JP2019096389A - Method of manufacturing fuel battery cell - Google Patents

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Abstract

To provide a method of manufacturing a fuel battery cell, preventing the elution of a radical scavenger (antioxidant) from a support frame and efficiently curing an adhesive so that adhesion (adhesive force) of the support frame can be ensured.SOLUTION: In a method of manufacturing a fuel battery cell, an adhesive later 12 is irradiated with ultraviolet rays while a support frame 11 is brought into close contact with a cooling plate 13 that suppresses a temperature rise of the support frame 11, and a membrane electrode assembly 4 is bonded to the support frame 11 via the adhesive layer 12 irradiated with ultraviolet rays.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、燃料電池セルの製造方法に関する。   The present invention relates to a method of manufacturing a fuel cell.

燃料電池(燃料電池スタックということもある)は、電解質膜をアノードとカソードとで挟んだものをセル(単電池)(燃料電池セルということもある)とし、セパレータを介して前記セルを複数個重ね合わせて(積層して)構成される。   In a fuel cell (sometimes referred to as a fuel cell stack), an electrolyte membrane sandwiched between an anode and a cathode is used as a cell (a single cell) (sometimes referred to as a fuel cell), and a plurality of the cells are separated via a separator. It is configured by overlapping (stacking).

例えば、固体高分子型燃料電池の燃料電池セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側触媒層(電極触媒層)およびカソード側触媒層(電極触媒層)とからなる膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を備えている。MEAの両側には、燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)が形成されている。GDLが両側に配置された膜電極接合体は、MEGA(Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly)と称され、MEGAは、一対のセパレータにより挟持されている。ここで、MEGAが燃料電池の発電部であり、ガス拡散層がない場合には、MEAが燃料電池の発電部となる。   For example, a fuel cell of a polymer electrolyte fuel cell comprises an ion permeable electrolyte membrane, and an anode catalyst layer (electrode catalyst layer) and a cathode catalyst layer (electrode catalyst layer) sandwiching the electrolyte membrane. A membrane electrode assembly (MEA: Membrane Electrode Assembly) is provided. On both sides of the MEA, a gas diffusion layer (GDL: Gas Diffusion Layer) is formed to provide fuel gas or oxidant gas and to collect electricity generated by the electrochemical reaction. The membrane electrode assembly in which GDLs are disposed on both sides is referred to as MEGA (Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly), and MEGA is sandwiched by a pair of separators. Here, the MEGA is a power generation unit of the fuel cell, and when there is no gas diffusion layer, the MEA is a power generation unit of the fuel cell.

前記した燃料電池に用いられる発電部としてのMEGAは、例えば、電解質膜と電極触媒層とで構成されるMEAの両面にGDLを積層する方法や、電解質膜の両面に電極触媒層とGDLとで構成されるガス拡散電極を積層する方法などを用いて作製されるが、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の保護や製造コストの削減を目的として、MEGAの外周において当該MEGAを支持する支持フレームを配置した支持フレーム付きのMEGA(以下、フレームMEGAという)が知られている(例えば、下記特許文献1、2参照)。このフレームMEGAにおいて、MEGAと支持フレームとは、接着剤を用いて接着されている。   The MEGA as a power generation unit used for the fuel cell described above has, for example, a method of laminating GDL on both sides of MEA composed of an electrolyte membrane and an electrode catalyst layer, or an electrode catalyst layer and GDL on both sides of the electrolyte membrane. Although manufactured using the method of laminating | stacking the gas diffusion electrode comprised, MEGA of such a structure is easy to be thin and bent. Therefore, for example, for the purpose of protection of MEGA and reduction of manufacturing cost, MEGA with a support frame (hereinafter referred to as a frame MEGA) in which a support frame supporting the MEGA is arranged around the MEGA is known (for example, See Patent Documents 1 and 2 below). In this frame MEGA, the MEGA and the support frame are bonded using an adhesive.

前記支持フレームは、通常、PP(ポリプロピレン、polypropylene)、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)などの熱可塑性樹脂からなる樹脂フレームで構成され、MEGAの周縁部に係止するような枠形状に形成されている。   The supporting frame is usually composed of a resin frame made of a thermoplastic resin such as PP (polypropylene, polypropylene), phenol resin, epoxy resin, PE (polyethylene, polyethylene), PET (polyethylene terephthalate, polyethylene terephthalate), MEGA It is formed in a frame shape that locks onto the peripheral edge of the frame.

