JP2016162648A - Manufacturing method for fuel battery single cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池単セルの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a fuel cell single cell.
電解質膜の両側に電極触媒層がそれぞれ形成された膜電極接合体と、膜電極接合体の両側面上それぞれに配置されたガス拡散層と、膜電極接合体の外周において膜電極接合体を支持する支持フレームと、ガス拡散層が配置された膜電極接合体及び支持フレームの両側面上それぞれに配置され、周縁部分において支持フレームに固定され、中央部分においてガス拡散層に当接するセパレータと、を備えた燃料電池単セルの製造方法であって、膜電極接合体の一側面上には外周縁部が残るにようにしつつ両側面上にそれぞれガス拡散層が配置された膜電極接合体を準備する工程と、外側部分と外側部分から内側に突出した内側部分とを有する支持フレームのうちの内側部分上に、接着剤層を形成する工程と、接着剤層が膜電極接合体の一側面上の外周縁部に重なるように支持フレームを膜電極接合体上に配置する工程と、接着剤層を硬化する工程と、支持フレームの外周縁部の両側面上にセパレータの周縁部分をそれぞれ固定する工程とを備える、燃料電池単セルの製造方法が知られている(例えば特許文献1参照)。 A membrane electrode assembly in which an electrode catalyst layer is formed on both sides of the electrolyte membrane, a gas diffusion layer disposed on each side surface of the membrane electrode assembly, and a membrane electrode assembly supported on the outer periphery of the membrane electrode assembly A support frame, a membrane electrode assembly in which a gas diffusion layer is disposed, and a separator that is disposed on each side surface of the support frame, is fixed to the support frame at the peripheral portion, and is in contact with the gas diffusion layer at the central portion. A fuel cell single cell manufacturing method comprising a membrane electrode assembly in which a gas diffusion layer is disposed on each side surface while leaving an outer peripheral edge on one side surface of the membrane electrode assembly. Forming an adhesive layer on the inner portion of the support frame having an outer portion and an inner portion protruding inwardly from the outer portion; and the adhesive layer on one side of the membrane electrode assembly of A step of disposing the support frame on the membrane electrode assembly so as to overlap the peripheral portion, a step of curing the adhesive layer, and a step of fixing the peripheral portions of the separator on both side surfaces of the outer peripheral portion of the support frame, There is known a method for manufacturing a fuel cell single cell comprising (see, for example, Patent Document 1).
ガス拡散層を両側面に備える膜電極接合体と支持フレームとの間の接着剤層は硬化するときに収縮する。そのため、接着剤層上の支持フレームは接着剤層の収縮に伴って、支持フレームの外周縁部と重ならない部分が、膜電極接合体の他側面側から一側面側へ湾曲する。支持フレームが膜電極接合体の一側面側へ湾曲した状態で支持フレームの両側面にセパレータが接着されると、支持フレームはセパレータ形状に倣って真っすぐの状態になり、支持フレームのうちの接着剤層と接着してない部分はセパレータにより膜電極接合体の一側面側から他側面側に押されることになる。このとき、接着剤層は、膜電極接合体の他側面側から一側面側に向かう方向、すなわち接着剤層が剥がれる方向に引っ張られる。そして、燃料電池単セルの使用時に燃料電池単セルが低温の環境に置かれる場合、例えば冷間運転の場合に、支持フレームが収縮すると、支持フレームが接着剤層を引っ張る力がより大きくなる。そのため、その引っ張る力により、接着剤層や接着剤層の下側の膜電極接合体にき裂が生じるおそれがある。接着剤層や接着剤層の下側の膜電極接合体にき裂が生じることを抑制する技術が望まれる。 The adhesive layer between the membrane electrode assembly having gas diffusion layers on both sides and the support frame shrinks when cured. Therefore, as the support frame on the adhesive layer shrinks, the portion that does not overlap with the outer peripheral edge of the support frame curves from the other side of the membrane electrode assembly to the one side. When the separator is bonded to both side surfaces of the support frame in a state where the support frame is curved to one side surface of the membrane electrode assembly, the support frame becomes straight following the shape of the separator, and the adhesive in the support frame The portion that is not bonded to the layer is pushed from one side surface of the membrane electrode assembly to the other side surface by the separator. At this time, the adhesive layer is pulled in the direction from the other side surface side to the one side surface side of the membrane electrode assembly, that is, the direction in which the adhesive layer is peeled off. When the fuel cell unit cell is placed in a low-temperature environment when the fuel cell unit cell is used, for example, in the case of cold operation, if the support frame contracts, the force with which the support frame pulls the adhesive layer becomes greater. Therefore, the tensile force may cause a crack in the adhesive layer or the membrane electrode assembly below the adhesive layer. A technique for suppressing the occurrence of cracks in the adhesive layer or the membrane electrode assembly below the adhesive layer is desired.
