JP2019071174A - 燃料電池の単セルの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】生産性の低下が抑制された燃料電池の単セルの製造方法を提供すること。【解決手段】電解質膜、電解質膜の一方の面の周縁領域を露出するように形成された触媒層、電解質膜の他方の面に形成された触媒層、周縁領域を露出するように触媒層に接合されたガス拡散層、他方の面の触媒層に接合されたガス拡散層を有する膜電極ガス拡散層接合体を準備する工程と、電解質膜よりも大きい外周縁と一方の面のガス拡散層よりも大きい内周縁との間に、凸面をもつ曲部を有する樹脂製の枠部材を準備する工程と、接着剤を介して枠部材の他方の面の内周縁側を周縁領域に接触させた状態で、凸面を押圧して曲部を変形させることにより、枠部材の内周縁をガス拡散層に接触させる工程と、枠部材の内周縁がガス拡散層に接触した状態で、接着剤により枠部材と膜電極ガス拡散層接合体とを接合する工程とを備えた燃料電池の単セルの製造方法。【選択図】図６
Description
本発明は、燃料電池の単セルの製造方法に関する。
燃料電池の単セルは、膜電極ガス拡散層接合体と、膜電極ガス拡散層接合体に接合された樹脂製の枠部材とを有している。膜電極ガス拡散層接合体と枠部材との接合は、枠部材の一部を加熱することにより軟化させて、軟化した部分を加圧することにより膜電極ガス拡散層接合体のガス拡散層に接触するように流動させ、その後に軟化した部分が冷却されることにより行われる（例えば特許文献１参照）。
上記の方法では、枠部材の一部が加圧によって流動する程度にまで長時間高温で加熱する必要があるため、燃料電池の単セルの生産効率が低下する可能性がある。また、枠部材の一部を長時間高温で加熱することにより、意図しない部分までも軟化して変形、変質して、これによって生産効率が低下する可能性もある。
そこで、本発明は、生産性の低下が抑制された燃料電池の単セルの製造方法を提供することを目的とする。
上記目的は、電解質膜、前記電解質膜の一方の面の周縁領域を露出するように前記電解質膜の一方の面に形成された第１触媒層、前記電解質膜の他方の面に形成された第２触媒層、前記周縁領域を露出するように前記第１触媒層に接合された第１ガス拡散層、及び前記第２触媒層に接合された第２ガス拡散層、を有する膜電極ガス拡散層接合体を準備する工程と、前記電解質膜よりも大きい外周縁、前記電解質膜よりも小さく前記第１ガス拡散層よりも大きい内周縁、前記外周縁と前記内周縁との間にあって一方の面から突出した凸面と他方の面から凹んだ凹面とにより画定される曲部、を有する樹脂製の枠部材を準備する工程と、接着剤を介して前記枠部材の前記他方の面の前記内周縁側を前記周縁領域に接触させた状態で、前記凸面を押圧して前記曲部を変形させることにより、前記枠部材の前記内周縁を前記第１ガス拡散層に接触させる工程と、前記枠部材の前記内周縁が前記第１ガス拡散層に接触した状態で、前記接着剤により前記枠部材と前記膜電極ガス拡散層接合体とを接合する工程と、を備えた燃料電池の単セルの製造方法によって達成できる。
枠部材の曲部は凸面及び凹面により画定されているため、凸面を押圧することにより曲部を容易に変形させることができ、これにより枠部材の内周縁と第１ガス拡散層とを接触させることができる。このため、枠部材を長時間にわたって高温で加熱する必要はないため、生産性の低下が抑制される。
上記構成において、前記枠部材の前記内周縁を前記第１ガス拡散層に接触させる工程の前に、前記膜電極ガス拡散層接合体と、前記枠部材の前記曲部よりも前記外周縁側とを、支持台上に位置決めする工程を備えていてもよい。
上記構成において、前記枠部材の前記内周縁を前記第１ガス拡散層に接触させる工程の前に、前記枠部材の位置決めされた部位よりも前記内周縁側であって前記曲部よりも前記外周縁側を前記支持台側に押さえる工程を備えていてもよい。
