JP2015215958A - 燃料電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＭＥＧＡの周縁部に配置されるフレームの変形を抑制する。【解決手段】電解質膜の両面に電極触媒層が形成された膜電極接合体と、膜電極接合体の両面に配置されたガス拡散層と、膜電極接合体の周縁部に配置された樹脂フレームとを備える燃料電池の製造方法である。この燃料電池の製造方法は、膜電極接合体とガス拡散層とが組み合わせられた状態で、膜電極接合体がガス拡散層の外側に突出した突出部から突出部よりも内側の電極触媒層の周縁部にまで亘って、ポリイソブチレンを含む紫外線硬化型の接着剤で構成された接着層を配置する。突出部と係合するための樹脂フレームの係合部とを係合させ、紫外線を照射して接着層を硬化させる。ガス拡散層の外周縁部が接着層の内周縁部と重なるように、樹脂フレームが固定された膜電極接合体の電極触媒層の面上にガス拡散層を配置し、ガス拡散層が配置された膜電極接合体を常温でプレスする。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池に関する。

高分子電解質膜（以降、単に「電解質膜」とも呼ぶ。）を用いる燃料電池に用いられる発電体としてのＭＥＧＡ（膜電極ガス拡散層接合体、Membrane Electrode ＆Gas Diffusion Layer Assembly）は、種々の方法で作製されている。例えば、ＭＥＧＡは、電解質膜と電極触媒層とで構成されるＣＣＭ（Catalyst Coated Membrane）の両面にガス拡散層を積層する方法や、電解質膜の両面に電極触媒層とガス拡散層とで構成されるガス拡散電極ＧＤＥ（Gas Diffusion Electrode）を積層する方法を用いて作製されている。このような構成のＭＥＧＡは薄く曲がりやすい。そこで、例えば、ＭＥＧＡの保護と製造コストの低減とを目的として、ＭＥＧＡの周縁に樹脂フレームを配置したフレーム付きのＭＥＧＡ（以降、「フレームＭＥＧＡ」とも呼ぶ。）が知られている（特許文献１，２参照）。フレームＭＥＧＡにおいて、ＭＥＧＡと樹脂フレームとは、接着剤を用いて接着されている。なお、ＣＣＭは、ＭＥＡ（膜電極接合体、Membrane Electrode Assembly）とも呼ばれる。

特開２０１４−２９８３４号公報 特開２０１４−２６７９９号公報

特許文献１のフレームＭＥＧＡは、ＣＣＭの２つの面のうち、電解質膜と電極触媒層とで段差が設けられている面側の外周縁部に接着層を配置し、接着層の内側端部とガス拡散層の外側端部とが重なるようにガス拡散層を配置してホットプレス処理した後、ガス拡散層の外側の接着層上に樹脂フレームを配置してホットプレス処理を行なうことにより、作製される。また、特許文献２に記載されたフレームＭＥＧＡは、電解質膜と電極触媒層とで段差が設けられている面側の外周縁部に接着層を配置し、接着層の内側端部とガス拡散層の外側端部とが重なるようにガス拡散層を配置するとともに、ガス拡散層の外側の接着層上に樹脂フレームを配置した後でホットプレスを行なうことにより、作製される。しかしながら、これらの製造方法により作製されたフレームＭＥＧＡでは、ホットプレスの際の熱により樹脂フレームが変化してしまう、という課題があった。そのほか、従来の燃料電池においては、製造の容易化、低コスト化、省資源化、性能の向上等が望まれていた。

