JP2014154228A - 燃料電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】膜電極接合体が損傷する可能性を低減できる技術を提供する。
【解決手段】製造方法は、（ａ）電極体を準備する工程と、（ｂ）熱硬化性樹脂を含む充填部材を塗布する工程と、（ｃ）充填部材の一部分であってシール部材と膜電極接合体とによって挟まれた第１充填部分と、充填部材の他の一部分であって隙間から第１のガス拡散層より記膜電極接合体の積層方向外側にはみ出した露出部分と、を形成する工程と、（ｄ）充填部材のうち、第１充填部分を硬化させて、シール付き電極体を形成する工程と、（ｅ）シール部材の面上と第１のガス拡散層の面上とに第１のセパレータを配置する際に、露出部分を硬化させる工程と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池の技術に関する。

燃料電池は、膜電極接合体とガス拡散層とを備える。燃料電池は、単セルが複数積層されて積層方向の両側から所定の荷重が加えられることで形成される。燃料電池では、燃料ガスと酸化ガスとの両極間のクロスリークを抑えるために、電解質膜の外周部に、ガスシール部材（ガスケット）が設けられている場合がある。このような燃料電池の一つとして、一方の電極上に配置したガス拡散層が、他方の電極層上に配置したガス拡散層および電解質膜よりも小さく形成された燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。また特許文献１の技術では、ガスケットを設けることによって、燃料ガスおよび酸化ガスのクロスリークの抑制を図っている。

特開２００７−０６６７６６号公報

ガスケットを、小さい方のガス拡散層の外周に接するように設ける場合には、例えばガス拡散層やガスケットの形成の精度等に起因して、小さい方のガス拡散層の外周とガスケットとの間に隙間が生じる場合があった。

このように、ガス拡散層の外周とガスケットとの間に隙間が存在すると、この隙間において、膜電極接合体が露出する。固体高分子形燃料電池では、例えば燃料電池が発電と停止を繰り返すことにより、膜電極接合体が湿潤状態と乾燥状態との間で状態変化を引き起こす。ここで、膜電極接合体のうち露出した部分（露出部分）には、燃料電池の両側から所定の荷重を加えた場合でも、十分な外力が加わらない。よって、膜電極接合体が湿潤状態になった場合に、露出部分が膨らむことで座屈変形が生じる。また、膜電極接合体が乾燥状態となった場合は、露出部分は収縮する。このように、膜電極接合体の形状変化が繰り返されることで、膜電極接合体が損傷する可能性があった。

ここで、上記隙間に樹脂を充填することで、湿潤状態における膜電極接合体の膨らみを抑制できる場合がある。しかしながら、隙間に樹脂を充填した場合でも膜電極接合体が損傷する場合がある。

膜電極接合体の損傷は、燃料ガスおよび酸化ガスのクロスリークを引き起こし得るため望ましくない。よって、膜電極接合体が湿潤状態と乾燥状態との間で状態変化しても、膜電極接合体の損傷を抑制する技術が望まれていた。また、燃料電池においては、部品点数を抑制することや、製造工程を簡素化することや、製造コストを低減すること等が望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池の製造方法が提供される。この製造方法は、（ａ）膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側に配置された第１と第２のガス拡散層と、を備える電極体であって、前記第１のガス拡散層は、前記第２のガス拡散層よりも面積が小さく、前記第１のガス拡散層の外周部は、前記膜電極接合体の外周部および前記第２のガス拡散層の外周部よりも内側に位置する、電極体を準備する工程と、（ｂ）前記膜電極接合体の外周部のうち、前記第１のガス拡散層が配置された側の第１面上に、熱硬化性樹脂を含む充填部材を塗布する工程と、（ｃ）シール部材を前記第１のガス拡散層に対して隙間をあけて配置すると共に、塗布した前記充填部材上に前記シール部材を配置することで、前記充填部材の一部分であって前記シール部材と前記膜電極接合体とによって挟まれた第１充填部分と、前記充填部材の他の一部分であって前記隙間から前記第１のガス拡散層よりも前記膜電極接合体の積層方向外側にはみ出した露出部分と、を形成する工程と、（ｄ）前記第１充填部分を硬化させて、シール付き電極体を形成する工程と、（ｅ）前記シール部材の面上と前記第１のガス拡散層の面上とに第１のセパレータを配置すると共に、前記露出部分を硬化させる工程と、を備える。この形態の製造方法によれば、第１のセパレータを、シール部材の面上と第１のガス拡散層の面上とに配置する際に、充填部材の露出部分を硬化させている。すなわち、第１のセパレータを配置する際に、露出部分が第１のセパレータとシール付き電極体との間を流動できるため、過剰な圧力が膜電極接合体に加わる可能性を低減でき、膜電極接合体が損傷する可能性を低減できる。また、充填部材の一部を隙間からはみ出させているため、膜電極接合体のうち隙間に対応する部分にも所定の荷重を加えることができる。これにより、膜電極接合体が座屈変形する可能性を低減でき、膜電極接合体が損傷する可能性を低減できる。

