(57)【要約】【課題】            燃料電池を組み立てた時点で、シール性等に不備があれば、燃料電池を分解し、不具合部分の交換を可能とし、さらに、確実なシール性を発揮するとともに、シール部材のシール反力を低くできる燃料電池の構成部品を提供する【解決手段】        固体高分子型燃料電池の構成部品５には、シール部材９が一体化されている。シール部材９は、シール部材主部９１の表面に粘着層９２が積層一体化されたシール部材である。粘着層９２は、シール対象部材（２２）と架橋接着可能な粘着剤を部分架橋して形成されており、さらに、粘着剤には、燃料電池の運転温度で架橋反応する熱架橋剤が含まれている。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子型燃料電池の構成部品であって、
前記構成部品にはシール部材が一体化されており、
前記シール部材は、弾力性を有する樹脂材料からなるシール部材主部の表面に粘着層が積層一体化されたシール部材であり、
前記粘着層は、燃料電池の組み立て時にシール部材が当接するシール対象部材と架橋接着可能な粘着剤を部分架橋して形成されており、  
前記部分架橋された粘着剤には、燃料電池の運転温度で架橋反応する熱架橋剤が含まれている、
燃料電池の構成部品。
【請求項２】
粘着剤をアクリル系粘着剤とした、請求項１に記載の燃料電池の構成部品。
【請求項３】
シール部材主部を発泡ゴム材料により形成した、請求項１に記載の燃料電池の構成部品。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池の構成部品の製造方法であって、
燃料電池の構成部品もしくはその前駆体にシール部材主部を一体化する工程、
未架橋の粘着剤に、粘着剤を部分架橋する量の第１の架橋剤を配合し、さらに、第２の架橋剤を配合して、粘着層を形成するための未架橋の粘着剤を調製する工程、
一体化されたシール部材主部の表面に上記粘着剤を塗布し、第１の架橋剤を反応させて粘着剤を部分架橋する工程、を含み、
第２の架橋剤として燃料電池の運転温度で架橋反応する熱架橋剤を用い、
第１の架橋剤により部分架橋する際には、第２の架橋剤を反応させない、
燃料電池の構成部品の製造方法。
【請求項５】
第１の架橋剤として紫外線照射により架橋反応する架橋剤を用いる、
請求項４に記載の燃料電池の構成部品の製造方法。
【請求項６】
請求項１に記載の燃料電池の構成部品を用いた、燃料電池の組み立て方法であって、
請求項１に記載された燃料電池構成部品を、他の燃料電池構成部品とともに積層し、
シール材を隣接する燃料電池構成部材に密着させてシールし、
粘着剤に含まれる熱架橋剤を架橋反応させずに残す、燃料電池の組み立て方法。
【請求項７】
請求項６に記載された組み立て方法により組み立てられた燃料電池を作動させ、
粘着剤に含まれる熱架橋剤を架橋反応させて、粘着層を隣接する燃料電池構成部材に架橋接着する、燃料電池の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池に使用される構成部品に関する。特に、シール部材が一体化された構成部品やその製造方法に関する。シール部材は、燃料電池の発電領域に供給される反応ガスをシールする。また、本発明は、シール部材が一体化された構成部品を用いた燃料電池の組み立て方法や、組み立てられた燃料電池の使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、イオン導電性を有するイオン交換樹脂等の膜を高分子電解質膜として用い、この高分子電解質膜を挟んでその両側にカソード電極(正極)とアノード電極(負極)の両電極を配置して膜電極接合体（ＭＥＡ）を構成し、例えば負極側に水素ガス等の燃料ガスを、一方正極側には酸素ガス又は空気等の酸化ガスを供給して電気化学反応を起こさせることにより、燃料ガスのもつ化学エネルギーを電気量に変換して電気を発生させるものである。通常、ＭＥＡの両側にセパレータが配設されて、単セルが構成される。
【０００３】
そして、固体高分子型燃料電池は、通常、上記ＭＥＡを含む単セルを複数積層したスタックとして構成される。各単セルにおいて、ＭＥＡとセパレータの間は、燃料ガスや酸化ガスが漏れ出さないようにシールされている。シール部材をセパレータや膜電極接合体（ＭＥＡ）といった燃料電池の構成部品に一体に成形しておくと、燃料電池の組み立てがしやすい。
【０００４】
そのような反応ガスのシールを行うシール部材を、セパレータやＭＥＡに一体に成形する技術として、種々のものが開発されている。
例えば、特許文献１には、水素添加イソプレンゴムを主成分とするゴム組成物にイソシアネート化合物を混合したゴム組成物によりシール部材を形成しつつ、セパレータの周縁部に架橋接着する技術が開示されている。当該技術によれば、パッキンからの不純物の抽出量を低減することができる。
【０００５】
また、ＭＥＡとセパレータの間をシールする技術としては、ＭＥＡとセパレータの間にペースト状の接着性のシール材料をディスペンサなどにより塗布し、燃料電池を組み立てた後にシール材料を硬化させてＭＡＥとセパレータの周縁部を接着することによりシールする技術が知られている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９―１１７３１３号公報
【特許文献２】特開平０７―２４９４１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
燃料電池の反応ガスをシールするシール部材には、確実なシール性が求められる。ＭＡＥとセパレータの周縁部を接着することによりシールする技術は、シール性に関しては優れた技術である。しかしながら、接着方式によりシールを行う場合、ＭＥＡとセパレータを組み立てて、接着してしまってから、シールの不備（例えば反応ガス漏れ）が発見されたり、シール材料が所定の塗布箇所からはみ出して周囲に滲み出すような不備が発見されることがある。このような不具合が起こると、多数のＭＥＡやセパレータが積層されたスタックが丸ごと使用できなくなってしまい、経済的損失が大きい。