本発明によれば、電解質膜の両側に電極触媒層がそれぞれ形成された膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側面上それぞれに配置されたガス拡散層と、前記膜電極接合体の外周において前記膜電極接合体を支持する支持フレームと、前記ガス拡散層が配置された前記膜電極接合体及び前記支持フレームの両側面上それぞれに配置され、周縁部分において前記支持フレームに固定され、中央部分において前記ガス拡散層に当接するセパレータと、を備えた燃料電池単セルの製造方法であって、前記膜電極接合体の一側面上には外周縁部が残るにようにしつつ両側面上にそれぞれ前記ガス拡散層が配置された前記膜電極接合体を準備する工程と、前記膜電極接合体の一側面上の外周縁部上に、接着剤層を形成する工程と、前記支持フレームを前記接着剤層上に配置し、それにより、前記支持フレームに、前記膜電極接合体と重なっている内側部分と、前記膜電極接合体よりも外側に張り出しつつ前記内側部分を囲む外側部分とが区画される、工程と、前記支持フレームの前記内側部分が前記接着剤層に接しながら前記支持フレームの前記外側部分の少なくとも一部が前記膜電極接合体の一側面を含む基準平面を越えて前記膜電極接合体の他側面に向け延びる湾曲形状に前記支持フレームを維持しつつ、前記接着剤層を硬化する工程と、前記支持フレームを平坦にしつつ、前記支持フレームの外周縁部の両側面上に前記セパレータの前記周縁部分をそれぞれ固定する工程と、を備える燃料電池単セルの製造方法が提供される。 According to the present invention, a membrane electrode assembly in which an electrode catalyst layer is formed on each side of an electrolyte membrane, a gas diffusion layer disposed on each side surface of the membrane electrode assembly, and the membrane electrode assembly A support frame that supports the membrane electrode assembly on the outer periphery, the membrane electrode assembly on which the gas diffusion layer is disposed, and each side surface of the support frame, and is fixed to the support frame at a peripheral portion, A separator for contacting the gas diffusion layer at a central portion, and a method for producing a single cell of a fuel cell, on both sides while leaving an outer peripheral edge on one side of the membrane electrode assembly A step of preparing the membrane electrode assembly in which the gas diffusion layer is disposed, a step of forming an adhesive layer on an outer peripheral edge on one side surface of the membrane electrode assembly, and the support frame. Previous Arranged on the adhesive layer, the support frame is divided into an inner portion overlapping the membrane electrode assembly and an outer portion surrounding the inner portion while projecting outward from the membrane electrode assembly. And the membrane beyond the reference plane including at least one part of the outer part of the support frame including one side of the membrane electrode assembly while the inner part of the support frame is in contact with the adhesive layer The step of curing the adhesive layer while maintaining the support frame in a curved shape extending toward the other side of the electrode assembly, and on both sides of the outer peripheral edge of the support frame while flattening the support frame And a step of fixing each of the peripheral portions of the separator.
接着剤層や接着剤層の下側の膜電極接合体にき裂が生じることを抑制できる。 It can suppress that a crack arises in the membrane electrode assembly under an adhesive bond layer or an adhesive bond layer.
図1は燃料電池単セル1の構成例を示す部分断面図であり、図2はその部分拡大図である。燃料電池スタックAは、図1に示す燃料電池単セル1を複数個、燃料電池単セル1の厚み方向Sに積層した積層体により形成される。燃料電池単セル1は、燃料ガス(例示:水素ガス)と酸化剤ガス(例示:空気)との電気化学反応により電力を発生する。燃料電池単セル1で発生された電力は、積層体の両端に配置されたターミナルプレート(図示せず)から燃料電池スタックAの外部に到る複数の配線(図示せず)を介して燃料電池スタックAの外部に取り出される。燃料電池スタックAから取り出された電力は例えば電動車両の駆動用電気モータ又は蓄電器に供給される。 FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing a configuration example of a fuel cell single cell 1, and FIG. 2 is a partially enlarged view thereof. The fuel cell stack A is formed by a stacked body in which a plurality of the single fuel cell 1 shown in FIG. 1 is stacked in the thickness direction S of the single fuel cell 1. The single fuel cell 1 generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas (example: hydrogen gas) and an oxidant gas (example: air). The electric power generated in the single fuel cell 1 is supplied to the fuel cell via a plurality of wires (not shown) extending from the terminal plates (not shown) arranged at both ends of the laminate to the outside of the fuel cell stack A. It is taken out of the stack A. The electric power taken out from the fuel cell stack A is supplied to, for example, an electric motor for driving an electric vehicle or a capacitor.