（２）上記形態の製造方法であって、前記工程（ｄ）は、前記シール付き電極体のうち、前記第１充填部分が配置された部分を、一対の構造体で挟持して圧縮方向に力を加えつつ、前記第１充填部分を加熱して硬化させる工程を含み、前記圧縮方向に力を加える期間において、前記一対の構造体のうち、前記第１のガス拡散層側に配置した第１の構造体は、前記充填部材が硬化する温度より低い温度に維持され、前記一対の構造体のうち、前記第２のガス拡散層側に配置した第２の構造体は、前記充填部材が硬化する温度以上に維持されても良い。この形態の製造方法によれば、膜電極接合体を挟んで露出部分とは反対側から第１充填部分を加熱して硬化させることで、工程（ｄ）において露出部分が硬化する可能性を低減できる。

（３）上記形態の製造方法であって、前記充填部材は、電気伝導体を含み、前記工程（ｄ）は、前記第１充填部分を誘導加熱によって硬化させる工程を含んでも良い。この形態の製造方法によれば、誘導加熱によって直接に第１充填部分を加熱できるため、第１充填部分を硬化させる時間を短縮できる。

（４）上記形態の製造方法であって、前記シール部材は、前記第１充填部分と接する面を含む接触部分に電気伝導体を含み、前記工程（ｄ）は、前記接触部分を誘導加熱することで前記第１充填部分を硬化させる工程を含んでも良い。この形態の製造方法によれば、接触部分を誘導加熱することで、容易に第１充填部分を熱硬化温度以上に昇温させて硬化させることができる。

（５）上記形態の製造方法であって、前記工程（ｂ）において塗布する前記充填部材の量は、前記シール部材と前記電極体との間に形成された空間の容積の１．２倍以上２．０倍以下であっても良い。この形態の製造方法によれば、充填部材を第１のガス拡散層よりも外側に確実にはみ出させることができる。

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、燃料電池の製造方法、燃料電池、燃料電池を搭載した車両等の形態で実現することができる。

第１の実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 単セルの構成を説明するための図である。 第１と第２のガス拡散層の配置関係を模式的に示す平面図である。 燃料電池２００の製造方法を説明するための図である。 第１の参考例の燃料電池の製造方法を説明するための図である。 第２の参考例の燃料電池の製造方法を説明するための図である。 燃料電池の製造方法を説明するための図である。 燃料電池の製造方法を説明するための図である。

次に、本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施形態および参考例
Ｂ：第２実施形態：
Ｃ：第３実施形態：
Ｄ．変形例：

Ａ．第１実施形態および参考例：
Ａ−１：第１実施形態：
Ａ−１−１：燃料電池の構成：
図１は、第１の実施形態における燃料電池システム５の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム５は、燃料電池２００と、水素タンク５０と、エアコンプレッサ４０と、制御部２６と、を備える。水素タンク５０は、燃料ガスとしての水素を貯蔵する。エアコンプレッサ４０は、酸化ガスとしての圧縮空気を燃料電池２００に供給する。制御部２６は、燃料電池システム５全体の制御を行う。

燃料電池２００は、固体高分子形燃料電池である。燃料電池２００の構造は、複数の単セル１０を積層したスタック構造である。燃料電池２００は、複数の単セル１０の他に、エンドプレート２１と、絶縁板２２と、集電板２３と、を備える。積層方向（Ｚ軸方向）の両側には、それぞれ集電板２３、絶縁板２２およびエンドプレート２１が、単セル１０側から外側に向かってこの順に配置されている。２枚のエンドプレート２１の間は、テンションロッド２４及びナット２５により、所定の締結力（荷重）で締結されている。これにより、各単セル１０には、所定の力が積層方向の両側から加えられる。ナット２５の少なくとも一方には、ナット２５を回転させて締結力を調製するための駆動部２７が設けられている。

