(57)【要約】【課題】  膜電極接合体の触媒層とガス拡散層間の積層容易性を確保すると同時に、接合力を増進させて燃料電池スタック大量生産のために保管を容易にできるようにした燃料電池スタックの膜電極接合体とガス拡散層間の接合方法を提供する。【解決手段】本発明は、高分子電解質膜の両表面に触媒層を塗布する段階と、高分子電解質膜の両表面において、その枠領域にサブガスケットを付着する段階と、触媒層の表面にガス拡散層を積層させると同時に、互いに重なり合うサブガスケットの表面とガス拡散層の枠部位を接着手段で接合させる段階と、を含み、接着手段はサブガスケットの表面またはサブガスケットの表面と重なり合うガス拡散層の枠領域に予め塗布されることを特徴とする。【選択図】  図５
2010015963.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜の両表面に触媒層を塗布する段階と、
前記高分子電解質膜の両表面において、その枠領域にサブガスケットを付着する段階と、
前記触媒層の表面にガス拡散層を積層させると同時に、互いに重なり合う前記サブガスケットの表面と前記ガス拡散層の枠部位を接着手段で接合させる段階と、
を含むことを特徴とする燃料電池スタックの膜電極接合体とガス拡散層間の接合方法。
【請求項２】
前記接着手段はサブガスケットの表面またはサブガスケットの表面と重なり合うガス拡散層の枠領域に予め塗布されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタックの膜電極接合体とガス拡散層間の接合方法。
【請求項３】
前記サブガスケットの表面またはサブガスケットの表面と重なり合うガス拡散層の枠領域に対する前記接着手段の塗布方法は、点塗布、線塗布、点と線の混合型塗布、重なり合う全体面積に対する塗布の中から選択されたいずれか１つの塗布方法で行われることを特徴とする請求項２記載の燃料電池スタックの膜電極接合体とガス拡散層間の接合方法。
【請求項４】
前記接着手段は粘度調節が可能な液体状の接着剤であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の燃料電池スタックの膜電極接合体とガス拡散層間の接合方法。
【請求項５】
前記接着手段は、
酢酸セルロース、酢酸酪酸セルロース、硝酸セルロース、ポリ酢酸ビニル、ビニル・ビニリデン、ポリビニル・アセタール、ポリビニル・アルコール、ポリアミド、アクリル、フェノキシの中から選択された溶媒形態の接着剤を粘度調節させた熱可塑性接着剤、
シアノアクリレート、ポリエステル、尿素ホルムアルデヒド、レゾルシノール及びフェノール−レゾルシノール・ホルムアルデヒド、エポキシ、ポリイミド、アクリル、アクリル酸ジエステル（Ａｃｒｙｌａｔｅ  Ａｃｉｄ  Ｄｉｅｓｔｅｒ）の中から選択された溶媒もしくは液体形態の接着剤を粘度調節させた熱硬化性接着剤、
天然ゴム、再生ゴム、ブチル合成ゴム、ポリイソブチレン、ニトリル、スチレンブタジエン、ポリウレタン、ポリスルフィド、シリコン、ネオプレンの中から選択された液体形態の接着剤を粘度調節させたエラストマー系接着剤、
の中から選択されたいずれか一つを採択して使用することを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタックの膜電極接合体とガス拡散層間の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池スタックの膜電極接合体とガス拡散層間の接合方法に係り、より詳しくは、膜電極接合体の電極触媒層とガス拡散層間の積層容易性を確保すると同時に、燃料電池スタック大量生産のために保管を容易にした燃料電池スタックの膜電極接合体とガス拡散層間の接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質燃料電池は、最も内側に主要構成部品である膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が位置し、通常、電解質膜を中心にその両面に燃料極及び空気極のための触媒層が位置する状態を３層膜電極接合体と称し、前記触媒層の外側部分にガス拡散層（ＧＤＬ：Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ）が更に積層された状態を５層膜電極接合体と称する。
【０００３】
図１に示すように、膜電極接合体１０は、高分子電解質膜１２と、その両側に位置する触媒層１４とサブガスケット１６を含む。このサブガスケット１６は膜電極接合体１０のハンドリングを容易にするためのものであり、高分子電解質膜１２の両面の縁領域に触媒層１４の厚さより更に大きい厚さで接合され、通常、不活性なＰＥ、ＰＥＮなどの高分子フィルムを使用する。
