JP2005005012A - 燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接着剤をセパレータの所望部位に、高精度に塗布でき、その塗布量も管理できる、燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法の提供。
【解決手段】（１） 隣合うセパレータとの間を接着剤によりシールされる燃料電池用セパレータへ接着剤を塗布する接着剤塗布方法であって、超微細インクジェット装置５０を用いて、接着剤溶液５２をセパレータ１８の表面にインクジェット方式で塗布する燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法。（２） 隣合うセパレータとの間を接着剤によりシールされる燃料電池用セパレータへ接着剤溶液を塗布する接着剤塗布方法であって、インクジェット装置５１を用いて、接着剤をセパレータ１８の表面にインクジェット方式で塗布する燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法。（３） 接着剤溶液５２は、塗布時に、液状であり、粘度が５〜５０ｃｐ、表面張力が２０〜５５Ｎｍ／ｍである。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池、たとえば固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ ）とセパレータとの積層体からなる。ＭＥＡを挟んだセパレータ同士は、接着剤によりシールされ、接着される。
特開平１１−５７５７５号公報は、シートの所望の領域に接着剤を必要量コーティングする接着剤コーティング技術を開示している。基本原理は、ピエゾ振動板を振動させ液室内の圧力をコントロールし圧力により接着剤を噴射、塗布するインクジェット技術である。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−５７５７５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１１−５７５７５号公報は、燃料電池用セパレータへの応用は開示していない。
従来の接着剤塗布方法を燃料電池用セパレータ間のシール、接着に適用するにはつぎの課題がある。
接着剤をセパレータの所望部位に、高精度に塗布でき、その塗布量も管理できなければならない。燃料電池セパレータの接着剤塗布部は、狭小、面の凹凸、膜による接着剤層厚さの変化等があるにかかわらず、リーク不良や接着不良が生じないように塗布し、また、接着剤がガス流路、冷却水流路や、基準となる端面にはみ出さないように塗布しなければならないからである。
また、つぎの条件を満足できることも望まれる。
塗布量による厚み管理だけでなく、多層塗りなどによって、さらに自在に塗布層の厚みを管理できること。
高精度塗布が可能になると、シール面に凹と凸を設けてその部位に高精度に接着剤を塗布してシール性の向上をはかること。
接着剤硬化速度も管理してセルやモジュールの作製時間を短縮すること。
【０００５】
本発明の目的は、接着剤をセパレータの所望部位に、高精度に塗布でき、その塗布量も管理できる、燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１） 隣合うセパレータとの間を接着剤によりシールされる燃料電池用セパレータへ接着剤を塗布する燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法であって、超微細インクジェット装置を用いて、接着剤溶液をセパレータの表面にインクジェット方式で塗布する燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法。
（２） 隣合うセパレータとの間を接着剤によりシールされる燃料電池用セパレータへ接着剤を塗布する燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法であって、インクジェット装置を用いて、接着剤溶液をセパレータの表面にインクジェット方式で塗布する燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法。
（３） 前記接着剤溶液は温度調整されて、インクジェット塗布に適する粘度に調整される（１）または（２）記載の燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法。
（４） 前記接着剤溶液は、粘度が５〜５０ｃｐ、表面張力が２０〜５５Ｎｍ／ｍである（３）記載の燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法。
（５） 接着剤を多層に塗布した（１）または（２）記載の燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法。
（６） シール部に、接着されるセパレータの一方に凸部を、他方に凹部を形成した（１）または（２）記載の燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法。
（７） 接着剤層は複数種類の接着剤塗布液の混合により硬化させた（１）または（２）記載の燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法。
【０００７】
上記（１）〜（７）の燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法では、接着剤層をインクジェット方式で塗布形成するため、ドット間隔、液滴のサイズ等を適宜に制御することにより、燃料電池セパレータの接着剤塗布部に、狭小、面の凹凸、膜による接着剤層厚さの変化等があるにかかわらず、接着剤をセパレータの所望部位に、高精度に塗布でき、その塗布量も管理できる。その結果、リーク不良や接着不良を防止でき、また、接着剤がガス流路、冷却水流路や、基準となる端面にはみ出すことを抑制できる。
上記（３）の燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法では、接着剤溶液が温度調整されるので、適切な粘度でインクジェット塗布される。
上記（４）の燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法では、接着剤溶液の粘度を５〜５０ｃｐ、表面張力を２０〜５５Ｎｍ／ｍに選定したので、円滑なインクジェット塗布が可能になる。
上記（５）の燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法では、接着剤を多層に塗布したので、塗布層数を適宜に選定することにより塗布層の厚さを自在に管理できる。