単セル１０はそれぞれ、燃料ガス（水素）と酸化ガス（空気に含まれる酸素）との電気化学反応により発電を行う。水素タンク５０に貯蔵された燃料ガスとしての水素は、減圧弁５１によって減圧された後に水素ガス供給路５３を流通する。流通する水素は、水素ガス供給路５３に設けられた圧力調整弁５２によって所定の圧力に調整されて、燃料電池２００に供給される。燃料電池２００に供給された水素を含有するガス（アノード供給ガス）は、燃料電池２００の内部に形成されるアノードガス供給マニホールド（図示せず）を介して各単セル１０に供給され、各単セル１０における発電に利用される。各単セル１０において利用されなかった水素を含有するガス（アノード排ガス）は、燃料電池２００の内部に形成されるアノードガス排出マニホールド（図示せず）を介して集約される。そして、アノード排ガスは、アノード排ガス路５４を介して燃料電池２００の外部に排出される。なお、燃料電池システム５は、アノード排ガスを供給側に再循環させる構成を有しても良い。

エアコンプレッサ４０によって加圧された空気は、酸化ガス供給路４１を介して燃料電池２００に供給される。燃料電池２００に供給された酸素を含む空気（カソード供給ガス）は、カソードガス供給マニホールド（図示せず）を介して各単セル１０に供給され、各単セル１０における発電に利用される。各単セル１０において利用されなかった空気（カソード排ガス）は、カソードガス排出マニホールド（図示せず）を介して集約され、カソード排ガス路４８を介して燃料電池２００の外部に排出される。

冷媒循環ポンプ４６は、冷媒循環流路４７を介して、燃料電池２００に冷媒を供給する。燃料電池２００で暖められた冷却媒体は、ラジエータ４５で冷却され、再び燃料電池２００に供給される。冷却媒体は、冷媒供給マニホールド（図示せず）を介して各単セル１０に供給され、各単セル１０を冷却する。各単セル１０を通過した後の冷却媒体は、冷媒排出マニホールド（図示せず）を介して集約され、冷媒循環流路４３を介してラジエータ４５に流通する。冷却媒体としては、水や、水とエチレングリコールとの混合液などの不凍水を用いることができる。本実施形態では、冷却媒体として液体を用いているが、冷却媒体として空気を用いる構成であってもよい。

制御部２６は、図示しないＣＰＵやメモリ等を備えたコンピュータである。制御部２６は、燃料電池システム５の各部に配された温度センサや圧力センサ、電圧計等からの信号を受信し、受信した信号に基づき燃料電池システム５全体の制御を行う。

図２は、単セル１０の構成を説明するための図である。図３は、第１と第２のガス拡散層の配置関係を模式的に示す平面図である。図２では、単セル１０の断面のうち、周縁部付近を示している。図２に示すように、単セル１０は、電極体９０と、電極体９０の両面を挟むように配置された第１と第２のセパレータ６２，６４とを備える。また、単セル１０は、充填部材１２０によって電極体９０に貼り付けられたシール部材６９を備える。電極体９０と、充填部材１２０と、シール部材６９は、シール付き電極体９１を構成する。

電極体９０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）８０と、第１のガス拡散層６６と、第２のガス拡散層６８と、第１の撥水層７０と、第２の撥水層７２と、を備える。膜電極接合体８０は、電解質膜８４と、電解質膜８４の両面に配置されたカソード８２およびアノード８６とを備える。電解質膜８４は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態において良好な電気伝導性を示す。カソード８２とアノード８６とはそれぞれ、触媒として、例えば白金、あるいは白金合金を備えている。より具体的には、カソード８２とアノード８６は、上記触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜２０を構成する高分子電解質と同様の電解質と、を備えている。

第１のガス拡散層６６と第２のガス拡散層６８とは、膜電極接合体８０を両側から挟むように配置されている。第１と第２のガス拡散層６６，６８は、ガス透過性を有する導電性部材によって形成される。導電性部材としては、例えば、カーボンペーパ、カーボンクロス、金属メッシュ、発泡金属がある。また、第１と第２のガス拡散層６６，６８は、いずれも、平坦な板状部材として形成されている。第１と第２のガス拡散層６６，６８を設けることによって、電極に対するガス供給効率を向上させると共に、第１と第２のセパレータ６２，６４と電極との間の集電性を高めることができる、また、第１と第２のガス拡散層６６，６８によって、電解質膜２０を保護することができる。

