(57)【要約】【課題】樹脂製の枠を効率良く設けることが可能な燃料電池用膜電極接合体の製造方法を提供する。【解決手段】燃料電池用膜電極接合体の製造方法は、電解質膜２の両面に電極層３を積層した積層体１０の周縁１０Ａに樹脂製の枠７を設けた燃料電池用膜電極接合体１の製造方法であって、樹脂材料塗工用の基材３０に積層体１０を配置し、この基材３０上の積層体１０の周縁１０Ａに液状の樹脂材料を塗工し硬化させて枠７を形成する。【選択図】図１
2013062169.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に電極層を積層した積層体の周縁に樹脂製の枠を設けた燃料電池用膜電極接合体の製造方法であって、
樹脂材料塗工用の基材に前記積層体を配置し、この基材上の前記積層体の周縁に液状の樹脂材料を塗工し硬化させて前記枠を形成することを特徴とする燃料電池用膜電極接合体の製造方法。
【請求項２】
前記電解質膜は、前記電極層より大きく形成されて当該電極層よりも外側に延出する延出部を備え、
前記基材上の前記延出部に対応する位置に液状の樹脂材料を塗工し硬化させて片方の枠を形成し、
前記片方の枠を形成した前記基材に前記積層体を配置し、
前記延出部上に液状の樹脂材料を塗工し硬化させて他方の枠を形成することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用膜電極接合体の製造方法。
【請求項３】
前記樹脂材料の塗工方法が印刷法であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用膜電極接合体の製造方法。
【請求項４】
前記基材に前記電極層の周縁より内側に貫通孔を形成し、
前記貫通孔から吸引しながら前記基材上に液状の樹脂材料を塗工することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池用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、周縁に樹脂製の枠を備えた燃料電池用膜電極接合体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池用の膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly: MEA）は、電解質膜の両面に電極層を設けた積層体を備えている。電極層の一方はアノード、他方はカソードとなり、アノードに還元剤（燃料）ガス（例えば、水素）が供給され、カソードには酸化剤ガス（例えば、酸素）が供給され、電極層間で電気化学反応に基づいて発電される。電解質膜は両電極層に比べ面積が大きく形成されており、電解質膜の電極層より外側の部分は上記ガスの流路とガスが互いに混合するのを防ぐガスシール部とを兼ねている。このように構成された膜電極接合体においては、製造コストの低減が重要な課題になっている。
【０００３】
そこで従来、積層体の周縁に安価な樹脂製の枠を設けることで、電解質膜の面積を小さくし、高価な電解質膜の利用量を減らして膜電極接合体の製造コストを低減した膜電極接合体が知られている（例えば、特許文献１参照）。この膜電極接合体では、枠は接着剤によって電解質膜に接着されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−２３４６０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、樹脂製の枠を接着剤によって電解質膜に接着する方法では、枠を形成する工程及び枠を電解質膜に接着する行程を必要とするため、枠の製造に時間が掛かり、生産効率が低いという課題がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、樹脂製の枠を効率良く設けることが可能な燃料電池用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】
上記目的を達成するために、本発明は、電解質膜の両面に電極層を積層した積層体の周縁に樹脂製の枠を設けた燃料電池用膜電極接合体の製造方法であって、樹脂材料塗工用の基材に前記積層体を配置し、この基材上の前記積層体の周縁に液状の樹脂材料を塗工し硬化させて前記枠を形成することを特徴とする。