【０００８】
また、ゴム材料等を用いた弾力性を有するシール部材によりシールを行う場合には、シール部材の反力を維持することがシールの原理上必要であるため、シール部材の設定反力を高めに設定せざるを得ない。シール反力が大きいと、構成部材の薄型化やコンパクト化に影響が出る。また、弾力性を有するシール部材でシールする場合には、シール部材を所定の比率で圧縮する必要がある上、構成部品の寸法精度のばらつきもシール部材によって吸収する必要がある。そのため、シール反力を小さくしようとすると、シール部材には所定の高さが必要となり、燃料電池の薄型化やコンパクト化の要請に応えられなくなる。
【０００９】
本発明の目的は、燃料電池を組み立てた時点で、シール性等に不備があれば、燃料電池を分解し、不具合部分の交換を可能とするような、シール部材が一体化された燃料電池の構成部品を提供することにある。また、本発明の他の目的は、確実なシール性を発揮するとともに、シール部材のシール反力を低くできる燃料電池の構成部品を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
発明者は、鋭意検討の結果、シール部材の表面に部分架橋した粘着層を設けて、部分架橋した粘着剤には、さらに燃料電池の運転温度で架橋反応する熱架橋剤を含ませておくと、上記目的が達成できることを知見し、本発明を完成させた。
【００１１】
本発明は、固体高分子型燃料電池の構成部品であって、前記構成部品にはシール部材が一体化されており、前記シール部材は、弾力性を有する樹脂材料からなるシール部材主部の表面に粘着層が積層一体化されたシール部材であり、前記粘着層は、燃料電池の組み立て時にシール部材が当接するシール対象部材と架橋接着可能な粘着剤を部分架橋して形成されており、  前記部分架橋された粘着剤には、燃料電池の運転温度で架橋反応する熱架橋剤が含まれている、燃料電池の構成部品である（第１発明）。ここで、燃料電池の構成部品としては、例えば、セパレータや膜電極接合体や、膜電極接合体のフレームなどが例示される。
【００１２】
第１発明においては、粘着剤をアクリル系粘着剤とすることが好ましい（第２発明）。また、第１発明においては、シール部材主部を発泡ゴム材料により形成することが好ましい（第３発明）。
【００１３】
また、本発明は、第１発明の燃料電池の構成部品の製造方法であって、燃料電池の構成部品もしくはその前駆体にシール部材主部を一体化する工程、未架橋の粘着剤に、粘着剤を部分架橋する量の第１の架橋剤を配合し、さらに、第２の架橋剤を配合して、粘着層を形成するための未架橋の粘着剤を調製する工程、一体化されたシール部材主部の表面に上記粘着剤を塗布し、第１の架橋剤を反応させて粘着剤を部分架橋する工程、を含み、第２の架橋剤として燃料電池の運転温度で架橋反応する熱架橋剤を用い、第１の架橋剤により部分架橋する際には、第２の架橋剤を反応させない、燃料電池の構成部品の製造方法である（第４発明）。第４発明においては、第１の架橋剤として紫外線照射により架橋反応する架橋剤を用いることが好ましい（第５発明）。
【００１４】
また、本発明は、第１発明の燃料電池の構成部品を用いた、燃料電池の組み立て方法であって、第１発明の燃料電池構成部品を、他の燃料電池構成部品とともに積層し、シール材を隣接する燃料電池構成部材に密着させてシールし、粘着剤に含まれる熱架橋剤を架橋反応させずに残す、燃料電池の組み立て方法である（第６発明）。また本発明は、第６発明の組み立て方法により組み立てられた燃料電池を作動させ、粘着剤に含まれる熱架橋剤を架橋反応させて、粘着層を隣接する燃料電池構成部材に架橋接着する、燃料電池の使用方法である（第７発明）。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃料電池構成部品（第１発明）は、シール部材の粘着層が部分架橋されているので、一旦シール対象部材と組み付けた後でも、粘着剤の硬化前であれば、スタックを分解可能であり、不具合部分だけを交換できる。また、組み立てた直後においては粘着層の粘着力がシール性を向上させると共に、燃料電池を使用するにつれて粘着層がシール対象部材に架橋接着されてシールをより確実なものとするので、シール反力を小さくしながら、確実なシール性を発揮することができる。
さらに、第２発明のように、粘着剤をアクリル系粘着剤とすれば、シール部材主部と粘着層の接着が確実なものとなって、スタックの分解時にシール部材主部と粘着層がはがれる不具合を抑制できる。また、第３発明のように、シール部材主部を発泡ゴム材料により形成すれば、シール反力の低減に特に効果的である。
【００１６】
また、本発明の燃料電池の構成部品の製造方法（第４発明）によれば、シール反力が小さく、シール性に優れるとともに、分解可能な燃料電池構成部品を効率的に製造できる。さらに、第５発明のように、第１の架橋剤として紫外線照射により架橋反応する架橋剤を用いるようにすれば、第２の架橋剤を活性化することなく第１の架橋剤のみを速やかに反応させて、より効率的に燃料電池構成部品を製造できる。
【００１７】
また、本発明の燃料電池の組み立て方法（第６発明）によれば、組み立て直後の燃料電池スタックでは、粘着層が部分架橋された状態で燃料電池構成部品の積層が行われるため、粘着層の取扱い性が良く、燃料電池の組み立てが簡単になる。また、粘着層とシール対象部材が架橋接着されないため、組み立て後には、スタックが分解可能である。また、本発明の燃料電池の使用方法（第７発明）によれば、燃料電池を運転する際の温度によって、粘着層に含まれた熱架橋剤が架橋反応し、粘着層とシール対象部材とが架橋接着され、シールをより確実なものとできる。また、燃料電池の使用時に架橋接着するので、燃料電池の組み立てラインに架橋工程を設ける必要がなくなり、燃料電池の製造がより効率的なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】固体高分子型燃料電池を構成する単セルの概略縦断面図。