第１の撥水層７０は、膜電極接合体８０と第１のガス拡散層６６との間に配置されている。第２の撥水層７２は、膜電極接合体８０と第２のガス拡散層６８との間に配置されている。第１と第２の撥水層７０，７２は、カーボン粒子と、フッ素樹脂などの撥水性物質とを備えている。このような第１と第２の撥水層７０，７２は、カーボン粒子と撥水性物質とを含有する混合液である撥水インクを、第１と第２のガス拡散層６６，６８を構成する導電性部材の表面に塗布し、乾燥・焼成を行なうことによって形成される。第１と第２の撥水層７０，７２が、膜電極接合体８０と第１と第２のガス拡散層６６，６８との間に配置されることで、液水を弾いて膜電極接合体８０側に押し戻す。液水を押し戻すことによって電解質膜２０が水分不足となることを抑制できる。また、液水を弾くことによって、第１と第２のガス拡散層６６，６８が備える細孔が液水によって閉塞されることを抑制できる。

図３に示すように、本実施形態では、第１のガス拡散層６６と第２のガス拡散層６８とは、その大きさ（面積）が異なっている。本実施形態では、第１のガス拡散層６６は第２のガス拡散層６８よりも面積が小さい。また、膜電極接合体８０の面内方向（平面方向）において、第１のガス拡散層６６の外周部６１は、膜電極接合体８０の外周部８３および第２のガス拡散層６８の外周部６３よりも内側（中央側）に位置する。

図２に示すように、第１と第２のセパレータ６２，６４は、シール付き電極体９１を両側から挟むように配置されている。第１と第２のセパレータ６２，６４は、ガス不透過な導電性部材によって形成される。導電性部材としては、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼などの金属製部材がある。第１と第２のセパレータ６２，６４のうち、触媒電極層（カソード８２あるいはアノード８６）と対向する面には、反応ガスが流れる流路溝Ｖ１，Ｖ２を形成する凹凸形状が形成されている。流路溝Ｖ１は、第１のガス拡散層６６に対し、酸化ガスを流通させる酸化ガス流路を形成する。また、流路溝Ｖ２は、第２のガス拡散層６８に対し、燃料ガスを流通させる燃料ガス流路を形成する。

シール部材６９は、シート状であり、合成樹脂（例えば、ポリオレフィン）によって形成される。ポリオレフィンとしては、ポリプロピレンやポリエチレンを用いることができる。シール部材６９の厚みは、第１と第２のガス拡散層６６，６８や第１と第２のセパレータ６２，６４の形状等によって適宜定めることができる。例えば、シール部材６９の厚みは、１００〜３００μｍ程度である。シール部材６９は、膜電極接合体８０の外周部８３のうち第１のガス拡散層６６が配置された側の第１面８９上に貼り付けられている。シール部材６９の外形は、膜電極接合体８０の外形と同じく矩形状である。また、シール部材６９の中央は、第１のガス拡散層６６と重ならないように空間が形成されている。また、シール部材６９は、第１のガス拡散層６６と隙間をあけて配置されている。シール部材６９は、酸化ガス流路をシールしている。

充填部材１２０は、第１のガス拡散層６６の外周部とシール部材６９との間の隙間を塞ぐように、上記隙間で露出する膜電極接合体８０上に設けられている。また、充填部材１２０は、シール部材６９と膜電極接合体８０との間に配置され、シール部材６９を膜電極接合体８０に取り付けるために用いられる。充填部材１２０は、ポリイソブチレン、エポキシ、ウレタンなどの熱硬化性樹脂を含む。

Ａ−１−２．燃料電池の製造方法：
図４は、燃料電池２００の製造方法を説明するための図である。まず、膜電極接合体８０を準備する（ステップＳ１０）。次に、膜電極接合体８０に、第１の撥水層７０が取り付けられた第１のガス拡散層６６を取り付けると共に、第２の撥水層７２が取り付けられた第２のガス拡散層６８を取り付ける（ステップＳ１２）。すなわち、ステップＳ１２は、電極体９０を準備する工程である。

次に、膜電極接合体８０の外周部のうち、第１のガス拡散層６６が配置された側の第１面８９上に、液状の充填部材１２０を塗布する（ステップＳ１４）。塗布する充填部材１２０の量は、シール部材６９と電極体９０との間に形成される空間Ｓの容積の１．２倍以上２．０倍以下が好ましい。充填部材１２０の量が空間Ｓの容積の１．２倍以上であることで、後述するステップＳ１６において、充填部材１２０を確実に隙間Ｍから外側にはみ出させることができる。また、充填部材１２０の量が空間Ｓの容積の２．０倍以下であることで、後述するステップＳ１６において、隙間Ｍから充填部材１２０が過度にはみ出す可能性を低減できる。過度に充填部材１２０が隙間Ｍからはみ出すと、酸化ガス流路が閉塞する不具合が生じ得る。