上記構成によれば、枠の形成及び枠の積層体への接着を一度に行うことができる。
【０００７】
上記構成において、前記電解質膜は、前記電極層より大きく形成されて当該電極層よりも外側に延出する延出部を備え、前記基材上の前記延出部に対応する位置に液状の樹脂材料を塗工し硬化させて片方の枠を形成し、前記片方の枠を形成した前記基材に前記積層体を配置してもよい。
上記構成によれば、電解質膜が電極層より大きく形成されて当該電極層よりも外側に延出する延出部を備えるため、両電極層間の沿面距離を確保でき、両電極層間の短絡を防止できる。また、枠を片方の枠と他方の枠に分けて形成したため、延出部を覆う枠を容易に形成できるとともに、枠の硬化時間を短縮できる。
【０００８】
上記構成において、前記樹脂材料の塗工方法が印刷法であってもよい。
上記構成によれば、液状の樹脂材料を容易に塗工できる。
【０００９】
上記構成において、前記基材に前記電極層の周縁より内側に貫通孔を形成し、前記貫通孔から吸引しながら前記基材上に液状の樹脂材料を塗工してもよい。
上記構成によれば、電極層に樹脂材料を含浸させることができるので、電極層と枠とを確実に接着できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、樹脂材料塗工用の基材に積層体を配置し、基材上の積層体の周縁に液状の樹脂材料を塗工し硬化させて枠を形成するため、枠の形成及び枠の積層体への接着を一度に行うことができ、燃料電池用膜電極接合体を効率的に生産できる。
また、電解質膜が電極層よりも外側に延出する延出部を備えるため、両電極層間の沿面距離を確保でき、両電極層間の短絡を防止できる。また、枠を片方の枠と他方の枠に分けて形成したため、延出部を覆う枠を容易に形成できるとともに、枠の硬化時間を短縮できる。
【００１１】
また、樹脂材料の塗工方法を印刷法としたため、液状の樹脂材料を容易に塗工できる。
また、基材の電極層の周縁より内側に形成した貫通孔から吸引しながら基材上に液状の樹脂材料を塗工するため、電極層に樹脂材料を含浸させることができるので、電極層と枠とを確実に接着できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る製造方法を適用して製造した膜電極接合体（燃料電池用膜電極接合体）を示す側面図である。
【図２】下枠用の樹脂材料の塗工工程を示す図である。
【図３】下枠用の樹脂材料の硬化工程を示す図である。
【図４】積層体の配置工程を示す図である。
【図５】上枠用の樹脂材料の塗工工程を示す図である。
【図６】上枠用の樹脂材料の硬化工程を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る製造方法を適用して製造した膜電極接合体を示す断面図である。
【図８】膜電極接合体をライン上で製造する場合の製造工程の前段を示す図である。
【図９】膜電極接合体をライン上で製造する場合の製造工程の後段を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１は、第１の実施の形態に係る膜電極接合体（燃料電池用膜電極接合体）の製造方法を適用して製造した膜電極接合体を示す側面図である。
膜電極接合体１は、電解質膜２の両面に電極層３，３を接合した積層体１０を備えている。電解質膜２は、電極層３よりも大きく形成され、電極層３よりも外側に延出する延出部２Ａを電解質膜２の全周に亘って有している。この延出部２Ａにより、両電極層間の沿面距離を確保でき、両電極層間の短絡を防止できる。電極層３，３は、多孔質の拡散層４と、この拡散層４の一側面に撥水層５を介して形成される触媒電極層６とを有し、触媒電極層６が電解質膜２に接合される。この膜電極接合体１を使用した燃料電池においては、上記電極層３，３の一方がアノード、他方がカソードとなる。
【００１４】
