(57)【要約】【課題】  触媒の被毒を抑制する燃料電池の製造方法を提供する。【解決手段】  燃料電池の製造方法は、膜電極接合体の一方の面の外周に沿って紫外線硬化性の接着剤により接着層を形成する工程と、枠形状のフレームの内周側の端部を前記接着層に重ねる工程と、前記膜電極接合体の前記一方の面における、前記フレームから露出した領域に、紫外線を遮断するマスクを配置する工程と、前記接着層に紫外線を照射する工程とを含み、前記マスクは、外周端面に、前記接着層側に紫外線を反射する反射部材を有する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体の一方の面の外周に沿って紫外線硬化性の接着剤により接着層を形成する工程と、
枠形状のフレームの内周側の端部を前記接着層に重ねる工程と、
前記膜電極接合体の前記一方の面における、前記フレームから露出した領域に、紫外線を遮断するマスクを配置する工程と、
前記接着層に紫外線を照射する工程とを含み、
前記マスクは、外周端面に、前記接着層側に紫外線を反射する反射部材を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の製造工程において、膜電極接合体を紫外線硬化性の接着剤によりフレームに接着する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−２０１１８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
膜電極接合体は、紫外線硬化性の接着剤に紫外線が照射されることによりフレームに接着される。このとき、膜電極接合体の触媒（電極触媒層）にも紫外線が照射されるため、触媒は紫外線の照射により熱を発生し、その熱によって接着剤中のモノマー成分が揮発する。揮発したモノマー成分が拡散して膜電極接合体の触媒に付着すると、触媒が被毒し、例えばセル電圧の低下などの発電性能の劣化が生ずるおそれがある。
【０００５】
そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、触媒の被毒を抑制する燃料電池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】
本発明の燃料電池の製造方法は、膜電極接合体の一方の面の外周に沿って紫外線硬化性の接着剤により接着層を形成する工程と、枠形状のフレームの内周側の端部を前記接着層に重ねる工程と、前記膜電極接合体の前記一方の面における、前記フレームから露出した領域に、紫外線を遮断するマスクを配置する工程と、前記接着層に紫外線を照射する工程とを含み、前記マスクは、外周端面に、前記接着層側に紫外線を反射する反射部材を有する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、触媒の被毒を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】燃料電池の一例を示す斜視図である。
【図２】単セルの一例を示す分解斜視図である。
【図３】単セルの製造工程の一例を示す部分断面図である。
【図４】単セルの製造工程の一例を示す部分断面図である。
【図５】単セルの製造工程の一例を示す部分断面図である。
【図６】単セルの製造工程の一例を示す平面図である。
【図７】単セルの製造工程の一例を示す部分断面図である。
【図８】単セルの製造工程の他の例を示す部分断面図である。
【図９】単セルの製造工程の他の例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、燃料電池の一例を示す斜視図である。燃料電池１は、例えば燃料電池車に用いられるが、その用途に限定はない。
【００１０】