上記（６）の燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法では、シール部に、接着されるセパレータの一方に凸部を、他方に凹部を形成したので、シール部のシール性を向上させることができる。
上記（７）の燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法では、接着剤層を複数種類の接着剤塗布液の混合により硬化させたので、接着剤硬化速度を早めかつ管理することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法を図１〜図６を参照して説明する。
本発明のセパレータが組付けられる燃料電池は、たとえば、固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００９】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図５、図６に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ ）とセパレータ１８との積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層１２を有する電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５を有する電極（カソード、空気極）１７とからなる。触媒層１２、１５とセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。
【００１０】
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成するつぎの反応が行われる。
アノード側：Ｈ_２ →２Ｈ^＋ ＋２ｅ⁻
カソード側：２Ｈ^＋ ＋２ｅ⁻ ＋（１／２）Ｏ_２ →Ｈ_２ Ｏ
【００１１】
図５に示すように、膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル１９を構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。
【００１２】
上記反応を行うために、セパレータ１８には、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、上記反応で生じる熱をとるために、セパレータには冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。
図６において、ＭＥＡを挟むセパレータ１８間、およびセパレータ１８とＭＥＡ間は接着剤３３により接着されるとともにシールされ、セル１９間はゴムガスケット４０によりシールされる。
【００１３】
セパレータ１８は、カーボン、または金属、または金属と樹脂（メタルセパレータと樹脂フレーム）、または導電性を付与された樹脂、の何れか、またはその組合わせ、からなる。図６は、メタルセパレータ（たとえば、ステンレスセパレータ）の場合を示す。ただし、セパレータ１８は、メタルセパレータに限るものではない。
【００１４】
図１〜図４に示すように、ＭＥＡを挟むセパレータ１８のＭＥＡに接する方の面（冷媒に接する側の面と反対側の面）には、外周部およびその近傍に、接着剤３３が塗布され、セパレータ１８同士間、およびセパレータ１８とＭＥＡとの間、をシール、接着している。
通常、セパレータ１８の接着剤３３が塗布される部位は、凹凸があったり、電解質膜１１があったりして、接着剤層の厚さは一定ではない。また、図２に示すように、接着剤層の幅はセパレータ１８の全周にわたって一定とは限らず、たとば狭幅の部位もあり、狭幅の部位では接着剤層の幅がたとえば５０ミクロン程度である場合もある。
このように凹凸、厚さ変化、幅変化、幅狭小の部位があるにもかかわらず、所定のシール性、接着性を確保するために、本発明では、つぎの如く接着剤３３が塗布される。
【００１５】
すなわち、本発明の燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法は、超微細インクジェット装置５０を用いて、接着剤溶液（接着剤３３を含む溶液５２）をセパレータ１８の表面にインクジェット方式で塗布する塗布方法である。
超微細インクジェットでは、ドット３４のピッチ（図３のＰ）は、３ミクロン以下、１つのドット径は１ミクロン以下である。この超微細インクジェットを用いて、各種の接着剤溶液をインクとして吐出することにより、任意の部位に、任意の幅（５０ミクロン以下の幅でもよい）のまたは任意の形状の、接着剤層を高精度に形成することができる。接着部以外は接着剤３３を塗布しない。
その結果、電解質膜１１に余分な接着剤３３が付着せず、膜１１への悪影響（縮み、変形、変質劣化、膜破れ）を及ぼさず、電極性能への悪影響がないか、または抑制される。また、接着部以外には接着剤を塗布しないので、流路へのはみ出しやセパレータの基準面へのはみ出しが抑制される。
【００１６】
本発明では、超微細インクジェットに代えて、通常インクジェット装置５０を用いて、接着剤溶液（接着剤３３を含む溶液５２）をセパレータ１８の表面にインクジェット方式で塗布する塗布してもよい。
通常インクジェットでは、ドット３４のピッチ（図３のＰ）は、２０ミクロン以下、１つのドット径は２０ミクロン以下である。この超微細インクジェットを用いて、各種の接着剤をインクとして吐出することにより、任意の部位に、任意の幅（５００ミクロン以下の幅でもよい）のまたは任意の形状の、接着剤層を高精度に形成することができる。接着部以外は接着剤３３を塗布しない。
その結果、電解質膜１１に余分な接着剤３３が付着せず、膜１１への悪影響（縮み、変形、変質劣化、膜破れ）を及ぼさず、電極性能への悪影響がないか、または抑制される。また、接着部以外には接着剤を塗布しないので、流路へのはみ出しやセパレータの基準面へのはみ出しが抑制される。
【００１７】
接着剤溶液５２は、接着剤溶液５２を入れた容器に設けられたヒータにより温度調整されてインクジェット塗布に適する粘度に調整される。さらに詳しくは、接着剤溶液５２は、粘度が５〜５０ｃｐ、表面張力が２０〜５５Ｎｍ／ｍである。これは、インクジェット塗布を可能とするためである。すなわち、粘度が高すぎるとインクジェットが不可能になり、表面張力が低すぎると滲みを生じたり、表面張力が高すぎるとセパレータ面への塗布が円滑にできなくなったりするので、それらを抑制するためである。ヒータで溶液を加熱して、上記の粘度範囲、表面張力範囲に収まるものも含む。
【００１８】
接着剤３３を多層に塗布して接着剤塗布厚さを制御してもよい。そうすることによって、部位によって接着剤層厚さが変わる場合、それに容易に対応することができる。
また、シール部（接着剤３３が塗布される部分）に、接着されるセパレータ１８の一方に凸部３５を、他方に凹部３６を形成し、凸部３５を凹部３６に突入させ、凸部３５を凹部３６との間を接着剤３３で埋めるようにしてもよい（ただし、凸部３５、凹部３６は形成しなくてもよい）。そうすることによって、シール部のシール性が向上される。