電解質膜２としては、パーフルオロスルホン酸高分子等の高分子電解質を好適に用いることができる。拡散層４としては、導電性と耐酸性を兼ね備えた多孔性の材料を用いることができ、例えばカーボンペーパーが好適である。撥水層５は、微細気孔層（micro porous layer: MPL）とも呼ばれ、黒鉛、カーボンブラック、炭素繊維等の炭素材料とポリテトラフルオロエチレンやポリフッ化ビニリデンなどの撥水材を混合して構成される。触媒電極層６は、白金もしくはその合金などの触媒または触媒をカーボンなどの担持体に担持させたもの、電解質高分子（例えば、電解質膜２に用いられるもの）、及び上記炭素材料などの導電材を混合して構成される。
【００１５】
電極層３の周縁３Ａ（積層体１０の周縁）には樹脂製の枠７が設けられている。枠７は、下側に設けられる下枠（片方の枠）７Ａ、及び、この下枠７Ａ上に設けられる上枠（他方の枠）７Ｂを有する。枠７の樹脂材料には、例えば、熱硬化性樹脂や、光（例えば、紫外線）硬化性樹脂が用いられる。電解質膜２の延出部２Ａはこれらの下枠７Ａ及び上枠７Ｂに覆われている。
枠７は、積層体１０を樹脂材料塗工用のシート（基材）３０上に配置して形成される。シート３０の材料には、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（polytetrafluoroethylene: PTFE)が好適に用いられる。膜電極接合体１は、シート３０から剥がされて燃料電池に使用される。ここで、積層体１０は、比較的厚みが薄く柔軟であるが、積層体１０の周縁３Ａに枠７を形成することで、積層体１０の取り扱いが容易になる。
【００１６】
次に、膜電極接合体１の製造方法について説明する。
図２は、下枠７Ａ用の樹脂材料Ｐの塗工工程を示す図である。図３は、下枠７Ａ用の樹脂材料Ｐの硬化工程を示す図である。図４は、積層体１０の配置工程を示す図である。図５は、上枠７Ｂ用の樹脂材料Ｐの塗工工程を示す図である。図６は、上枠７Ａ用の樹脂材料Ｐの硬化工程を示す図である。
まず、図２に示すように、シート３０上に液状の樹脂材料Ｐを印刷法により塗工する。印刷法としては、例えばスクリーン印刷法を用いることができる。
【００１７】
スクリーン印刷法で使用される印刷機４０は、例えば、スクリーン版４１と、スクリーン版４１を設置するスクリーン版枠４２と、スキージ４３とを備えて構成されている。スクリーン版４１には、延出部２Ａに対応する位置、本実施の形態では、シート３０上に配置した積層体１０の電極層３の周縁３Ａから延出部２Ａの縁端より外側の部分までの間に開口部４１Ａが形成されており、スクリーン版４１上に樹脂材料Ｐを載せ、実線矢印で示すようにスキージ４３を移動することにより、流動した樹脂材料Ｐがスクリーン版４１の開口部４１Ａに流入して、樹脂材料Ｐがシート３０上に塗工される。スクリーン印刷に使用する樹脂材料Ｐとしては、例えば、スリーボンド社製のＴＢ１１５２Ｃ、太陽インキ製造社製のＲＣＡ−２０００，ＴＲ６３０６７，Ｓ−４０，Ａ３１８、石井化学産業社製のＳＴ−０１，ＳＴ０６等を用いることができる。スクリーン版４１には、樹脂材料Ｐの固形分率により、例えば、３０メッシュ／インチ（目開き２５０μｍ）、５０メッシュ／インチ（目開き２００μｍ）、７０メッシュ／インチ（目開き１２５μｍ）等が選定される。
【００１８】
次いで、図３に示すように、樹脂材料Ｐを硬化機５０により硬化させることにより下枠７Ａを形成する。なお、硬化機５０は、樹脂材料Ｐに熱硬化性樹脂を用いた場合には樹脂材料Ｐを加熱する加熱機として、樹脂材料Ｐに光硬化性樹脂を用いた場合には樹脂材料Ｐに光を照射する光照射機として構成される。
次に、図４に示すように、電解質膜２の両面に電極層３を積層して接合した積層体１０を、下枠７Ａを形成したシート３０上に配置する。
【００１９】
そして、図５に示すように、図２と同様に液状の樹脂材料Ｐを塗工する。ここで使用するスクリーン版４４には、延出部２Ａに対応する位置に、本実施の形態では、先に形成した下枠７Ａより内側であって、シート３０上に配置した積層体１０の電極層３の周縁３Ａから延出部２Ａの縁端より外側の部分までの間に開口部４４Ａが形成されており、スクリーン版４４上に樹脂材料Ｐを載せ、実線矢印で示すようにスキージ４３を移動することにより、流動した樹脂材料Ｐがスクリーン版４４の開口部４４Ａに流入して、樹脂材料Ｐが延出部２Ａ及び下枠７Ａに塗工され、延出部２Ａが樹脂材料Ｐで覆われることとなる。