燃料電池１は、例えば固体高分子形であり、複数の単セル２が積層された積層体３と、一対のエンドプレート８と、テンションプレート９と、一対のプレッシャプレート１２とを有する。単セル２は、燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気中の酸素）が供給され、燃料ガスと酸化剤ガスの化学反応により発電する。なお、単セル２の構成は後述する。
【００１１】
一対のエンドプレート８は、積層体３をその積層方向の両端において締結する。一端のエンドプレート８には、カソード側入口マニホルド１５ａ、カソード側出口マニホルド１５ｂ、アノード側入口マニホルド１６ａ、アノード側出口マニホルド１６ｂ、冷却媒体入口マニホルド１７ａ、及び冷却媒体出口マニホルド１７ｂが開口している。
【００１２】
カソード側入口マニホルド１５ａには、各単セル２に供給される酸化剤ガスが流通する。カソード側出口マニホルド１５ｂには、各単セル２から排出された酸化剤オフガスが流通する。アノード側入口マニホルド１６ａには、各単セル２に供給される燃料ガスが流通する。アノード側出口マニホルド１６ｂには、各単セル２から排出された燃料オフガスが流通する。冷却媒体入口マニホルド１７ａには、各単セル２に供給される冷却水などの冷却媒体が流通する。冷却媒体出口マニホルド１７ｂには、各単セル２から排出された冷却媒体が流通する。
【００１３】
テンションプレート９は、一対のエンドプレート８の間を結合する。一対のプレッシャプレート１２は、不図示の複数の弾性体を積層体３の積層方向において挟持する。
【００１４】
図２は、単セル２の一例を示す分解斜視図である。単セル２は、積層体３の積層方向に沿って配置されたＭＥＧＡ（Membrane-Electrode-Gas diffusion layer Assembly）２０、フレーム２１、及びセパレータ２３，２４を有する。
【００１５】
セパレータ２３，２４は、例えば金属板などにより構成され、矩形状の外形を有する。セパレータ２３，２４は接着剤により互いに接着され、セパレータ２３は接着剤によりフレーム２１に接着されている。このため、積層体３内において、セパレータ２４は、隣接する単セル２のＭＥＧＡ２０のアノード側に配置され、セパレータ２３は、同一の単セル２のＭＥＧＡ２０のカソード側に配置される。
【００１６】
セパレータ２３は、厚み方向に貫通する貫通孔２３１〜２３６と、波板形状のカソード流路部２３０を有する。貫通孔２３１，２３５，２３４はセパレータ２３の一方の端部に設けられ、貫通孔２３３，２３６，２３２はセパレータ２３の他方の端部に設けられている。
【００１７】
ＭＥＧＡ２０側のカソード流路部２３０の面には、酸化剤ガスが流通する溝状の酸化剤ガス流路が形成されている。カソード流路部２３０は、例えばプレス金型による曲げ加工により形成される。酸化剤ガス流路は、例えば直線状に形成されてもよいし、蛇行するように形成されてもよい。
【００１８】
また、セパレータ２４は、貫通孔２４１〜２４６と、波板形状のアノード流路部２４０を有する。貫通孔２４１，２４５，２４４はセパレータ２４の一方の端部に設けられ、貫通孔２４３，２４６，２４２はセパレータ２４の他方の端部に設けられている。
【００１９】
セパレータ２３側のアノード流路部２４０の面には、冷却媒体が流通する溝状の冷却媒体流路が形成され、隣接する単セル２側のアノード流路部２４０の他方の面には、燃料ガスが流通する溝状の燃料ガス流路が形成されている。アノード流路部２４０は、例えばプレス金型による曲げ加工により形成される。冷却媒体流路及び燃料ガス流路は、例えば直線状に形成されてもよいし、蛇行するように形成されてもよい。なお、セパレータ２３，２４は、金属に限定されず、例えばカーボン成型により形成されてもよい。
【００２０】
セパレータ２３の貫通孔２３１〜２３６は、セパレータ２４の貫通孔２４１〜２４６にそれぞれ重なる。貫通孔２３１，２４１は、アノード側入口マニホルド１６ａの一部であり、積層体３の積層方向に沿って燃料ガスが流通する。貫通孔２３２，２４２は、アノード側出口マニホルド１６ｂの一部であり、積層体３の積層方向に沿って燃料オフガスが流通する。
