JP2005294098A - 燃料電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 セパレータの外周部間の接着剤の硬化時間を短くして生産性をあげることができ、しかも接着剤層切れなどによる接着不良、シール不良を生じない燃料電池の製造方法の提供。
【解決手段】 ２枚のセパレータ１８の外周部の対向面に液状接着剤３３ａを塗布する第１工程と、該２枚のセパレータ間にＭＥＡの電解質膜１１の周縁部を挟む第２工程と、液状接着剤３３ａを硬化させて単セル１９を製造する第３工程と、を有する燃料電池の製造方法であって、
第２工程で、予め成形され硬化された成形体３３ｂを２枚のセパレータの外周部間に挿入し、ほぼ該成形体の厚み分、第１工程でセパレータに塗布する液状接着剤３３ａの塗布厚さを薄くし、該液状接着剤３３ａの塗布厚さを薄くした分、第３工程での接着剤３３ａ硬化時間を短くする、燃料電池の製造方法。
【選択図】 図２

Description

本発明は燃料電池の製造方法に関し、とくにセパレータ間接着剤の硬化時間を短縮させる燃料電池の製造方法に関する。

燃料電池（単セル）は、電解質膜の一面にアノードを設け、他面にカソードを設けた膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ）をセパレータで挟んだものから構成される。アノードには燃料ガス（水素含有ガス）が供給され、カソードには酸化剤ガス（酸素含有ガス、通常、エア）が供給される。電解質膜を挟む２枚のセパレータの外周部間は接着剤によりシール接着される。

単セルは、通常、２枚のセパレータの外周部の対向面に液状接着剤を塗布し、該２枚のセパレータ間にＭＥＡの電解質膜の周縁部を挟み、液状接着剤を硬化させて、製造される。しかし、液状接着剤の硬化に時間がかかり（約１．５ｍｍの接着剤層を熱と圧力をかけて硬化させるのに約１時間弱かかる）、生産性が悪い。液状接着剤の硬化時間を短縮するために液状接着剤の塗布厚さを薄くすると、接着剤層を挟んで対向するセパレータに電気的短絡が生じてしまって単セルが成立しなくなる。

特開平７−６５８４７号公報は、電解質膜を両面側から樹脂の補強枠で挟み、その両面側に、カーボンセパレータとの間にシール体を配置した、補強シール構造を開示している。補強枠を設けた構造では、シーラントが極薄となってシーラント硬化時間は短いが、反面、以下の問題を伴う。
補強枠と膜との間、補強枠とセパレータの間、補強枠とシール体との間、等にあるシーラントの層の厚さが極薄となり、あるいは補強枠の面のうねりや凹凸をシーラントの層で吸収しきれずシーラント層切れが生じ、その結果、接着不良、リーク（シール不良）が生じるおそれがある。また、補強枠とシール体とシーラントは種類の異なる樹脂材からなるので、接着性が常に良好であるとは限らない。
特開平７−６５８４７号公報

本発明が解決しようとする課題は、通常の単セルの製造方法における、液状接着剤の硬化に時間がかかり、生産性が悪いという問題であり、特開平７−６５８４７号公報のように膜を補強枠で挟むシール構造では、接着不良やシール不良が生じるおそれがあるという問題である。

