(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極ガス拡散層接合体と、前記膜電極ガス拡散層接合体の外周に接合された樹脂フレームと、前記樹脂フレームが接合された前記膜電極ガス拡散層接合体を挟持する２つのセパレータと、を備える燃料電池単セルの製造方法であって、
（ａ）切断されて前記樹脂フレームとなる電気絶縁性の樹脂フィルムが膜電極ガス拡散層接合体の外周に接合されたフィルム付き接合体と、切断されて前記セパレータとなる２つのセパレータ部材と、を準備する工程と、
（ｂ）前記２つのセパレータ部材の外縁から前記樹脂フィルムが突出するように、前記２つのセパレータ部材を前記フィルム付き接合体の両面に接着剤で接合する工程と、
（ｃ）前記工程（ｂ）の後に、前記フィルム付き接合体の前記樹脂フィルムと前記２つのセパレータ部材を同時に切断することによって、燃料電池単セルを切り出すとともに前記燃料電池単セルの２つのセパレータのうちの一方のセパレータの端面を前記樹脂フィルムの樹脂部材又は前記接着剤で形成された絶縁層で被覆する工程と、
を備える製造方法。
【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】
特許文献１には、燃料電池の単セルを構成する膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas-diffusion-layer Assembly）の製造方法の一例が開示されている。この方法では、まず、電解質膜と触媒層と保護フィルムとを積層した後に、不要な部分を切断して膜電極接合体を作製する。次に、膜電極接合体の両面にガス拡散層を接合することによってＭＥＧＡを作製する。単セル、ＭＥＧＡの両側をセパレータで挟むことによって作製される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−０２８９１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年では、単セルの厚みを更に小さくしたいという要望が強く、ＭＥＧＡの厚みも小さくなる傾向にある。ＭＥＧＡの厚みが小さくなると、ＭＥＧＡを挟むセパレータ間の距離が近くなるので、セパレータ間に短絡が発生しやすくなるという課題が生じる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記した課題の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の形態として実施することができる。
【０００６】
本発明の一形態によれば、膜電極ガス拡散層接合体と、前記膜電極ガス拡散層接合体の外周に接合された樹脂フレームと、前記樹脂フレームが接合された前記膜電極ガス拡散層接合体を挟持する２つのセパレータと、を備える燃料電池単セルの製造方法が提供される。この製造方法は、（ａ）切断されて前記樹脂フレームとなる電気絶縁性の樹脂フィルムが膜電極ガス拡散層接合体の外周に接合されたフィルム付き接合体と、切断されて前記セパレータとなる２つのセパレータ部材と、を準備する工程と、（ｂ）前記２つのセパレータ部材の外縁から前記樹脂フィルムが突出するように、前記２つのセパレータ部材を前記フィルム付き接合体の両面に接着剤で接合する工程と、（ｃ）前記工程（ｂ）の後に、前記フィルム付き接合体の前記樹脂フィルムと前記２つのセパレータ部材を同時に切断することによって、燃料電池単セルを切り出すとともに前記燃料電池単セルの２つのセパレータのうちの一方のセパレータの端面を前記樹脂フィルムの樹脂部材又は前記接着剤で形成された絶縁層で被覆する工程と、を備える。