燃料電池単セル1は、膜電極接合体5を備えている。膜電極接合体5は、電解質膜5eと、電解質膜5eの両側に形成されたカソード電極触媒層5c及びアノード電極触媒層5aとを備えている。電解質膜5e、カソード電極触媒層5c及びアノード電極触媒層5aはほぼ同じ大きさを有する。電解質膜5eの両側にカソード電極触媒層5c及びアノード電極触媒層5aが配置されて膜電極接合体5が形成されたとき、電解質膜5e、カソード電極触媒層5c及びアノード電極触媒層5aはほぼ重なる。図示しない別の実施例では、カソード電極触媒層5c及びアノード電極触媒層5aの少なくとも一方が電解質膜5eよりも小さい。
The single fuel cell 1 includes a
電解質膜5eの材料としては、例えばフッ素系のイオン伝導性を有する高分子膜が挙げられる。図2に示す実施例では、パーフルオロスルホン酸を備えるプロトン導電性を有するイオン交換膜を用いる。カソード電極触媒層5c及びアノード電極触媒層5aの材料としては、例えば白金又は白金合金のような触媒を担持した触媒担持カーボンが挙げられる。図2に示す実施例では、白金合金を担持した触媒担持カーボンを用いる。図示しない別の実施例では、電解質膜5eと同様の材料のアイオノマーが触媒担持カーボンに更に加えられる。
Examples of the material of the
膜電極接合体5の一側面52上、すなわちカソード電極触媒層5c上にはカソードガス拡散層3cが配置され、それによりカソードガス拡散層3cが膜電極接合体5に電気的に接続される。また、膜電極接合体5の他側面51上、すなわちアノード電極触媒層5a上にはアノードガス拡散層3aが配置され、それによりアノードガス拡散層3aが膜電極接合体5に電気的に接続される。カソードガス拡散層3cは膜電極接合体5よりも一回り小さい大きさを有する。膜電極接合体5の一側面52上にカソードガス拡散層3cが配置されたとき、カソードガス拡散層3cの周囲における膜電極接合体5の一側面52に外周縁部52eが枠状に形成される。一方、アノードガス拡散層3aは膜電極接合体5とほぼ同じ大きさを有する。膜電極接合体5の他側面51上にアノードガス拡散層3aが配置されたとき、膜電極接合体5とアノードガス拡散層3aとはほぼ重なる。
The cathode
カソードガス拡散層3c及びアノードガス拡散層3aの材料としては、導電性を有する多孔体、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、ガラス状カーボンのようなカーボン多孔体や、金属メッシュ、発泡金属のような金属多孔体が挙げられる。図2に示す実施例ではカーボンクロスを用いる。図示しない別の実施例では、ポリテトラフルオロエチレンのような撥水性の強い材料が上記多孔体に多孔性が失われない程度に含浸される。図示しない更に別の実施例では、撥水性の強い材料とカーボン粒子とを混合した撥水層が上記多孔体の膜電極接合体5側に形成される。
Examples of the material for the cathode
外周縁部52e上には接着剤層10が形成される。接着剤層10は外周縁部52eと同様の枠状に形成される。図2に示す実施例では、接着剤層10は外周縁部52eを覆うように外周縁部52eの全面に形成される。図2は燃料電池単セル1が常温(例えば20℃)にある場合を示しており、この場合接着剤層10の内部には、支持フレーム2とカソードガス拡散層3cとを互いに結ぶ向きPの圧縮応力が生じている。接着剤層10は、外周縁部52eのうち平面方向の外側に位置する外側部分32と、外周縁部52eのうち平面方向の内側に位置する内側部分31とを有する。内側部分31の内側端部はカソードガス拡散層3cの外側部分3ceと接する。
An
接着剤層10は、熱硬化性を有する接着剤又は紫外線(UV)硬化性を有する接着剤で形成される。熱硬化性を有する接着剤層10の材料としてはエポキシ系樹脂の接着剤が挙げられ、紫外線硬化性を有する接着剤層10の材料としてはラジカル重合性樹脂やカチオン重合性樹脂を用いたUV硬化型接着剤が挙げられる。図2に示す実施例では、ラジカル重合性樹脂を用いたUV硬化型接着剤を用いる。接着剤層10用の接着剤の塗布用法としては、例えばスクリーン印刷法や、ディスペンサで塗布する方法が挙げられる。図2に示す実施例ではスクリーン印刷法を用いる。
The
接着剤層10上には支持フレーム2が配置される。支持フレーム2は、枠形状を有し、カソードガス拡散層3c及びアノードガス拡散層3aを備える膜電極接合体5を膜電極接合体5の外周において支持する。図2に示す実施例では、支持フレーム2は、膜電極接合体5と重なっている内側部分2eと、膜電極接合体5よりも外側に張り出しつつ内側部分2eを囲む外側部分2fとを有している。内側部分2eは接着剤層10の外側部分32上に接着されることにより、膜電極接合体5の外周縁部52eに接着される。内側部分2eが膜電極接合体5の外周縁部52eに接着されたとき、内側部分2eとカソードガス拡散層3cの外側部分3ceとの間に隙間Gが形成される。すなわち、支持フレーム2は、カソードガス拡散層3cと離間して配置される。
The
支持フレーム2は電気絶縁性及び気密性を有する材料で形成される。支持フレーム2の材料としては、ポリプロピレン系樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレンテレフテラート系樹脂及びポリエチレンナフタレート系樹脂のような樹脂製の板が挙げられる。図2に示す実施例では、支持フレーム2の材料として、接着剤層10の硬化に使用される所定の波長(例示:365nm)の紫外線が透過可能なポリプロピレン系樹脂を用いる。これらの材料の典型的な線膨張係数は例えば約100×10−6/℃程度である。
The
カソードガス拡散層3c及びアノードガス拡散層3aを備える膜電極接合体5と支持フレーム2の両側面上のそれぞれには、それらを挟持する一対のカソードセパレータ4c及びアノードセパレータ4aが配置される。