上記構成において、前記枠部材の前記内周縁を前記第１ガス拡散層に接触させる前記工程では、前記曲部を加熱しながら前記凸面を押圧してもよい。
上記構成において、前記枠部材の前記内周縁を前記第１ガス拡散層に接触させる工程では、前記枠部材の融点よりも低い温度で前記曲部を加熱しながら前記凸面を押圧してもよい。
上記構成において、前記曲部は、前記内周縁の互いに隣接する第１及び第２辺のそれぞれに沿った第１及び第２曲部を含み、前記枠部材は、前記内周縁に連続して前記第１及び第２曲部を分断した切欠部を有してもよい。
生産性の低下が抑制された燃料電池の単セルの製造方法を提供できる。
図１は、燃料電池セルである単セル６０の分解斜視図である。燃料電池は、単セル６０が複数積層されることで構成される。この燃料電池は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば酸素）の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。単セル６０は、膜電極ガス拡散層接合体２０（以下、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と称する）と、アノード側セパレータ３３ａ及びカソード側セパレータ３３ｃ（以下、セパレータと称する）とを含む。ＭＥＧＡ２０は、アノード側ガス拡散層２２ａ及びカソード側ガス拡散層２２ｃ（以下、拡散層と称する）を有している。
枠部材４０は、樹脂製であって絶縁性を有し、内周縁４２ｅ及び外周縁４２ｆを有した略枠状に形成されている。外周縁４２ｆはＭＥＧＡ２０よりも大きく形成されている。内周縁４２ｅは、後述するＭＥＧＡ２０の電解質膜１１よりも小さく、拡散層２２ｃよりも小さい。内周縁４２ｅ側にＭＥＧＡ２０が接合されている。枠部材４０の２つの短辺の一方側には孔ｓ１〜ｓ３が形成され、他方側には孔ｓ４〜ｓ６が形成されている。同様に、セパレータ３３ａの２つの短辺の一方側には孔ａ１〜ａ３が形成され、他方側には孔ａ４〜ａ６が形成されている。セパレータ３３ｃの２つの短辺の一方側には孔ｃ１〜ｃ３が形成され、他方側には孔ｃ４〜ｃ６が形成されている。孔ｓ１、ａ１、及びｃ１は連通してカソード入口マニホールドを画定する。同様に、孔ｓ２、ａ２、及びｃ２は、冷媒出口マニホールドを、孔ｓ３、ａ３、及びｃ３はアノード出口マニホールドを、孔ｓ４、ａ４、及びｃ４はアノード入口マニホールドを、孔ｓ５、ａ５、及びｃ５は冷媒入口マニホールドを、孔ｓ６、ａ６、及びｃ６はカソード出口マニホールドを画定する。
ＭＥＧＡ２０に対向するセパレータ３３ａの面には、アノード入口マニホールドとアノード出口マニホールドとを連通して燃料ガスが流れるアノード流路３４ａが形成されている。セパレータ３３ａのアノード流路３４ａとは反対側の面、及びセパレータ３３ａに対向するセパレータ３３ｃの面には、冷媒入口マニホールドと冷媒出口マニホールドとを連通し冷媒が流れる冷媒流路３５ａ及び３５ｃがそれぞれ形成されている。セパレータ３３ｃの冷媒流路３５ｃとは反対側の面には、カソード入口マニホールドとカソード出口マニホールドとを連通して酸化剤ガスが流れるカソード流路３４ｃが形成されている。尚、セパレータ３３ａ及び３３ｃは、ガス遮断性及び導電性を有する材料によって形成され、プレス成形されたステンレス鋼や、チタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材、又は緻密質カーボン等のカーボン製部材によって形成してもよい。
枠部材４０上には、ガスケット４６〜４８が形成されている。ガスケット４６は、枠部材４０の外周縁４２ｆに沿った枠状である。ガスケット４７は、孔ｓ１〜ｓ６のそれぞれの周辺に形成され、孔ｓ１〜ｓ６のそれぞれを包囲した枠状である。ガスケット４８は、ＭＥＧＡ２０を包囲した枠状である。ガスケット４６〜４８は、それぞれ弾性を有したゴム製である。ガスケット４６〜４８は、枠部材４０上に別体に形成されて接合されているが、これに限定されず、枠部材４０とガスケット４６〜４８の少なくとも一つとが、同一又は異なる材料により一体形成されていてもよい。また、枠部材４０は、ガスケット４８と内周縁４２ｅとの間の部分であって、枠部材４０の２つの長辺のそれぞれに沿って曲部４３が形成されている。また、枠部材４０のガスケット４６の外側であって、ＭＥＧＡ２０の略対角線上に２つの位置決め孔４９が形成されている。曲部４３及び位置決め孔４９についての詳細は後述する。