この方法によれば、フィルム付き接合体の樹脂フィルムと２つのセパレータ部材を同時に切断することによって、一方のセパレータの端面が樹脂フィルムの樹脂部材又は接着剤で形成された絶縁層で覆われた単セルが得られる。この結果、単セルのセパレータ間が短絡する可能性を低減できる。
【０００７】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池単セルや、その製造方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】燃料電池の単セルの構成を示す説明図。
【図２】単セルの製造方法のフローチャート。
【図３】単セルの製造工程の説明図。
【図４】単セルの切り出し工程を示す説明図。
【図５】他の実施形態における単セルの切り出し後の状態を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１（Ａ）は、本発明の一実施形態における燃料電池の単セル１００の断面図であり、図１（Ｂ）はその分解斜視図である。単セル１００は、樹脂フレーム付き膜電極ガス拡散層接合体１１０（以下、「フレーム付きＭＥＧＡ１１０」と呼ぶ）と、これを両側から挟持する一対のセパレータ１２１，１２２とで構成されている。フレーム付きＭＥＧＡ１１０は、膜電極ガス拡散層接合体１１２（ＭＥＧＡ）の外周の全体に亘って、電気絶縁性の樹脂フレーム１１４が接合されたものである。図１（Ａ）に示すように、樹脂フレーム１１４は、その両面に設けられた接着剤層１１６を介してセパレータ１２１，１２２と接着されている。樹脂フレーム１１４は、電気絶縁性とガスバリア性とを有する樹脂部材で形成されていることが好ましい。例えば、樹脂フレーム１１４の材質としては、ＰＥＮ（ポリエチレンテレフタレート）が使用される。なお、ＭＥＧＡ１１４は、電解質膜と、その両面に設けられた電極触媒層及びガス拡散層とを含んでいるが、図１では、簡略化されて描かれている。この単セル１００は、例えば、固体高分子形燃料電池である。
【００１０】
図２は、単セル１００の製造方法のフローチャートであり、図３はその製造工程の説明図である。工程Ｔ１１０では、切断されて樹脂フレーム１１４となる長尺の樹脂フィルム１１４ｆ（図３）に、ＭＥＧＡ１１２を接合する。図３の作業位置Ｐ１は、この工程Ｔ１１０の状態を示しており、樹脂フィルム１１４ｆの単セル領域１００ｒに、ＭＥＧＡ１１２が接合されている。単セル領域１００ｒは、後述する切断工程で切断された後に単セルとなる予定の領域である。図３において単セル領域１００ｒを示す破線は、単に単セル領域１００ｒを示すための仮想的な線であり、実際にはこのような線が樹脂フィルム１１４ｆに描かれている必要はない。単セル領域１００ｒにおいてＭＥＧＡ１１２が嵌め込まれる部分には、予めＭＥＧＡ１１２を嵌め込むための開口が形成されている。単セル領域１００ｒには、更に、燃料電池の燃料ガスと酸化ガスと冷媒の供給用及び排出用のマニホールドを形成するための複数の開口ＨＬも形成されている。この工程Ｔ１１０により、樹脂フィルム１１４ｆがＭＥＧＡ１１２の外周に接合されたフィルム付きＭＥＧＡ１１０ｆが形成される。なお、樹脂フィルム１１４ｆの両面には、図１（Ａ）に示した接着剤層１１６が形成されていることが好ましい。
【００１１】
図２の工程Ｔ１２０では、図３に示す工程とは別個に、切断されてセパレータとなるセパレータ部材が準備される。工程Ｔ１３０では、２枚のセパレータ部材を、フィルム付きＭＥＧＡ１１０ｆの両面を挟むように接合する。図３の作業位置Ｐ２は、セパレータ部材１２１ｍがフィルム付きＭＥＧＡ１１０ｆの両面に接合された様子を示している。このセパレータ部材１２１ｍは、単セル領域１００ｒの全周にわたって単セル領域１００ｒよりも外側にはみ出す大きな形状に形成されていることが好ましい。なお、裏面にも、セパレータ１２２（図１）となるセパレータ部材が接合されているが、図３では図示が省略されている。