A pair of
カソードセパレータ4cの周縁部分4ceは支持フレーム2の他側面20scに熱可塑性又は熱硬化性を有する接着剤(図示せず)で固定される。カソードセパレータ4cの周縁部分4ceよりも内側の中央部分4cmはカソードガス拡散層3cに当接し、それによりカソードセパレータ4cはカソードガス拡散層3cに電気的に接続される。カソードセパレータ4cの中央部分4cmには、酸化剤ガス供給路用の複数の溝が設けられ、それらの溝とカソードガス拡散層3cとにより図1に示すように複数の酸化剤ガス供給路8が形成される。複数の酸化剤ガス供給路8から供給される酸化剤ガスがカソードガス拡散層3cを介して膜電極接合体5へ供給される。
The peripheral portion 4ce of the
一方、アノードセパレータ4aの周縁部分4aeは支持フレーム2の一側面20saに熱可塑性又は熱硬化性を有する接着剤(図示せず)で固定される。アノードセパレータ4aの周縁部分4aeよりも内側の中央部分4amはアノードガス拡散層3aに当接し、それによりアノードセパレータ4aはアノードガス拡散層3aに電気的に接続される。アノードセパレータ4aの中央部分4amには、燃料ガス供給路用の複数の溝が設けられ、それらの溝とアノードガス拡散層3aとにより図1に示すように複数の燃料ガス供給路7が形成される。複数の燃料ガス供給路7から供給される燃料ガスがアノードガス拡散層3aを介して膜電極接合体5へ供給される。
On the other hand, the peripheral portion 4ae of the
隣り合う二つの燃料電池単セル1では、一方の燃料電池単セル1のカソードセパレータ4cと他方の燃料電池単セル1のアノードセパレータ4aとがシール部材(図示せず)を介して当接する。その結果、二つの酸化剤ガス供給路8と二つの燃料ガス供給路7とに囲まれた冷却水供給路(図示せず)が形成される。
In two adjacent fuel cell single cells 1, the
カソードセパレータ4c及びアノードセパレータ4aは、酸化剤ガス、燃料ガス、冷却水を透過させず、導電性を有する材料で形成される。カソードセパレータ4c及びアノードセパレータ4aの材料としては、例えばステンレスやチタンのような金属が挙げられる。図1に示す実施例では、カソードセパレータ4c及びアノードセパレータ4aの材料としてチタンを用いる。これらの材料の典型的な線膨張係数は例えば約10×10−6/℃程度である。
The
支持フレーム2の線膨張係数は、カソードセパレータ4cやアノードセパレータ4aの線膨張係数と比較して非常に大きい。そのため、セパレータ4c、4aと支持フレーム2とを接着するために接着剤層10を加熱した後の冷却過程において、あるいは、燃料電池単セル1の冷間運転時において、支持フレーム2の収縮量はセパレータ4c、4aの収縮量よりも非常に大きくなる。そうなると、支持フレーム2の収縮により接着剤層10や膜電極接合体5に大きな引張り応力が発生し、接着剤層10のき裂や膜電極接合体5の損傷などが発生し、クロスリークの原因となるおそれがある。
The linear expansion coefficient of the
そこで、本実施例では、図3に示すように、カソードガス拡散層3c及びアノードガス拡散層3aを有する膜電極接合体5及び支持フレーム2の両側面上にカソードセパレータ4c及びアノードセパレータ4aが組み付けられていないときには、支持フレーム2が湾曲形状を有するようにしている。すなわち、支持フレーム2は、内側部分2eが接着剤層10に固定されつつ外側部分2fの少なくとも一部が膜電極接合体5の一側面52を含む基準平面RSを越えて膜電極接合体5の他側面51に向け延びる湾曲形状を有する。この湾曲形状は、燃料電池単セル1が組み立てられた後の接着剤層10に上述の圧縮応力を内在させるために設けられる。図3に示す実施例では、支持フレーム2は、外側部分2fの少なくとも先端部が基準平面RSを越えて膜電極接合体5の他側面51に向け延びる湾曲形状を有しており、言い換えると支持フレーム2の接着剤層10と接する一側面側に凹面を成すように湾曲している。
Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 3, the
燃料電池単セル1が形成されるとき、図1に示すように、湾曲形状を有する支持フレーム2はガス拡散層3c、3aを備える膜電極接合体5と共にセパレータ4c、4a間に挟持されて平坦な形状になる。そのとき、接着剤層10に接している支持フレーム2の内側部分2eが接着剤層10、特に隙間Gの接着剤層10をカソードガス拡散層3c側へ押すため、接着剤層10は支持フレーム2の内側部分2eとカソードガス拡散層3cの外側部分3ceとの間に挟まれて、圧縮される。すなわち、接着剤層10には圧縮応力が生じている。このような圧縮応力は、セパレータ4c、4aと支持フレーム2との接着時の加熱後の冷却過程において、あるいは、燃料電池単セル1の冷間運転時において、支持フレーム2の収縮により接着剤層10や膜電極接合体5に生じる引張り応力を緩和することができる。それにより、接着剤層10の破壊を抑制でき、膜電極接合体5の損傷を抑制することができる。
When the fuel cell unit cell 1 is formed, the
次に、燃料電池単セルの製造方法について説明する。図4〜図11は、燃料電池単セル1の製造方法の各工程を示す部分断面図である。 Next, the manufacturing method of a fuel cell single cell is demonstrated. 4-11 is a fragmentary sectional view which shows each process of the manufacturing method of the fuel cell single cell 1. FIG.