【００２１】
貫通孔２４１，２４２は燃料ガス流路に接続されている。燃料ガスは、貫通孔２４１から燃料ガス流路を経由してＭＥＧＡ２０に供給される。また、燃料オフガスは、ＭＥＧＡ２０から燃料ガス流路を経由して貫通孔２４２に排出される。
【００２２】
貫通孔２３３，２４３は、カソード側入口マニホルド１５ａの一部であり、積層体３の積層方向に沿って酸化剤ガスが流通する。貫通孔２３４，２４４は、カソード側出口マニホルド１５ｂの一部であり、積層体３の積層方向に沿って酸化剤オフガスが流通する。
【００２３】
酸化剤ガスは、貫通孔２３３から酸化剤ガス流路を経由してＭＥＧＡ２０に供給される。また、酸化剤オフガスは、ＭＥＧＡ２０から酸化剤ガス流路を経由して貫通孔２３４に排出される。
【００２４】
貫通孔２３６，２４６は、冷却媒体入口マニホルド１７ａの一部であり、積層体３の積層方向に沿って冷却媒体が流通する。貫通孔２３５，２４５は、冷却媒体出口マニホルド１７ｂの一部であり、積層体３の積層方向に沿って冷却媒体が流通する。
【００２５】
冷却媒体は、貫通孔２４６から冷却媒体流路を経由して貫通孔２４５に流れ込む。これにより、冷却媒体は燃料電池１を冷却する。
【００２６】
ＭＥＧＡ２０には、膜電極接合体（MEA: Membrane Electrode Assembly）２００と、ＭＥＡ２００を挟持する一対のガス拡散層（GDL: Gas Diffusion Layer）２０１，２０２とが含まれる。符号ＰはＭＥＡ２００の積層構造を示す。ＭＥＡ２００には、電解質膜２００ａと、電解質膜２００ａを挟持するアノード電極触媒層２００ｂ及びカソード電極触媒層２００ｃとが含まれる。
【００２７】
電解質膜２００ａは、例えば、湿潤状態で良好なプロトン電導性を示すイオン交換樹脂膜により構成される。このようなイオン交換樹脂膜としては、例えば、ナフィオン（登録商標）などの、イオン交換基としてスルホン酸基を有するフッ素樹脂系のものが挙げられる。
【００２８】
アノード電極触媒層２００ｂ及びカソード電極触媒層２００ｃは、それぞれ、触媒担持導電性粒子により構成された、ガス拡散性を有する多孔質層として形成されている。例えば、アノード電極触媒層２００ｂ及びカソード電極触媒層２００ｃは、白金担持カーボンの分散溶液である触媒インクの乾燥塗膜として形成される。
【００２９】
アノード電極触媒層２００ｂには一方のガス拡散層２０１を介し燃料ガスが供給され、カソード電極触媒層２００ｃには他方のガス拡散層２０２を介し酸化剤ガスが供給される。ガス拡散層２０１，２０２は、例えば、カーボンペーパーなどの基材に撥水性のマイクロポーラス層を積層することにより形成される。なお、マイクロポーラス層としては、例えばＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）などの撥水性樹脂とカーボンブラックなどの導電性材料から形成される。ＭＥＡ２００は、酸化剤ガス及び燃料ガスを用いた電気化学反応により発電する。
【００３０】
フレーム２１は、一例として矩形状の外形を有する樹脂シートにより構成される。フレーム２１は、枠形状を有し、中央部には開口２１０が設けられている。
【００３１】
また、フレーム２１の端部には、厚み方向に貫通する貫通孔２１１〜２１６が設けられている。開口２１０は、ＭＥＧＡ２０に対応する位置に設けられ、その縁にはＭＥＡ２００の外周端が接着される。つまり、ＭＥＡ２００は、その外周端がフレーム２１の内周側の端部に接着されることによりフレーム２１に固定される。
【００３２】
貫通孔２１１，２１５，２１４は、フレーム２１の一方の端部に設けられ、貫通孔２１３，２１６，２１２は、フレーム２１の他方の端部に設けられている。貫通孔２１１〜２１６は、セパレータ２３，２４の貫通孔２３１〜２３６，２４１〜２４６にそれぞれ重なる。
【００３３】