本発明の目的は、単セルの電解質膜を挟むセパレータの外周部間の接着剤の硬化時間を（上記の通常の燃料電池製造方法の接着剤硬化時間より）短くして生産性をあげることができ、しかも接着剤層切れなどによる接着不良、シール不良を生じない燃料電池の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決し、上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１） ２枚のセパレータの外周部の対向面に液状接着剤を塗布し、セパレータの外周部の対向面間に電解質膜の周縁部と予め成形され硬化された成形体を挟み、液状接着剤を硬化させて２枚のセパレータを接着する燃料電池の製造方法。
（２） ２枚のセパレータの外周部の対向面に液状接着剤を塗布する第１工程と、
該２枚のセパレータ間にＭＥＡの電解質膜の周縁部を挟む第２工程と、
前記液状接着剤を硬化させて単セルを製造する第３工程と、
を有する燃料電池の製造方法であって、
前記第２工程で予め成形され硬化された成形体を前記２枚のセパレータの外周部間に挿入し、ほぼ該成形体の厚み分、前記第１工程でセパレータに塗布する液状接着剤の塗布厚さを薄くし、該液状接着剤の塗布厚さを薄くした分、前記第３工程での接着剤硬化時間を短くする、（１）記載の燃料電池の製造方法。
（３） 前記成形体と前記２枚のセパレータの何れのセパレータの外周部との間にも前記接着剤が存在する（１）または（２）記載の燃料電池の製造方法。
（４） 前記成形体を、前記２枚のセパレータの外周部間に１層だけ挿入する（１）または（２）記載の燃料電池の製造方法。
（５） 前記成形体の材料と、前記液状接着剤の材料とは、同じ種類の材料である（１）または（２）記載の燃料電池の製造方法。
（６） 前記成形体は厚み方向に弾性を有する（１）または（２）記載の燃料電池の製造方法。
（７） 前記セパレータはカーボンセパレータである（１）または（２）記載の燃料電池の製造方法。

上記（１）または（２）の燃料電池の製造方法によれば、予め成形され硬化された成形体を挟むので、液状接着剤の層を薄くすることができ液状接着剤の硬化時間を短縮し生産性を上げることができる。また、２枚のセパレータの外周部の対向面に液状接着剤を塗布した後成形体および膜を挟むので、セパレータが、直接、成形体や膜に接触して接着剤の層切れが生じるおそれはなく、接着剤層の厚みも成形体の厚みを適当に選定することによって必要厚さを確保できるので、接着不良やシール不良は生じない。
上記（３）の燃料電池の製造方法によれば、成形体と前記２枚のセパレータの何れのセパレータの外周部との間にも接着剤が存在させるので、セパレータが、直接、成形体に接触して接着剤の層切れと、それによる接着不良やシール不良が生じることはない。
上記（４）の燃料電池の製造方法によれば、成形体を、２枚のセパレータの外周部間に１層だけ挿入するので、２層以上挿入した場合の、成形体間の接着剤塗布が必要でなく、成形体挿入による接着剤塗布時間や塗布作業の増加はない。従来の補強枠挿入シール方法では、複数の補強枠を挿入するので、接着剤塗布時間や塗布作業の増加する。
上記（５）の燃料電池の製造方法によれば、成形体の材料と、液状接着剤の材料とを、同じ種類の材料としておけば、接着剤層と成形体との接着性、シール性は、単一接着剤層の場合と同じ程度に高くなり、成形体挿入による接着性、シール性の低下はない。従来の補強枠挿入シール方法では、補強枠とシール体とシーラントが別種類の材料となっているため、接着性、シール性が単一種類のシール構造に比べて低下しやすい。
上記（６）の燃料電池の製造方法によれば、成形体は厚み方向に弾性を有するので、液状接着剤には硬化後の弾性をもたす必要がなく、接着剤選定の自由度が増大する。
上記（７）の燃料電池の製造方法によれば、本発明を単セルの２枚のカーボンセパレータ間のシール接着に適用することにより、カーボンセパレータをもつ単セルの生産性を上げることができる。メタルセパレータと樹脂フレームの組み合わせ構造では、樹脂フレームの膜側にも接着剤を塗布する必要があり、本発明の生産性向上のメリットはカーボンセパレータの場合ほどにが得られない。

以下に、本発明の燃料電池の製造方法を、図１〜図４を参照して説明する。
本発明の燃料電池の製造方法が適用される燃料電池は、低温型燃料電池であり、たとえば、固体高分子電解質型燃料電池１である。該燃料電池１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。

固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１〜図４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。積層方向は上下方向に限るものではなく、任意の方向でよい。
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からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ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。