このように構成された膜電極接合体のガス拡散層の外側部分に燃料を供給し、反応により発生する水を排出するように流路が形成された分離板を積層すると、一つの単位電池となり、このような単位電池を数個積層すると、所望する規模の燃料電池スタックとなる。
【０００４】
前記膜電極接合体を製造する方法には、ガス拡散層に燃料極及び空気極のために触媒層を直接塗布し、高分子電解質膜と接合させるＣＣＧ（Ｃａｔａｌｙｓｔ  Ｃｏａｔｅｄ  ｏｎ  ＧＤＬ）法による５層膜電極接合体製造法と、燃料極及び空気極のために触媒層を高分子電解質膜に直接塗布して製造するＣＣＭ（Ｃａｔａｌｙｓｔ  Ｃｏａｔｅｄ  ｏｎ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）法による３層膜電極接合体製造法がある。
図３に示すように、触媒層をガス拡散層に直接塗布するＣＣＳ（Ｃａｔａｌｙｓｔ  Ｃｏａｔｅｄ  ｏｎ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）もしくはＣＣＧ法によると、燃料極及び空気極のために触媒層１４をガス拡散層１８に直接塗布した後、熱圧着により触媒層１４と高分子電解質膜１２を接合して５層膜電極接合体を製作することができる。
【０００５】
反面、図２に示すように、触媒層を高分子電解質膜に直接塗布するＣＣＭ法によると、燃料極及び空気極のために触媒層１４を高分子電解質膜１２に直接塗布し、３層膜電極接合体１０を製作することができるが、触媒層１４上にガス拡散層１８を積層した後、プレスで接合させる別の工程を必要とする。
即ち、ＣＣＭ法は膜電極接合体である高分子電解質膜に触媒層が直接塗布された３層膜電極接合体を製作した後、多数のセルを積層するスタック製造工程に投入される時、触媒層上にガス拡散層を接合する工程が必須となる。
【０００６】
このような膜電極接合体を製造する方法のうち、ＣＣＭ法は燃料電池スタックの大量生産に当たり下記問題点がある。
即ち、ＣＣＭ法によって製作された３層膜電極接合体にガス拡散層を別の熱圧着工程にて臨時接合させると、図４に示すように、触媒層１４とガス拡散層１８間に界面２０が形成され、同時にサブガスケット１６とガス拡散層１８間に界面２２が形成される。
この時、触媒層１４とガス拡散層１８間の界面２０は燃料電池反応が起きる界面であり、サブガスケット１６とガス拡散層１８間の界面２２は燃料電池反応と関係のない界面である。
【０００７】
しかしながら、触媒層とガス拡散層またはサブガスケットとガス拡散層は互いに異なる接着手段を必要としないが、熱圧着により接合されることによって、その接合力が弱いという短所があり、燃料電池スタックの大量生産のための保管（待機）期間が長くなると、接合力が更に弱化し、結局は触媒層とガス拡散層間の剥離現象が発生する危険性もある。
このような点を勘案し、従来は触媒層とガス拡散層間の接合力を増進させるために、ガス拡散層にナフィオンのようなアイオノマーを塗布して触媒層に熱圧着させた方法が提案されたが、触媒層と接するガス拡散層の界面物性が親水性の性質を持つため、接合力を増進させるには十分ではない。
【特許文献１】特開２００５−２２８５００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、膜電極接合体のサブガスケットとガス拡散層が互いに重なり合う部位を接着剤で接着し、膜電極接合体の触媒層とガス拡散層間の積層容易性を確保すると同時に、接合力を増進させて燃料電池スタック大量生産のために保管を容易にできるようにした燃料電池スタックの膜電極接合体とガス拡散層間の接合方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するための本発明は、高分子電解質膜の両表面に触媒層を塗布する段階と、前記高分子電解質膜の両表面において、その枠領域にサブガスケットを付着する段階と、前記触媒層の表面にガス拡散層を積層させると同時に、互いに重なり合う前記サブガスケットの表面と前記ガス拡散層の枠部位を接着手段で接合させる段階と、を含むことを特徴とする。
【００１０】
前記接着手段はサブガスケットの表面またはサブガスケットの表面と重なり合うガス拡散層の枠領域に予め塗布されることを特徴とする。
【００１１】
前記サブガスケットの表面またはサブガスケットの表面と重なり合うガス拡散層の枠領域に対する前記接着手段の塗布方法は、点塗布、線塗布、点と線の混合型塗布、重なり合う全体面積に対する塗布の中から選択され、前記接着手段は粘度調節が可能な液体状の接着剤であることを特徴とする。
【００１２】