まず、図4に示すように、他側面51上にアノードガス拡散層3aが配置され、一側面52が露出された膜電極接合体5を準備する。アノードガス拡散層3aと膜電極接合体5とは、例えばホットプレス工程により加熱・圧縮されて予め接合されている。
First, as shown in FIG. 4, a
次に、図5に示すように、膜電極接合体5の一側面52上に外周縁部52eが残るようにカソードガス拡散層3cを配置する。その後、カソードガス拡散層3cと膜電極接合体5とは、例えばホットプレス工程により加熱・圧縮されて接合される。
Next, as shown in FIG. 5, the cathode
次に、図6に示すように、外周縁部52e上に、紫外線硬化性を有する接着剤層10を形成する。図6に示す実施例では、接着剤層10の材料としては、ラジカル重合性樹脂を用いたUV硬化型接着剤を用いる。また、接着剤層10は外周縁部52eの全面に形成される。接着剤層10の形成方法としては、スクリーン印刷でUV硬化型接着剤を外周縁部52e上に塗布する方法を用いる。図示しない別の実施例では、接着剤層10の材料として、熱硬化性を有する接着剤を用いる。図示しない更に別の実施例では、膜電極接合体5の一側面52上に接着剤層10を先に形成し、その後にカソードガス拡散層3cを形成する。
Next, as shown in FIG. 6, the
続いて、図7に示すように、平板枠状の支持フレーム2を用意する。図7に示す実施例では、支持フレーム2の材料としては、ポリプロピレン系樹脂が用いられる。続いて、接着剤層10上に支持フレーム2を配置する。図7に示す実施例では、支持フレーム2を接着剤層10上に配置することにより、支持フレーム2に、膜電極接合体5と重なっている内側部分2eと、膜電極接合体5よりも外側に張り出しつつ内側部分2eを囲む外側部分2fとが区画される。その結果、接着剤層10の外側部分32上に支持フレーム2の内側部分2eが接し、接着剤層10の内側部分31が露出する。それにより、支持フレーム2は接着剤層10に粘着される。
Subsequently, as shown in FIG. 7, a flat frame-
その後、図8に示すように、支持フレーム2及びガス拡散層3c、3aを配置された膜電極接合体5を平板状の台座62上に配置する。支持フレーム2上には、略平板枠状の押圧部材61を対面配置する。押圧部材61は、支持フレーム2の内側部分2e及び外側部分2fに同時に接することが可能な大きさに形成されており、支持フレーム2の内側部分2eに荷重を与えるための内側部分61eと、支持フレーム2の外側部分2fに荷重を与えるための外側部分61fとを備える。ここで、支持フレーム2と当接する押圧部材61の一側面61saは、外側部分61fと内側部分61eとの境界に段差61kを有し、押圧部材61の外側部分61fが支持フレーム2の外側部分2fに当接したとき、押圧部材61の内側部分61eと支持フレーム2の内側部分2eとの間に若干の隙間Dが生じる。このとき、段差61kの位置はアノードガス拡散層3aよりも平面方向の外側にある。
Thereafter, as shown in FIG. 8, the
続いて、図9に示すように、支持フレーム2が湾曲形状に変形されるように、押圧部材61の内側部分61eにより支持フレーム2の内側部分2eに接着剤層10に向かう方向の荷重を与えると同時に、押圧部材61の外側部分61fにより支持フレーム2の外側部分2fに膜電極接合体5の一側面52から他側面51に向かう方向の荷重を与える。図9に示す実施例では、段差61k近傍の外側部分61fが外側部分2fに荷重を与える。それにより、支持フレーム2の内側部分2eが接着剤層10に接しながら支持フレーム2の外側部分2fが膜電極接合体5の一側面52を含む基準平面RSを越えて膜電極接合体5の他側面51に向け延びる湾曲形状に支持フレーム2が変形される。このとき、内側部分61eにより支持フレーム2の内側部分2eに与える荷重よりも、外側部分61fにより支持フレーム2の外側部分2fに与える荷重の方が大きい。
Subsequently, as illustrated in FIG. 9, a load in a direction toward the
上記荷重の付与と共に、接着剤層10に所定波長(例示:365nm)の紫外線UVを照射する。ここで、押圧部材61は石英製であり、支持フレーム2もポリプロピレン系樹脂製であるため、いずれも所定波長の紫外線UVが透過可能である。そのため、接着剤層10は紫外線を受けて硬化する。照射条件(例示:紫外線の光量、照射時間など)は、接着剤層10の材料により適宜選択される。これにより、接着剤層10は膜電極接合体5と接着し、それにより支持フレーム2と膜電極接合体5とを接着する。熱硬化性を有する接着剤を用いる図示しない別の実施例では、接着剤層10に紫外線UVを照射するのではなく、接着剤層10及びその周囲を加熱する。
Along with the application of the load, the
その後、図10に示すように、支持フレーム2及びガス拡散層3c、3aを配置された膜電極接合体5を、押圧部材61及び台座62から外す。このとき、支持フレーム2は図10に示すように湾曲形状に維持される。なお、押圧部材61が取り除かれると、支持フレーム2は元の平坦形状に戻ろうとわずかに変形する場合があり、この場合には湾曲の程度が少し緩和する。
Thereafter, as shown in FIG. 10, the
次に、図11に示すように、カソードセパレータ4cの周縁部分4ceが支持フレーム2の他側面20scに接するように、カソードセパレータ4cを支持フレーム2上に接着剤を介して配置する。それと共に、アノードセパレータ4aの周縁部分4aeが支持フレーム2の一側面20saに接するように、アノードセパレータ4aを支持フレーム2上に接着剤を介して配置する。このとき、湾曲した支持フレーム2はセパレータ4c、4aに挟まれて平坦な状態になる。そのため、支持フレーム2の内側部分2eが接着剤層10をカソードガス拡散層3c側へ押すことになるため、接着剤層10を圧縮応力が内在した状態にできる。そして、セパレータ4c、4aと支持フレーム2との間の接着剤を加熱、溶融後に冷却、硬化させて、カソードセパレータ4cの周縁部分4ce及びアノードセパレータ4aの周縁部分4aeと支持フレーム2とを接着する。それにより、セパレータ4c、4aにより、ガス拡散層3c、3aを有する膜電極接合体5及び支持フレーム2が挟持される。そのとき、平坦な状態にされ圧縮応力を内在した接着剤層10は、そのまま圧縮応力を内在した状態を維持する。このようにして、膜電極接合体5、ガス拡散層3c、3a、支持フレーム2、セパレータ4c、4aが一体化される。
Next, as shown in FIG. 11, the
以上の工程により、燃料電池単セル1が形成される。 The fuel cell single cell 1 is formed by the above steps.