セパレータ１８には、アノード１４、カソード１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための反応ガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）と、その裏面に冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成されている。セパレータ１８には、燃料ガス流路２７に燃料ガスを供給、排出するための燃料ガスマニホールド３０、酸化ガス流路２８に酸化ガスを供給、排出するための酸化ガスマニホールド３１、冷媒流路２６に冷媒を供給、排出するための冷媒マニホールド２９が形成されている。流体流路２６、２７、２８、２９、３０、３１をシールするために、ゴムガスケット３２や接着剤シール３３が設けられている。単セル１９の、膜１１を挟む２枚のセパレータ１８同志は、セパレータ１８の外周部の対向面間にある接着剤シール３３によってシール接着され、かつ、絶縁されている。隣接するモジュール同志は電気的に導通され、かつ、セパレータ間がガスケット３２によってシールされている。
セパレータ１８は、望ましくは、カーボンセパレータである。ただし、セパレータ１８は、メタルセパレータであってもよいし、導電性樹脂セパレータであってもよいし、メタルセパレータと樹脂フレームの組合せであってもよいし、あるいは、これらのセパレータの組合せであってもよい。

膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねて単位燃料電池（「単セル」ともいう）１９を構成し、少なくとも１つのセル（たとえば、１〜３個のセルから１モジュールを構成する）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により固定して、燃料電池スタック２３を構成する。

各セル１９の、アノード側１４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１１中をカソード側に移動し、カソード１７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）から水を生成する反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ₂ →２Ｈ⁺ ＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ＋（１／２）Ｏ₂ →Ｈ₂ Ｏ

本発明の単セル１９の製造方法は、２枚のセパレータ１８の外周部（セパレータの周縁部と各マニホールド２９、３０、３１のまわり）の対向面に液状接着剤３３ａを塗布し、セパレータの外周部の対向面間にＭＥＡの電解質膜１１の周縁部と予め成形され硬化された成形体３３ｂを挟み、液状接着剤３３ａを硬化させて２枚のセパレータ１８を接着する方法である。

さらに詳しくは、本発明の単セル１９の製造方法は、単セル１９の２枚のセパレータ１８の外周部（セパレータの周縁部と各マニホールド２９、３０、３１のまわり）の対向面に液状接着剤３３ａを塗布する第１工程と、該２枚のセパレータ１８間にＭＥＡの電解質膜１１の周縁部を挟む第２工程と、液状接着剤３３ａを硬化させて単セル１９を製造する第３工程と、を有する燃料電池１９の製造方法であって、第２工程で、予め成形され硬化された成形体３３ｂを２枚のセパレータ１８の外周部間に挿入する方法である。この方法では、ほぼ成形体３３ｂの厚み分、第１工程でセパレータに塗布する液状接着剤３３ａの塗布厚さを薄くし（第１のセパレータ１８に塗布した液状接着剤３３ａの硬化後の厚さＴ１と、第２のセパレータ１８に塗布した液状接着剤３３ａの硬化後の厚さＴ２と、成形体３３ｂの厚みＴ３との和が、成形体３３ｂを挿入しない通常のセルのセパレータ間の接着剤層３３の厚さＴとほぼ等しくなるようにする）、液状接着剤の塗布厚さを薄くした分（ＴをＴ１、Ｔ２と薄くした分）、第３工程での接着剤硬化時間（熱と圧力をかけて接着剤を硬化する時間）を短くする。Ｔ１、Ｔ２は、約０．０２ｍｍ以上確保する。膜１１の厚みＴ４は４０〜６０μｍである。

たとえば、Ｔが約０．１５ｍｍ、Ｔ３が約０．１ｍｍ、Ｔ１、Ｔ２が０．０２５ｍｍである場合には、成形体を挿入しない場合の、０．１５ｍｍ厚さの液状接着剤を硬化する時間（約１時間弱）が、成形体を挿入する場合は、０．０２５ｍｍ厚さの液状接着剤を硬化する時間に大幅に短くなる。