図２は、単セル６０の部分断面図である。ＭＥＧＡ２０は、上述した拡散層２２ｃ及び２２ａと、膜電極接合体（以下、ＭＥＡと称する）１０とを含む。ＭＥＡ１０は、略矩形状の電解質膜１１と、電解質膜１１の一方の面（図２において、上側の面）及び他方の面（図２において、下側の面）にそれぞれ形成されたカソード側触媒層１２ｃ及びアノード側触媒層１２ａ（以下、触媒層と称する）とを含む。電解質膜１１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜であり、例えばフッ素系のイオン交換膜である。電解質膜１１は、周縁領域１１ｅと、周縁領域１１ｅに囲まれた中央領域１１ｃとを有している。
触媒層１２ｃは、電解質膜１１の一方の面の中央領域１１ｃに形成され、周縁領域１１ｅには形成されていない。触媒層１２ａは、電解質膜１１の端部との位置が略揃うように形成されている。即ち、触媒層１２ａは、電解質膜１１の周縁領域１１ｅ及び中央領域１１ｃを含む、電解質膜１１の他方の面の略全面にわたって形成されている。触媒層１２ｃは、電解質膜１１の一方の面の周縁領域１１ｅを露出するように電解質膜１１の一方の面に形成された第１触媒層の一例である。触媒層１２ａは、電解質膜の他方の面に形成された第２触媒層の一例である。触媒層１２ｃ及び１２ａは、例えば白金（Ｐｔ）などを担持したカーボン担体とプロトン伝導性を有するアイオノマとを、電解質膜１１に塗布することにより形成される。
拡散層２２ｃ及び２２ａはそれぞれ、触媒層１２ｃ及び１２ａに接合されている。拡散層２２ｃ及び２２ａは、ガス透過性及び導電性を有する材料、例えば炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。拡散層２２ｃは、その端部が触媒層１２ｃの端部よりもやや内側に位置するか又は略揃う位置に設けられている。従って、拡散層２２ｃは、触媒層１２ｃを介して電解質膜１１の中央領域１１ｃに重なるが周縁領域１１ｅには重ならないように設けられている。これにより、拡散層２２ｃは、周縁領域１１ｅを露出するように設けられている。拡散層２２ｃは、周縁領域１１ｅを露出するように触媒層１２ｃに接合された第１ガス拡散層の一例である。拡散層２２ａは、触媒層１２ａに接合された第２ガス拡散層の一例である。
拡散層２２ａも同様に、その端部が、触媒層１２ａの端部に略揃う位置に設けられるが、上述したように触媒層１２ａは電解質膜１１の他方の面に略全面にわたって形成されている。このため、拡散層２２ａは、触媒層１２ａを介して中央領域１１ｃのみならず周縁領域１１ｅにも重なるように設けられている。このように周縁領域１１ｅにも重なるように拡散層２２ａが設けられているため、ＭＥＡ１０は安定して支持されている。
枠部材４０は、クロスリークや触媒電極同士の電気的短絡を防ぐための部材である。枠部材４０は、セパレータ３３ａに接着されている。セパレータ３３ｃは、セパレータ３３ａの枠部材４０が接着された側とは反対側でセパレータ３３ａに接着されている。枠部材４０の内周縁４２ｅは、拡散層２２ｃの外周に接触している。
枠部材４０の内周縁４２ｅ側の電解質膜１１側の面（図２において下側の面）は、接着剤５０により電解質膜１１の周縁領域１１ｅに接着されている。接着剤５０は、例えば紫外線硬化性樹脂であるが、熱硬化性樹脂であってもよい。
