JP4869238B2 - Ｐｅｍ燃料電池用のユニット化された電極集合体の製造 - Google Patents

Description

本発明は、車両または他の機械類に電力を供給するための電気を発生するための燃料電池に関する。より詳細には、本発明は、燃料電池内のユニット化された電極集合体（ＵＥＡ）の公差および性能を改善するためのＵＥＡの新規な製造プロセスに関する。

燃料電池用の膜電極集合体（ＭＥＡ）は、両側を触媒層で被覆されるイオノマー膜を含む。ガス拡散媒体（ＧＤＭ）層は、それぞれの触媒層に対して取り付けられているか、または隣接する。燃料電池では、反応ガスおよび副産物ガスを流すために、流路チャンネルを有するバイポーラ板が各ＧＤＭ層に対して隣接する。

多くの理由で、ユニット化された電極集合体（ＵＥＡ）として既知の、単一の構成要素へと、ガス拡散媒体（ＧＤＭ）層に触媒層およびＭＥＡのイオノマー膜を一体化するのが好ましい。ＧＤＭ層がＭＥＡに取り付けられるので、いくつかの基準が満たされなければならない。第１に、取付けプロセスは、イオノマー膜または触媒の特性を変質させてはならない。このことは、ボンディングの温度と圧力の精密な制御を必要とする。

第２に、取付けプロセスは、ＧＤＭ層の特性を変質させてはならない。このことは、ＧＤＭに加えられる圧力の大きさなどの取付けプロセスパラメータの精密な制御と同様に、ＧＤＭのへこみ、引っ掻き傷、裂け目など大きな過誤の回避も必要とする。第３に、ＧＤＭと各触媒層の間の境界面は、取付けプロセスの影響を受けないままでなければならない。

第４に、ＭＥＡにＧＤＭを取り付けるために接着剤が使用されるのであれば、接着剤がＧＤＭの性能に悪影響を及ぼしてはならない。第５に、ＧＤＭは、取付けの間中ＭＥＡに対して正確に位置決めされなければならない。取付けプロセスが、ぎりぎりの公差しかできなければ、ＵＥＡは、燃料電池の寸法が全体的に増加する原因となるであろう。そのうえ、ＧＤＭの配置における大きな公差に関連した性能および安定性の問題がある。

ＧＤＭに接着剤を付けることに関係するいくつかの重要な問題がある。そのような位置決めが燃料電池の性能、寸法および耐久性に影響し得るので、これらの問題のうちの１つは、ＧＤＭ上の接着剤の精密な位置決めを促進することの必要性である。もう１つの重要な問題は、ＭＥＡの圧縮またはＭＥＡの作用領域における局部的な応力集中が回避されるように、最小限の厚さを有する接着剤の層を設ける必要性を含んでいる。その上、接着剤は燃料電池環境に適合しなければならず、ＭＥＡまたはＧＤＭにいかなる汚染も持ち込んではならない。

したがって、前述の基準を満たし、向上した公差および性能によって特徴づけられるＵＥＡを燃料電池にもたらすＵＥＡ製造プロセスが必要とされている。

本発明は、一般に、燃料電池内のＵＥＡの公差および性能を改善するための、ユニット化された電極集合体（ＵＥＡ）の新規な製造プロセスを対象とする。製造プロセスは、シルクスクリーン印刷または他の印刷方式を使用してガス拡散媒体（ＧＤＭ）に接着剤を正確に付けるステップと、膜電極集合体（ＭＥＡ）に対してＧＤＭを正確に配置するステップと、過大な温度または圧力を使用せずにＭＥＡ上にＧＤＭを軽く押しつけるステップとを含む。

次に、本発明が、添付図面を参照しながら例として説明されるであろう。

本発明は、燃料電池内の改善された公差および性能によって特徴づけられる、新規なユニット化された電極集合体（ＵＥＡ）をもたらすＵＥＡ製造プロセスを企図する。本発明のＵＥＡ製造プロセスによれば、接着剤は、シルクスクリーン印刷または他の印刷方式を使用して、ガス拡散媒体（ＧＤＭ）上に印刷される。次いで、ＧＤＭは、膜電極集合体（ＭＥＡ）に対して正確に配置され、次に、過大な温度または圧力を使用せずにＭＥＡの上に軽く押しつけられる。ＵＥＡ製造プロセスは、連続工程型の大量生産に適用可能であるが、バッチプロセスとして行われ得る。

ＵＥＡ製造プロセスは、クリーンルーム環境内で行われる。全プロセスにおいて、ダスト、汚れ、金属削り屑、繊維などは、ＭＥＡまたはＧＤＭと接触するのを妨げられなければならない。プロセスの間、ＭＥＡまたはＧＤＭ上に存在するどんな異物も、ＵＥＡ組立に先立って除去されなければならない。