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、電解質膜の両面に電極触媒層が形成された膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面に配置されたガス拡散層と、前記膜電極接合体の周縁部に配置された樹脂フレームと、を備える燃料電池の製造方法が提供される。この燃料電池の製造方法は、前記膜電極接合体と前記ガス拡散層とが組み合わせられた状態において、前記膜電極接合体が前記ガス拡散層の外側に突出した突出部から前記突出部よりも内側の前記電極触媒層の周縁部にまで亘って、ポリイソブチレンを含む紫外線硬化型の接着剤で構成された接着層を配置する工程と；前記突出部と係合するための前記樹脂フレームの係合部とを係合させる工程と；紫外線を照射して前記接着層を硬化させる工程と；前記ガス拡散層の外周縁部が前記接着層の内周縁部と重なるように、前記樹脂フレームが固定された前記膜電極接合体の前記電極触媒層の面上に前記ガス拡散層を配置し、前記ガス拡散層が配置された前記膜電極接合体を常温でプレスする工程と；を備えることを特徴とする。この形態の燃料電池の製造方法によれば、膜電極接合体とガス拡散層とが組み合わせられた状態において膜電極接合体が外側に突出した突出部から突出部よりも内側の電極触媒層の周縁部に亘って、紫外線硬化型の接着剤で構成された接着層を配置し、突出部と樹脂フレームの係合部とを係合させた後、紫外線を照射して接着層を硬化させる。このため、ガス拡散層が配置された膜電極接合体と樹脂フレームとを接着して固定するための加熱処理を無くすことができる。また、ポリイソブチレンを含む接着剤は、紫外線による硬化された後もタック性（粘着性）を有するので、ガス拡散層を膜電極接合体に常温でプレスすることで、ガス拡散層を膜電極接合体に貼り合わせておくことが可能である。これにより、ホットプレスによってガス拡散層を膜電極接合体に貼り合わせる必要がなく、ホットプレスにおいて加えられる熱によって発生する樹脂フレームの変形を抑制することが可能である。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、フレームＭＥＧＡ、燃料電池、フレームＭＥＧＡまたは燃料電池の製造方法等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としてのフレーム付きのＭＥＧＡを用いた燃料電池の構成を示す説明図である。 図１のフレーム付のＭＥＧＡの構成を示す説明図である。 フレームＭＥＧＡを用いた燃料電池の製造の手順を示すフローチャートである。 スクリーン印刷による接着剤の塗布により接着層を配置する場合の製造の様子を示す説明図である。

Ａ．実施形態：
図１は、本発明の一実施形態としてのフレーム付きのＭＥＧＡを用いた燃料電池の構成を示す説明図である。図１では、燃料電池８００の断面構成の一部を図示している。燃料電池８００は、通常、積層体（以降、「単位セル」とも呼ぶ。）７００が複数積層されたスタック構造を有する、いわゆる固体高分子型燃料電池である。燃料電池８００は、燃料ガスとして供給される水素ガスと、酸化剤ガスとして供給される空気とを用いて発電を行う。また、燃料電池８００内には、冷却媒体としての水が循環され、燃料電池８００内の温度が、発電に適切な温度に調整される。なお、燃料電池としては、一つの単位セル７００を備える構造としてもよく、一つの単位セル７００を燃料電池と呼ぶ場合もある。

単位セル７００は、フレーム付きのＭＥＧＡ１００と、アノード側セパレータ５００と、カソード側セパレータ６００と、を備えている。アノード側セパレータ５００は、燃料電池８００に対して水素ガスを供給するための流路を形成する。カソード側セパレータ６００は、燃料電池８００に対して空気を供給するための流路を形成する。

図２は、図１のフレーム付のＭＥＧＡの構成を示す説明図である。図２では、フレーム付のＭＥＧＡ（（以下、「フレームＭＥＧＡ」とも呼ぶ。）１００の断面構成の一部を図示している。フレームＭＥＧＡ１００は、平板形状であり、ＭＥＧＡ２００とフレーム３００とが、接着剤で構成される接着層４００を介して接着された構成を有する。

ＭＥＧＡ２００は、ＣＣＭ２０２の両面に、アノード側ガス拡散層２０４と、カソード側ガス拡散層２０６とが配置されている。ＣＣＭ２０２は、電解質膜２２の両面に、アノード側電極触媒層２４と、カソード側電極触媒層２６とが配置されている。電解質膜２２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を有するイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。アノード側電極触媒層２４およびカソード側電極触媒層２６は、いずれも白金や白金合金等の触媒を担持した触媒担持カーボンを含んでいる。

アノード側ガス拡散層２０４およびカソード側ガス拡散層２０６は、いずれも多孔質の拡散層用基材で構成されている。拡散層用基材としては、例えば、カーボン多孔質体（例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、ガラス状カーボン等）や、金属多孔質体（例えば、金属メッシュ、発泡金属等）を用いることができる。アノード側ガス拡散層２０４は、平面視において、ＣＣＭ２０２と同様の大きさの矩形状に形成されている。一方、カソード側ガス拡散層２０６は、ＣＣＭ２０２よりも一回り小さい大きさの矩形状に形成されている。このため、ＣＣＭ２０２は、ＣＣＭ２０２とガス拡散層（アノード側ガス拡散層２０４およびカソード側ガス拡散層２０６）とが組み合わせられた状態において、カソード側ガス拡散層２０６の外側に突出した突出部２０１を有する。換言すれば、図２に示すフレームＭＥＧＡ１００の断面において、ＭＥＧＡ２００の端部の形状は、カソード側ガス拡散層２０６に対してＣＣＭ２０２が外側に突出した段状となる。