【図２】膜電極接合体の外観を示す斜視図。
【図３】セパレータの外観を示す斜視図。
【図４】膜電極接合体の構成を示す分解図。
【図５】セパレータにシール部材主部を一体成形する工程を示す模式図。
【図６】シール部材主部の表面に粘着層を一体成形する工程を示す模式図。
【図７】シール部材が一体化された膜電極接合体を製造する工程の例を示す概念図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明は以下に示す個別の実施形態に限定されるものではなく、その形態を変更して実施することもできる。以下、シール部材がセパレータに一体化された実施形態を例にして説明する。
まず、燃料電池の構成から説明する。図１は、固体高分子型燃料電池を構成する単セル１の概略縦断面図であり、通常、燃料電池はこの単セル１を複数積層した積層体(スタック：図示せず)として構成されている。この燃料電池は、例えば、燃料電池自動車の発電装置として用いられる。
【００２０】
図１において、単セル１は、膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒｅｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）２とセパレータ５,６とにより構成されている。膜電極接合体（ＭＥＡ）２は、高分子電解質膜２１とこの高分子電解質膜２１を挟んで両側に配設されるカソード電極２４およびアノード電極２５とを有する。図１は、燃料電池の単セルの、反応ガスの流れ方向に対し直角な面における断面である。単セル１において、カソード電極２４およびアノード電極２５は、それぞれ、カソード電極側セパレータ５、アノード電極側セパレータ６に当接するように設けられる。また、カソード電極側セパレータ５の電極２４側には酸化ガス供給用の溝７が設けられ、アノード電極側セパレータ６の電極２５側には燃料ガス供給用の溝８が設けられ、溝７は酸化ガス供給マニフォールドに、溝８は燃料ガス供給マニフォールドにそれぞれ連通している。
【００２１】
上記単セル１において、高分子電解質膜２１、カソード電極２４およびアノード電極２５で構成された膜電極接合体（ＭＥＡ）２の周囲に燃料ガスおよび酸化ガスが漏洩するのを防止するため、ＭＥＡ２とセパレータ５,６との間に額縁状(ループ状)の平面パターンを有するシール部材９,９が介在している。図３には、セパレータ５（６）に設けられたシール部材９、９の平面パターンに対応するシールラインを太線で示している。シール部材９，９は、燃料電池の構成部品（例えばセパレータや膜電極接合体）に一体化されている。本実施形態においては、上記シール部材９は、あらかじめセパレータ５,６の周縁部表面に所定の平面パターン（例えば額縁状）を有するように成形され、一体化されている。したがって、図１に示す燃料電池組み立ての時には、シール部材９，９は、セパレータ５，６とは接着一体化されていることにより、膜電極接合体２とは接触・押圧されることにより、その周縁部をガスシールする。セパレータ５、６は、金属板やカーボン材、導電性樹脂材などにより形成された部材である。セパレータは公知のものが使用できる。
【００２２】
図２、図４により、膜電極接合体（ＭＥＡ）２の構成をより詳細に説明する。図２はＭＥＡの斜視図、図４はＭＥＡを分解した図である。ＭＥＡ２は、高分子電解質膜２１、フレーム２２、カソード電極２４、アノード電極２５、ディフューザ２３を有するように構成されている。フレーム２２は、額縁状に形成された樹脂フィルム製の部材である。フレーム２２の中央部に設けられた穴の部分に高分子電解質膜２１が取り付けられ、高分子電解質膜２１の両側に、カソード電極２４、アノード電極２５が設けられて、ＭＥＡ２の本体が構成されている。
【００２３】
本実施形態においては、フレーム２２が２枚設けられ、その間に高分子電解質膜２１の周縁部が挟み込まれるようにして両者が一体化されている。また、電極２４，２５と高分子電解質膜２１の間には触媒層が設けられる。高分子電解質膜２１としてはいわゆるナフィオン膜（ＮＡＦＩＯＮはデュポン社の登録商標）が利用でき、電極２４，２５としては、カーボンフェルトなどが利用できる。高分子電解質膜２１と、フレーム２２、電極２４，２５の一体化や、触媒層の形成については、公知の技術により行うことができる。
【００２４】
フレーム２２は樹脂フィルム製である。樹脂フィルムの材料となる合成樹脂としては、ポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴ樹脂）、ポリエチレンナフタレート樹脂（ＰＥＮ樹脂）、ポリイミド樹脂（ＰＩ樹脂）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ樹脂）などの熱可塑性樹脂が例示される。フレームの樹脂材料には、燃料電池の動作温度や、シール材やディフューザの一体化工程の加工温度で変形しない程度の耐熱性が要求される。フレーム２２は、後述するシール部材９の粘着層９２を構成する粘着剤と架橋接着可能なものを選択する。フレーム２２の表面には、粘着層９２との架橋接着性を高めるような表面処理を施すことが好ましい。本実施形態では、プラズマ処理されたＰＥＴ樹脂フィルムにより、フレーム２２を構成している。
【００２５】
フレーム２２は、中央部に高分子電解質膜２１が取り付けられる大きな穴が設けられた額縁状に形成されている。この穴の部分が、燃料電池の発電領域となる。フレーム２２の両側部には、反応ガスマニフォールド２２１、２２１と冷却水マニフォールド２２２，２２２が設けられている。複数のＭＥＡが積層された際に、これらマニフォールド２２１，２２２は積層方向に連通した通路となり、マニフォールドに反応ガスや冷却水が流れる。各単セルにおいては、略長方形状のフレーム２２の対角線状に配置された反応ガスマニフォールドの間に、反応ガスが流れて、発電領域に反応ガスが供給される。