また、前記接着剤としては、支持フレームの応力を抑えて、支持フレームの変形を抑制するために、硬化に加熱の必要がなく、所定波長の紫外線(UV)で硬化する紫外線硬化型の接着剤を用いることが提案されている。この紫外線硬化型の接着剤は、紫外線が当たるとラジカルが発生し、このラジカルを起点に硬化が進行することにより、MEGAと支持フレームとが接着される。   Further, as the adhesive, there is no need to heat for curing in order to suppress the stress of the support frame and suppress the deformation of the support frame, and an ultraviolet curing adhesive that cures with ultraviolet light (UV) of a predetermined wavelength It has been proposed to use In this UV-curable adhesive, radicals are generated when exposed to ultraviolet light, and curing proceeds from the radicals to bond the MEGA and the support frame.

特開2015−215958号公報JP, 2015-215958, A 特開2016−162652号公報JP, 2016-162652, A

ところで、前記フレームMEGAにおける支持フレーム(樹脂フレーム)は、耐久性を向上させるために酸化防止剤としてのラジカル捕捉剤が含まれている。また、前記支持フレームは、紫外線を吸収する性質もあるため、紫外線照射によって温度が上昇し、当該支持フレームからラジカル捕捉剤が溶出し、溶出したラジカル捕捉剤によって接着剤(紫外線硬化性を有する接着剤)の硬化が阻害され、支持フレームの接着性(接着力)が低下するおそれがある。   By the way, the support frame (resin frame) in the frame MEGA contains a radical scavenger as an antioxidant in order to improve the durability. Further, since the support frame also has a property of absorbing ultraviolet light, the temperature rises by ultraviolet irradiation, and the radical scavenger is eluted from the support frame, and the adhesive (adhesive having ultraviolet curing property) is eluted by the eluted radical scavenger. Curing of the agent) may be inhibited, and the adhesion (adhesive strength) of the support frame may be reduced.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、支持フレームからのラジカル捕捉剤(酸化防止剤)の溶出を防止し、接着剤を効率良く硬化させて、支持フレームの接着性(接着力)を確保することのできる燃料電池セルの製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and the object of the present invention is to prevent elution of a radical scavenger (antioxidant) from a support frame and to cure the adhesive efficiently to support the support. It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a fuel cell which can ensure the adhesion (adhesive force) of a frame.

前記課題を解決すべく、本発明による燃料電池セルの製造方法は、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にそれぞれ配置されたガス拡散層と、熱可塑性樹脂によって形成され、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を備えた燃料電池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ガス拡散層が配置され、前記膜電極接合体の他側面上にガス拡散層が配置されていない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他側面の外周縁部上に、ラジカル重合型の紫外線硬化性を有する接着剤からなる接着剤層を形成する工程と、前記支持フレームに該支持フレームの温度上昇を抑止する冷却プレートを密着させつつ、前記接着剤層に紫外線を照射し、紫外線が照射された前記接着剤層を介して前記膜電極接合体と前記支持フレームとを接着する工程とを含むことを特徴としている。   In order to solve the above problems, according to a method of manufacturing a fuel cell according to the present invention, a membrane electrode assembly in which electrode catalyst layers are formed on both sides of an electrolyte membrane and the membrane electrode assembly are disposed on both sides. What is claimed is: 1. A method of manufacturing a fuel cell comprising: a gas diffusion layer; and a support frame formed of a thermoplastic resin and supporting the membrane electrode assembly on the outer periphery of the membrane electrode assembly. Preparing a membrane electrode assembly in which a gas diffusion layer is disposed on one side surface and a gas diffusion layer is not disposed on the other side surface of the membrane electrode assembly; The step of forming an adhesive layer made of a radical polymerization type UV curable adhesive on the outer peripheral edge, and the adhesion while bringing a cooling plate in close contact with the support frame to suppress a temperature rise of the support frame Irradiating ultraviolet radiation to the layer, it is characterized in that through the adhesive layer with ultraviolet is irradiated and a step of bonding the said support frame and the membrane electrode assembly.

本発明によれば、紫外線硬化性の接着剤層を硬化させるための紫外線照射を行う際に、支持フレームに密着された冷却プレートによって支持フレームの温度上昇が抑止(阻害)されるため、支持フレームからラジカル捕捉剤(酸化防止剤)が溶出することを防ぐことができ、接着剤を効率良く硬化させることができ、支持フレームの接着性(接着力)を確保することができる。   According to the present invention, when performing the ultraviolet irradiation for curing the ultraviolet-curable adhesive layer, the temperature rise of the support frame is suppressed (inhibited) by the cooling plate in close contact with the support frame. Thus, the radical scavenger (antioxidant) can be prevented from eluting out, the adhesive can be cured efficiently, and the adhesiveness (adhesive force) of the support frame can be secured.