接着層４００は、突出部２０１から突出部２０１よりも内側のＣＣＭ２０２のカソード側電極触媒層２６の周縁部にまで亘って、カソード側ガス拡散層２０６とカソード側電極触媒層２６との間に介そうされるように配置されている。

フレーム３００は、例えば、熱可塑性のＰＰ（ポリプロピレン、polypropylene）によって構成される樹脂フレームである。フレーム３００は、ＭＥＧＡ２００の周縁部に係合するような枠形状に形成されている。具体的には、フレーム３００は、ＭＥＧＡ２００の突出部２０１と係合するように、ＣＣＭ２０２およびアノード側ガス拡散層２０４に対応する部分が大径に形成された空間を有し、カソード側ガス拡散層２０６に対応する部分が小径に形成された空間を有する枠形状に形成されている。この枠形状の段差部分を「係合部３０１」とも呼ぶ。換言すれば、図２に示すフレームＭＥＧＡ１００の断面において、フレーム３００の内周側の端部の形状は、ＭＥＧＡ２００に係合するような段状となる。フレーム３００は、例えば、射出成形にて作製される。

なお、フレーム３００には、ＰＰに代えて例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ＰＥ（ポリエチレン、polyethylene）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート、Polyethylene terephthalate）等が使用されてもよい。また、フレーム３００には、熱硬化性樹脂を使用してもよい。また、フレーム３００は、射出成形に代えて例えば、溶融押し出し成形にて作製されてもよい。

接着層４００を構成する接着剤は、ＵＶ（紫外線）硬化型の接着剤であり、塗布部位に所定の波長のＵＶ照射をすることで、硬化する性質を有する液状の接着剤である。また、接着剤は、ＵＶ硬化後もタック性（粘着性）を有するＰＩＢ（ポリイソブチレン、Polyisobutylene）を含む接着剤である。なお、接着剤には、ＰＩＢを含む接着剤に代えてブチルゴム等のＵＶ硬化型の弾力性を有するエストラマー系の材料を含む種々の接着剤を使用してもよい。

図３は、フレームＭＥＧＡを用いた燃料電池の製造の手順を示すフローチャートである。図４は、スクリーン印刷による接着剤の塗布により接着層を配置する場合の製造の様子を示す説明図である。なお、図４は、ＣＣＭ２０２とガス拡散層２０４，２０６の積層方向の断面を表している。以降、図３，４において、カソード側ガス拡散層２０６が配置されている側を「上側」、アノード側ガス拡散層２０４が配置されている側を「下側」として説明する。

図３のステップＳ１０において、ＣＣＭ（膜電極接合体）２０２の端部に接着剤を塗布して接着層４００を形成する。具体的には、図４（Ａ）に示すように、ＣＣＭ２０２の一方の面にアノード側ガス拡散層２０４が形成された状態で、ＣＣＭ２０２の他方の面の周縁の部分に、例えば、スクリーン印刷により接着剤を塗布することにより接着層４００を形成する。なお、スクリーン印刷に限定されるものではなく、例えば、塗工機を用いて接着剤を塗布することにより接着層４００を形成するようにしてもよく、ＣＣＭ２０２の他方の面の周縁の部分に、種々の方法で接着剤を塗工し薄い層状（膜状）の接着層４００を形成することができれば、とくに限定はない。

図３のステップＳ１２において、ＭＥＧＡ２００に対してフレーム３００を配置する。具体的には、図４（Ｂ）に示すように、ＭＥＧＡ２００の突出部２０１に対応する部分（図１参照。）の少なくとも一部と、フレーム３００の係合部３０１の少なくとも一部と、が互いに係合するように、ＣＣＭ２０２に対してフレーム３００を配置する。そして、図３のステップＳ１４において、上側から接着層４００へ向けてＵＶを照射する。これにより、図４（Ｂ）に示すように、ＵＶ照射された接着層４００が硬化する。ただし、上述したように、接着層４００を構成する接着剤に含まれるＰＩＢは、ＵＶ硬化後もタック性（粘着性）を有している。

そこで、図３のステップＳ１６において、上側からカソード側ガス拡散層２０６を配置する。具体的には、図４（Ｃ）に示すように、接着層４００の内周縁部とカソード側ガス拡散層２０６の外周縁部が重なるように、カソード側ガス拡散層２０６を配置する。そして、図３のステップＳ１８において、下側から順に積層されたアノード側ガス拡散層２０４とＣＣＭ２０２とカソード側ガス拡散層２０６を、上下両側から常温でプレスする。これにより、図４（Ｃ）に示すように、カソード側電極触媒層２６とカソード側ガス拡散層２０６とを、介そうされている接着層４００を介して貼り合わせることができる。常温プレスの条件としては、例えば、プレス荷重２ＭＰａとし、プレス時間２ｍｉｎが選択される。ただし、これに限定されるものではなく、接着層４００のタック性や、プレス荷重の掛け過ぎによるガス拡散層の座屈発生等を考慮して種々の値に設定可能である。例えば、プレス荷重は１ＭＰａ〜３ＭＰａで、プレス時間は１ｍｉｎ〜５ｍｉｎの範囲のいずれかの組み合わせで設定することができる。なお、常温は、加熱や冷却がされない平常の温度、例えば、室温であればよい。