【００２６】
本実施形態では、フレーム２２上には、ディフューザ２３が形成されている。ディフューザ２３は、フレームがＭＥＡや単セルに組み込まれた際に、セパレータ５，６と対向するよう、フレーム上の一部の領域に設けられている。そして、ディフューザ２３は、反応ガスマニフォールド２２１と、発電領域の間の部分に設けられている。即ち、ディフューザ２３は、フレーム２２とセパレータ５，６の間に形成された反応ガスの通路部分に、発電領域（高分子電解質膜）に隣接するように設けられていて、ディフューザ２３により、反応ガスが発電領域の全体に向けて分配される。
【００２７】
セパレータ５，６に一体化されたシール部材９について、より詳細に説明する。図１に示したように、シール部材９は積層構造のシール部材であり、セパレータに接着一体化されたシール部材主部９１と、シール部材主部９１の表面に配置された粘着層９２とが積層一体化されている。粘着層９２は、シール部材９がシール対象部材（本実施形態においてはＭＥＡのフレーム２２）と接触する位置に配置されている。本実施形態では、シール部材主部９１の側面には粘着層が設けられていないが、シール部材主部９１の側面まで粘着層９２で覆うようにしても良い。燃料電池が組み立てられた際には、特に組み立て直後には、シール部材９は、粘着層９２がシール対象部材（フレーム２２）に密着し、シール部材主部９１がセパレータ５（６）に接着一体化されたことにより、フレームとセパレータの間をシールする。
【００２８】
シール部材主部９１は、弾力性を有する樹脂材料、好ましくは架橋されたゴム材料やエラストマにより、特に本実施形態では架橋された発泡ゴム材料により、構成されている。シール部材主部９１を発泡ゴム材料で構成する場合には、発泡ゴム材料の気泡構造は、独立気泡構造を主とした気泡構造とする。シール部材主部９１を構成する材料の硬度は、デュロＡで硬度５０以下であることが好ましく、発泡ゴム材料の場合には、アスカーＣ硬度で１０〜５０、特に好ましくは２０〜４０であることが好ましい。通常、この硬度レベルの発泡ゴム材料は永久圧縮ひずみ特性が悪く、シールが劣化しやすいため、シール部材には適さないが、本発明では、後述する粘着層９２と組み合わせることで、シール劣化の課題が解決される。
【００２９】
シール部材主部９１を形成するゴム材料としては、イソプレンゴム、水添イソプレンゴム、エチレンプロピレンゴム、ブタジエンゴム、ブチルゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴムなどが例示される。特に水添イソプレンゴムが好ましい。ゴム材料は好ましくはイソシアネート化合物や有機過酸化物や付加反応により架橋されている。
【００３０】
シール部材主部９１を形成するゴム材料を発泡ゴムとするための発泡材料としては、熱膨張性マイクロカプセル（マイクロバルーン）を用いることが好ましい。ここで、熱膨張性マイクロカプセルとは、熱可塑性ポリマーからなる球状の外殻の中に液状炭化水素を内包させたものであり、熱膨張性マイクロカプセルを加熱すると、液状炭化水素が気化し、熱可塑性ポリマー製の外殻が軟化して、球体が膨張する。熱膨張性マイクロカプセルは、松本油脂製薬株式会社からマツモトマイクロスフィアという商品名で、日本フェライト株式会社からエクスパンセル（Ｅｘｐａｎｃｅｌ）という商品名で販売されている。
熱膨張性マイクロカプセルによってゴムを発泡させると、発泡材料の残滓が燃料電池の使用時に溶出して触媒が被毒することがないので好ましい。もちろん、燃料電池用シール材への適用に差し支えなければ、他の発泡剤を用いてもよい。
【００３１】
本実施形態においては、発泡材料として熱膨張性マイクロカプセルを配合した水添イソプレンゴムをイソシアネート化合物で架橋して、シール部材主部９１を形成している。発泡開始温度が１１０〜１７０℃の熱膨張性マイクロカプセルを、ゴム材料１００重量部に対し１〜１０重量部配合し、加熱し膨張・架橋させることにより、発泡倍率４倍の発泡ゴムとして、シール部材主部９１を形成している。シール部材主部９１は、後述するように、スクリーン印刷を利用して形成することができる。
【００３２】
シール部材９の粘着層９２は、架橋可能な粘着剤を部分架橋した粘着材により形成されている。すなわち、粘着層の架橋は完全に架橋されておらず、粘着層の形状が維持できる程度に部分架橋されている。そして、粘着層９２を構成する粘着剤は、燃料電池の組み立て時にシール部材９が当接するシール対象部材と架橋接着可能な粘着剤が選択される。粘着剤としてはＵＶ架橋（紫外線架橋）可能な粘着剤（ＵＶ架橋タイプ粘着剤）が使用されることが好ましい。
粘着層９２が部分架橋されたものであれば、粘着層９２の形状や厚みが正確に維持されるため、燃料電池の組み立て時の取扱い性に優れるほか、組み立て時に粘着層が広がって燃料電池の他の部分に入り込んでしまったり、粘着層が広がって薄くなることによってシール性に不備をきたしたりすることが未然に防止される。
【００３３】
また、シール対象物への粘着力が高いという観点で、さらには、ゴム材料（特に水素添加イソプレンゴム）製のシール部材主部との接着性が良好であるという観点で、粘着層を形成する粘着剤はアクリル系粘着剤、特に炭化水素アクリレート系粘着剤を利用することが好ましい。ＵＶ架橋可能な粘着剤は、帝国インキ製造株式会社からは「ＵＶ  ＴＡＣ」という商品名で、東亜合成株式会社からは「アロンタックＵＶＡ」という商品名で、ＤＩＣ株式会社からは「ＵＶ硬化型ファインタック」という商品名で、Ｔ＆Ｋ ＴＯＫＡからは「ＵＶ  ＴＡＣＫ」という商品名で、ケーエスエム株式会社からは「ＵＶタック」という商品名で販売されている。本実施形態では、炭化水素アクリレート系粘着剤をＵＶ架橋によって部分架橋して粘着層９２を構成している。
【００３４】