枠部材４０の内周縁４２ｅと外周縁４２ｆとの間には、曲部４３とガスケット４６及び４８とが形成されている。曲部４３は、枠部材４０の電解質膜１１とは反対側の面から突出した凸面４３１と、凸面４３１の反対側に位置して他方の面から凹んだ凹面４３２とにより画定される。図２に示すように、凸面４３１及び凹面４３２は滑らかに湾曲した形状である。曲部４３は、図２においては紙面に垂直な方向に延びている。枠部材４０は弾性を有した材料により形成されているため、曲部４３もある程度弾性変形が可能である。曲部４３は、ガスケット４６及び４８の何れよりも内周縁４２ｅ側に形成されている。また、凹面４３２は、セパレータ３３ａ上に位置しているが、セパレータ３３ａの面からは離間している。尚、枠部材４０の一方の面は、電解質膜１１と反対側の面であり、枠部材４０の他方の面は、電解質膜１１側の面である。
このような単セル６０が複数積層されて、燃料電池が構成される。このため、燃料電池では、図２に示したＭＥＧＡ２０及び枠部材４０は、図示されているセパレータ３３ａと、図２の単セル６０の上方側に隣接する不図示の他の単セルのカソードセパレータとにより挟持される。また、図２の単セル６０の下方側に隣接する不図示の他の単セルのＭＥＧＡ及び枠部材は、図２のセパレータ３３ｃと、この不図示の他の単セルのアノードセパレータとにより挟持される。尚、ガスケット４６〜４８は、単セル６０の上方側に隣接する不図示の他の単セルのカソードセパレータにより圧縮される。
次に、単セル６０の製造方法について説明する。図３は、単セル６０の製造方法を示すフローチャートである。まず、ＭＥＧＡ２０と枠部材４０とセパレータ３３ａ及び３３ｃとを準備する（ステップＳ１０）。次に、ＭＥＧＡ２０の電解質膜１１の周縁領域１１ｅと枠部材４０の内周縁４２ｅ側の他方の面とを接着剤５０により接合する（ステップＳ２０）。次に、セパレータ３３ｃ及び３３ａを、例えばレーザ溶接により接合する（ステップＳ３０）。次に、枠部材４０とセパレータ３３ｃとを、例えば紫外線硬化樹脂により接合する（ステップＳ４０）。尚、ステップＳ３０及びＳ４０は順序が逆であってもよい。ステップＳ１０の工程は、ＭＥＧＡ２０を準備する工程、及び枠部材４０を準備する工程の一例である。
次に、ＭＥＧＡ２０と枠部材４０との接合方法について詳細に説明する。図４は、ＭＥＧＡ２０と枠部材４０との接合方法を示すフローチャートである。図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、及び図６Ｂは、ＭＥＧＡ２０と枠部材４０との接合方法の説明図である。尚、図５Ｂ、図６Ａ、及び図６Ｂにおいては、理解を容易にするために、ガスケット４６等の図示を省略し、てある。最初に、図５Ａに示すように、ＭＥＧＡ２０を支持台８０上に位置決めする（ステップＳ２１）。支持台８０の上面８１の中央部には、ＭＥＧＡ２０の拡散層２２ａを収容可能な窪み部８３が形成されている。窪み部８３の深さは、ＭＥＡ１０と拡散層２２ａとの合計の厚みとほぼ同じに設定されている。支持台８０の上面８１上には、窪み部８３の略対角線上に窪み部８３を挟むように２つの位置決めピン８５が形成されている。ＭＥＧＡ２０の拡散層２２ａを窪み部８３に収納することにより、支持台８０上でＭＥＧＡ２０が位置決めされる。尚、周縁領域１１ｅ上や、拡散層２２ｃから突出した触媒層１２ｃ上には、硬化前の接着剤５０が例えばディスペンサー等により塗布されている。接着剤５０については後述する。
次に、図５Ｂに示すように、枠部材４０を支持台８０上に位置決めする（ステップＳ２２）。具体的には、枠部材４０の内周縁４２ｅ側の他方の面（図５Ｂにおいて下側の面）を接着剤５０上に設置されるようにして、上述した枠部材４０に予め設けられた２つの位置決め孔４９をそれぞれ位置決めピン８５に挿入する。これにより、支持台８０上で枠部材４０の外周縁４２ｆ側が位置決めされる。ここで、位置決め孔４９は、ガスケット４６よりも外周縁４２ｆ側であるため、当然に曲部４３よりも外周縁４２ｆ側に位置する。また、この時点で、枠部材４０の内周縁４２ｅと拡散層２２ｃとの間には隙間がある。ステップＳ２２及びＳ２３の工程は、後述する枠部材４０の内周縁４２ｅを拡散層２２ｃに接触させる工程の前に、ＭＥＧＡ２０と、枠部材４０の曲部４３よりも外周縁４２ｆ側とを、支持台８０上に位置決めする工程の一例である。