そして、図３のステップＳ２０において、フレームＭＥＧＡ１００の両面に配置されて集電板として機能するセパレータ（図１、アノード側セパレータ５００、カソード側セパレータ６００）や、セパレータ間を絶縁すると共にセル内を封止するためのシール部材（図示省略）を配置し、セルに対する荷重を付加することによって、フレームＭＥＧＡ１００を用いた単位セル７００の組み立てが完成する。

以上のような工程を有する燃料電池の製造方法によれば、ＣＣＭ２０２（膜電極接合体）とカソード側ガス拡散層２０６およびアノード側ガス拡散層２０４（ガス拡散層）とが組み合わせられた状態において、ＣＣＭ２０２が外側に突出した突出部２０１から突出部２０１よりも内側のカソード側電極触媒層２６の周縁部にまで亘って、ＵＶ（紫外線）硬化型の接着剤の接着層４００を配置し、突出部２０１とフレーム３００の係合部３０１とを係合させた後、ＵＶ（紫外線）を照射して接着層４００を硬化させる。このため、ＣＣＭ２０２とフレーム３００とを接着して固定するために加熱処理が不要である。また、ＰＩＢを含む接着剤は、ＵＶによる硬化後もタック性を有するので、カソード側ガス拡散層２０６をＣＣＭ２０２に対して常温でプレスすることで、カソード側ガス拡散層２０６をＣＣＭ２０２に貼り合わせておくことが可能である。これにより、従来のように、ホットプレスによってガス拡散層を膜電極接合体に貼り合わせる必要がなく、ホットプレスにおいて加えられる熱によって発生する樹脂フレームの変形を抑制することが可能である。

Ｂ．変形例：
上記した発明の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれる。

例えば、ＭＥＧＡは、カソード側ガス拡散層の側に突出部を備える構成とした。しかし、ＭＥＧＡは、アノード側ガス拡散層の側に突出部を備える構成としてもよい。このようにしても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。また、ＭＥＧＡは、カソード側ガス拡散層およびアノード側ガス拡散層の両側に対してＣＣＭが外側に突出した突出部を備えていても良い。この場合、フレーム（樹脂フレーム）は、ＭＥＧＡの２つの突出部にそれぞれ係合する２つの係合部を備える構成としてもよい。また、ＭＥＧＡの２つの突出部と、フレームの２つの係合部と、の間が、それぞれ接着剤（接着層）で接着されていてもよい。このようにしても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

例えば、ＣＣＭ（膜電極接合体）と、アノード側ガス拡散層と、カソード側ガス拡散層と、を全て同様の大きさに形成した上で、これらを積層する際の中心をずらすことによって、ＭＥＧＡの突出部を形成してもよい。このようにしても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

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、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部また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。

２２…電解質膜
２４…アノード側電極触媒層
２６…カソード側電極触媒層
２０１…突出部
２０４…アノード側ガス拡散層
２０６…カソード側ガス拡散層
３００…フレーム
３０１…係合部
４００…接着層
５００…アノード側セパレータ
６００…カソード側セパレータ
７００…積層体（単位セル）
８００…燃料電池

Claims (1)

1. 電解質膜の両面に電極触媒層が形成された膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面に配置されたガス拡散層と、前記膜電極接合体の周縁部に配置された樹脂フレームと、を備える燃料電池の製造方法であって、
   前記膜電極接合体と前記ガス拡散層とが組み合わせられた状態において、前記膜電極接合体が前記ガス拡散層の外側に突出した突出部から前記突出部よりも内側の前記電極触媒層の周縁部にまで亘って、ポリイソブチレンを含む紫外線硬化型の接着剤で構成された接着層を配置する工程と、
   前記突出部と係合するための前記樹脂フレームの係合部とを係合させる工程と、
   紫外線を照射して前記接着層を硬化させる工程と、
   前記ガス拡散層の外周縁部が前記接着層の内周縁部と重なるように、前記樹脂フレームが固定された前記膜電極接合体の前記電極触媒層の面上に前記ガス拡散層を配置し、前記ガス拡散層が配置された前記膜電極接合体を常温でプレスする工程と、
   を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。

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