貫通孔２１１は、アノード側入口マニホルド１６ａの一部であり、積層体３の積層方向に沿って燃料ガスが流通する。貫通孔２１２は、アノード側出口マニホルド１６ｂの一部であり、積層体３の積層方向に沿って燃料オフガスが流通する。
【００３４】
貫通孔２１３は、カソード側入口マニホルド１５ａの一部であり、積層体３の積層方向に沿って酸化剤ガスが流通する。貫通孔２１４は、カソード側出口マニホルド１５ｂの一部であり、積層体３の積層方向に沿って酸化剤オフガスが流通する。
【００３５】
貫通孔２１６は、冷却媒体入口マニホルド１７ａの一部であり、積層体３の積層方向に沿って冷却媒体が流通する。貫通孔２１５は、冷却媒体出口マニホルド１７ｂの一部であり、積層体３の積層方向に沿って冷却媒体が流通する。
【００３６】
次に、Ａ−Ａ線に沿った部分断面図を参照しながら、実施例の燃料電池の製造方法として、単セル２のフレーム２１にＭＥＡ２００を接着する工程を挙げる。
【００３７】
図３〜図７は、単セル２の製造工程の一例を示す。本例では、アノード電極触媒層２００ｂにはガス拡散層２０１が積層されているが、カソード電極触媒層２００ｃにはガス拡散層２０２が積層されていない状態からの製造工程を述べる。
【００３８】
図３は、ＭＥＡの一方の面の外周に沿って紫外線硬化性の接着剤により接着層２２を形成する工程を示す。カソード電極触媒層２００ｃは、電解質膜２００ａ及びアノード電極触媒層２００ｂより面積が小さいため、電解質膜２００ａのカソード側の面は、その外周に沿って露出した部分を有する。この露出した部分には、紫外線硬化性の接着剤が塗布されることにより接着層２２が形成される。紫外線硬化性の接着剤としては、カチオン重合型のものが挙げられ、例えばエポキシ、ビニルエーテル、及びオキセタンなどがある。
【００３９】
図４は、フレーム２１の内周側の端部を接着層２２に重ねる工程を示す。フレーム２１は、開口２１０側の端部がＭＥＡ２００の外周沿いの接着層２２に重なるように、ＭＥＡ２００の上に配置される。なお、この時点では、接着層２２は硬化していないため、フレーム２１はＭＥＡ２００に接着されていない。
【００４０】
図５及び図６は、ＭＥＡ２００に、紫外線を遮断する触媒マスク４を配置する工程を示す。触媒マスク４の材質としては、例えばＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）、カプトン、及びＰＥＮ（polyethylene naphthalate）などが挙げられる。なお、触媒マスク４はマスクの一例である。
【００４１】
触媒マスク４は、矩形状の外形を有し、ＭＥＡ２００の一方の面における、フレーム２１の開口２１０から露出する領域に配置される。例えば、触媒マスク４は、矩形の平板形状を有し、フレーム２１の端部との間に隙間が生ずるようにカソード電極触媒層２００ｃを覆う。触媒マスク４は紫外線を遮断するため、紫外線の照射によるＭＥＡ２００の加熱が抑制される。
【００４２】
また、触媒マスク４は、外周にわたって端面に反射部材４０が設けられている。つまり、触媒マスク４は、外周端面に反射部材４０を有する。反射部材４０は、例えばアルミニウムやプラチナなどから構成され、紫外線を反射する。反射部材４０は、触媒マスク４の本体に対し、隙間が生じないように接着剤などで接着されている。なお、反射部材４０は、触媒マスク４の一部の外周端面だけに設けられてもよい。
【００４３】
図７は、接着層２２に紫外線を照射する工程を示す。紫外線は、矢印で示されるように、紫外線ランプなどの光源７から接着層２２に向かって放射状に照射される。
【００４４】
フレーム２１は紫外線を透過するが、反射部材４０は、紫外線を透過せずに、接着層２２側に反射する。このため、接着層２２内の反射部材４０に近い領域２２ａには、他の領域よりも集中的に紫外線が照射されるので、その領域２２ａは他の領域より早く硬化する。
【００４５】