燃料電池の組み立て前には、粘着層９２は部分架橋されており、さらに、粘着層９２の粘着剤には、燃料電池の運転温度で架橋反応する熱架橋剤が含まれている。熱架橋剤は粘着層９２の粘着剤を完全に架橋するだけの量が配合されていることが好ましい。通常、固体高分子型燃料電池は、１２０℃以下の作動温度で作動し、６０℃〜１２０℃の運転温度で運転される。熱架橋剤は、燃料電池の運転温度で架橋反応を開始するよう、架橋開始温度が６０℃〜１２０℃、より好ましくは７０℃〜１００℃である熱架橋剤を選択することが好ましい。
【００３５】
燃料電池の組み立て時には、粘着層９２は部分架橋されているため、その形状が安定しており、粘着層が変形しないので取扱い性に優れる。また、粘着層が部分架橋されているので、粘着剤がシール部材の周囲に付着するといった不具合も起こらない。
さらに、部分架橋された粘着層９２は、シール部材主部９１にしっかりとくっついていてシール部材主部からはがれにくい。したがって、一旦セパレータ５と膜電極接合体２を組み立てて、シール部材９とフレーム２２を当接させても、粘着層９２とフレーム２２は粘着力によりくっついているだけなので、粘着層９２の形状を損なうことなく、分解することができる。したがって、一旦積層組み立てしたスタックに対し、ガス等を供給してシール試験を行い、シールの不具合があれば、不具合のあった箇所を特定して、スタックを分解し、不具合部分の構成部品だけを交換して、不良スタックの手直しができる。すなわち、スタック組み立ての経済性が向上する。
【００３６】
上記したシール部材９を備えるセパレータ５，６の製造方法について説明する。図５にシール部材主部９１をセパレータ５（６）上に一体成形する一連の工程（シール部材主部の形成工程）の一例を示している。また、図６にシール部材主部９１の表面に粘着層９２を積層形成する工程（粘着層形成工程）の一例を示している。
【００３７】
まず、発泡材料を配合した未架橋の液状ゴム材料を準備する。使用する未架橋ゴムに熱膨張性マイクロカプセルや架橋剤等を配合し、粘度を調整し、後述するスクリーン印刷に適用可能な未架橋の未発泡の液状ゴム材料とする。粘度調整は、いわゆるペースト状や粘稠性の液状といった程度となるように、充填材や溶剤の量を調整するなどして行われる。充填材としては、ファーネスブラック、アセチレンブラック、サーマルブラック等のカーボンブラックや、シリカ、タルク、クレー、等の白色充填材が使用できる。本実施形態においては、好ましくはカーボンブラックが使用される。
【００３８】
形成されるべきシール部材主部９１の平面パターン（すなわち額縁状やリング状といった閉じたループ状のパターン）に対応する開孔が設けられた、スクリーン印刷用のマスクＭを準備する。マスクの開孔パターンは、発泡の程度を考慮して、できあがりのシール部材主部９１よりもやや小さめにされることが好ましい。
【００３９】
セパレータ５の所定位置に、スクリーン印刷を利用して、シール部材主部前駆体９１Ｐを形成する。なお、スクリーン印刷工程は、すでに所定の形状に加工されたセパレータ５に対し行っても良いし、セパレータの前駆体（例えば、セパレータに打ち抜き加工される前の金属板）に対し行っても良い。
まず、図５(ａ)のように、セパレータ５（６）のシール部材が形成されるべき位置にマスクの開孔が来るように、マスクＭを重ね合わせ、密着させる。
【００４０】
その状態で、図５（ｂ）のように、発泡材料を配合した未架橋の液状ゴム材料をマスクＭ上に置いて、スキージＳＱによりマスクに対し液状ゴム材料を押し付けて、マスクＭの開孔に液状ゴム材料が充填されるようにする。その後、図５（ｃ）のように、マスクＭをセパレータ５（６）から取り外すと、マスクＭの開孔に充填されていた液状ゴム材料が、セパレータ５（６）の側に残って、シール部材の平面パターンを有するシール部材主部９１の前駆体９１Ｐが未架橋ゴムによって形成される。即ち、スクリーン印刷によって、未架橋かつ未発泡のゴム材料により、所定パターンのシール部材主部の前駆体９１Ｐが形成される。
【００４１】
シール部材主部前駆体９１Ｐは未発泡であるため、その高さＨｓは、最終的に形成されるシール部材主部９１の高さＨｍよりも小さい。シール部材主部前駆体の高さＨｓは、マスクＭの厚みの設定やスクリーン印刷の回数により調整することができる。Ｈｓに対するＨｍの比は、２〜５倍、より好ましくは２．５〜４倍となるようにされる。したがって、未架橋液状ゴム材料を発泡ゴムへと発泡・架橋する際の発泡倍率は、２〜２５倍とすることが好ましく、３〜７倍とすることがより好ましい。
【００４２】
その後、シール部材主部の前駆体９１Ｐを発泡させて架橋する。発泡は、典型的には、発泡材料の発泡温度まで加熱することにより行われる。架橋は、有機過酸化物架橋であれば過酸化物の分解温度まで加熱することにより、放射線架橋であれば放射線の照射により、紫外線架橋であれば紫外線の照射により行われる。発泡材の配合量や、発泡と架橋の開始条件等を調整することにより、シール部材主部前駆体の高さＨｓとシール部材主部の高さＨｍの比を調整できる。本実施形態においては、発泡・架橋は、１次架橋が１５０℃で１０分間、２次架橋が１２０℃で１時間行われて、シール部材主部前駆体の高さＨｓとシール部材主部の高さＨｍの比  Ｈｍ／Ｈｓは３倍とされている。
【００４３】
発泡と架橋が行われることにより、シール部材主部の前駆体９１Ｐが膨張して、高さＨｍを有するシール部材主部９１となるとともにセパレータ５（６）に架橋接着され、シール部材主部９１が一体成形されたセパレータ５（６）が得られる（図５（ｄ））。
図５には、スクリーン印刷を利用してシール部材主部９１を形成しセパレータ５（６）に一体化する方法を示したが、別の製造方法でシール部材を形成し一体化しても良く、例えば、あらかじめ熱膨張性マイクロカプセルを発泡させた発泡ゴムのシート材料を準備しておき、そのシート材料を打ち抜き加工してシール部材主部９１を形成し、得られたシール部材主部９１をセパレータ５（６）の所定の位置に接着するようにしても良い。また、シール部材主部９１を非発泡のゴム材料（いわゆるソリッドゴム材料）により形成しても良く、その場合には、公知の加工方法（例えば射出成形法）により、シール部材主部９１をセパレータ５，６の表面に一体化すればよい。