燃料電池セルを含む燃料電池スタックの要部断面図である。It is principal part sectional drawing of a fuel cell stack containing a fuel cell. 燃料電池セルを含む燃料電池スタックの要部拡大断面図である。It is a principal part expanded sectional view of a fuel cell stack containing a fuel cell. 燃料電池セルの製造工程の概略を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the outline of the manufacturing process of a fuel cell. 燃料電池セルの製造工程の概要を示す要部拡大断面図であり、(A)は準備工程、(B)は接着剤層形成工程、(C)は支持フレーム貼り合わせ工程、(D)はプレス工程、(E)は接着工程を示す図である。It is a principal part expanded sectional view showing the outline of the manufacturing process of a fuel cell, (A) is a preparatory process, (B) is an adhesive bond layer formation process, (C) is a support frame bonding process, (D) is a press. A process and (E) are figures showing an adhesion process. 支持フレームの温度と接着剤層の硬化度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the temperature of a support frame, and the hardening degree of an adhesive bond layer. 紫外線照射による支持フレームの温度を示す図である。It is a figure which shows the temperature of the support frame by ultraviolet irradiation.

以下、本発明の構成を図面に示す実施形態の一例に基づいて詳細に説明する。以下では、一例として、燃料電池車に搭載される燃料電池またはこれを含む燃料電池システムに本発明を適用した場合を例示して説明するが、適用範囲がこのような例に限られることはない。   Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on an example of an embodiment shown in the drawings. The following description exemplifies a case where the present invention is applied to a fuel cell mounted on a fuel cell vehicle or a fuel cell system including the same as an example, but the scope of application is not limited to such an example. .

[燃料電池セルを含む燃料電池スタックの構成]
図1は、燃料電池スタック(燃料電池)10の要部を断面視した図である。図1に示すように、燃料電池スタック10には、基本単位であるセル(単電池)1が複数積層されている。各セル1は、酸化剤ガス(例えば空気)と、燃料ガス(例えば水素)と、の電気化学反応により起電力を発生する固体高分子型燃料電池である。セル1は、MEGA2と、MEGA2を区画するように、MEGA2に接触するセパレータ(燃料電池用セパレータ)3とを備えている。なお、本実施形態では、MEGA2は、一対のセパレータ3、3により、挟持されている。
[Configuration of Fuel Cell Stack Including Fuel Cells]
FIG. 1 is a cross-sectional view of the main part of a fuel cell stack (fuel cell) 10. As shown in FIG. 1, in the fuel cell stack 10, a plurality of cells (unit cells) 1 which are basic units are stacked. Each cell 1 is a polymer electrolyte fuel cell that generates an electromotive force by an electrochemical reaction of an oxidant gas (for example, air) and a fuel gas (for example, hydrogen). The cell 1 includes the MEGA 2 and a separator (fuel cell separator) 3 in contact with the MEGA 2 so as to partition the MEGA 2. In the present embodiment, the MEGA 2 is sandwiched by the pair of separators 3, 3.

MEGA2は、膜電極接合体(MEA)4と、この両面に配置されたガス拡散層7、7とが、一体化されたものである。膜電極接合体4は、電解質膜5と、電解質膜5を挟むように接合された一対の電極触媒層6、6と、からなる。電解質膜5は、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜からなり、電極触媒層6は、たとえば、白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材により形成される。電解質膜5の一方側に配置された電極触媒層6がアノードとなり、他方側の電極触媒層6がカソードとなる。ガス拡散層7は、例えばカーボンペーパ若しくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体、または、金属メッシュ若しくは発泡金属等の金属多孔質体などのガス透過性を有する導電性部材によって形成される。   MEGA 2 is one in which a membrane electrode assembly (MEA) 4 and gas diffusion layers 7 disposed on both sides thereof are integrated. The membrane electrode assembly 4 includes an electrolyte membrane 5 and a pair of electrode catalyst layers 6 and 6 joined so as to sandwich the electrolyte membrane 5. The electrolyte membrane 5 is formed of a proton conductive ion exchange membrane formed of a solid polymer material, and the electrode catalyst layer 6 is formed of, for example, a porous carbon material supporting a catalyst such as platinum. The electrode catalyst layer 6 disposed on one side of the electrolyte membrane 5 is an anode, and the electrode catalyst layer 6 on the other side is a cathode. The gas diffusion layer 7 is formed of a conductive member having gas permeability such as a carbon porous body such as carbon paper or carbon cloth, or a metal porous body such as a metal mesh or a foam metal.