次に、図６Ａに示すように、枠部材４０の位置決めピン８５と曲部４３との間の部分を、押さえ部材９０により支持台８０の上面８１上に押さえる（ステップＳ２３）。押さえ部材９０は、曲部４３が延びた方向に沿って延びた形状である。押さえ部材９０は、図６Ａでは不図示のガスケット４６及び４８に干渉しない位置で枠部材４０を押さえるのが望ましい。ステップＳ２３の工程は、枠部材４０の内周縁４２ｅを拡散層２２ｃに接触させる工程の前に、枠部材４０の位置決めされた部位よりも内周縁４２ｅ側であって曲部４３よりも外周縁４２ｆ側を支持台８０側に押さえる工程の一例である。
次に、図６Ｂに示すように、凸面４３１が潰れるように支持台８０の上面８１に向けて押圧することにより、枠部材４０の内周縁４２ｅを拡散層２２ｃに接触させる（ステップＳ２４）。ここで、凸面４３１を押圧することにより、凸面４３１及び凹面４３２のそれぞれの曲率が小さくなるように曲部４３が潰れる。これにより、曲部４３が延びて、内周縁４２ｅを拡散層２２ｃに接触させることができる。ステップＳ２４の工程は、凸面４３１を支持台８０に向けて押圧することにより、接着剤５０を介して枠部材４０の他方の面の内周縁４２ｅ側を周縁領域１１ｅに接触させた状態で、凸面４３１を押圧して曲部４３を変形させることにより、枠部材４０の内周縁４２ｅを拡散層２２ｃに接触させる工程の一例である。
次に、内周縁４２ｅを拡散層２２ｃに接触させたまま、接着剤５０に紫外線を照射して接着剤５０を硬化させる（ステップＳ２５）。尚、枠部材４０は紫外線透過性を有している。このようにして、ＭＥＧＡ２０と枠部材４０とが接合される。ＭＥＧＡ２０と枠部材４０とが接合されると、上述したように枠部材４０の外周縁４２ｆがセパレータ３３ｃ及び３３ａの外周縁と略一致するようにして枠部材４０に接合され、単セル６０が製造される。ステップＳ２５は、枠部材４０の内周縁４２ｅを拡散層２２ｃに接触した状態で接着剤５０により、枠部材４０とＭＥＧＡ２０とを接合する工程の一例である。
以上のように、枠部材４０を加熱しなくても、凸面４３１を押圧して曲部４３を変形することにより内周縁４２ｅを拡散層２２ｃに接触させてＭＥＧＡ２０と枠部材４０とを接合できる。このため、枠部材４０を加熱するための時間を削減でき、生産性の低下が抑制される。また、内周縁４２ｅと拡散層２２ｃとの隙間をなくして両者を接合できるため、電解質膜１１の耐久性を確保することができる。また、凸面４３１の裏側にある凹面４３２は、セパレータ３３ａの面から離間しているため、凸面４３１への押圧力が小さい場合であっても曲部４３を容易に変形でき、内周縁４２ｅを拡散層２２ｃに容易に接触させることができる。
また、上述したステップＳ２３の工程により、ステップＳ２４において凸面４３１を押圧する際に、枠部材４０の位置決めされた部位よりも内周縁４２ｅ側であって凸面４３１よりも外周縁４２ｆ側が支持台８０の上面８１から浮き上がることが抑制される。これにより、所望の形状で枠部材４０をＭＥＧＡ２０に接合することができる。
尚、図５Ａにおいて周縁領域１１ｅ上と拡散層２２ｃから突出した触媒層１２ｃの外周縁側とに塗布されていた接着剤５０は、ＭＥＧＡ２０が支持台８０の窪み部８３に収容された状態で塗布されてもよいし、窪み部８３に収容される前に塗布されてもよい。また、紫外線硬化性の接着剤５０の代わりに熱硬化性接着剤を用いる場合には、図６Ｂに示したように枠部材４０の内周縁４２ｅが拡散層２２ｃに接触した状態で、熱プレスにより枠部材４０とＭＥＧＡ２０とを接合してもよい。尚、枠部材４０をＭＥＧＡ２０に接合する熱硬化性接着剤の硬化温度は、枠部材４０の耐熱温度よりも低いものを用いる。
