JP6271360B2 - 燃料電池部材用のシート材料ロール - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池に使用される燃料電池部材の製造に用いられるシート材料に関する。特に、本発明は、燃料電池部材用のシート材料にシール部材やディフューザが一体化されてロール巻きされた、シート材料ロールに関するものである。

固体高分子型燃料電池は、イオン導電性を有するイオン交換樹脂等の膜を高分子電解質膜として用い、この高分子電解質膜を挟んでその両側にカソード電極(正極)とアノード電極(負極)の両電極を配置して膜電極接合体（ＭＥＡ）を構成し、例えば負極側に水素ガス等の燃料ガスを、一方正極側には酸素ガス又は空気等の酸化ガスを供給して電気化学反応を起こさせることにより、燃料ガスのもつ化学エネルギーを電気量に変換して電気を発生させるものである。通常、ＭＥＡの両側にセパレータが配設されて、単セルが構成される。

そして、固体高分子型燃料電池は、通常、上記ＭＥＡを含む単セルを複数積層して構成される。各単セルにおいて、ＭＥＡとセパレータの間は、燃料ガスや酸化ガスが漏れ出さないようにシールされている。これら反応ガスは、電池の発電効率を高めるために、ＭＥＡの発電領域の全体に行き渡らせる必要がある。また、積層された単セルの間には、冷却液が循環され、燃料電池を冷却する。

反応ガスを、効率的にＭＥＡの発電領域全体に行き渡らせるために、ディフューザやガス分配部などと呼ばれる、反応ガスを分散させるための部材が、反応ガスの流路中に設けられることがある。ディフューザは、セパレータに形成されることがあり、ＭＥＡに形成されることもある。好ましくは、ディフューザはセパレータやＭＥＡに一体となるように形成される。

そのような反応ガスの分配を行うディフューザを、セパレータやＭＥＡに一体に成形する技術として、種々のものが開発されている。
例えば、特許文献１には、ガス供給マニフォールドと発電領域の間に、ガス入口分配部（ディフューザ）を設け、ガス分配部を、発電領域のガス流れ方向と垂直方向に延在し、２つ以上のスリットを有するｎ個の分配リブにより構成する技術が開示されている。当該ガス入口分配部によれば、反応ガスを発電領域に均等に分配することができる。

また、反応ガスをシールするためのシール部材をセパレータやＭＥＡに一体に成形する技術として、種々のものが開発されている。例えば、特許文献２には、水素添加イソプレンゴムを主成分とするゴム組成物にイソシアネート化合物を混合したゴム組成物によりシール部材を形成しつつ、セパレータの周縁部に架橋接着する技術が開示されている。当該技術によれば、パッキンからの不純物の抽出量を低減することができる。

また、燃料電池は、通常、複数の単電池を積層して構成されており、コンパクト化のため、セパレータやＭＥＡは薄型のものが採用される。そして、セパレータは耐食性に優れる金属薄板をプレス加工して製造されることがあり、ＭＥＡのフレームは、樹脂シート材料を打ち抜き加工して製造されることがある。このようなシート状材料から、ＭＥＡのフレームやセパレータといった燃料電池部材を製造する場合には、シート状材料をロール巻きしておいて、連続的にプレス加工機や打ち抜き加工機に供給して、次々とセパレータやＭＥＡフレームを製造し、燃料電池を製造すれば、燃料電池や燃料電池部材の製造が効率的である。

例えば、特許文献３には、セパレータやＭＥＡとなるべきシート材料や、ガス拡散層となるべきシート材料を、ロール状に巻いたシート材料ロールから供給し、積層した後に、切断して単電池を得る技術が開示されている（段落番号［００４４］〜［００４８］、図５〜８）。

再公表特許 ＷＯ２０１１／０３３７４５号公報 特開２００９―１１７３１３号公報 特開２０１０―３３９７０号公報

特許文献３に記載された技術のように、あらかじめ長尺のシート材料にシール部材などを一体化しておいて、その長尺シート材料をロール巻きしてシート材料ロールにしてから、そのシート材料ロールを燃料電池やＭＥＡの組立工程などに運搬して供給するようにすると、シール部材の製造工程を別工程としつつ、シート材料ロールを活用して、燃料電池の組立工程などを連続的に実施することができ、製造効率を高めることができる。

しかしながら、発明者らが検討を進める中で、シール部材を柔軟な素材とした場合などには、あらかじめ長尺のシート材料にシール部材などを一体化しておいて、その長尺シート材料をロール巻きしてシート材料ロールにしてから、燃料電池の組立工程などに供給すると、ロール巻きされた際に、シール部材が変形してしまうことがあり、シール部材に変形が起こると、その機能が劣化もしくは損なわれるおそれがあることが判明した。ディフューザについても同様の問題が発生しうる。

本発明の目的は、燃料電池や燃料電池部材の組み立てに供されるシート材料ロールにおいて、シート材料に一体化されるシール部材やディフューザの変形を未然に予防し、シール部材やディフューザの機能が確実に発揮できるような、シート材料ロールを提供することにある。

発明者らは、シール部材やディフューザが一体化される長尺シート材料に対し、さらにスペーサ部材を一体化して、シート材料ロールを構成すれば、シール部材やディフューザの変形が未然に防止され、上記目的を達することができることを発見し、本発明を完成させた。