次に、シール部材６９を第１のガス拡散層６６に対して隙間Ｍをあけて配置すると共に、シール部材６９を充填部材１２０上に配置する。これにより、充填部材１２０の一部分であってシール部材６９と膜電極接合体８０とによって挟まれた第１充填部分１２１と、充填部材１２０の他の一部分であって隙間Ｍから第１のガス拡散層６６よりも膜電極接合体８０の積層方向外側にはみ出した露出部分１２２と、を形成する（ステップＳ１６）。例えば、膜電極接合体８０の積層方向に沿って見たときに、シール部材６９と塗布した充填部材１２０とが一部重なるようにして、シール部材６９を充填部材１２０上に配置する。

次に、充填部材１２０のうち、シール部材６９と膜電極接合体８０とによって挟まれた第１充填部分１２１を硬化させて、シール部材６９を膜電極接合体８０に取り付ける（ステップＳ１７）。これにより、シール付き電極体９１が形成される。ステップＳ１７において、充填部材１２０のうち第１のガス拡散層６６よりも外側にはみ出した露出部分１２２は硬化させない。第１充填部分１２１の硬化は以下のように行う。すなわち、シール付き電極体９１のうち第１充填部分１２１が配置された部分を一対の構造体１４１，１４２で挟持して圧縮方向に力（面圧）Ｆを加えつつ、第１充填部分１２１を加熱して硬化させる。各箇所において面圧が加わる時間は１秒以内、面圧は０．０１ＭＰａ〜１ＭＰａであることが好ましい。ここで、一対の構造体１４１，１４２のうち、第１のガス拡散層６６側に配置した構造体を「第１の構造体１４１」と呼び、第２のガス拡散層６８側に配置した構造体を「第２の構造体１４２」と呼ぶ。本実施形態では、第１と第２の構造体１４１，１４２に金属ロールを用いている。第１と第２の構造体１４１，１４２を搬送して、シール付き電極体９１のうち第１充填部分１２１が位置する部分のみをプレスしている。なお、第１と第２の構造体１４１，１４２はロールに限らず、平板などの他の構造でも良い。プレスしている期間（圧縮方向に力を加える）において、第１の構造体１４１は、充填部材１２０が硬化する温度よりも低い温度に維持され、第２の構造体１４２は、充填部材１２０が硬化する温度以上に維持されている。例えば、充填部材１２０の硬化温度が８０℃の場合、第２の構造体１４２は、８０℃以上に維持される。また、第１と第２の構造体１４１，１４２は、膜電極接合体８０が損傷しない程度の温度（例えば１２０℃）以下に維持されることが好ましい。膜電極接合体８０が高温に晒されることで損傷する場合があるからである。また、第１の構造体１４１は、例えば２０℃程度に維持される。本実施形態では、ステップＳ１７において、第１充填部分１２１を含む点線で囲んだ部分を硬化させている。充填部材１２０ａのうち、第１充填部分１２１以外の部分も第１充填部分１２１からの熱伝導によって一部が硬化する。ここで、ステップＳ１７においては、露出部分１２２は硬化させていない。

次に、第１と第２のセパレータ６２，６４をシール付き電極体９１の両側に取り付ける（ステップＳ１８）。詳細には、第１と第２のセパレータ６２，６４のうちシール部材６９と当接する部分に接着剤を塗布して、第１と第２のセパレータ６２，６４によってシール付き電極体９１を積層方向に圧縮する方向に力を加える。これにより、第１と第２のセパレータ６２，６４と、シール部材６９とが取り付けられる。また、少なくとも第１のセパレータ６２を充填部材１２０が硬化する温度以上に加熱する。これにより、露出部分１２２を硬化させて充填部材１２０と第１のセパレータ６２とを取り付ける。これにより、単セル１０が製造される。単セル１０を複数積層することで燃料電池２００が製造される。なお、シール部材６９に第１と第２のセパレータ６２，６４とを取り付けて配置する工程（配置工程）と、露出部分１２２を硬化させる工程（露出硬化工程）とは、配置工程よりも前に露出硬化工程が行われなければ任意の順で行って良い。すなわち、配置工程を行いつつ露出硬化工程を行っても良いし、配置工程を行った後に露出硬化工程を行っても良い。

Ａ−１−３．第１の参考例：
図５は、第１の参考例の燃料電池２００ｐの製造方法を説明するための図である。第１実施形態の製造方法と異なる点は、シール部材６９を電極体９０に取り付ける際に、充填部材１２０ｐの全てを硬化させて、その後に第１と第２のセパレータ（図示せず）をシール付き電極体９１に取り付ける点である。すなわち、この参考例では、ステップＳ１７（図４）において、充填部材１２０ｐを全て硬化させている。その他の構成については第１実施形態の燃料電池２００と同一の構成である為、同一の構成については同一符号を付すと共に説明を省略する。