図１及び図２に示したように、完成後の単セル６０の曲部４３は、凸面４３１及び凹面４３２を維持したままの形状となっているが、これに限定されない。例えば、ＭＥＧＡ２０と枠部材４０との接合工程において、凸面４３１が押圧されて凸面４３１及び凹面４３２が平坦になった状態で枠部材４０の内周縁４２ｅが拡散層２２ｃに接触して、枠部材４０とＭＥＧＡ２０とが接合されていてもよい。また、図２においては、ガスケット４６及び４８のそれぞれよりも凸面４３１の高さが低いが、複数の単セル６０を積層した場合に、隣接する他の単セルのセパレータに凸面４３１が接触しない程度の高さに設定されていることが望ましい。また、凸面４３１の位置も同様に、隣接する他の単セルのセパレータに凸面４３１が接触しない位置に設けられていることが望ましい。
本実施例の枠部材４０には、略矩形状の内周縁４２ｅの２つの長辺のそれぞれに沿って曲部４３が形成されているが、内周縁４２ｅの少なくとも一つの辺に沿って曲部４３が形成されていればよく、内周縁４２ｅに沿って全周にわたって曲部４３が形成されていてもよい。また、本実施例では枠部材４０を位置決めピン８５により位置決めしたが、位置決めする部材の形状はピン状に限定されない。例えば、支持台に形成された壁部や突起部に、枠部材４０の外周縁４２ｆを当接させることにより枠部材４０を支持台上で位置決めしてもよい。また、ガスケット４６〜４８は、ＭＥＧＡ２０と枠部材４０との接合工程が完了した後に、枠部材４０に設けられてもよい。
図７Ａは、上記の接合方法を実現するシステム１００の説明図である。コントローラ２００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及びメモリを備えたマイクロコンピュータである。ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、メモリ等を備え、カメラ１１０、押圧機構１２０、及び押さえ機構１３０を制御する。押圧機構１２０、押さえ機構１３０は、コントローラ２００により昇降するように制御される。押さえ機構１３０を曲部４３と位置決めピン８５との間に降下させて曲部４３よりも外周縁４２ｆ側を支持台８０の上面８１に押さえる。次に、押圧機構１２０により凸面４３１を押圧する。カメラ１１０は、内周縁４２ｅと拡散層２２ｃとの隙間を撮像し、コントローラ２００は撮像画像に基づいて、隙間がゼロとなるように押圧機構１２０の押圧力を調整する。その後に接着剤５０を硬化させる。このようにカメラ１１０の撮像画像に基づいて押圧機構１２０による凸面４３１への押圧力を調整してもよい。
図７Ｂは、変形例のシステム１００ａの説明図である。尚、同一の構成については同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。押圧機構１２０ａは、ヒータ１２０ｈを内蔵している。押圧機構１２０ａが凸面４３１を押圧する際には、コントローラ２００ａにより押圧機構１２０ａが内蔵したヒータ１２０ｈにより凸面４３１を加熱しながら押圧する。これにより、凸面４３１への押圧力を解除した後の曲部４３での残留応力を低減でき、枠部材４０とＭＥＧＡ２０との接合後に、曲部４３での残留応力に起因して枠部材４０のＭＥＧＡ２０からの剥離や枠部材４０の反りの発生を抑制できる。尚、押圧機構１２０ａによる凸面４３１への押圧の際に凸面４３１に加えられる熱量は、凸面４３１が融解せずに曲部４３の変形が容易となる程度に軟化するように、枠部材４０の材料の融点未満で加熱してもよい。
ここで、樹脂製の枠部材４０の材料としては、特に限定されないが、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、シンジオタクチックポリスチレン（ＳＰＳ）、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）等を使用できる。それぞれの材料の融点は、ＰＰが１６０℃、ＰＥＮが２６５℃、ＰＥＴが２６０℃、ＰＰＳが２８０℃、ＳＰＳが２７０℃、ＣＯＣが２５０℃である。上述したように凸面４３１を加熱しながら押圧する場合には、上記の融点よりも低い温度で加熱することが好ましい。尚、融点以上で加熱する場合にも、短時間の加熱であれば枠部材４０が完全に融解することはなく、凸面４３１を比較的弱い力で押圧することにより、曲部４３を容易に変形させることができる。