図２Ａ〜図２Ｃと共に図１の流れ図を参照すると、図１のステップ１に示されるように、ＵＥＡ製造プロセスは、ＧＤＭを所望の寸法に正確に切断することにより開始される。切断ステップによって、以下に説明される後段のプロセスステップで、ＧＤＭ上の接着剤の精密な位置決めが容易になるであろう。切断プロセスが、ＧＤＭからの切断される微粒子異物を環境へ持ち込むので、好ましくは、切断ステップはクリーンルーム環境の外部で実行される。次いで、切断されたＧＤＭは、付着した異物をそこから除去するために、一般に空気流にさらされる。

例えば、図１のステップ２に示されるように、また図２Ａに示されるように、ＧＤＭ １８は、次にシルクスクリーンプリンタの固定具２６内に配置される。固定具２６は、ＧＤＭ １８に接着剤１９を正確に付けるために、プリンタ内にＧＤＭ １８を適切に配置する。次に、シルクスクリーンプリンタは、一般にＧＤＭ １８のエッジに沿って正確に制御されたパターンで、ＧＤＭ １８に接着剤１９の薄層を与える（ステップ３）。スクリーンのメッシュサイズは、ＧＤＭ １８上の接着剤１９の厚さおよび分布を制御するのに使用される設計パラメータである。好ましくは、接着剤１９は、空隙または過度の厚さなしで、ＧＤＭ １８の所望の領域内に一様に分配される。接着剤１９の厚さは、２５μｍを超えるべきではない。

接着剤を付けるステップは、シルクスクリーンプリンタを使用して、バッチ印刷プロセスとして前述のように行われてよい。しかし、接着剤を付けるステップは、シルクスクリーン印刷またはバッチ印刷に限定されないことを理解されたい。接着剤１９は、例えば、連続プロセス印刷および転写プロセスを含むがこれらには限定されない当業者に既知の様々な技術を使用して、正確に制御されたパターンで、ＧＤＭ １８に付けられ得る。

接着剤１９がＧＤＭ １８に付けられた後、ＧＤＭ １８は、シルクスクリーンプリンタの固定具２６から除去され、図２Ｂに示され、また図１のステップ４に示されるように、組立体固定具２０に配置される。両面を触媒層１６で被覆されたイオノマー膜１４を有するＭＥＡ １２も、組立体固定具２０内に配置される。精密な基準点を使用して、ＧＤＭ １８は、組立体固定具２０の、真空支持２２上に配置され、ＭＥＡ １２は、真空支持２２とは離隔された真空支持２４上に配置される（図１のステップ５）。一旦、ＧＤＭ １８が真空支持２２上に正確に配置され、ＭＥＡ １２が真空支持２４上に正確に配置されると、真空支持２２および２４によって真空圧が与えられ、それぞれＧＤＭ １８およびＭＥＡ １２を適所に保持する。組立体固定具２０では、以前にステップ３でＧＤＭ １８に付けられた接着剤１９は、ＧＤＭ １８が取り付けられることになっているＭＥＡ １２上の触媒層１６と対面する。

組立体固定具２０内のＧＤＭ １８およびＭＥＡ １２の正確な配置には、クリーンルームの温度および湿度の制御が必要である。ＭＥＡ １２の寸法は周囲の湿度と温度の関数として変化するであろう。したがって、クリーンルーム環境内の湿度または温度が過度のレベルであると、ＭＥＡ １２に対してＧＤＭ １８を狭い公差内に整合させることが不可能になるであろう。ＵＥＡ製造プロセスのこのステップの間にクリーンルーム環境に許容できる温度および湿度の範囲は、使用されるＧＤＭおよびＭＥＡの特定のタイプに依存することになる。ＵＥＡ製造プロセスに最適の周囲湿度および周囲温度のレベルは、相対湿度約４２±７％および約２１±２°Ｃである。さらに、様々なタイプのＧＤＭ １８がガス透過度のばらつきを示し、したがって、それらを適所に保持するためには様々な大きさの真空圧が必要なので、組立体固定具２０によってＧＤＭ １８に加えられる真空圧の大きさは、ＧＤＭ １８の特性に従って調節されなければならない。