【００４４】
引き続き、シール部材主部９１の表面に粘着層９２を形成する。図６には、スクリーン印刷法を利用して粘着層９２を形成した例を示す。なお、粘着層９２の形成は、スクリーン印刷法を利用する方法に限定されず、刷毛やブラシ、ディスペンサによる塗布や、ロールや転写板等を用いたコーティング法など、粘着剤をシール部材主部の表面に塗布することによって行うことができる。
【００４５】
まず、粘着層９２を形成する粘着剤を調製する。粘着剤は、シール部材主部９１のゴム材料と、シール対象部材（本実施形態ではフレーム２２）の構成材料とに、架橋接着可能な粘着剤を選択する。未架橋の粘着剤に対し、第１の架橋剤と第２の架橋剤を配合する。第１の架橋剤は粘着剤を部分架橋するだけの量を配合する。第１の架橋剤の架橋反応を行っても、第２の架橋剤が架橋反応を開始しないように、第１の架橋剤と第２の架橋剤の種類を選択する。第１の架橋剤としては、紫外線照射により架橋反応する架橋剤、いわゆる紫外線硬化架橋剤を用いることが好ましい。第２の架橋剤としては、燃料電池の運転温度で架橋反応する熱架橋剤を用いる。特に、固体高分子型燃料電池の運転温度で架橋反応を開始するよう、架橋開始温度が６０℃〜１２０℃、より好ましくは７０℃〜１００℃である熱架橋剤を選択することが好ましい。第２の架橋剤は、粘着剤を完全に架橋できるだけの量を配合することが好ましい。
粘着剤に第１、第２の架橋剤を配合した後、溶剤などにより、粘着層の形成に適した粘度に調整する。
【００４６】
まず、図６（ａ）のように、シール部材主部９１が一体成形されたセパレータ５（６）に対し、粘着層を形成するためのマスクＭ２を所定に位置に配置する。マスクＭ２には、シール部材主部９１の形状に対応する透孔（開孔）が設けられている。シール部材主部９１を押しつぶさないように、マスクＭ２にはスペーサなどが設けられて、マスクＭ２のシール部材主部９１に対する高さが適度に維持されることが好ましい。シール部材主部９１の表面にマスクＭ２が軽く接触する程度の高さになるよう、マスクＭ２の高さが調整されることが特に好ましい。
【００４７】
調製しておいた架橋可能な粘着剤を、配置されたマスクＭ２上に置いて、スキージＳＱによりマスクＭ２に対し粘着剤を押し付けて、マスクＭ２の開孔（透孔）に粘着剤が充填されるようにする。その後、図６（ｃ）のように、マスクＭ２をセパレータ５（６）から取り外すと、マスクＭ２の開孔に充填されていた粘着剤が、シール部材主部９１の表面に残る。その後、必要に応じ粘着剤から溶剤成分等を揮発させたのち、紫外線を照射して、粘着剤をＵＶ架橋し、シール部材主部の表面に粘着剤が部分架橋された粘着層９２を形成し、シール部材主部９１に架橋接着する。なお、粘着層の架橋は第１の架橋剤の選択に応じて行えばよく、粘着層の架橋は他の架橋方法、例えば放射線架橋により行っても良い。
【００４８】
以上の工程により、部分架橋された粘着層９２が、ゴム材料からなるシール部材主部９１の表面に架橋接着されて積層一体化されたシール部材９を、セパレータ５（６）に一体に成形することができる。
【００４９】
次に、上記したシール部材９が一体化されたセパレータ５，６を用いた、燃料電池の組み立て方法について説明する。
別途製造された膜電極接合体２とともに、セパレータ５，６を、必要なだけ順次所定の向きに積層して、燃料電池を組み立てる。その後、所定の締結部材等により締め付けて、所定のシール反力を発生させたり、部材間の隙間寸法を所定のものに調整したりする。この際、セパレータに一体化されたシール部材９は、隣接するシール対象部材（本実施形態では膜電極接合体のフレーム２２）に密着し、シール部材表面の粘着層９２がフレーム２２に粘着して、セパレータと膜電極接合体（フレーム）の間がシールされる。そして、燃料電池の組み立ての際には、粘着剤に含まれる熱架橋剤（すなわち第２の架橋剤）を架橋反応させずにそのまま残して、燃料電池の組み立てを完了させる。
【００５０】
組み立てが完了した燃料電池に対し、必要に応じてシール試験などの検査を行い、スタックの不良等の有無を調べる。不良が発見された場合には、不良箇所を特定し、スタックを分解して不良箇所の部品の交換を行う。
【００５１】
不良が無ければ、組み立てられた燃料電池を使用できる。燃料電池を使用して発電を行うと、所定の運転温度まで、燃料電池の温度が上昇する。
この温度上昇により、シール部材の粘着層９２に含まれていた第２の架橋剤、すなわち、燃料電池の運転温度で架橋反応する熱架橋剤が架橋反応を開始し、粘着層が架橋される。そして、この架橋の際に、粘着層９２が隣接するシール対象部材（本実施形態ではフレーム２２）に架橋接着される。
【００５２】
粘着層９２とフレーム２２が架橋接着されることによって、セパレータ５，（６）とフレーム２２の間は、接着によってシールされたのと同じ状態になり、長期間にわたって確実にシールされる。
【００５３】
上記発明の作用や効果について説明する。
燃料電池構成部品に一体化されたシール部材の粘着層９２は、燃料電池の組み立て時には部分架橋された状態で組み立てに供されるので、粘着剤が他の部分にくっついたり、はがれたり、形状が変わってしまうことが抑制され、組み立て時の取扱い性に優れる。また、粘着層が部分架橋されているので、一旦スタックに組み立てても、分解時には、粘着層９２が原形状を保ったままでシール部材主部９１の表面に残るように分解できる。すなわち、このようなシール部材９が一体化された燃料電池構成部品は、組み立て時には分解可能である。
【００５４】
なお、粘着層が全く架橋されていない場合、燃料電池の組み立て時の取扱いが悪いと、粘着層がつぶれたり取れてしまったりして、シール対象物に粘着層が密着しなくなってしまったり、シール部材の周辺に粘着層（粘着剤）がはみ出して、ガス流路をふさぐといった不具合を起こすおそれがある。一方、粘着層が部分架橋されており、シール部材主部に架橋接着されていれば、粘着層は、それ自体で、形状を保つことができ、取れたりはみ出したりしにくい。
【００５５】
