燃料電池の要部を示す模式断面図である。図１に示すように、燃料電池１には、基本単位である燃料電池セル１０が複数積層されている。燃料電池セル１０は、酸化剤ガス（例えば空気）と、燃料ガス（例えば水素ガス）との電気化学反応により起電力を発生する固体高分子型燃料電池セルである。この燃料電池セル１０は、矩形板状のＭＥＧＡ（膜電極ガス拡散層接合体  Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly）１１と、ＭＥＧＡ１１を挟持する一対のセパレータ（すなわち、アノード側セパレータ１２とカソード側セパレータ１３）と、ＭＥＧＡ１１の外周に配置されるとともに一対のセパレータに挟まれた枠状の樹脂フレーム２１と、備えている。
【００１２】
ＭＥＧＡ１１は、ＭＥＡ（膜電極接合体  Membrane Electrode Assembly）１４と、ＭＥＡ１４の両面に配置されたアノード側ガス拡散層１５、カソード側ガス拡散層１６とが、一体化されたものである。ＭＥＡ１４は、電解質膜１７と、電解質膜１７を挟むように接合された一対の電極触媒層（すなわち、アノード側電極触媒層１８とカソード側電極触媒層１９）とからなる。
【００１３】
電解質膜１７は、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜からなる。電極触媒層は、例えば、白金等の触媒を担持した多孔質のカーボン素材により形成されている。一方、ガス拡散層は、例えばカーボンペーパーもしくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体、または、金属メッシュも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。
【００１４】
セパレータは、例えば、カーボン粒子を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼やチタン鋼などの金属部材によって形成されている。図示しないが、アノード側セパレータ１２及びカソード側セパレータ１３は、それぞれ凹部と凸部とを交互に繰り返すことにより波形になっている。そして、カソード側セパレータ１３の凹部とＭＥＧＡ１１のカソード側ガス拡散層１６とで、カソード側ガス拡散層１６の表面に沿う酸化剤ガス流路１３ａが複数形成されている。一方、アノード側セパレータ１２の凹部とＭＥＧＡ１１のアノード側ガス拡散層１５とで、アノード側ガス拡散層１５の表面に沿う燃料ガス流路（図示せず）が複数形成されている。
【００１５】
また、隣接する燃料電池セル１０同士の間には、セル間シール材としてのガスケット２３が配置されている。ガスケット２３は、ゴムや熱可塑性エラストマー等によって形成されており、隣接する２つの燃料電池セル１０のアノード側セパレータ１２とカソード側セパレータ１３との間に圧入され、隣接するアノード側セパレータ１２とカソード側セパレータ１３との間の空間を封止する。
【００１６】
樹脂フレーム２１は、矩形枠状を呈し、ＭＥＧＡ１１を取り囲むように該ＭＥＧＡ１１の外周に配置されるとともに、電解質膜１７の外縁部に設けられた接着面１７ａに接着されている。より具体的には、樹脂フレーム２１は、ＭＥＧＡ１１と略同じ厚さを有するフレーム本体２１ａと、フレーム本体２１ａからＭＥＧＡ１１側に突出して該フレーム本体２１ａよりも薄く形成された突出部２１ｂとを有する。
【００１７】
電解質膜１７の接着面１７ａは、電解質膜１７の外縁部に配置され、例えばアノード側電極触媒層１８及びアノード側ガス拡散層１５から露出するようになっている。図１の模式断面図において、接着面１７ａは、断面しか描かれていないが、実際には枠状の樹脂フレーム２１と対応するように矩形状の電解質膜１７の外縁部に沿って矩形枠状に形成されている。そして、樹脂フレーム２１の突出部２１ｂは、電解質膜１７の外縁部に形成された接着面１７ａと対向した状態で、接着面１７ａに設けられた層状の接着剤２２によって電解質膜１７と接合されている。