【００１２】
図４（Ａ）は、図３の作業位置Ｐ２における４−４断面を示している。ここでは、フィルム付きＭＥＧＡ１１０ｆの端部にある樹脂フィルム１１４ｆと、その両面にあるセパレータ部材１２１ｍ，１２２ｍとが描かれている。樹脂フィルム１１４ｆは、セパレータ部材１２１ｍ，１２２ｍの外縁よりも外側に突出している。セパレータ部材１２１ｍ，１２２ｍは、樹脂フィルム１１４ｆの両面に設けられた接着剤層１１６によって樹脂フィルム１１４ｆに接合されている。
【００１３】
図２の工程Ｔ１４０では、セパレータ部材１２１ｍ，１２２ｍが接合されたフィルム付きＭＥＧＡ１１０ｆに対して、樹脂フィルム１１４ｆとセパレータ部材１２１ｍ，１２２ｍとを同時に切断する切断工程を実行して、単セル１００を切り出す。この工程Ｔ１４０は図３の作業位置Ｐ３で実行される。
【００１４】
図４（Ｂ）は、工程Ｔ１４０における切断の様子を示している。ここでは、セパレータ部材１２１ｍ，１２２ｍの両側を抑え部材３３１，３３２で挟んだ状態で、切断部材３４０を用いて、樹脂フィルム１１４ｆとセパレータ部材１２１ｍ，１２２ｍとを切断線ＣＴに沿って同時に切断する。切断部材３４０は、切断線ＣＴに相当する位置に刃先３４０ｃを有している。この切断線ＣＴ（すなわち刃先３４０ｃ）は、平面視で単セル領域１００ｒ（図３）の輪郭と同じ矩形形状を有しており、この切断によって単セル１００が打ち抜かれる。下方の抑え部材３３２の端部は、単セル領域１００ｒの内側において単セル領域１００ｒの輪郭に沿ってセパレータ部材１２２ｍを支持している。また、下方の抑え部材３３２の端部には、ヒーター３５０が配置されている。このヒーター３５０によって、樹脂フィルム１１４ｆ及び接着剤層１１６を加熱・昇温することができる。このヒーター３５０の効果については後述する。なお、切断治具としては、このような抑え部材３３１，３３２や切断部材３４０以外の他の治具を使用してもよい。
【００１５】
図４（Ｃ）は、切断後の状態を示している。ここでは、切断後の樹脂フレーム１１４の外縁の一部が折れ曲がり、下方のセパレータ１２２の端面を覆う絶縁層１１４ｃとなっている。また、この絶縁層１１４ｃは、接着剤層１１６を介してセパレータ１２２の端面に接着されている。なお、前述した図１では、図示の便宜上、絶縁層１１４ｃは省略されている。絶縁層１１４ｃは、セパレータ１２２の端面の全体を被覆することが好ましいが、その一部のみを被覆していてもよい。
【００１６】
図４（Ｃ）の絶縁層１１４ｃは、図４（Ｂ）に示した切断工程において、切断部材３４０の刃先３４０ｃのせん断力を利用して形成されたものである。すなわち、刃先３４０ｃが切断を行う際に、切断に伴って熱が発生するので、樹脂フィルム１１４ｆが軟化し、図４（Ｃ）に示すようにその樹脂部材の一部が伸びて絶縁層１１４ｃを形成することができる。また、本実施形態では、下方の抑え部材３３２にヒーター３５０を設けて樹脂フィルム１１４ｆを加熱・昇温するようにしたので、特に樹脂フィルム１１４ｆが軟化して伸び易い状態となる。また、樹脂フィルム１１４ｆと共に接着剤層１１６も加熱・昇温されるので、絶縁層１１４ｃをセパレータ１２２の端面に接着しやすくなるという利点もある。但し、切断に伴う発熱が十分に大きな場合には、ヒーター３５０は省略してもよい。また、切断時に樹脂フィルム１１４ｆが十分に軟化してその樹脂部材（絶縁層１１４ｃ）自身がセパレータ１２２の端面に溶着する場合には、接着剤層１１６を介さずに絶縁層１１４ｃがセパレータ１２２の端面に溶着していてもよい。
【００１７】