次に、変形例の枠部材４０ａについて説明する。図８Ａは、変形例の枠部材４０ａの説明図である。尚、同一の構成は同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。枠部材４０ａの曲部４３ａは、電解質膜１１の周縁領域１１ｅ上に位置する。この場合においても、凸面４３１ａを押圧することにより、周縁領域１１ｅと拡散層２２ｃとを接触させて枠部材４０ａとＭＥＧＡ２０とを接合できる。尚、本変形例では、曲部４３ａは電解質膜１１上に位置するため、枠部材４０ａとＭＥＧＡ２０との接合は、紫外線硬化性の接着剤５０により行うことが望ましい。また、凸面４３１ａの位置及び高さは、完成後の単セルを積層させた場合にセパレータに接触しないことが望ましい。本変形例では、凹面４３２ａは電解質膜１１から離間しているが、これに限定されず、図示した凹面４３２ａの部位が平坦となって電解質膜１１に接触した状態であってもよい。
次に、変形例の枠部材４０ｂについて説明する。図８Ｂは、ＭＥＧＡ２０と接合された後の変形例の枠部材４０ｂを上方から見た部分拡大図である。枠部材４０ｂには、曲部４３ｂ１及び４３ｂ２と切欠部４５とが形成されている。曲部４３ｂ１は、内周縁４２ｅの長辺に沿って延びている。曲部４３ｂ２は、曲部４３ｂ１と略直交する方向に延び、内周縁４２ｅの短辺に沿って延びている。また、切欠部４５は、内周縁４２ｅに連続して曲部４３ｂ１及び４３ｂ２を分断するように形成されている。これにより、枠部材４０ｂとＭＥＧＡ２０との接合工程において曲部４３ｂ１及び４３ｂ２の一方を押圧した場合に、切欠部４５がその変形を吸収し、曲部４３ｂ１及び４３ｂ２の他方が変形することが抑制される。これにより、内周縁４２ｅの隣接する２つの辺を拡散層２２ｃの２つの辺にそれぞれ接触させて枠部材４０ｂとＭＥＧＡ２０とを接合させることができる。曲部４３ｂ１及び４３ｂ２は、内周縁４２ｅの互いに隣接する２つの辺のそれぞれに沿った第１及び第２曲部の一例である。
尚、切欠部４５は、電解質膜１１と重なっている領域内に形成されているため、カソードガスとアノードガスとが混合することは抑制されている。また、曲部４３ｂ１及び４３ｂ２は、図８Ａに示した枠部材４０ａと同様に電解質膜１１と重なっている。枠部材４０ｂをＭＥＧＡ２０の上に接着剤５０を介して配置した時点では、内周縁４２ｅの長辺と拡散層２２ｃとの隙間と、内周縁４２ｅの短辺と拡散層２２ｃとの隙間とは異なっている場合がある。このため、曲部４３ｂ１及び４３ｂ２をそれぞれ押圧するストロークや荷重を個別に制御することにより、内周縁４２ｅの隣接する２辺のそれぞれを拡散層２２ｃに接触させてもよい。
切欠部４５は図８Ｂに示した形状に限定されないが、電解質膜１１の耐久性を確保する観点から、切欠部４５から電解質膜１１が露出する面積は少ない方がよい。このため、例えば、曲部４３ｂ１及び曲部４３ｂ２の何れの凸面を押圧した場合であっても、切欠部４５を介して曲部４３ｂ１側の部分と曲部４３ｂ２側の部分とが接触しない程度に細い直線状であってもよい。また、ＭＥＡ１０の耐久性を確保する観点から、切欠部４５から露出した電解質膜１１上も接着剤５０で覆われていることが望ましい。
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
上記実施例では、図２に示したように内周縁４２ｅの一つの辺に沿って曲部４３が設けられているが、これに限定されず、例えば内周縁４２ｅの一つの辺に沿って２対以上の曲部４３が互いに略平行となるように形成されていてもよい。図８Ａに示した変形例でも同様である。