本実施形態では、MEGA2が、燃料電池10の発電部であり、セパレータ3は、MEGA2のガス拡散層7に接触している。また、ガス拡散層7が省略されている場合には、膜電極接合体4が発電部であり、この場合には、セパレータ3は、膜電極接合体4に接触している。したがって、燃料電池10の発電部は、膜電極接合体4を含むものであり、セパレータ3に接触する。   In the present embodiment, the MEGA 2 is a power generation unit of the fuel cell 10, and the separator 3 is in contact with the gas diffusion layer 7 of the MEGA 2. When the gas diffusion layer 7 is omitted, the membrane electrode assembly 4 is a power generation unit, and in this case, the separator 3 is in contact with the membrane electrode assembly 4. Therefore, the power generation unit of the fuel cell 10 includes the membrane electrode assembly 4 and is in contact with the separator 3.

セパレータ3は、導電性やガス不透過性などに優れた金属(例えば、SUS、チタン、アルミ、銅、ニッケル等の金属)を基材とする板状の部材であって、その一面側がMEGA2のガス拡散層7と当接し、他面側が隣接する他のセパレータ3の他面側と当接している。   The separator 3 is a plate-like member whose base material is a metal excellent in conductivity, gas impermeability, etc. (for example, a metal such as SUS, titanium, aluminum, copper, nickel, etc.), one side of which is MEGA 2 It is in contact with the gas diffusion layer 7, and the other surface side is in contact with the other surface side of the other adjacent separator 3.

本実施形態では、各セパレータ3は、(断面形状が)波形状ないし凹凸状に形成されている。セパレータ3の形状は、波の形状が等脚台形をなし、かつ波の頂部がほぼ平坦で、この頂部の両端が等しい角度をなして角張っている。つまり、各セパレータ3は、表側から見ても裏側から見ても、ほぼ同じ形状である。MEGA2の一方のガス拡散層7には、セパレータ3の頂部が面接触し、MEGA2の他方のガス拡散層7には、セパレータ3の頂部が面接触している。   In the present embodiment, each separator 3 is formed in a wave shape or a concavo-convex shape (in cross section). The shape of the separator 3 is an isosceles trapezoidal wave, and the top of the wave is almost flat, and both ends of the top are angular at equal angles. That is, the respective separators 3 have substantially the same shape as viewed from the front side or viewed from the back side. The top of the separator 3 is in surface contact with one gas diffusion layer 7 of the MEGA 2, and the top of the separator 3 is in surface contact with the other gas diffusion layer 7 of the MEGA 2.

一方の電極触媒層(すなわちアノード)6側のガス拡散層7とセパレータ3との間に画成されるガス流路21は、燃料ガスが流通する流路であり、他方の電極触媒層(すなわちカソード)6側のガス拡散層7とセパレータ3との間に画成されるガス流路22は、酸化剤ガスが流通する流路である。セル1を介して対向する一方のガス流路21に燃料ガスが供給され、ガス流路22に酸化剤ガスが供給されると、セル1内で電気化学反応が生じて起電力が生じる。   The gas flow path 21 defined between the gas diffusion layer 7 on one electrode catalyst layer (ie anode) 6 side and the separator 3 is a flow passage through which the fuel gas flows, and the other electrode catalyst layer (ie The gas flow path 22 defined between the gas diffusion layer 7 on the cathode 6 side and the separator 3 is a flow path through which the oxidant gas flows. When the fuel gas is supplied to one of the opposing gas flow paths 21 via the cell 1 and the oxidant gas is supplied to the gas flow path 22, an electrochemical reaction occurs in the cell 1 to generate an electromotive force.

さらに、あるセル1と、それに隣接するもうひとつのセル1とは、アノードとなる電極触媒層6とカソードとなる電極触媒層6とを向き合わせて配置されている。また、あるセル1のアノードとなる電極触媒層6に沿って配置されたセパレータ3の背面側の頂部と、もうひとつのセル1のカソードとなる電極触媒層6に沿って配置されたセパレータ3の背面側の頂部とが、面接触している。隣接する2つのセル1間で面接触するセパレータ3、3の間に画成される空間23には、セル1を冷却する冷媒としての水が流通する。   Further, one cell 1 and another cell 1 adjacent thereto are disposed such that the electrode catalyst layer 6 serving as the anode and the electrode catalyst layer 6 serving as the cathode face each other. Also, the top of the back side of the separator 3 disposed along the electrode catalyst layer 6 serving as the anode of one cell 1 and the separator 3 disposed along the electrode catalyst layer 6 serving as the cathode of another cell 1 The top of the back side is in surface contact. Water as a refrigerant for cooling the cells 1 flows in a space 23 defined between the separators 3 and 3 in surface contact between two adjacent cells 1.