ここで、上記の製造方法(以下、「実施例の製造方法」と記す。)の効果を説明するために、上記の実施例の製造方法と異なる典型的な製造方法(以下、「比較例の製造方法」と記す。)について図12〜図13説明する。 Here, in order to explain the effect of the above manufacturing method (hereinafter referred to as “manufacturing method of the example”), a typical manufacturing method (hereinafter referred to as “comparative example”) different from the manufacturing method of the above example. The manufacturing method will be described with reference to FIGS.
比較例の製造方法では、まず、実施例の製造方法の図4〜図7の工程と同様の工程により、カソードガス拡散層103c及びアノードガス拡散層103aが両側面152、151上に配置された膜電極接合体105において、外周縁部152e上に接着剤層110を形成し、接着剤層110上に支持フレーム102を配置する。
In the manufacturing method of the comparative example, first, the cathode
次に、図12に示すように、支持フレーム102及びガス拡散層103c、103aを配置された膜電極接合体105を平板状の台座162上に配置する。支持フレーム102上には、段差を有さない平板枠状の押圧部材161を対面配置する。続いて、膜電極接合体5の一側面152から膜電極接合体5の他側面151に向かう方向の荷重を押圧部材161により支持フレーム102に与えつつ、接着剤層110に所定波長の紫外線UVを照射して接着剤層110を硬化する。それにより支持フレーム102と膜電極接合体105とが接着される。このとき、支持フレーム102が膜電極接合体105と概ね平行な状態を維持されつつ、接着剤層110が硬化される。その結果、接着剤層110、特に接着剤層110の表面には収縮応力が内在することになる。
Next, as shown in FIG. 12, the
その後、図13に示すように、支持フレーム102及びガス拡散層103c、103aを配置された膜電極接合体105を、押圧部材161及び台座162から外す。その結果、接着剤層110に内在する収縮応力により、支持フレーム102は、膜電極接合体105の一側面152側へ湾曲する。すなわち、図10の工程の場合とは逆側に湾曲する。
Thereafter, as shown in FIG. 13, the
次に、図14に示すように、カソードガス拡散層103c及びアノードガス拡散層103aを有する膜電極接合体105及び支持フレーム2の両側面上にカソードセパレータ104c及びアノードセパレータ104aを配置する。このとき、湾曲した支持フレーム102はセパレータ104c、104aに挟まれて平坦な状態になる。そのため、支持フレーム102の内側部分102eが接着剤層110を支持フレーム102の内側部分102e側へ引っ張ることになり、接着剤層110に引張り応力が生じる。その後、カソードセパレータ104cの周縁部分104ceと支持フレーム102の他側面120scとを接着剤で接着し、アノードセパレータ104aの周縁部分104aeと支持フレーム102の一側面120saとを接着剤で接着する。このとき、接着剤の加熱後の冷却過程において、接着剤層110に内在する引張応力が増大する。その後の、冷間運転時においても同様である。
Next, as shown in FIG. 14, the
したがって、比較例の製造方法では、セパレータ104c、104aの配置時に接着剤層110に引張り応力が発生するうえに、セパレータ104c、104aと支持フレーム102との接着時の加熱後の冷却過程において、あるいは、冷間運転時において、接着剤層110に内在する引張応力が増大するため、接着剤層110にき裂が生じ易くなる。したがって、比較例の製造方法では、接着剤層110のき裂や膜電極接合体105の損傷などが発生し易く、クロスリークが起き易くなるおそれがある。
Therefore, in the manufacturing method of the comparative example, tensile stress is generated in the