また、シール部材９の表面の粘着層９２は、確実なシール性の発揮に寄与する。燃料電池の組み立て直後には、粘着層９２が有する粘着力の働きによって、粘着層とシール対象部材との密着が維持されて、シール部材の反力に頼ることなく、シール性を良好なものとできる。また、燃料電池を使用していくと、燃料電池を運転する際の温度によって、第２の架橋剤（熱架橋剤）が活性化して、粘着層が架橋され、粘着層９２とシール対象部材（フレーム２２）が架橋接着される。すると、シール部材９はセパレータに５、（６）にもフレーム２２にも接着された状態となり、シール反力に関わりなく、良好なシール状態を維持できるようになる。
【００５６】
したがって、上記実施形態の燃料電池構成部品によれば、シール性を悪化させること無くシール反力を下げることができる。組み立て後の分解可能性とシール性をより確実なものとする観点からは、粘着層を構成する粘着剤をアクリル系粘着剤とすることが効果的である。
【００５７】
なお、特許文献１にあるような非接着型シール部材の従来技術のシール構造において、発泡ゴムをシール材料に採用した場合、発泡ゴム材料は発泡材である性質上、圧縮永久ひずみ特性がソリッドゴムに対し大きく劣るため、シール性が短期間のうちに失われてしまう。そのため、確実な反応ガスのシールが求められる燃料電池には、発泡ゴム材料は使用できないと考えられていた。
【００５８】
ところが、本発明によれば、シール部材のシール反力を小さくしても、組み立て直後には、粘着層の粘着力により、燃料電池の運転開始後には、粘着層が架橋接着されることにより、シール部材９がシール対象物に密着し続け、確実なシール性が維持される。また、上記シール部材９のように、シール部材主部９１を発泡ゴム材料で形成すると、シール反力の低減に特に効果的である。
【００５９】
また、上記したシール部材付きセパレータ（燃料電池構成部品）の製造方法によれば、部分架橋されると共に第２の架橋剤を含む粘着層を備えるシール部材をセパレータに効率的に一体成形することができる。
【００６０】
そして、粘着層を部分架橋する第１の架橋剤として紫外線照射により架橋反応する架橋剤を用いるようにすれば、この部分架橋工程を短時間かつ短い生産ラインで完了させることができるため、燃料電池構成部品をより効率的に製造することができる。
【００６１】
なお、セパレータへのシール部材９の一体成形は、セパレータ単品が完成した後に行っても良いが、セパレータを形成するためのセパレータ前駆体にシール部材９を一体成形してもよい。セパレータ前駆体にシール部材を一体成形するようにすると、シール部材一体成形工程におけるセパレータのハンドリングがたやすくなり、製造の効率を高めることができる。例えば、セパレータが金属薄板からなるものである場合、セパレータ前駆体をロール巻きされたテープ状の金属薄板として準備し、このロール巻きされたセパレータ前駆体に対し、スクリーン印刷工程、発泡架橋工程、粘着層形成・ＵＶ部分架橋工程を順次、連続して行うことのできるシール部材成形ラインを形成し、テープ状のセパレータ前駆体をシール部材成形ラインに通して、セパレータ前駆体上にシール部材を順次成形した後に、セパレータ前駆体を打ち抜き加工して、シール部材９が一体成形されたセパレータ５（６）を得るようにすれば、セパレータを特に能率的に連続して製造できる。
【００６２】
また、上記シール部材付セパレータを用いて燃料電池を組み立てる際に、粘着層に含まれる熱架橋剤を架橋反応させずに残すようにすれば、一旦組み立てた燃料電池スタックを分解可能にできて、組み立ての時点でシール不良等の不具合が発見されれば、分解して、修理や部品交換ができる。この組立工程では、熱架橋剤が架橋を開始しないよう、温度の管理だけを行えばよく、組立工程は簡単なものとなる。組み立てられた燃料電池の分解可能な状態は、燃料電池を運転して、温度上昇により熱架橋剤が反応して、シール部材粘着層とシール対象部材とが架橋接着されるまで維持される。
【００６３】
そして、組み立てられた燃料電池を作動させ、運転温度に到達させて、粘着剤に含まれる熱架橋剤を架橋反応させて、粘着層を隣接する燃料電池構成部材に架橋接着するようにすれば、燃料電池組立工程において熱架橋用の加熱ラインをわざわざ設ける必要が無くなり、製造ラインをより簡素なものとできる。
【００６４】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の改変をして実施することができる。以下に本発明の他の実施形態について説明するが、以下の説明においては、上記実施形態と異なる部分を中心に説明し、同様である部分についてはその詳細な説明を省略する。また、以下に示す実施形態は、その一部を互いに組み合わせて、あるいは、その一部を置き換えて実施できる。
【００６５】
上記実施形態の説明では、ＭＥＡのフレーム２２とセパレータ５、６の間をシールするシール部材９を、セパレータに一体成形する技術について説明したが、シール部材をＭＥＡのフレーム２２に一体化するようにしても良い。以下、ＭＥＡのフレームに対し同様な構成を有するシール部材９を一体に成形する技術について説明する。
【００６６】
図７には、膜電極接合体（ＭＥＡ）２が製造される製造工程の例を示す。この例では、スクリーン印刷を利用して樹脂フィルムＰＦにシール部材９を形成した後に、フレーム２２や膜電極接合体（ＭＥＡ）を製造する例を示している。
【００６７】
フレーム２２の材料である樹脂フィルムＰＦは、フィルムの供給ロールから、連続的に第１のスクリーン印刷装置に供給される。このスクリーン印刷工程では、上述した製造方法と同様に、発泡材料を配合した未架橋液状ゴム材料によって、シール部材主部前駆体９１Ｐが樹脂フィルムＰＦ上に形成される。
【００６８】
その後、シール部材主部前駆体９１ＰがフィルムＰＦ上に形成された状態で、樹脂フィルムＰＦは、発泡・架橋装置に供給される。発泡・架橋工程を経ることにより、シール部材主部前駆体９１Ｐは発泡し架橋されてシール部材主部９１となる。このようにして、樹脂フィルムＰＦ上に、シール部材主部９１が一体成形される。