また、前記した燃料電池10を構成する各セル1には、図2に示すように、MEGA2の外周において当該MEGA2を支持する支持フレーム11が配置され、MEGA2と支持フレーム11とが、樹脂からなる接着剤で構成される接着剤層12を介して接着されている(フレームMEGA9)。   Further, as shown in FIG. 2, in each cell 1 constituting the fuel cell 10 described above, a support frame 11 for supporting the MEGA 2 is disposed on the outer periphery of the MEGA 2, and the MEGA 2 and the support frame 11 are made of resin. It adheres through the adhesive layer 12 comprised with an adhesive agent (frame MEGA9).

接着剤層12を構成する接着剤は、ラジカル重合性樹脂を用いた紫外線(UV)硬化型の接着剤であり、所定波長の紫外線照射によって硬化する性質を有する。ラジカル重合性樹脂を用いた紫外線硬化型の接着剤としては、例えば、UV硬化ポリイソブチレン系樹脂の接着剤、UV硬化エポキシ系樹脂の接着剤、UV硬化アクリル系樹脂の接着剤などが挙げられる。接着剤層12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、ディスペンサを用いて塗布する方法などが挙げられ、これらの方法によって、当該接着剤層12(接着剤)が、MEGA2の膜電極接合体4の外周縁部上に形成される。   The adhesive constituting the adhesive layer 12 is an ultraviolet (UV) curable adhesive using a radical polymerizable resin, and has a property of being cured by ultraviolet irradiation of a predetermined wavelength. Examples of the UV-curable adhesive using a radically polymerizable resin include an adhesive of a UV-curable polyisobutylene resin, an adhesive of a UV-curable epoxy resin, and an adhesive of a UV-curable acrylic resin. The application method of the adhesive for the adhesive layer 12 includes, for example, a screen printing method, a method of applying using a dispenser, and the like, and by these methods, the adhesive layer 12 (adhesive) is MEGA 2 The membrane electrode assembly 4 is formed on the outer peripheral edge portion thereof.

支持フレーム11は、例えば、PP(ポリプロピレン、polypropylene)、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)などの熱可塑性樹脂からなる樹脂フレームで構成され、MEGA2の周縁部に係止するような枠形状に形成されている。この支持フレーム11は、膜電極接合体4上に配置されるガス拡散層7(図示例では、カソードガス拡散層7)の外周部分との間に隙間を持って(言い換えれば、ガス拡散層7と離間して)接着剤層12上に配置される。   The support frame 11 is made of, for example, a resin frame made of a thermoplastic resin such as PP (polypropylene, polypropylene), phenol resin, epoxy resin, PE (polyethylene, polyethylene), PET (polyethylene terephthalate, polyethylene terephthalate), MEGA 2 It is formed in a frame shape that locks onto the peripheral edge of the frame. The support frame 11 has a gap with the outer peripheral portion of the gas diffusion layer 7 (the cathode gas diffusion layer 7 in the illustrated example) disposed on the membrane electrode assembly 4 (in other words, the gas diffusion layer 7 And spaced apart) on the adhesive layer 12).

前記接着剤層12に所定波長の紫外線を照射し、紫外線が照射された接着剤層12が硬化することにより、当該接着剤層12を介してMEGA2と支持フレーム11とが接着される。このとき、本実施形態では、石英ガラスなどで構成される冷却プレートを用いて、紫外線照射による支持フレーム11の温度上昇を抑止しながら、MEGA2と支持フレーム11とが接着される(後で詳述)。   The adhesive layer 12 is irradiated with ultraviolet light of a predetermined wavelength, and the adhesive layer 12 irradiated with the ultraviolet light is cured, whereby the MEGA 2 and the support frame 11 are bonded via the adhesive layer 12. At this time, in the present embodiment, the MEGA 2 and the support frame 11 are bonded while suppressing the temperature rise of the support frame 11 due to the ultraviolet irradiation using a cooling plate made of quartz glass or the like (described in detail later) ).