一方、実施例の製造方法では、上記図4〜図11の工程と共に説明されたように、支持フレーム2が膜電極接合体5の他側面51側へ湾曲するように、膜電極接合体5上に接着剤層10で固定されつつ接着剤層10が硬化される。そのため、支持フレーム2がセパレータ4c、4a間に挟持されて平坦な状態になると、接着剤層10はカソードガス拡散層3c方向に圧縮されて圧縮応力を内在した状態になる。このような圧縮応力は、その後の工程や使用時に接着剤層10や膜電極接合体5に生じる引張り応力を緩和することができる。それにより、接着剤層10でのき裂を抑制でき、膜電極接合体5の損傷を抑制することができる。言い換えると、上記比較例の製造方法との相違を考慮すれば、支持フレーム2がセパレータ4c、4a間に挟持され平坦な状態になったとき、接着剤層10に圧縮応力が生じている状態が必要である。なお、実施例の製造方法でも、支持フレーム2が湾曲されつつ接着剤層10が硬化されると、接着剤層10に収縮応力が内在する。次いで、押圧部材61が取り除かれたときに接着剤層10の収縮応力により支持フレームの湾曲の程度が少し緩和される。
On the other hand, in the manufacturing method of the embodiment, as described together with the steps of FIGS. 4 to 11, the
次に図15〜図16を参照して別の実施例の製造方法を説明する。この別の実施例の製造方法は、支持フレーム2を湾曲させる工程で用いる押圧部材の構成が、上記図4〜図11に示す実施例の製造方法と相違する。以下相違点について主に説明する。
Next, another embodiment of the manufacturing method will be described with reference to FIGS. In the manufacturing method of this another embodiment, the configuration of the pressing member used in the step of bending the
この別の実施例の製造方法において、まず、図4〜図7の工程と同様の工程により、カソードガス拡散層3c及びアノードガス拡散層3aを膜電極接合体5の両側面52、51上に配置し、膜電極接合体5の外周縁部52e上に接着剤層10を形成し、接着剤層10上に支持フレーム2を配置する。
In the manufacturing method of this another embodiment, first, the cathode
次に、図15に示すように、支持フレーム2が接着剤層10上に配置され、ガス拡散層3c、3aが両側面52、51上に配置された膜電極接合体5を台座62上に配置する。また、平板枠状の押圧部材61aを支持フレーム2の内側部分2e上に配置する。そして、支持フレームの外側部分2fに荷重を与えることなく、支持フレーム2の内側部分2eに接着剤層10に向かう方向の荷重を押圧部材61aにより与える。このとき、支持フレーム2は湾曲状態に変形することはない。それと共に、接着剤層10に所定波長(例示:365nm)の紫外線UVを照射して、接着剤層10を不完全に硬化させる。すなわち、接着剤層10を完全には硬化させず、後工程で支持フレーム2を湾曲させたとき、接着剤層10が外周縁部52eから剥がれずに内側部分2eを保持できる程度に硬化させる。照射条件(例示:紫外線の光量、照射時間など)は、接着剤層10の材料により適宜選択される。
Next, as shown in FIG. 15, the
その後、図16に示すように、押圧部材61aを取り外し、平板枠状の押圧部材61bを支持フレーム2の外側部分2f上に配置する。そして、支持フレーム2の内側部分2eに荷重を与えることなく、支持フレーム2の外側部分2fに膜電極接合体5の一側面52から他側面51に向かう方向の荷重を押圧部材61bにより与える。その結果、支持フレーム2は湾曲形状に変形する。それと共に、接着剤層10に所定波長(例示:365nm)の紫外線UVを照射して、接着剤層10を完全に硬化させる。照射条件(例示:紫外線の光量、照射時間など)は、接着剤層10の材料により適宜選択される。
Thereafter, as shown in FIG. 16, the pressing
続いて、実施例の製造方法の図11の工程と同様の工程により、カソードセパレータ4c及びアノードセパレータ4aが支持フレーム2の両側面20sc、20saに固定される。
Subsequently, the
以上の工程により、燃料電池単セル1が形成される。 The fuel cell single cell 1 is formed by the above steps.
この場合にも、上記図4〜図11に示す実施例の製造方法と同様の効果を奏することができる。また、押圧部材の構造を簡略化できる。 Also in this case, the same effects as those of the manufacturing method of the embodiment shown in FIGS. 4 to 11 can be obtained. Moreover, the structure of the pressing member can be simplified.