なお、ヒーター３５０は、２つの抑え部材３３１，３３２のうちで、切断前に切断部材３４０が配置される面とは反対側の面に配置される抑え部材に設けられることが好ましい。すなわち、図４（Ｂ）の例では、切断前の状態では、切断部材３４０が、セパレータ部材１２１ｍ，１２２ｍが接合されたフィルム付きＭＥＧＡ１１０ｆの上面側に配置されているので、ヒーター３５０は、その反対側にある下方の抑え部材３３２に設けられている。これとは逆に、切断前の状態で、切断部材３４０が下面側に配置される場合には、ヒーター３５０は、その反対側にある上方の抑え部材３３１に設けられることが好ましい。
【００１８】
このように、樹脂フィルム１１４ｆとセパレータ部材１２１ｍ，１２２ｍとを同時に切断して単セル１００を切り出すようにすれば、一方のセパレータ１２２の端面が樹脂フレーム１１４の樹脂部材で形成された絶縁層１１４ｃで覆われるので、２つのセパレータ１２１，１２２同士が短絡する可能性を低減することが可能である。このような絶縁層１１４ｃは、樹脂フィルム１１４ｆから形成されるので、別個の短絡防止部材を用いずに短絡する可能性を低減できるという利点がある。
【００１９】
更に、樹脂フィルム１１４ｆとセパレータ部材１２１ｍ，１２２ｍとを同時に切断して単セル１００を切り出すので、単セル１００の外形寸法を切断治具の寸法通りに仕上げることができ、単セル１００の寸法検査を廃止又は簡略化することが可能になるという利点もある。但し、長尺状の樹脂フィルム１１４ｆを使用する代わりに、枚葉状の樹脂フィルムを用いて単セルを製造してもよい。
【００２０】
図５は、他の実施形態における切断後の状態を示している。ここでは、樹脂フィルム１１４ｆの樹脂部材がセパレータ１２２の端面を覆っておらず、接着剤層１１６の一部が絶縁層１１６ｃとしてセパレータ１２２の端面を覆っている。この絶縁層１１６ｃも、セパレータ１２２の端面の全体を被覆することが好ましいが、その一部のみを被覆していてもよい。この形態では、接着剤層１１６を形成する接着剤は、絶縁層１１６ｃとしての機能を確保するために電気絶縁性であることが好ましい。なお、図５の構成を得るためには、切断時に樹脂フィルム１１４ｆを軟化させる必要は無いので、ヒーター３５０は省略可能である。この形態においても、樹脂フィルム１１４ｆとセパレータ部材１２１ｍ，１２２ｍとを同時に切断して単セル１００を切り出すことによって、一方のセパレータ１２２の端面が接着剤で形成された絶縁層１１６ｃで覆われるので、２つのセパレータ１２１，１２２同士が短絡する可能性を低減することが可能である。このような絶縁層１１６ｃは、接着剤層１１６から形成されるので、別個の短絡防止部材を用いずに短絡する可能性を低減できるという利点がある。
【００２１】
なお、上述した各実施形態の製造方法によれば、図３に示すような搬送路に沿った作業が可能なので、樹脂フィルム１１４ｆを高速に搬送しながら、作業効率良く単セル１００を製造することが可能である。例えば、繰り出しロールと巻き取りロール（いずれも図示省略）の間で樹脂フィルム１１４ｆを搬送するロール・ツー・ロールの製造設備を用いて高速に搬送を行うことによって、作業効率を高めることが可能である。
【００２２】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００２３】
１００…単セル
１００ｒ…単セル領域
１１０…樹脂フレーム付き膜電極ガス拡散層接合体（フレーム付きＭＥＧＡ）
１１０ｆ…フィルム付きＭＥＧＡ
１１２…膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）
１１４…樹脂フレーム
１１４ｃ…絶縁層
１１４ｆ…樹脂フィルム
１１６…接着剤層
１１６ｃ…絶縁層
１２１，１２２…セパレータ
１２１ｍ，１２２ｍ…セパレータ部材
３３１，３３２…抑え部材
３４０…切断部材
３４０ｃ…刃先
３５０…ヒーター
【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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