図５に示すように、シール部材６９と第１のガス拡散層６６との隙間Ｍが広く、充填部材１２０ｐが第１のガス拡散層６６よりも外側にはみ出ない場合を考える。この場合、燃料電池２００ｐとして単セル１０ｐを組み付けたとしても、積層方向両側から加えた荷重が、膜電極接合体８０のうち充填部材１２０ｐと重なる部分（対応ＭＥＡ部分）には十分に加わらない場合がある。高分子電解質によって構成される電解質膜２０は、燃料電池２００ｐが発電と停止を繰り返したり、発電状態が変化したりするのに伴って、吸湿と乾燥とを繰り返す。電解質膜２０は吸湿することで膨潤し、乾燥することで収縮する。ここで、燃料電池２００ｐの場合は、対応ＭＥＡ部分に十分な圧縮荷重が加わらないため、電解質膜２０が膨潤することで、電解質膜２０が座屈する場合がある。特に、隙間Ｍが設計値よりも広い場合、充填部材１２０ｐが設計値よりも薄くなり、対応ＭＥＡ部分に十分な圧縮荷重が加わらない可能性が高くなる。

Ａ−１−４．第２の参考例：
図６は、第２の参考例の燃料電池２００ｒの製造方法を説明するための図である。第１実施形態の製造方法と異なる点は、シール部材６９を電極体９０に取り付ける際に、充填部材１２０ｒの全てを硬化させた後に、第１と第２のセパレータ（図示せず）をシール付き電極体９１に取り付ける点である。すなわち、この参考例では、ステップＳ１７において、充填部材１２０ｒを全て硬化させている。その他の構成については第１実施形態の燃料電池２００と同一の構成である為、同一の構成については同一符号を付すと共に説明を省略する。

図６に示すように、充填部材１２０ｒが隙間Ｍから第１のガス拡散層６６よりも外側にはみ出している場合、以下の不具合が生じる場合がある。すなわち、単セル１０ｒを燃料電池２００ｒとして組み付けた場合に、第１のセパレータ６２からの力が充填部材１２０（特に第１のガス拡散層６６よりも外側に突出した部分）に集中して加わることで、対応ＭＥＡ部分に過剰な圧力が加わる。これにより、膜電極接合体８０が損傷する場合がある。特に、隙間Ｍが設計値よりも狭い場合、充填部材１２０ｒが外側にはみ出る量が多くなり、対応ＭＥＡ部分が損傷する可能性が高くなる。

上記の第１と第２の参考例に説明したように、シール部材６９に電極体９０を取り付ける際に、充填部材１２０ｐ，１２０ｒを全て硬化させる場合、隙間Ｍの大きさのばらつきが原因で膜電極接合体８０が損傷する場合がある。

Ａ−１−５．効果：
一方で、上記実施形態では、充填部材１２０の第１充填部分１２１を硬化させることでシール部材６９を膜電極接合体８０に取り付けている（図４のステップＳ１６）。これにより、シール付き電極体９１を容易に次の工程に搬送できる。また、シール部材６９に膜電極接合体８０を取り付ける際には露出部分１２２を硬化させることなく、第１のセパレータ６２をシール付き電極体９１に取り付ける際に露出部分１２２を硬化させている（図４のステップＳ１７）。すなわち、第１のセパレータ６２をシール付き電極体９１に配置する際に、露出部分１２２を硬化させる。これにより、露出部分１２２が第１のセパレータ６２とシール付き電極体９１との隙間で流動した後に硬化するため、対応ＭＥＡ部分に過剰な圧力が加わる可能性を低減できる。よって、膜電極接合体８０が損傷する可能性を低減できる。また、充填部材１２０を隙間Ｍからはみ出させているため、充填部材１２０が第１のガス拡散層６６よりも外側に出ない程度に薄くなることがない。これにより、対応ＭＥＡ部分にも設計した適切な圧力を加えることができる。よって、膜電極接合体８０が座屈変形する可能性を低減でき、膜電極接合体８０が損傷する可能性を低減できる。

また、上記実施形態では、ステップＳ１７において、第１と第２の構造体１４１，１４２によってシール付き電極体９１を積層方向について圧縮する方向に力を加えている。この時、第２のガス拡散層６８側に配置した第２の構造体１４２は、熱硬化温度以上の温度に維持され、第１のガス拡散層６６側に配置した第１の構造体１４１は、熱硬化温度よりも低い温度に維持されている。これにより、ステップＳ１７において、露出部分１２２が硬化する可能性を低減できる。