したがって、紫外線の照射によりカソード電極触媒層２００ｃが発熱し、接着層２２からモノマー成分が揮発しても、接着層２２の硬化した領域２２ａが、シール部材として、モノマー成分のカソード電極触媒層２００ｃ側への拡散を抑制する。このため、モノマー成分を、符号Ｄで示されるように、カソード電極触媒層２００ｃとは反対側に拡散させることが可能となる。
【００４６】
これにより、ＭＥＡ２００の発電面であるカソード電極触媒層２００ｃにモノマー成分が付着しにくくなるため、単セル２の触媒の被毒が抑制される。よって、例えばセル電圧の低下などの燃料電池１の発電性能の劣化が回避される。
【００４７】
また、モノマー成分のカソード電極触媒層２００ｃ側への拡散を、より確実に抑制するため、紫外線を照射する工程において、以下の方法を用いてもよい。
【００４８】
図８及び図９は、単セル２の製造工程の他の例を示す。図８及び図９において、図３乃至図７と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００４９】
図８の符号Ｇ１で示されるように、フレーム２１上には、上記の触媒マスク４とは別のフレームマスク５が配置される。また、図９の符号Ｇ１１で示されるように、フレームマスク５は、フレーム２１の４つの辺のそれぞれに個別に設けられている。
【００５０】
フレームマスク５は、フレーム２１の各辺に沿った平板形状を有し、接着層２２とは反対側のフレーム２１の一面を覆うことによりフレーム２１を紫外線から保護する。紫外線の照射前、フレームマスク５は、反射部材４０と接触するようにフレーム２１上に配置される。なお、フレームマスク５は、例えばアルミニウムやプラチナにより形成されるが、紫外線を透過しなければ他の材料により形成されてもよい。
【００５１】
光源７から紫外線の照射が開始されると、図８の符号Ｇ２及び図９の符号Ｇ１２で示されるように、フレームマスク５は、カソード電極触媒層２００ｃから離れる方向ｄに移動を開始する。これにより、フレームマスク５と反射部材４０の間に隙間６が生じ、そこから紫外線が反射部材４０に照射され、反射部材４０で反射された紫外線が接着層２２の端部を硬化させる。
【００５２】
図８の符号Ｇ３で示されるように、フレームマスク５がカソード電極触媒層２００ｃから離れるほど、フレームマスク５と反射部材４０の間の隙間６は広がるため、より多くの紫外線が、反射部材４０で反射されることにより、またはフレーム２１を透過することにより接着層２２に照射される。したがって、接着層２２内の硬化した領域２２ｂは、フレームマスク５の移動とともにカソード電極触媒層２００ｃ側から反対側に向かって広がっていく。
【００５３】
これにより、接着層２２は、カソード電極触媒層２００ｃに近い領域ほど早く硬化するため、例えば、接着層２２内の硬化の所要時間のばらつきなどが原因でモノマー成分の一部がカソード電極触媒層２００ｃ側に漏れることが抑制される。よって、本実施例によると、モノマー成分のカソード電極触媒層２００ｃ側への拡散を、より確実に抑制することが可能となる。
【００５４】
なお、本例では、ＭＥＡ２００のカソード側がフレーム２１に接着されるが、ＭＥＡ２００のアノード側がフレーム２１に接着されてもよい。この場合も、紫外線の照射工程において、触媒マスク４をアノード電極触媒層２００ｂ上に配置することで上記と同様の効果が得られる。また、この場合、フレームマスク５を用いることで、やはり、上記と同様の効果が得られる。
【００５５】
上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１      燃料電池
２      単セル
４      触媒マスク
５      フレームマスク
７      光源
２１      フレーム
２２      接着層
４０      反射部材
２００     ＭＥＡ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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