また、支持フレーム11(の両面)には、酢酸ビニル系樹脂、ポリビニルアルコール系樹脂、エチレン酢酸ビニル系樹脂、塩化ビニル系樹脂、アクリル系樹脂、ポリアミド系樹脂、セルロース系樹脂、ポリビニルピロリドン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、シアノアクリレート系樹脂、ポリビニルアセタール系樹脂などの熱可塑性樹脂からなる接着剤で構成される接着層(不図示)が形成されている。支持フレーム11を加熱して前記接着層を溶融させるとともに、支持フレーム11を冷却して前記接着層を固化させることにより、この支持フレーム11と、MEGA2を挟持する両セパレータ3、3等とが接着されて固定される。   Further, (both surfaces of) the support frame 11 are vinyl acetate resin, polyvinyl alcohol resin, ethylene vinyl acetate resin, vinyl chloride resin, acrylic resin, polyamide resin, cellulose resin, polyvinyl pyrrolidone resin, An adhesive layer (not shown) composed of an adhesive made of a thermoplastic resin such as a polystyrene resin, a cyanoacrylate resin, or a polyvinyl acetal resin is formed. The support frame 11 is heated to melt the adhesive layer, and the support frame 11 is cooled to solidify the adhesive layer, whereby the support frame 11 and the both separators 3, 3 and the like holding the MEGA 2 adhere to each other. Being fixed.

[燃料電池セルの製造工程]
次に、前記したフレームMEGA9を用いたセル(燃料電池セル)1の製造方法について説明する。図3は、燃料電池セルの製造工程の概略を示したフロー図である。
[Fuel cell manufacturing process]
Next, a method of manufacturing the cell (fuel cell) 1 using the above-mentioned frame MEGA 9 will be described. FIG. 3 is a flow diagram schematically showing a manufacturing process of the fuel cell.

前記セル1を製造するに当たり、図3に示すように、まず、一側面(下面)4a上にガス拡散層7(図示例では、アノードガス拡散層7)が配置され、他側面(上面)4b上にガス拡散層(図示例では、カソードガス拡散層7)が配置されていない(つまり、他側面4bが露出した)膜電極接合体4を準備する(S11:準備工程)(図4(A)参照)。なお、アノードガス拡散層7と膜電極接合体4とは、例えば加熱プレス工程などによって予め接合されている。   In manufacturing the cell 1, as shown in FIG. 3, first, the gas diffusion layer 7 (the anode gas diffusion layer 7 in the illustrated example) is disposed on one side surface (lower surface) 4a, and the other side surface (upper surface) 4b A membrane / electrode assembly 4 is prepared on which the gas diffusion layer (in the illustrated example, the cathode gas diffusion layer 7) is not disposed (that is, the other side surface 4b is exposed) (S11: preparation step) (FIG. 4 (A) )reference). The anode gas diffusion layer 7 and the membrane electrode assembly 4 are bonded in advance by, for example, a heating press process.

次に、膜電極接合体4の他側面4bの外周縁部上に、前述したラジカル重合型の紫外線硬化性を有する接着剤を塗布して接着剤層12を形成する(S12:接着剤層形成工程)(図4(B)参照)。   Next, on the outer peripheral edge of the other side surface 4b of the membrane electrode assembly 4, the above-mentioned radical polymerization type UV curable adhesive is applied to form the adhesive layer 12 (S12: adhesive layer formation Step) (see FIG. 4 (B)).

次に、接着剤層12上に支持フレーム11を配置して貼り合わせるとともに(S13:支持フレーム貼り合わせ工程)(図4(C)参照)、プレス機20にて膜電極接合体4に対して支持フレーム11を所定圧で押し付けて、接着剤層12中の脱気を行う(S14:プレス工程)(図4(D)参照)。   Next, the support frame 11 is disposed on and bonded to the adhesive layer 12 (S13: support frame bonding step) (see FIG. 4C), and the membrane electrode assembly 4 is processed by the press 20. The support frame 11 is pressed at a predetermined pressure to degas the adhesive layer 12 (S14: pressing step) (see FIG. 4D).

次に、例えば上側から(つまり、冷却プレート13および支持フレーム11を透過させるようにして)接着剤層12へ向けて所定波長の紫外線を照射する。これにより、紫外線照射された接着剤層12が硬化し、膜電極接合体4と支持フレーム11とが接着される(S15:接着工程)(図4(E)参照)。本実施形態では、この紫外線照射に際して、例えば石英ガラスなどで構成される冷却プレート13を支持フレーム11(例えば、その接着剤層12側とは反対側の表面)に密着させる(詳しくは、押し付ける)ことにより、紫外線照射による支持フレーム11の温度上昇を抑止する。   Next, for example, ultraviolet rays of a predetermined wavelength are irradiated toward the adhesive layer 12 from the upper side (that is, as the cooling plate 13 and the support frame 11 are transmitted). Thereby, the adhesive layer 12 irradiated with ultraviolet rays is cured, and the membrane electrode assembly 4 and the support frame 11 are bonded (S15: bonding step) (see FIG. 4E). In the present embodiment, the cooling plate 13 made of, for example, quartz glass is brought into close contact with the support frame 11 (for example, the surface opposite to the adhesive layer 12 side) in the ultraviolet irradiation (detailedly pressed) Thus, the temperature rise of the support frame 11 due to the ultraviolet irradiation is suppressed.