Ｂ．第２実施形態：
図７は、燃料電池２００ａの製造方法を説明するための図である。第１実施形態と同一の工程について同一符号を付すと共に説明を省略する。また、第１実施形態と燃料電池２００と同一の構成については、同一符号を付すと共に説明を省略する。ステップＳ１０，Ｓ１２の後に、膜電極接合体８０の外周部のうち、第１のガス拡散層６６が配置された側の第１面８９上に、液状の充填部材１２０ａを塗布する（ステップＳ１４ａ）。充填部材１２０ａは、熱硬化性樹脂と電気伝導体とを含む。電気伝導体としては、例えば、カーボン、スチール、タングステン、錫、アルミニウム、銅、真鍮などの金属を用いることができる。また、電気伝導体は強磁性体であることが好ましい。電気伝導体が強磁性体であることで、後述する誘導加熱の際に、ヒステリシス損によって短時間で所定温度まで充填部材１２０ａを加熱できる。また、電気伝導体は膜電極接合体８０に対しダメージを加えないように、数十μｍの粉状や、微細な粉体であることが好ましい。

ステップＳ１４ａの後に、シール部材６９を第１のガス拡散層６６に対して隙間Ｍをあけて配置すると共に、シール部材６９を充填部材１２０ａ上に配置することで、充填部材１２０ａの一部を隙間Ｍから第１のガス拡散層６６よりも外側にはみ出させる（ステップＳ１６）。次に、電極体９０のうち第１充填部分１２１ａに対応する部分９２（第１対応部分９２）を高周波誘導加熱する（ステップＳ１７ａ）。具体的には、第１対応部分９２を交流電源につながれたコイル中に挿入して、コイルに交流電流を流す。これにより、第１充填部分１２１ａを加熱して硬化させる。本実施形態では、ステップＳ１７ａにおいて、第１充填部分１２１ａを含む点線で囲んだ部分を硬化させている。充填部材１２０ａのうち、第１充填部分１２１ａ以外の部分も第１充填部分１２１ａからの熱伝導によって一部が硬化する。ここで、ステップＳ１７ａにおいては、露出部分１２２ａは硬化させていない。

次に、第１と第２のセパレータ６２，６４をシール付き電極体９１の両側に取り付ける（ステップＳ１８）。これにより、単セル１０ａが製造される。単セル１０ａを複数積層することで燃料電池２００ａが製造される。

上記第２実施形態では、第１実施形態と同一の構成および製造工程については同一の効果を奏する。例えば、膜電極接合体８０が座屈変形する可能性を低減でき、膜電極接合体８０が損傷する可能性を低減できる。加えて、第２実施形態では、誘導加熱によって直接に第１充填部分１２１ａを加熱できるため、第１充填部分１２１ａを硬化させる時間を短縮できる。これにより、燃料電池２００ａの製造時間を短縮できる。

Ｃ．第３実施形態：
図８は、燃料電池２００ｂの製造方法を説明するための図である。第２実施形態と異なる点は、第１実施形態の充填部材１２０を用いた点と、シール部材６９ｂの構成である。その他の製造工程および構成については第２実施形態と同一であるため、同一の構成については同一符号を付すと共に説明を省略する。

ステップＳ１０〜Ｓ１４（図４参照）の後に、シール部材６９ｂを第１のガス拡散層６６に対して隙間Ｍをあけて配置すると共に、シール部材６９ｂを充填部材１２０上に配置することで、充填部材１２０の一部を隙間Ｍから第１のガス拡散層６６よりも外側にはみ出させる（ステップＳ１６ｂ）。シール部材６９ｂは、主に、ポリオレフィン等の合成樹脂によって形成されている。また、シール部材６９ｂのうち、第１充填部分１２１と接する面を含む接触部分６１０は電気伝導体を含む。

ステップＳ１６ｂの後に、接触部分６１０を高周波誘導加熱することで電極体９０のうち接触部分６１０を加熱することで、第１充填部分１２１ａを昇温させて硬化させる。この際、露出部分１２２は硬化させない。次に、ステップＳ１８（図７）を行う。

上記第３実施形態では、第１実施形態と同一の構成および製造工程については同一の効果を奏する。例えば、膜電極接合体８０が座屈変形する可能性を低減でき、膜電極接合体８０が損傷する可能性を低減できる。加えて、第３実施形態では、接触部分６１０を誘導加熱することで、容易に第１充填部分１２１を熱硬化温度以上に昇温させて硬化させることができる。