【００１９】
また、接着剤３３が複数種類の接着剤塗布液の混合により硬化するものであってもよい。その場合は、接着剤溶液５２が複数種類あり、それぞれにインクジェット装置５０、５１が設けられる。したがって、接着剤溶液の種類の数だけインクジェット装置が設けられる。そして、セパレータ上に吐出された後、接着剤溶液が互いに混合して硬化する。混合する前は硬化しておらず、したがってインクジェットが可能であり、混合した後化学反応により速やかに硬化する。これによって、接着剤の硬化速度が早められ、セル製造の生産性が向上する。
【００２０】
【実施例】
セパレータの接着剤の塗布に、超微細インクジェット方式を採用した。ドットのピッチは３ミクロン以下で、１つのドット径は１ミクロン以下であった。セパレータの接着剤層の幅が５０ミクロン以下の狭幅の部分にも、塗布が可能であり、シール部以外へのはみ出しはなかった。その結果、電解質膜に余分な接着剤が付着せず、膜への悪影響（縮み、変形、変質劣化、膜破れなど）が見られなかった。接着剤の種類は２液性（２液混合により硬化するもの）を使用した。すなわち、各ノズルから１種類の液を吐出させ、吐出位置で合わせて２液を混合させ、硬化させた。接着剤層塗布後、もう一方の合わせ用セパレータをセットして、圧着して、接着、シールした。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１〜請求項６の燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法によれば、接着剤層をインクジェット方式で塗布形成するため、ドット間隔、液滴のサイズ等を適宜に制御することにより、燃料電池セパレータの接着剤塗布部に、狭小、面の凹凸、膜による接着剤層厚さの変化等があるにかかわらず、接着剤をセパレータの所望部位に、高精度に塗布でき、その塗布量も管理できる。その結果、リーク不良や接着不良を防止でき、また、接着剤がガス流路、冷却水流路や、基準となる端面にはみ出すことを抑制できる。
請求項３の燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法によれば、接着剤溶液が温度調整されるので、適切な粘度でインクジェット塗布される。
請求項４の燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法によれば、塗布時の接着剤溶液の粘度を５〜５０ｃｐ、表面張力を２０〜５５Ｎｍ／ｍに選定するので、円滑なインクジェット塗布が可能になる。
請求項５の燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法によれば、接着剤を多層に塗布するので、塗布層数を適宜に選定することにより塗布層の厚さを自在に管理できる。
請求項６の燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法によれば、シール部に、接着されるセパレータの一方に凸部を、他方に凹部を形成するので、シール部のシール性を向上させることができる。
請求項７の燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法によれば、複数種類の接着剤塗布液の混合により硬化させるので、接着剤硬化速度を早めかつ管理することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法を実行する装置の側面図である。
【図２】本発明の燃料電池用セパレータの接着剤塗布方法における接着剤塗布領域を斜線を施して示した燃料電池用セパレータの概略正面図である。
【図３】図２の接着剤塗布領域の一部の拡大図である。
【図４】凸部のあるシール面と凹部のあるシール面の間を接着剤が埋めている場合のシール部の断面図である。
【図５】燃料電池スタックの側面図である。
【図６】図５のスタックの一部の断面図である。
【符号の説明】
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１２、１５ 触媒層
１３、１６ 拡散層
１４ 電極（アノード、燃料極）
１７ 電極（カソード、空気極）
１８ セパレータ
１９ セル
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ 締結部材（テンションプレート）
２５ ボルト
２６ 冷媒流路（冷却水流路）
２７ 燃料ガス流路
２８ 酸化ガス流路
３３ シール接着剤
３４ ドット
３５ 凸部
３６ 凹部
４０ ゴムガスケット
５０ 超微細インクジェット装置
５１ 通常インクジェット装置
５２ 接着剤溶液

Claims (7)

1. 隣合うセパレータとの間を接着剤によりシールされる燃料電池用セパレータへ接着剤を塗布する燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法であって、超微細インクジェット装置を用いて、接着剤溶液をセパレータの表面にインクジェット方式で塗布する燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法。
2. 隣合うセパレータとの間を接着剤によりシールされる燃料電池用セパレータへ接着剤を塗布する燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法であって、インクジェット装置を用いて、接着剤溶液をセパレータの表面にインクジェット方式で塗布する燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法。
3. 前記接着剤溶液は温度調整されて、インクジェット塗布に適する粘度に調整される請求項１または請求項２記載の燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法。
4. 前記接着剤溶液は、粘度が５〜５０ｃｐ、表面張力が２０〜５５Ｎｍ／ｍである請求項３記載の燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法。
5. 接着剤を多層に塗布した請求項１または請求項２記載の燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法。
6. シール部に、接着されるセパレータの一方に凸部を、他方に凹部を形成した請求項１または請求項２記載の燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法。
7. 接着剤層は複数種類の接着剤塗布液の混合により硬化させた請求項１または請求項２記載の燃料電池用セパレータへの接着剤塗布方法。

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