ここで、支持フレーム11や接着剤層12の材料などにも依るが、例えば、支持フレーム11は、約135℃以下で形状を維持できるとともに、約70℃以下で接着剤層12の硬化度を85%以上確保できることが確認されている(図5参照)。   Here, although depending on the materials of the support frame 11 and the adhesive layer 12, etc., for example, the support frame 11 can maintain its shape at about 135 ° C. or less, and the curing degree of the adhesive layer 12 at about 70 ° C. or less It has been confirmed that 85% or more can be secured (see FIG. 5).

前記した接着工程(S15)において、紫外線の照射条件(例えば、紫外線の照射強度、照射時間など)は、接着剤層12の材料などにより適宜に選択されるが、例えば、照射強度1300mW/cm2で2秒間照射した場合、冷却プレート13を用いない従来方法では、支持フレーム11の温度が100℃程度まで上昇するが、冷却プレート13を用いた場合では、支持フレーム11の温度(上昇)が30℃程度まで抑えられることが確認されている。なお、冷却プレート13を用いずに照射強度を制御し、照射強度700mW/cm2で2秒間照射した場合にも、支持フレーム11の温度(上昇)は30℃程度まで抑えられることが確認されている(図6参照)。 In the bonding step (S15) described above, the irradiation conditions of ultraviolet rays (for example, irradiation intensity of ultraviolet rays, irradiation time, etc.) are appropriately selected depending on the material of the adhesive layer 12, etc. For example, irradiation intensity 1300 mW / cm 2 In the conventional method in which the cooling plate 13 is not used, the temperature of the support frame 11 rises to about 100 ° C., but when the cooling plate 13 is used, the temperature (rise) of the support frame 11 is 30%. It has been confirmed that the temperature can be reduced to about ° C. In addition, it is confirmed that the temperature (rise) of the support frame 11 can be suppressed to about 30 ° C. even when the irradiation intensity is controlled without using the cooling plate 13 and the irradiation intensity is 700 mW / cm 2 for 2 seconds. (See Figure 6).

そのため、前記した接着工程(S15)において、冷却プレート13を用いることにより、支持フレーム11からのラジカル捕捉剤(酸化防止剤)の溶出を抑制して、接着剤層12の硬化度を確保することができる。   Therefore, by using the cooling plate 13 in the aforementioned bonding step (S15), the elution of the radical scavenger (antioxidant) from the support frame 11 is suppressed, and the curing degree of the adhesive layer 12 is secured. Can.

前述した接着工程(S15)の後、膜電極接合体4の他側面(上面)4b上にガス拡散層(カソードガス拡散層7)を配置して貼り合わせる(S16:GDL貼り合わせ工程)。なお、カソードガス拡散層7と膜電極接合体4とは、例えば加熱プレス工程などによって接合される。   After the adhesion step (S15) described above, the gas diffusion layer (cathode gas diffusion layer 7) is disposed and bonded onto the other side surface (upper surface) 4b of the membrane electrode assembly 4 (S16: GDL bonding step). The cathode gas diffusion layer 7 and the membrane electrode assembly 4 are joined, for example, by a heating press process or the like.

これにより、支持フレーム11付きのMEGA2(フレームMEGA9)が作製される。   Thereby, MEGA 2 (frame MEGA 9) with the support frame 11 is produced.

次に、両側面上にガス拡散層7、7が配置された膜電極接合体4および支持フレーム11(フレームMEGA9)の両側面上に、集電板として機能するセパレータ3、3を配置するとともに、セパレータ3、3間を絶縁するとともにセル1内を封止するためのシール部材(図示省略)を配置し、それらを当該セパレータ3、3で挟み込む(S17:セパレータ挟持工程)。   Next, on both sides of the membrane electrode assembly 4 in which the gas diffusion layers 7, 7 are arranged on both sides and the support frame 11 (frame MEGA 9), the separators 3 and 3 functioning as current collectors are arranged. A sealing member (not shown) for insulating the separators 3 and 3 and sealing the inside of the cell 1 is disposed, and they are sandwiched between the separators 3 and 3 (S17: separator holding step).