Ｄ．変形例：
Ｄ−１．第１変形例：
上記実施形態のうち、第２実施形態と第３実施形態を組み合わせて燃料電池を製造しても良い。すなわち、電気伝導体を含む充填部材１２０ａを用いると共に、電気伝導体を含むシール部材６９ｂを用いても良い。こうすることで、より短時間で第１充填部分１２１ａを硬化温度まで昇温させて硬化させることができる。

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、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又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。

５…燃料電池システム
１０，１０ａ，１０ｐ，１０ｒ…単セル
２０…電解質膜
２１…エンドプレート
２２…絶縁板
２３…集電板
２４…テンションロッド
２５…ナット
２６…制御部
２７…駆動部
４０…エアコンプレッサ
４１…酸化ガス供給路
４３…冷媒循環流路
４５…ラジエータ
４６…冷媒循環ポンプ
４７…冷媒循環流路
４８…カソード排ガス路
５０…水素タンク
５１…減圧弁
５２…圧力調整弁
５３…水素ガス供給路
５４…アノード排ガス路
６１…外周部
６２…第１のセパレータ
６２…第２のセパレータ
６３…外周部
６６…第１のガス拡散層
６８…第２のガス拡散層
６９，６９ｂ…シール部材
７０…第１の撥水層
７２…第２の撥水層
８０…膜電極接合体
８２…カソード
８３…外周部
８４…電解質膜
８６…アノード
８９…第１面
９０…電極体
シール付き９１…電極体
９２…第１対応部分
１２０，１２０ａ，１２０ｐ、１２０ｒ…充填部材
１２１，１２１ａ…第１充填部分
１２２，１２２ａ…露出部分
１４１…第１の構造体
１４２…第２の構造体
２００，２００ａ，２００ｂ，２００ｐ，２００ｒ…燃料電池
６１０…接触部分
Ｓ…空間
Ｍ…隙間

Claims (5)

1. 燃料電池の製造方法であって、
   （ａ）膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側に配置された第１と第２のガス拡散層と、を備える電極体であって、前記第１のガス拡散層は、前記第２のガス拡散層よりも面積が小さく、前記第１のガス拡散層の外周部は、前記膜電極接合体の外周部および前記第２のガス拡散層の外周部よりも内側に位置する、電極体を準備する工程と、
   （ｂ）前記膜電極接合体の外周部のうち、前記第１のガス拡散層が配置された側の第１面上に、熱硬化性樹脂を含む充填部材を塗布する工程と、
   （ｃ）シール部材を前記第１のガス拡散層に対して隙間をあけて配置すると共に、塗布した前記充填部材上に前記シール部材を配置することで、前記充填部材の一部分であって前記シール部材と前記膜電極接合体とによって挟まれた第１充填部分と、前記充填部材の他の一部分であって前記隙間から前記第１のガス拡散層よりも前記膜電極接合体の積層方向外側にはみ出した露出部分と、を形成する工程と、
   （ｄ）前記第１充填部分を硬化させて、シール付き電極体を形成する工程と、
   （ｅ）前記シール部材の面上と前記第１のガス拡散層の面上とに第１のセパレータを配置すると共に、前記露出部分を硬化させる工程と、を備える製造方法。
2. 請求項１に記載の製造方法であって、
   前記工程（ｄ）は、
   前記シール付き電極体のうち、前記第１充填部分が配置された部分を、一対の構造体で挟持して圧縮方向に力を加えつつ、前記第１充填部分を加熱して硬化させる工程を含み、
   前記圧縮方向に力を加える期間において、
   前記一対の構造体のうち、前記第１のガス拡散層側に配置した第１の構造体は、前記充填部材が硬化する温度より低い温度に維持され、
   前記一対の構造体のうち、前記第２のガス拡散層側に配置した第２の構造体は、前記充填部材が硬化する温度以上に維持されている、製造方法。
3. 請求項１に記載の製造方法であって、
   前記充填部材は、電気伝導体を含み、
   前記工程（ｄ）は、
   前記第１充填部分を誘導加熱によって硬化させる工程を含む、製造方法。
4. 請求項１又は請求項３に記載の製造方法であって、
   前記シール部材は、前記第１充填部分と接する面を含む接触部分に電気伝導体を含み、
   前記工程（ｄ）は、
   前記接触部分を誘導加熱することで前記第１充填部分を硬化させる工程を含む、製造方法。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の製造方法であって、
   前記工程（ｂ）において塗布する前記充填部材の量は、前記シール部材と前記電極体との間に形成された空間の容積の１．２倍以上２．０倍以下である、製造方法。

Images