予め成形され硬化された成形体３３ｂを２枚のセパレータ１８の外周部間に挿入する場合、図２に示すように、成形体３３ｂの電解質膜１１の周縁部と重なる部分３３ｂｉはその他の成形体部分３３ｂｏより、厚さを薄くしてもよいし、あるいは、図４に示すように、成形体３３ｂの厚さを、成形体全域において一定で薄くしてもよい。

第２、第３工程において、成形体３３ｂと２枚のセパレータ１８の何れのセパレータ１８の外周部との間にも、接着剤３３ａが存在する。したがって、成形体３３ｂが直接、セパレータ１８に接触することはない。

第２工程において、成形体３３ｂを、膜１１を挟んで対向する２枚のセパレータ１８の外周部間に１層だけ挿入する。成形体３３ｂを複数層挿入することはしない。成形体３３ｂを複数層挿入すると成形体３３間のシールのために成形体３３同士の対向面に接着剤を塗布しなければならなくなるので、作業が複雑かつ長時間になるから、それを避けるためである。

望ましくは、成形体３３ｂの材料と、液状接着剤３３ａの材料とは、同じ種類の材料である。ただし、成形体３３ｂの材料と、液状接着剤３３ａの材料とを互いに異ならせてもよい。
成形体３３ｂの材料と、液状接着剤３３ａの材料とが、同じ種類の材料である場合は、単セル製造後、すなわち、液状接着剤３３ａ硬化後は、成形体３３ｂの部分と硬化液状接着剤３３ａの部分とは、一体不可分となり、区別がなくなり、製品としては、通常の、接着剤全厚が液状接着剤３３ａの硬化したものからなるセルと変わりがなくなる。

成形体３３ｂは厚み方向（セルの厚み方向と同じ方向）に、弾性を有するような材料にて形成されている。その理由は、燃料電池スタックとした時には、スタック締めつけ荷重が各セル１９にかかり、接着剤にもかかる。膜１１が厚さが薄くなる方向にクリープすると接着剤３３も弾性変形して厚さが薄くなって、電極と拡散層とセパレータの各接触抵抗を小に維持するためである。成形体３３ｂに弾性をもたせておけば、液状接着剤３３ａは必ずしも弾性をもつ必要がなく、硬化後は硬質となってもよく、自由な材料選定ができ、液状接着剤３３ａの材料選択の自由度が上がる。

望ましくは、セパレータ１８はカーボンセパレータである。メタルセパレータの場合は、通常、樹脂フレームと組み合わせて使用されるが、樹脂フレームは硬質であって、本発明の成形体３３ｂにはなり得ない。また、樹脂フレームの両面に接着剤を塗布しなければならず、接着剤塗布工数が増えて、本発明のメリットが少なくなる。

つぎに、本発明の燃料電池の製造方法の作用・効果を説明する。
本発明の燃料電池の製造方法では、セパレータ１８の外周部の対向面間に、予め成形され硬化された成形体３３ｂを挟むので、セパレータ１８の外周部に塗布する液状接着剤３３ａの層を（成形体３３ｂを挟まず接着剤全厚を液状接着剤３３ａとする場合に比べて）薄くすることができ、液状接着剤３３ａの硬化時間を（接着剤全厚が液状接着剤３３ａとする場合に比べて）短縮でき、生産性を上げることができる。

また、単セル１９の膜１１を挟む２枚のセパレータ１８の外周部の対向面に液状接着剤３３ａを塗布した後、液状接着剤３３ａを塗布したセパレータ面で成形体３３ａおよび膜１１を挟むので、セパレータ１８が、直接、成形体３３ｂや膜１１に接触して液状接着剤３３ａの層切れを起こすおそれはない。また、液状接着剤３３ａの硬化後の成形体３３ｂと接着剤層３３ａの和の厚さは、成形体３３ｂの厚みを適当に選定することによって必要厚さ（約０．１５ｍｍ以上は確保したい）を確保できるので、接着不良やシール不良は生じない。