【００６９】
引き続き、樹脂フィルムＰＦは第２のスクリーン印刷装置に供給される。このスクリーン印刷工程では、粘着剤がシール部材主部９１の表面に塗布されて、粘着層９２が形成される。
【００７０】
粘着層９２の形成においては、第２のスクリーン印刷工程を経た後、樹脂フィルムＰＦは、ＵＶ架橋装置に供給される。ＵＶ架橋装置により紫外線が照射されて、粘着剤が部分架橋し、粘着層９２がシール部材主部９１に架橋接着される。このようにして、樹脂フィルムＰＦ上に、シール部材主部９１と部分架橋された粘着層９２が積層されたシール部材９が一体成形される。
【００７１】
その後、シール部材９が形成された樹脂フィルムＰＦを額縁状に打ち抜き加工すれば、シール部材９が一体成形されたフレーム２２が得られる。フレームにアノード側フレームとカソード側フレームの区別がある場合には、それぞれのフレームを個別に準備する。
【００７２】
高分子電解質膜の原反を所定の寸法にカットして、高分子電解質膜２１を準備し、カーボンフェルトなどを所定の寸法にカットして、電極２４，２５を準備する。高分子電解質膜２１の表面に触媒層を形成しながら、電極２４，２５を一体化し、高分子電解質膜２１をフレーム２２，２２で挟み込むようにして、フレームと高分子電解質膜、電極を一体化し、膜電極接合体（ＭＥＡ）２を得る。図７には、高分子電解質膜２１と電極２４，２５を一体化してから、フレーム２２に一体化する例を示している。高分子電解質膜２１とフレーム２２を一体化した後に電極２４，２５を一体化するようにしても良い。なお、触媒層の形成やフレーム・電極の一体化については、公知の製造方法が利用できる。
【００７３】
また、上記実施形態においては、フレームの形成工程や、フレームと高分子電解質膜の一体化工程に先行して、シール部材形成工程を行う例について説明したが、これら工程の順序は、変更してもよい。例えば、フレームの打ち抜き工程を先行させ、その後、シール部材形成工程を行い、その後高分子電解質膜の一体化工程に進むようにしても良い。あるいは、フレームと高分子電解質膜を一体化した後に、シール部材成形工程を行うようにしても良い。
【００７４】
このように、シール部材が一体化される部材は、特に限定されず、シール部材と一体化可能な燃料電池構成部品であればよい。燃料電池構成部品としては、例えば、セパレータ５，６や、膜電極接合体のフレーム２２や、シール部材の形状を維持し取扱い性を高めるためのフレームなどが例示される。また、シール部材を膜電極接合体の本体に直接一体化しても良い。また、図７の工程にも示されるように、シール部材９を燃料電池構成部品の前駆体（図７の例では樹脂フィルムＰＦ）に一体化しても良い。
【００７５】
また、上記説明では、粘着剤に含まれる第２の架橋剤が熱架橋剤であるものについて説明したが、発明において、燃料電池の組み立て・検査後に粘着層を架橋する架橋剤（第２の架橋剤）として、熱架橋剤以外の架橋剤を用いることもできる。例えば、第２の架橋剤として、空気中の水分すなわち湿気を利用して粘着剤を架橋硬化させるような架橋剤を用いても良い。例えば、アクリル系粘着剤にＵＶ架橋剤とそのような湿気硬化型の架橋剤とを配合して粘着層を構成するための粘着剤に使用しても良い。あるいは、シリコーン系粘着剤にＵＶ架橋剤と湿気硬化型の架橋剤とを配合して粘着層を構成するための粘着剤に使用しても良い。あるいは、湿気硬化型の架橋剤を含むＲＴＶシリコーンゴムを、粘着層を構成する粘着剤に配合しても良い。
【００７６】
粘着層の第２の架橋剤として、そのような湿気硬化型の架橋剤を用いた場合であっても、シール部材が一体化された燃料電池構成部品が、組み立て直後には分解可能であり、シール性に優れ、シール反力を低く設定可能であるという効果は同様に発揮される。そして、この実施形態の場合には、燃料電池を組み立てて、シール検査等を行った後、空気中に放置するだけで、粘着層の架橋反応が徐々に進んで、粘着層が隣接するシール対象部材に架橋接着されて、シールがより確実なものとなるという効果が得られる。また、本実施形態においても、燃料電池の組み立てラインには、第２の架橋剤を架橋させるための架橋ラインが必要なくなる。
【００７７】
セパレータやフレーム上に形成されるシール部材９の平面パターンは、閉じたリング状・ループ状のものでシール機能を果たす形状であれば、特に限定されない。また、シール部材の一部をディフューザに利用するようにしても良い。
【００７８】
また、燃料電池の利用分野は、自動車用に限定されるものではなく、家庭用発電機など、自動車以外の他の技術分野にも応用できる。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明の燃料電池構成部品にはシール部材が一体化されており、燃料電池の組み立てが簡単で、シール性も良好であり、産業上の利用価値が高い。
【符号の説明】
【００８０】
１    燃料電池の単セル
２      膜電極接合体（ＭＥＡ）
２１        高分子電解質膜
２２        フレーム
２３        ディフューザ
２４        カソード電極
２５        アノード電極
５     カソード電極側セパレータ
６     アノード電極側セパレータ
７，８      溝
９     シール部材
９１        シール部材主部
９１Ｐ          シール部材主部の前駆体
９２        粘着層
Ｍ、Ｍ２      スクリーンマスク版
ＳＱ          スキージ
【図１】
2016025053.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2016025053.tif 000007
【図６】
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【図７】
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