上記実施例でのＭＥＧＡ２０は、拡散層２２ｃの外周形状が拡散層２２ａの外周形状よりも小さく、触媒層１２ｃ及び拡散層２２ｃが電解質膜１１の周縁領域１１ｅを露出するように設けられている例を示したがこれに限定されない。例えば、アノード側拡散層の外周形状がカソード側拡散層の外周形状よりも小さく、アノード触媒層及びアノード側ガス拡散層が電解質膜の周縁領域を露出するように設けられているＭＥＧＡに対しても、上記実施例及び変形例の接合方法を採用してもよい。この場合も上記実施例と同様に、枠部材の凹面４３２が凹んだ側の面の内周縁４２ｅ側を、接着剤を介して周縁領域上に重ねた状態で、凸面４３１を押圧して内周縁４２ｅとアノード側ガス拡散層とを接触させて、接着剤を硬化させることによりＭＥＧＡと枠部材４０とを接合する。
１１ 電解質膜
１１ｅ 周縁領域
１１ｃ 中央領域
１２ｃ カソード側触媒層（第１触媒層）
１２ａ アノード側触媒層（第２触媒層）
２２ｃ カソード側ガス拡散層（第１ガス拡散層）
２２ａ アノード側ガス拡散層（第２ガス拡散層）
３３ｃ カソード側セパレータ
３３ａ アノード側セパレータ
４０ 枠部材
４３ 曲部
４３１ 凸面
４３２ 凹面
６０ 単セル
１１ｅ 周縁領域
１１ｃ 中央領域
１２ｃ カソード側触媒層（第１触媒層）
１２ａ アノード側触媒層（第２触媒層）
２２ｃ カソード側ガス拡散層（第１ガス拡散層）
２２ａ アノード側ガス拡散層（第２ガス拡散層）
３３ｃ カソード側セパレータ
３３ａ アノード側セパレータ
４０ 枠部材
４３ 曲部
４３１ 凸面
４３２ 凹面
６０ 単セル
Claims (6)
- 電解質膜、前記電解質膜の一方の面の周縁領域を露出するように前記電解質膜の一方の面に形成された第１触媒層、前記電解質膜の他方の面に形成された第２触媒層、前記周縁領域を露出するように前記第１触媒層に接合された第１ガス拡散層、及び前記第２触媒層に接合された第２ガス拡散層、を有する膜電極ガス拡散層接合体を準備する工程と、
前記電解質膜よりも大きい外周縁、前記電解質膜よりも小さく前記第１ガス拡散層よりも大きい内周縁、前記外周縁と前記内周縁との間にあって一方の面から突出した凸面と他方の面から凹んだ凹面とにより画定される曲部、を有する樹脂製の枠部材を準備する工程と、
接着剤を介して前記枠部材の前記他方の面の前記内周縁側を前記周縁領域に接触させた状態で、前記凸面を押圧して前記曲部を変形させることにより、前記枠部材の前記内周縁を前記第１ガス拡散層に接触させる工程と、
前記枠部材の前記内周縁が前記第１ガス拡散層に接触した状態で、前記接着剤により前記枠部材と前記膜電極ガス拡散層接合体とを接合する工程と、を備えた燃料電池の単セルの製造方法。 - 前記枠部材の前記内周縁を前記第１ガス拡散層に接触させる工程の前に、前記膜電極ガス拡散層接合体と、前記枠部材の前記曲部よりも前記外周縁側とを、支持台上に位置決めする工程を備えた、請求項１の燃料電池の単セルの製造方法。
- 前記枠部材の前記内周縁を前記第１ガス拡散層に接触させる工程の前に、前記枠部材の位置決めされた部位よりも前記内周縁側であって前記曲部よりも前記外周縁側を前記支持台側に押さえる工程を備えた、請求項２の燃料電池の単セルの製造方法。
- 前記枠部材の前記内周縁を前記第１ガス拡散層に接触させる工程では、前記曲部を加熱しながら前記凸面を押圧する、請求項１乃至３の何れかの燃料電池の単セルの製造方法。
- 前記枠部材の前記内周縁を前記第１ガス拡散層に接触させる工程では、前記枠部材の融点よりも低い温度で前記曲部を加熱しながら前記凸面を押圧する、請求項４の燃料電池の単セルの製造方法。
- 前記曲部は、前記内周縁の互いに隣接する第１及び第２辺のそれぞれに沿った第１及び第２曲部を含み、
前記枠部材は、前記内周縁に連続して前記第１及び第２曲部を分断した切欠部を有する、請求項１乃至５の何れかの燃料電池の単セルの製造方法。
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