最後に、図６に示すように、塗工した樹脂材料Ｐを硬化機５０により硬化させることにより上枠７Ｂを形成する。
【００２０】
例えば、枠を射出成形する場合には、射出時の圧力により電解質膜の延出部が折れるおそれがあり、その場合、触媒電極層間の沿面距離を確保できないが、本実施の形態では、樹脂材料Ｐを塗工することにより枠７を形成するため、延出部２Ａが折れることを防止できる。
【００２１】
以上説明したように、本実施の形態によれば、電解質膜２は、電極層３より大きく形成されて電極層３よりも外側に延出する延出部２Ａを備え、シート３０上の延出部２Ａに対応する位置に液状の樹脂材料Ｐを塗工し硬化させて下枠７Ａを形成し、下枠７Ａを形成したシート３０に積層体１０を配置し、延出部２Ａ上に液状の樹脂材料Ｐを塗工し硬化させて上枠７Ｂを形成した。このため、延出部２Ａによって両電極層間の沿面距離を確保でき、両電極層間の短絡を防止できる。また、枠７を下枠７Ａと上枠７Ｂに分けて形成したため、延出部２Ａを覆う枠７を容易に形成できるとともに、枠７の硬化時間を短縮できる。
【００２２】
また、本実施の形態によれば、樹脂材料Ｐの塗工方法が印刷法であるため、液状の樹脂材料Ｐを容易に塗工できる。
【００２３】
なお、本実施の形態では、下枠７Ａ用の樹脂材料Ｐを塗工し（図２）、硬化させた後に（図３）、シート３０に積層体１０を配置した（図４）が、図３と図４の工程を入れ替えて、下枠７Ａ用の樹脂材料Ｐを塗工し、シート３０に積層体１０を配置した後に、樹脂材料Ｐを硬化させてもよい。
また、本実施の形態では、下枠７Ａ用の樹脂材料Ｐを硬化させた（図３）後に上枠７Ｂ用の樹脂材料Ｐを形成したが、図３の工程を省略し、上枠７Ｂ用の樹脂材料Ｐを塗工した後に、下枠７Ａ用及び上枠７Ｂ用の樹脂材料Ｐを硬化させてもよい。
【００２４】
また、本実施の形態では、下枠７Ａ及び上枠７Ｂをそれぞれ１回の塗工で形成したが、下枠７Ａ及び上枠７Ｂは、複数回に分けて塗工して形成してもよい。この場合、塗工毎に樹脂材料Ｐを硬化させることで、樹脂材料Ｐを短時間で硬化させることができるので、枠７の硬化時間を短縮することができる。また、下枠７Ａ及び上枠７Ｂを複数回に分けて形成することで、液だれすることなく下枠７Ａ及び上枠７Ｂの厚みを厚くできるので、枠７の厚みを容易に調整できる。
【００２５】
＜第２の実施の形態＞
次に、図７〜図９を参照し、第２の実施の形態に係る膜電極接合体１００の製造方法を説明する。
図７は、第２の実施の形態に係る製造方法を適用して製造した膜電極接合体１００を示す断面図である。なお、図７では、図１に示す膜電極接合体１と同一部分には同一の符号を付して説明を省略する。
膜電極接合体１００の下枠７Ａ及び上枠７Ｂは、２回に分けて形成されており、それぞれ第１及び第２下枠７Ａ１，７Ａ２、第１及び第２上枠７Ｂ１，７Ｂ２を有する。
【００２６】
この枠７は、積層体１０を樹脂材料塗工用のパレット（基材）１３０上に配置して形成される。パレット１３０には、電極層３の周縁３Ａより内側に、電極層３の周縁３Ａの全周に亘って貫通孔１３０Ａが形成されている。この貫通孔１３０Ａから吸引しながらパレット１３０上に液状の樹脂材料を塗工することで、電極層３には、周縁３Ａ内側に、樹脂材料が拡散層４、撥水層５及び触媒電極層６に含浸した含浸部３Ｂが形成される。膜電極接合体１００は、パレット１３０から剥がされて燃料電池に使用される。
【００２７】
図８は膜電極接合体１００を製造ライン６０で製造する場合の製造工程の前段を示す図であり、図９は膜電極接合体１００の製造工程の後段を示す図である。
製造ライン６０は、パレット１３０を搬送するコンベヤー６１と、真空チャンバー６２と、複数（本実施の形態では、４つ）の印刷機４０と、複数（本実施の形態では、４つ）の硬化機５０と、を備えている。なお、図８及び図９では、各印刷機４０に印刷機４０Ａ〜４０Ｄと符号を付して各々を区別し、また、硬化機５０についても、硬化機５０Ａ〜５０Ｄと符号を付して各々を区別して表記するものとする。
【００２８】