そして、前記したセパレータ3、3等を加圧しながら、支持フレーム11を加熱し、支持フレーム11の両面の接着層を溶融させるとともに(S18:加熱プレス工程)、支持フレーム11を冷却して前記接着層を固化させる(S19:冷却プレス工程)。   Then, while pressing the separators 3, 3 and the like, the support frame 11 is heated to melt the adhesive layers on both sides of the support frame 11 (S18: heating and pressing process), and the support frame 11 is cooled to perform the bonding. The layer is solidified (S19: cooling press step).

これにより、支持フレーム11と両セパレータ3、3等とが接着されて固定され、膜電極接合体4、ガス拡散層7、7、支持フレーム11、セパレータ3、3等が一体化されて、フレームMEGA9を用いたセル(燃料電池セル)1の組み立てが完了する。   Thereby, the support frame 11 and the both separators 3, 3 are adhered and fixed, and the membrane electrode assembly 4, the gas diffusion layers 7, 7, the support frame 11, the separators 3, 3 etc. The assembly of the cell (fuel cell) 1 using the MEGA 9 is completed.

以上で説明したように、本実施形態では、紫外線硬化性の接着剤層12を硬化させるための紫外線照射を行う際に、支持フレーム11に密着された冷却プレート13によって支持フレーム11の温度上昇が抑止(阻害)されるため、支持フレーム11からラジカル捕捉剤(酸化防止剤)が溶出することを防ぐことができ、接着剤を効率良く硬化させることができ、支持フレーム11の接着性(接着力)を確保することができる。   As described above, in the present embodiment, when performing the ultraviolet irradiation for curing the ultraviolet curable adhesive layer 12, the temperature rise of the support frame 11 is caused by the cooling plate 13 in close contact with the support frame 11. Since it is inhibited (inhibited), elution of the radical scavenger (antioxidant) from the support frame 11 can be prevented, the adhesive can be cured efficiently, and the adhesiveness (adhesion force of the support frame 11) ) Can be secured.

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。   As mentioned above, although the embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to this embodiment, and there are design changes and the like within the scope of the present invention. Also, they are included in the present invention.

1…燃料電池セル(セル)、2…MEGA、3…セパレータ、4…膜電極接合体(MEA)、4a…膜電極接合体の一側面、4…膜電極接合体の他側面、5…電解質膜、6…電極触媒層、7…ガス拡散層、9…フレームMEGA、10…燃料電池スタック(燃料電池)、11…支持フレーム、12…接着剤層、13…冷却プレート、21,22…ガス流路、23…水が流通する空間 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... fuel cell (cell), 2 ... MEGA, 3 ... separator, 4 ... membrane electrode assembly (MEA), 4 a ... one side of membrane electrode assembly, 4 ... other side of membrane electrode assembly, 5 ... electrolyte Membrane, 6: Electrode catalyst layer, 7: Gas diffusion layer, 9: Frame MEGA, 10: Fuel cell stack (fuel cell), 11: Support frame, 12: Adhesive layer, 13: Cooling plate, 21, 22: Gas Flow path, 23 ... Space where water flows

Claims (1)

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にそれぞれ配置されたガス拡散層と、
熱可塑性樹脂によって形成され、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を備えた燃料電池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ガス拡散層が配置され、前記膜電極接合体の他側面上にガス拡散層が配置されていない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他側面の外周縁部上に、ラジカル重合型の紫外線硬化性を有する接着剤からなる接着剤層を形成する工程と、
前記支持フレームに該支持フレームの温度上昇を抑止する冷却プレートを密着させつつ、前記接着剤層に紫外線を照射し、紫外線が照射された前記接着剤層を介して前記膜電極接合体と前記支持フレームとを接着する工程とを含む燃料電池セルの製造方法。
A membrane electrode assembly in which electrode catalyst layers are respectively formed on both sides of an electrolyte membrane,
Gas diffusion layers respectively disposed on both sides of the membrane electrode assembly;
What is claimed is: 1. A method of manufacturing a fuel cell comprising: a support frame formed of a thermoplastic resin and supporting the membrane electrode assembly on the outer periphery of the membrane electrode assembly,
Preparing the membrane electrode assembly in which the gas diffusion layer is disposed on one side surface of the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer is not disposed on the other side surface of the membrane electrode assembly;
Forming an adhesive layer made of a radical polymerization type UV curable adhesive on the outer peripheral edge of the other side surface of the membrane electrode assembly;
The adhesive layer is irradiated with ultraviolet light while the cooling plate for suppressing temperature rise of the support frame is in close contact with the support frame, and the membrane electrode assembly and the support are supported via the adhesive layer irradiated with ultraviolet light. And a step of bonding with a frame.
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