前記接着手段は、酢酸セルロース、酢酸酪酸セルロース、硝酸セルロース、ポリ酢酸ビニル、ビニル・ビニリデン、ポリビニル・アセタール、ポリビニル・アルコール、ポリアミド、アクリル、フェノキシの中から選択された溶媒形態の接着剤を粘度調節させた熱可塑性接着剤、シアノアクリレート、ポリエステル、尿素ホルムアルデヒド、レゾルシノール及びフェノール−レゾルシノール・ホルムアルデヒド、エポキシ、ポリイミド、アクリル、アクリル酸ジエステル（Ａｃｒｙｌａｔｅ  Ａｃｉｄ  Ｄｉｅｓｔｅｒ）の中から選択された溶媒もしくは液体形態の接着剤を粘度調節させた熱硬化性接着剤、天然ゴム、再生ゴム、ブチル合成ゴム、ポリイソブチレン、ニトリル、スチレンブタジエン、ポリウレタン、ポリスルフィド、シリコン、ネオプレンの中から選択された液体形態の接着剤を粘度調節させたエラストマー系接着剤、の中から選択されたいずれか一つを採択して使用することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る燃料電池スタックの膜電極接合体とガス拡散層間の接合方法によると、膜電極接合体、即ち、高分子電解質膜の両表面に触媒層が予め接合された３層膜電極接合体をガス拡散層と接合させる時、高分子電解質膜の枠に接合されたサブガスケットと、ガス拡散層の枠領域間の重なり合う部位を接着手段で接合させることで、膜電極接合体の触媒層とガス拡散層間の積層が容易になるとともに、接合力を増進させることができる。
また、膜電極接合体の触媒層とガス拡散層が積層された状態でありながら、ガス拡散層とサブガスケットが接着手段で堅固に接合された状態であるため、燃料電池スタックの大量生産のための工程間保管（待機）が容易となる。
更に、自動化装備を利用して燃料電池スタックのスタッキング工程が行われる時、膜電極接合体とガス拡散層間の接合時間が短縮され、スタック製造時に工程間の供給時間の短縮を図ることができる。
もちろん、膜電極接合体の触媒層とガス拡散層の界面である反応面には別の接着手段または異物が存在しないため、スタックの性能をそのまま維持させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照にし、本発明に係る燃料電池スタックの膜電極接合体とガス拡散層間の接合方法について説明する。
【実施例】
【００１５】
図５は本発明による燃料電池スタックの膜電極接合体とガス拡散層間の接合方法を説明する図である。
まず、ＣＣＭ法に基づき、燃料極及び空気極のための触媒層１４を高分子電解質膜１２に直接塗布し、３層膜電極接合体１０を製作する。
この時、高分子電解質膜１２の両表面において、その枠部分は触媒層１４が塗布されず、面圧維持及び気密維持のためにサブガスケット１６が接合される。
次に、触媒層１４の各両表面にガス拡散層１８を積層させると、図６に示すように、サブガスケット１６の表面とガス拡散層１８の枠部位が互いに重なり合い、この重なり合う部位に接着手段２４を塗布することで、前記サブガスケット１６とガス拡散層１８間の接合が堅固に行われる。
【００１６】
より詳しくは、接着手段２４をサブガスケット１６の表面に予め塗布した後、ガス拡散層１８を触媒層１４の各外表面に積層させると同時に、ガス拡散層１８の枠部位がサブガスケット１６に予め塗布された接着手段２４に接着するようにするか、または接着手段２４をガス拡散層１８の枠領域に予め塗布した後、ガス拡散層１８を触媒層１４の各外表面に積層させると同時に、ガス拡散層１８の枠部位に予め塗布された接着手段２４がサブガスケット１６の表面に接着されるようにすることで、サブガスケット１６とガス拡散層１８間の接合が接着手段２４により堅固に行われる。
【００１７】
特に、サブガスケット１６の表面、またはサブガスケット１６の表面と重なり合うガス拡散層１８の枠領域に対する接着手段２４の塗布方法は、図７に示すように、点塗布、線塗布、点塗布と線塗布を混合させた混合型塗布、または互いに重なり合う全体面積に対する塗布方法のうちいずれか一つを選択して行うことができる。
即ち、サブガスケット１６とガス拡散層１８間の迅速な接合工程を望む場合、点塗布、または線塗布を選択し、より堅固な接合力を望む場合、点塗布と線塗布を混合させた混合型塗布、または互いに重なり合う全体面積に対する塗布方法を選択して行うようにする。
【００１８】
一方、接着手段２４は粘度調節が可能な液体状接着剤に限定することが好ましい。その理由はサブガスケット１６とガス拡散層１８間の接着面に接着剤による別の段差が誘発され、触媒層１４とガス拡散層１８間の面圧状態が不良となったり、サブガスケット１６の気密維持機能が落ちるため、粘度調節が可能な液体状の接着剤に限定するものである。