【００１８】
なお、樹脂フレーム２１は、エポキシ、フェノールなどの熱硬化性樹脂、もしくはポリプロピレン、ポリエチレンなどの熱可塑性樹脂製である。接着剤２２としては、例えばシリコーン、ポリイソブチレン、エポキシ、ウレタンなどの熱硬化性の接着樹脂を用いることができ、又は紫外線（ＵＶ）硬化性の接着樹脂等を用いることができる。
【００１９】
本実施形態において、ＭＥＧＡ１１及び樹脂フレーム２１は、フレーム付き膜電極接合体２０を構成している。すなわち、フレーム付き膜電極接合体２０は、ＭＥＧＡ１１と、該ＭＥＧＡ１１の外周に配置されるとともに電解質膜１７の外縁部に設けられた接着面１７ａに接着される樹脂フレーム２１とを備える構造となっている。
【００２０】
以下、図２及び図３を参照してフレーム付き膜電極接合体２０の製造方法を説明する。フレーム付き膜電極接合体２０の製造方法は、ＭＥＧＡ１１と樹脂フレーム２１とをそれぞれ準備する準備工程Ｓ１と、ＭＥＧＡ１１の電解質膜１７の接着面１７ａに第１幅Ｗ１を有する接着剤２２ａを塗布する第１幅の接着剤塗布工程Ｓ２と、第１幅Ｗ１を有する接着剤２２ａの中央位置に第１幅Ｗ１よりも小さい第２幅Ｗ２を有する接着剤２２ｂを塗布する第２幅の接着剤塗布工程Ｓ３と、第２幅Ｗ２を有する接着剤２２ｂの上に樹脂フレーム２１を配置するフレーム配置工程Ｓ４と、接着剤を硬化する硬化工程Ｓ５とを含む。
【００２１】
まず、準備工程Ｓ１では、外縁部に接着面１７ａが形成された電解質膜１７を備えるＭＥＧＡ１１と、突出部２１ｂを有する樹脂フレーム２１とがそれぞれ作製される。
【００２２】
準備工程Ｓ１に続く第１幅の接着剤塗布工程Ｓ２では、ＭＥＧＡ１１の接着面１７ａの所定位置に第１幅Ｗ１を有する接着剤２２ａを塗布する（図３（ａ）参照）。塗布作業は、例えばスクリーン印刷で枠状の接着面１７ａに沿って行われる。なお、ここでの「幅」とは、接着面１７ａの幅方向に沿う長さのことを意味する。そして、第１幅Ｗ１は接着面１７ａの幅よりも小さい。
【００２３】
第１幅の接着剤塗布工程Ｓ２に続く第２幅の接着剤塗布工程Ｓ３では、塗布した第１幅Ｗ１を有する接着剤２２ａの中央位置に第２幅Ｗ２を有する接着剤２２ｂを塗布する。第２幅Ｗ２を有する接着剤２２ｂの塗布作業もスクリーン印刷で行われる。そして、第２幅Ｗ２は第１幅Ｗ１よりも小さい。これにより、接着面１７ａにおいて、塗布された第１幅Ｗ１の接着剤２２ａと第２幅Ｗ２の接着剤２２ｂとが階段状になっている（図３（ｂ）参照）。
【００２４】
第２幅の接着剤塗布工程Ｓ３に続くフレーム配置工程Ｓ４では、準備工程Ｓ１で作製された樹脂フレーム２１を、その突出部２１ｂがＭＥＧＡ１１の接着面１７ａと対向するように第２幅Ｗ２を有する接着剤２２ｂの上に配置する（図３（ｃ）参照）。次に、樹脂フレーム２１の重さ又は加圧で、第１幅Ｗ１を有する接着剤２２ａ及び第２幅Ｗ２を有する接着剤２２ｂを接着面１７ａに押し広げる。これによって、階段状の接着剤２２ａ及び接着剤２２ｂは、押圧されて接着面１７ａ全面に行きわたるように広がっていく。これに伴い、接着剤２２ａ及び接着剤２２ｂに含まれた気泡が押し出され、ＭＥＧＡ１１又は樹脂フレーム２１との間の隙間に移動する（図３（ｃ）の矢印参照）。
【００２５】
フレーム配置工程Ｓ４に続く硬化工程Ｓ５では、接着剤２２ａ及び接着剤２２ｂを硬化する。接着剤２２ａ及び接着剤２２ｂに熱硬化性の接着樹脂を用いる場合には加熱で接着剤２２ａ及び接着剤２２ｂを硬化すれば良く、紫外線硬化性の接着樹脂を用いる場合には紫外線照射で硬化すれば良い。これによって、フレーム付き膜電極接合体２０が製造される。