真空チャンバー６２は第１室６２Ａ〜第５室６２Ｅに５つに区画されており、コンベヤー６１は第１室６２Ａ〜第５室６２Ｅ内に亘って設けられている。第１室６２Ａ及び第２室６２Ｂ内には、第１室６２Ａ及び第２室６２Ｂ内を移動可能な印刷機４０Ａが配置されている。第２室６２Ｂ〜第４室６２Ｄは、パレット１３０に形成された貫通孔１３０Ａから吸引することで、内部を減圧可能に構成されている。第５室６２Ｅ内には、硬化機５０Ａが配置されている。真空チャンバー６２の下流側には、印刷機４０Ｂ〜４０Ｄと硬化機５０Ｂ〜５０Ｄとが交互に配置されている。
【００２９】
このように構成された製造ライン６０では、まず、パレット１３０に積層体１０が設置され（行程Ｓ１）、積層体１０が設置されたパレット１３０がコンベヤー６１上に配置される（行程Ｓ２）。コンベヤー６１上に配置されたパレット１３０は、真空チャンバー６２の第１室６２Ａに移動し、印刷機４０Ａにより樹脂材料Ｐの塗工が開始される（行程Ｓ３）。印刷機４０Ａはパレット１３０とともに移動するように構成されており、パレット１３０は樹脂材料Ｐを塗工されながら第２室６２Ｂに移動し、減圧が開始される（行程Ｓ４）。ここで、貫通孔１３０Ａから吸引され、第２室６２Ｂに矢印で示すように、印刷機４０Ａから流下する液状の樹脂材料Ｐが電極層３に含浸して含浸部３Ｂが形成されるとともに、樹脂材料Ｐに含まれる空気等の気体が取り除かれる。
【００３０】
パレット１３０は、第３室６２Ｃに移動すると減圧がさらに高められ（行程Ｓ５）、第４室６２Ｄでは減圧が低められ（行程Ｓ６）、第５室６２Ｅで大気開放されるとともに、硬化機５０Ａにより樹脂材料Ｐが硬化されて、第１下枠７Ａ１が形成される（行程Ｓ７）。
パレット１３０は、真空チャンバー６２を出ると、印刷機４０Ｂ〜４０Ｄと硬化機５０Ｂ〜５０Ｄによって樹脂材料Ｐの塗工及び硬化がさらに３回行われ、第２下枠７Ａ２、第１及び第２上枠７Ｂ１，Ｂ２が形成される（行程Ｓ８〜Ｓ１３）。このように、下枠７Ａ及び上枠７Ｂを複数回に分けて形成することで、液だれすることなく下枠７Ａ及び上枠７Ｂの厚みを厚くできるので、枠７の厚みを容易に調整できる。
【００３１】
以上説明したように、本実施の形態によれば、パレット１３０に電極層３の周縁３Ａより内側に貫通孔１３０Ａを形成し、貫通孔１３０Ａから吸引しながらパレット１３０上に液状の樹脂材料Ｐを塗工する。このため、電極層３に樹脂材料Ｐを含浸させることができるので、電極層３と枠７とを確実に接着できる。
【００３２】
但し、上記第１及び第２の実施の形態は本発明の一態様であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能であるのは勿論である。
例えば、上記実施の形態では、上枠は、樹脂材料を延出部上及び延出部の外側の下枠上に塗工し、延出部よりも大きく形成したが、樹脂材料を延出部上だけに塗工して上枠を形成してもよい。この場合、樹脂材料が液状であるため、延出部上に塗工された樹脂材料が下枠上に流れ、延出部が下枠及び上枠に覆われることとなる。
【００３３】
また、上記実施の形態では、電解質膜が電極層より大きく形成されて電極層よりも外側に延出する延出部を備えていたが、電解質膜を電極層と略同一の大きさに形成してもよい。この場合、下枠及び上枠に分けずに１回の塗工で枠を形成してもよい。
また、上記実施の形態では、樹脂材料の塗工方法は、スクリーン印刷法であったが、これに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００３４】
１  膜電極接合体（燃料電池用膜電極接合体）
２  電解質膜
２Ａ  延出部
３  電極層
３Ａ  周縁
４  拡散層
６  触媒電極層
７  枠
７Ａ  下枠（片方の枠）
７Ｂ  上枠（他方の枠）
１０  積層体
３０  シート（基材）
１３０  パレット（基材）
１３０Ａ  貫通孔
【図１】
2013062169.tif 000003
【図２】
2013062169.tif 000004
【図３】
2013062169.tif 000005
【図４】
2013062169.tif 000006
【図５】
2013062169.tif 000007
【図６】
2013062169.tif 000008
【図７】
2013062169.tif 000009
【図８】
2013062169.tif 000010
【図９】
2013062169.tif 000011