更に、接着手段２４の粘度は適正水準に調節することが好ましい。その理由は接着剤の粘度が低い場合、多孔性であるガス拡散層１８の中に接着剤が染み込むため、接着力が落ち、接着剤の粘度が高い場合、その接着境界面に段差が発生し、触媒層１４とガス拡散層１８間の面圧状態が不良となり、互いの接触抵抗が増加する可能性が存在するためである。
【００１９】
本発明で使用できる接着手段２４、即ち、粘度調節が可能な液体状接着剤としては、Ｗｉｌｌｉａｎ  Ｍ．Ａｌｖｉｎｏ，Ｐｌａｓｔｉｃｓ  ｆｏｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ：Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ａｎｄ  Ｄｅｓｉｇｎ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，Ｉｎｃ（１９９５），ｐ２８４〜２９９に開示された下記接着剤を使用することができる。
【００２０】
１）酢酸セルロース、酢酸酪酸セルロース、硝酸セルロース、ポリ酢酸ビニル、ビニル・ビニリデン、ポリビニル・アセタール、ポリビニル・アルコール、ポリアミド、アクリル、フェノキシの中から選択された溶媒形態の接着剤を粘度調節させた熱可塑性接着剤。
２）シアノアクリレート、ポリエステル、尿素ホルムアルデヒド、レゾルシノール及びフェノール−レゾルシノール・ホルムアルデヒド、エポキシ、ポリイミド、アクリル、アクリル酸ジエステル（Ａｃｒｙｌａｔｅ  Ａｃｉｄ  Ｄｉｅｓｔｅｒ）の中から選択された溶媒もしくは液体形態の接着剤を粘度調節させた熱硬化性接着剤。
３）天然ゴム、再生ゴム、ブチル合成ゴム、ポリイソブチレン、ニトリル、スチレンブタジエン、ポリウレタン、ポリスルフィド、シリコン、ネオプレンの中から選択された液体形態の接着剤を粘度調節させたエラストマー系接着剤。
もちろん、サブガスケットの種類が多様であり、膜電極接合体の持続的な開発が行われる状況で、前記数種類の液体状接着剤以外に、他の適切な接着剤の採択も可能である。
【００２１】
前記のように、ＣＣＭ法により製作された３層膜電極接合体１０にガス拡散層１８を接着手段２４で接合させると、図１に示すように、触媒層１４とガス拡散層１８間に界面２０が形成され、同時にサブガスケット１６とガス拡散層１８間には接着手段２４を有する界面２２が形成される。
この時、触媒層１４とガス拡散層１８間の界面２０は燃料電池反応が起きる純粋な界面であり、別の接着手段または異物が存在しないため、スタックの性能をそのまま維持させることができ、サブガスケット１６とガス拡散層１８間の界面２２は燃料電池の反応と関係のない界面であるため、接着手段が存在しても燃料電池の性能には全く影響を及ぼさない。
【００２２】
以上、本発明によると、高分子電解質膜の両表面に触媒層が予め接合された３層膜電極接合体をガス拡散層と接合させる時、高分子電解質膜の枠に接合されたサブガスケットと、ガス拡散層の枠領域間の重なり合う部位を接着手段で接合させることで、膜電極接合体の触媒層とガス拡散層間の積層容易性を確保することができ、燃料電池スタック工程の前に、単品状態で長期保管をしてもその接合状態が長時間維持されるため、燃料電池車両の大量生産時、保管（待機）が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】３層膜電極接合体の構成を説明する断面図である。
【図２】膜電極接合体とガス拡散層を接合するＣＣＭ法を説明する図である。
【図３】膜電極接合体とガス拡散層を接合するＣＣＳもしくはＣＣＧ法を説明する図である。
【図４】ＣＣＭ法により膜電極接合体とガス拡散層が接合されることによる問題点を説明するための図である。
【図５】本発明による燃料電池スタックの膜電極接合体とガス拡散層間の接合方法を説明する図である。
【図６】本発明による燃料電池スタック用膜電極接合体のサブガスケットとガス拡散層間の重なり合う部分を示す平面図である。
【図７】本発明による燃料電池スタック用膜電極接合体のサブガスケットとガス拡散層間の重なり合う部分に接着剤を塗布する方法を説明する平面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１０  膜電極接合体
１２  高分子電解質膜
１４  触媒層
１６  サブガスケット
１８  ガス拡散層
２０，２２  界面
２４  接着手段
【図１】
2010015963.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2010015963.tif 000006
【図５】
2010015963.tif 000007
【図６】
2010015963.tif 000008
【図７】
2010015963.tif 000009