【００２６】
本実施形態に係るフレーム付き膜電極接合体２０の製造方法では、接着剤塗布工程が第１幅の接着剤塗布工程Ｓ２と第２幅の接着剤塗布工程Ｓ３に分けられており、しかも第２幅Ｗ２が第１幅Ｗ１よりも小さいので、塗布された第１幅Ｗ１の接着剤２２ａと第２幅Ｗ２の接着剤２２ｂとが階段状になる。このため、フレーム配置工程Ｓ４で樹脂フレーム２１が配置されると、塗布された接着剤２２ａ，２２ｂとＭＥＧＡ１１との間、接着剤２２ａ，２２ｂと樹脂フレーム２１との間にそれぞれ隙間が生じる。
【００２７】
そして、配置された樹脂フレーム２１の重さ又は加圧によって、第１幅Ｗ１を有する接着剤２２ａ及び第２幅Ｗ２を有する接着剤２２ｂが接着面１７ａに広がり、これに伴い接着剤２２ａ，２２ｂに含まれた気泡が押し出され、上述した隙間に移動することができる。その結果、接着剤２２ａ，２２ｂに含まれた気泡が抜けやすくなり、気泡を除去する時間を短縮できるので、生産性の向上を図ることが可能になる。
【００２８】
以下、本発明を実施例により説明するが、本発明は実施例の範囲に限定されるものではない。
【００２９】
＜実施例＞
実施例では、上述の製造方法に従い、ＭＥＧＡの電解質膜の上に第１幅を有する接着剤と第２幅を有する接着剤を順に塗布した後に、第２幅を有する接着剤の上に樹脂フレームを配置することでフレーム付き膜電極接合体を作製した。更に、作製したフレーム付き膜電極接合体２０に対し、接着剤に含まれた気泡抜きの効果を確認した。気泡抜きの効果の確認は、図４に示す最大気泡サイズ及び最小シール幅を調べることにより行った。図４に示すように、最大気泡サイズは、気泡サイズＡと気泡サイズＢとの和であり、すなわち、最大気泡サイズ＝気泡サイズＡ＋気泡サイズＢである。一方、最小シール幅＝シール長さ−（気泡サイズＡ＋気泡サイズＢ）である。なお、図４に示すシールは接着剤のことであり、従って図４に示す「シール長さ」は接着剤の厚さである。
【００３０】
＜比較例＞
また、比較のために、実施例と同じ条件においてＭＥＧＡの電解質膜の上に接着剤を一回のみ塗布したサンプルを作製し、作製したサンプルについて、実施例と同様に最大気泡サイズ及び最小シール幅を調べた。
【００３１】
実施例及び比較例の確認結果を図５に示す。図５から分かるように、比較例と比べて実施例の方は、最大気泡サイズが約０．８ｍｍ縮小し（図５（ａ）参照）、最小シール幅が約０．９ｍｍ（図５（ｂ）参照）拡大した結果であった。これによって、本発明の製造方法によれば接着剤に含まれた気泡が抜けやすくなり、気泡抜きを改善できることが示された。
【００３２】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述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。
【符号の説明】
【００３３】
１    燃料電池
１０    燃料電池セル
１１    ＭＥＧＡ
１２    アノード側セパレータ
１３    カソード側セパレータ
１４    ＭＥＡ
１５    アノード側ガス拡散層
１６    カソード側ガス拡散層
１７    電解質膜
１７ａ    接着面
１８    アノード側電極触媒層
１９    カソード側電極触媒層
２０    フレーム付き膜電極接合体
２１    樹脂フレーム
２１ａ    フレーム本体
２１ｂ    突出部
２２    接着剤
２３    ガスケット
【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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