ＭＥＡ １２内のイオノマー膜１４の脆弱性により、組立体固定具２０内のＭＥＡ １２の位置決めの間は、イオノマー膜１４の作用領域に真空圧が加えられるべきではない。そうでないと、膜１４は、触媒層１６にしわを寄せるか折り目を付ける傾向がある。したがって、ＭＥＡ １２の構成に基づいて、真空支持２４によってＭＥＡ １２に対して加えられる真空圧の大きさだけでなく、ＭＥＡ １２に対する真空支持２４内の真空開口（図示せず）の位置も調節する必要がある。

ＧＤＭ １８およびＭＥＡ １２が組立体取付具２０内で正確に整合された後、図２Ｃに示され、また図１のステップ６に示されるように、組立体取付具２０の動作によってＭＥＡ １２上にＧＤＭ １８を押しつけることによりＵＥＡ １０が形成される。ツーリング次第で、このステップは連続プロセスで、または部分ごとに行うことを基本として、行われ得る。この押しつけ付着ステップを適切に実行するには、３つの重要な制御が必要である。第１に、組立体取付具２０によってＧＤＭ １８およびＭＥＡ １２にそれぞれ及ぼされる真空圧の大きさは、押しつけステップで適切に時間を調節されなければならない。好ましくは、真空のタイミングおよび押しつけのドウェル時間の両方でより優れたプロセス制御を実現するために自動制御が用いられる。真空のタイミングおよび押しつけのドウェル時間を自動制御すると、適切な時に、ＵＥＡとその構成要素が、あるプロセスステップから次のプロセスステップに確実に移管されることになる。手動制御が用いられると、ヒューマンエラーによって真空圧の遮断が時期尚早となり、ＵＥＡがＧＤＭの位置の問題を抱えるようになり得るというシナリオが考えられる。

第２に、接着剤を被覆したＧＤＭ １８をＭＥＡ １２に押しつけるために使用される圧力の大きさは、緻密に制御されなければならない。使用される圧力が低すぎると、取付け接合は、後の燃料電池の製造中、組立体ＵＥＡ １０の取扱いを乗り切るほど十分に堅固にはならないであろう。一方、使用される圧力が高すぎると、ＧＤＭ １８に圧縮永久歪みが誘起されることになる。このことは、組み立てられた燃料電池内のＧＤＭ １８の機能的能力を損なうであろう。接着剤を被覆したＧＤＭ １８をＭＥＡ １２へ押しつけるのに使用される目標圧力は、使用されるＧＤＭのタイプ次第である。第３に、押しつけ付着ステップが行われるクリーンルーム内の温度および湿度が制御されなければならない。好ましくは、クリーンルームの相対湿度は約４２±７％に維持され、温度は約２１±２°Ｃに維持される。

ＧＤＭ １８がＭＥＡ １２上に押しつけられた後、製作されたＵＥＡ １０は、組立体取付具２０から除去される。図１のステップ７に示されるように、ＵＥＡ １０の燃料電池内への組み付けを待つ間、ＵＥＡ １０の汚染を防ぎ、かつ寸法安定性を保つために、組み立てられたＵＥＡ １０は気密バッグ（図示せず）内に置かれる。

上記で本発明の好ましい実施形態が説明されてきたが、本発明において様々な変更形態が作成され得て、添付の特許請求の範囲が、本発明の趣旨および範囲内に含まれ得るような変更形態をすべて包含するように意図されていることが認識され理解されよう。

本発明の代表的な実施形態のＵＥＡ製造プロセスによって行われる一連のプロセスステップを示す流れ図である。 図２Ａは、ガス拡散媒体（ＧＤＭ）上への接着剤の印刷を示すＧＤＭの側面図である。図２Ｂは、どちらも組立体固定具（二点鎖線で示される）に取り付けられるＭＥＡおよびＧＤＭの側面図であり、ＭＥＡにＧＤＭを付ける前にＭＥＡに対してＧＤＭを整合させるのを示す図である。図２Ｃは、ＧＤＭがＭＥＡ上に押しつけられた後のＵＥＡの側面図である。

Claims (14)