上記図4〜図11の実施例や図15〜図16の実施例では、当初平坦な支持フレーム2を途中の工程で湾曲形状に変形している。図示しない更に別の実施例では、当初から上記湾曲形状を有する支持フレーム2を用いる。その場合、支持フレーム2を接着剤層10上に配置する工程(上記図7に示す工程)では、支持フレーム2が湾曲形状をとるように支持フレーム2を接着剤層10上に配置する。
In the embodiment of FIGS. 4 to 11 and the embodiment of FIGS. 15 to 16, the initially
なお、上記各実施例では、膜電極接合体5の一側面52はカソード極側面であり、他側面51はアノード極側面である。図示しない更に別の実施例では、膜電極接合体5の一側面はアノード極側面であり、他側面はカソード極側面である。
In each of the above embodiments, one
1 燃料電池単セル
2 支持フレーム
2e 内側部分
2f 外側部分
3a アノードガス拡散層
3c カソードガス拡散層
5 膜電極接合体
10 接着剤層
51 他側面(膜電極接合体)
52 一側面(膜電極接合体)
52e 外周縁部
RS 基準平面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell
52 One side (membrane electrode assembly)
52e Outer peripheral edge RS Reference plane
Claims (5)
前記膜電極接合体の一側面上には外周縁部が残るにようにしつつ両側面上にそれぞれ前記ガス拡散層が配置された前記膜電極接合体を準備する工程と、
前記膜電極接合体の一側面上の外周縁部上に、接着剤層を形成する工程と、
前記支持フレームを前記接着剤層上に配置し、それにより、前記支持フレームに、前記膜電極接合体と重なっている内側部分と、前記膜電極接合体よりも外側に張り出しつつ前記内側部分を囲む外側部分とが区画される、工程と、
前記支持フレームの前記内側部分が前記接着剤層に接しながら前記支持フレームの前記外側部分の少なくとも一部が前記膜電極接合体の一側面を含む基準平面を越えて前記膜電極接合体の他側面に向け延びる湾曲形状に前記支持フレームを維持しつつ、前記接着剤層を硬化する工程と、
前記支持フレームを平坦にしつつ、前記支持フレームの外周縁部の両側面上に前記セパレータの前記周縁部分をそれぞれ固定する工程と、
を備える、
燃料電池単セルの製造方法。 A membrane electrode assembly in which electrode catalyst layers are respectively formed on both sides of the electrolyte membrane; a gas diffusion layer disposed on each side surface of the membrane electrode assembly; and the membrane electrode junction on the outer periphery of the membrane electrode assembly A support frame for supporting the body, the membrane electrode assembly on which the gas diffusion layer is disposed, and both sides of the support frame, fixed to the support frame at a peripheral portion, and the gas diffusion at a central portion A separator that contacts the layer, and a method of manufacturing a fuel cell single cell comprising:
Preparing the membrane electrode assembly in which the gas diffusion layers are respectively disposed on both side surfaces while leaving an outer peripheral edge on one side surface of the membrane electrode assembly; and
Forming an adhesive layer on the outer peripheral edge on one side of the membrane electrode assembly;
The support frame is disposed on the adhesive layer, thereby enclosing the inner portion of the support frame overlapping the membrane electrode assembly and the inner portion while projecting outward from the membrane electrode assembly. A step in which the outer portion is partitioned;
While the inner portion of the support frame is in contact with the adhesive layer, at least a part of the outer portion of the support frame exceeds a reference plane including one side surface of the membrane electrode assembly, and the other side surface of the membrane electrode assembly. Curing the adhesive layer while maintaining the support frame in a curved shape extending toward
Fixing each of the peripheral portions of the separator on both side surfaces of an outer peripheral edge of the support frame while flattening the support frame;
Comprising
A method for producing a single fuel cell.
前記接着剤層を硬化する工程は、
前記支持フレームが前記湾曲形状に変形されるように、前記支持フレームの外側部分に、前記膜電極接合体の一側面から前記膜電極接合体の他側面に向かう方向の荷重を押圧部材により与えつつ、前記接着剤層を硬化する工程を含む、
請求項1に記載の燃料電池単セルの製造方法。 Prior to the step of curing the adhesive layer, the support frame has a flat shape,
The step of curing the adhesive layer includes:
While applying a load in a direction from one side surface of the membrane electrode assembly to the other side surface of the membrane electrode assembly on the outer portion of the support frame so that the support frame is deformed into the curved shape, A step of curing the adhesive layer,
The manufacturing method of the fuel cell single cell of Claim 1.
前記押圧部材で荷重を与えつつ、前記接着剤層を硬化する工程は、
前記押圧部材における前記支持フレームの内側部分に接する部分で前記支持フレームの内側部分に前記接着剤層に向かう方向の荷重を与えると同時に、前記押圧部材における前記支持フレームの外側部分に接する部分で前記支持フレームの外側部分に前記荷重を与えつつ、前記接着剤層を硬化する工程を含む、
請求項2に記載の燃料電池単セルの製造方法。 The pressing member is formed in a size capable of simultaneously contacting the inner part and the outer part of the support frame,
The step of curing the adhesive layer while applying a load with the pressing member,
At the portion of the pressing member that contacts the inner portion of the support frame, a load in the direction toward the adhesive layer is applied to the inner portion of the support frame, and at the same time, the portion of the pressing member that contacts the outer portion of the support frame. Curing the adhesive layer while applying the load to an outer portion of a support frame,
The manufacturing method of the fuel cell single cell of Claim 2.
前記押圧部材で荷重を与えつつ、前記接着剤層を硬化する工程は、
前記接着剤層を不完全に硬化した後に前記支持フレームの前記内側部分に荷重を与えることなく、前記押圧部材で、前記支持フレームの外側部分に前記荷重を与えつつ、前記接着剤層を完全に硬化する工程と、
を含む、
請求項2に記載の燃料電池単セルの製造方法。 Without applying a load to the outer part of the support frame, the adhesive layer is cured incompletely while applying a load in a direction toward the adhesive layer to the inner part of the support frame with another pressing member. Further comprising a process,
The step of curing the adhesive layer while applying a load with the pressing member,
Without applying a load to the inner portion of the support frame after the adhesive layer has been incompletely cured, the pressure member completely applies the load to the outer portion of the support frame while applying the load to the outer portion of the support frame. A curing step;
including,
The manufacturing method of the fuel cell single cell of Claim 2.
請求項1に記載の燃料電池単セルの製造方法。 The support frame has a curved shape before being placed on the adhesive layer, and the step of placing the support frame on the adhesive layer causes the support frame to take the curved shape. The support frame is disposed on the adhesive layer;
The manufacturing method of the fuel cell single cell of Claim 1.
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