また、成形体３３ｂを、２枚のセパレータ１８の外周部間に１層だけ挿入するので、２層以上挿入した場合に必要となる、成形体３３ｂ間の接着剤塗布が必要でなく、成形体３３ｂ挿入による接着剤塗布時間や塗布作業の増加はない。すなわち、セパレータ１８の対向面に液状接着剤３３ａを塗布するだけでよく、成形体３３ｂの方には液状接着剤３３ａを塗布する必要はない。

また、成形体３３ｂの材料と、液状接着剤３３ａの材料とを、同じ種類の材料としておけば、接着剤層３３ａと成形体３３ｂとの接着性、シール性は、通常の単セル製造の単一接着剤層の場合と同じ程度に高くなり、成形体３３ｂ挿入による接着性、シール性の低下はない。
また、成形体３３ｂは厚み方向に弾性を有するので、液状接着剤３３ａには硬化後の弾性をもたす必要がなく、液状接着剤３３ａの材料選定の自由度が増大する。

本発明の燃料電池の製造方法の（第２工程の）斜視図である。 本発明の燃料電池の製造方法の（第３工程の）、第１の例の、断面図である。 本発明の燃料電池の製造方法の（第３工程の）、第２の例の、断面図である。 本発明の燃料電池の製造方法で製造された単セルを積層した燃料電池スタックの側面図である。

符号の説明

１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１３ 拡散層
１４ 電極（アノード、燃料極）
１６ 拡散層
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 外側部材または締結部材（テンションプレート）
２５ ボルト
２６ 冷媒流路
２７ 燃料ガス流路
２８ 酸化ガス流路
２９ 冷媒マニホールド
３０ 燃料ガスマニホールド
３１ 酸化ガスマニホールド
３２ ガスケット
３３ 接着剤シール
３３ａ 液状ガスケット（硬化前または硬化後）
３３ｂ 成形体
３３ｂｉ 成形体３３ｂの、電解質膜１１の周縁部と重なる部分
３３ｂｏ 成形体３３ｂの、３３ｂｉ以外の部分
Ｔ 成形体３３ｂを挿入しない通常のセルのセパレータ間の接着剤層３３の厚さ
Ｔ１ 第１のセパレータ１８に塗布した液状接着剤３３ａの硬化後の厚さ
Ｔ２ 第２のセパレータ１８に塗布した液状接着剤３３ａの硬化後の厚さ
Ｔ３ 成形体３３ｂの厚み
Ｔ４ 膜１１の厚み

Claims (7)

1. ２枚のセパレータの外周部の対向面に液状接着剤を塗布し、セパレータの外周部の対向面間に電解質膜の周縁部と予め成形され硬化された成形体を挟み、液状接着剤を硬化させて２枚のセパレータを接着する燃料電池の製造方法。
2. ２枚のセパレータの外周部の対向面に液状接着剤を塗布する第１工程と、
   該２枚のセパレータ間にＭＥＡの電解質膜の周縁部を挟む第２工程と、
   前記液状接着剤を硬化させて単セルを製造する第３工程と、
   を有する燃料電池の製造方法であって、
   前記第２工程で予め成形され硬化された成形体を前記２枚のセパレータの外周部間に挿入し、ほぼ該成形体の厚み分、前記第１工程でセパレータに塗布する液状接着剤の塗布厚さを薄くし、該液状接着剤の塗布厚さを薄くした分、前記第３工程での接着剤硬化時間を短くする、請求項１記載の燃料電池の製造方法。
3. 前記成形体と前記２枚のセパレータの何れのセパレータの外周部との間にも前記接着剤が存在する請求項１または請求項２記載の燃料電池の製造方法。
4. 前記成形体を、前記２枚のセパレータの外周部間に１層だけ挿入する請求項１または請求項２記載の燃料電池の製造方法。
5. 前記成形体の材料と、前記液状接着剤の材料とは、同じ種類の材料である請求項１または請求項２記載の燃料電池の製造方法。
6. 前記成形体は厚み方向に弾性を有する請求項１または請求項２記載の燃料電池の製造方法。
7. 前記セパレータはカーボンセパレータである請求項１または請求項２記載の燃料電池の製造方法。

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