1. ガス拡散媒体および膜電極集合体を設けるステップと、
   前記ガス拡散媒体のエッジ部分に沿って接着剤を印刷するステップと、
   前記ガス拡散媒体及び前記膜電極集合体を別個の離隔された真空支持上にそれぞれ配置するステップと、
   前記離隔された真空支持のそれぞれに真空圧を与えて前記ガス拡散媒体及び前記膜電極集合体を前記離隔された真空支持上で保持するステップと、
   前記膜電極集合体に対して前記ガス拡散媒体を配置するステップと、
   最大圧力がガス拡散媒体に永久歪みを誘起しない程度に十分に低い圧力で、前記膜電極集合体に対して前記ガス拡散媒体および前記接着剤を押しつけるステップとを含む、高分子電解質膜用のユニット化された電極集合体を製作するためのプロセス。
2. 前記ガス拡散媒体上への接着剤の前記印刷が、シルクスクリーン印刷プロセスを含む請求項１に記載のプロセス。
3. 前記ガス拡散媒体上への接着剤の前記印刷が、バッチ印刷プロセスを含む請求項１に記載のプロセス。
4. 前記ガス拡散媒体上への接着剤の前記印刷が、連続プロセス印刷を含む請求項１に記載のプロセス。
5. 前記ガス拡散媒体上への接着剤の前記印刷が、転写プロセスを含む請求項１に記載のプロセス。
6. ガス拡散媒体および膜電極集合体を設けるステップと、
   前記ガス拡散媒体を所望の寸法に切断するステップと、
   前記ガス拡散媒体及び前記膜電極集合体を、温度及び相対湿度により定まるクリーンルーム環境に導入するステップと、
   前記クリーンルーム環境下で、前記ガス拡散媒体のエッジ部分に沿って制御されたパターン内に接着剤を印刷するステップと、
   前記クリーンルーム環境下で、前記ガス拡散媒体及び前記膜電極集合体を一対の離隔された真空支持上にそれぞれ配置するステップと、
   前記離隔された真空支持のそれぞれに真空圧を与えて前記ガス拡散媒体及び前記膜電極集合体を前記離隔された真空支持上で保持するステップと、
   前記クリーンルーム環境下での前記温度及び前記相対湿度をそれぞれ１９〜２３℃及び３７〜５０％に維持しつつ、前記膜電極集合体に対して前記ガス拡散媒体を配置するステップと、
   前記クリーンルーム環境下で、前記膜電極集合体に対して前記ガス拡散媒体および前記接着剤を押しつけるステップとを含む、高分子電解質膜用のユニット化された電極集合体を製作するためのプロセス。
7. 前記ガス拡散媒体上に接着剤を印刷する前記ステップが、シルクスクリーン印刷プロセスを含む請求項６に記載のプロセス。
8. 前記ガス拡散媒体上に接着剤を印刷する前記ステップが、バッチ印刷プロセスを含む請求項６に記載のプロセス。
9. 前記ガス拡散媒体上に接着剤を印刷する前記ステップが、連続的プロセス印刷を含む請求項６に記載のプロセス。
10. 前記ガス拡散媒体上に接着剤を印刷する前記ステップが、転写プロセスを含む請求項６に記載のプロセス。
11. 前記膜電極集合体に対して前記ガス拡散媒体および前記接着剤を押しつける前記ステップが、選択されたＧＤＭが永久歪みを受けるのを防ぐのに十分低い最大圧力で前記膜電極集合体に対して前記ガス拡散媒体および前記接着剤を押しつけるステップを含む請求項６に記載のプロセス。
12. ガス拡散媒体および膜電極集合体を設けるステップと、
    前記ガス拡散媒体を所望の寸法に切断するステップと、
    前記ガス拡散媒体及び前記膜電極集合体を、温度及び相対湿度により定まるクリーンルーム環境に導入するステップと、
    前記ガス拡散媒体のエッジ部分に沿って、制御されたパターンで、空隙を防ぐことができるほど十分に厚いが２５μｍ未満の厚さに接着剤を印刷するステップであって、前記印刷が前記クリーンルーム環境下で実施されるステップと、
    一対の離隔された真空支持を含む組立体固定具を前記クリーンルーム環境下に設けるステップと、
    前記ガス拡散媒体及び前記膜電極集合体を、前記一対の離隔された真空支持上に配置するステップと、
    前記離隔された真空支持に真空圧を与えて、前記ガス拡散媒体及び前記膜電極集合体を前記離隔された真空支持上で保持するステップと、
    前記クリーンルーム環境下での前記温度及び前記相対湿度をそれぞれ１９〜２３℃及び３７〜５０％に維持しつつ、前記膜電極集合体に対して前記ガス拡散媒体を配置するステップと、
    前記クリーンルーム環境下で、最大圧力がガス拡散媒体に永久歪みを誘起しない程度に十分に低い圧力で、前記膜電極集合体に対して前記ガス拡散媒体および前記接着剤を押しつけるステップとを含む、高分子電解質膜用のユニット化された電極集合体を製作するためのプロセス。
13. 前記ガス拡散媒体上に接着剤を印刷する前記ステップが、シルクスクリーン印刷プロセスまたは転写プロセスである請求項１２に記載の方法。
14. 前記ガス拡散媒体上に接着剤を印刷する前記ステップが、バッチ印刷プロセスまたは連続的プロセス印刷である請求項１３に記載の方法。

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