本発明は、燃料電池の膜電極接合体のフレームもしくはセパレータを製造するための長尺のシート材料をロール巻きした、燃料電池部材用のシート材料ロールであって、前記シート材料には、所定形状に形成されたシール部材もしくはディフューザが一体化されており、かつ、前記シート材料には、スペーサ部材が一体化されており、無負荷時の高さについて、スペーサ部材が、シール部材もしくはディフューザよりも高い燃料電池部材用のシート材料ロールである（第１発明）。

本発明においては、シール部材もしくはディフューザが、発泡ゴム材料を含むものであることが好ましい（第２発明）。また、第１発明においては、ロール巻きされた状態で、シール部材もしくはディフューザが、先行してもしくは後続して巻かれるシート材料と非接触状態にされていることが好ましい（第３発明）。また、第１発明においては、スペーサ部材は、少なくとも長尺のシート材料の長手方向に延在するよう一体化されていることが好ましい（第４発明）。また、第１発明においては、シール部材もしくはディフューザがシート材料の一方の面に一体化されており、スペーサ部材もシート材料の同じ面に一体化されていることが好ましい（第５発明）。

また、本発明は、第一発明の燃料電池部材用のシート材料ロールを製造する方法であって、液状ゴム材料をスクリーン印刷によりシート材料に塗布する工程を有しており、前記スクリーン印刷工程において、シール部材もしくはディフューザとなるべき所定の形状、および、スペーサ部材となるべき所定の形状に、液状ゴム材料を塗布形成し、スクリーン印刷工程の後に、シート材料に塗布された液状ゴム材料を架橋処理して、シール部材もしくはディフューザおよびスペーサ部材をシート材料に一体に形成し、その後、シート材料をロール巻きする、燃料電池部材用のシート材料ロールの製造方法である（第６発明）。
第６発明においては、液状ゴム材料に発泡材料を含ませると共に、スクリーン印刷工程において、シール部材もしくはディフューザとなるべき所定の形状よりも、スペーサ部材となるべき所定の形状の方が幅広くなるようにスクリーン印刷することが好ましい（第７発明）。

また、本発明は、第１発明の燃料電池部材用のシート材料ロールを用いて、燃料電池の膜電極接合体のフレームもしくはセパレータを製造する方法であって、シート材料ロールから引き出したシート材料を、所定の箇所で所定の形状に切り取って、膜電極接合体のフレームもしくはセパレータの形状に加工する工程を有しており、前記切り取り工程において、シート材料にスペーサ部材が一体化された部分を、膜電極接合体のフレームもしくはセパレータとなる部分から切り離す、燃料電池の膜電極接合体のフレームもしくはセパレータを製造する方法である（第８発明）。

本発明のシート材料ロール（第１発明）によれば、ロール巻きされたシート材料の間の間隔が、スペーサ部材によって維持されるため、シート材料に一体化されたシール部材やディフューザの過度の変形が未然に予防され、シール部材やディフューザの機能が損なわれにくくなる。第２発明のように、シール部材やディフューザが発泡ゴム材料を含むものである場合のように、これら部材が変形しやすい部材である場合は特に、これら部材の過度の変形を未然防止する効果が高い。第３発明のように、ロール巻きされた状態で、シール部材もしくはディフューザが、先行してもしくは後続して巻かれるシート材料と非接触状態にされていれば、シール部材やディフューザの変形をより確実に防止できる。また、第４発明のように、スペーサ部材は、少なくとも長尺のシート材料の長手方向に延在するよう一体化されていれば、長尺のシート材料がきれいな円筒状になりつつ、シート材料間の間隔がスペーサ部材によって一定に維持されるため、シール部材やディフューザの過度の変形を確実に防止できる。

また、第５発明のように、シール部材もしくはディフューザがシート材料の一方の面に一体化されており、スペーサ部材もシート材料の同じ面に一体化されていれば、シール部材やディフューザをシート材料に一体に形成する工程を利用して、スペーサ部材の形成や一体化ができて、より製造効率を高めることができる。
また、第６発明のシート材料ロールの製造方法によれば、スクリーン印刷を利用して、シール部材もしくはディフューザとスペーサ部材とを同時に成形一体化できて非常に製造効率が高い。さらに、第７発明のようにすると、スクリーン印刷工程の回数を減らすことができて、特に製造効率が高められる。

また、第８発明の膜電極接合体のフレームもしくはセパレータを製造する方法によれば、シート材料からフレームやセパレータを切り出す工程を利用して、スペーサ部材を同時に除去することができて、フレームやセパレータを製造する工程の製造効率が高められる。

固体高分子型燃料電池を構成する単セルの概略縦断面図。 膜電極接合体の外観を示す斜視図。 膜電極接合体の外観を示す平面図。 膜電極接合体の構成を示す分解図。 ディフューザの平面パターンの例を示す図。 フレームに一体成形されたディフューザの断面の例を示す図。 長尺シート材料にディフューザとスペーサ部材が一体成形された形態の例を示す図。 長尺シート材料にディフューザとスペーサ部材が一体成形された形態の例の断面図。 シート材料にディフューザ及びスペーサ部材を一体成形する工程を示す模式図。 シート材料にディフューザとスペーサ部材を一体化してシート材料ロールを製造する工程の例を示す概念図。 シート材料ロールを用いて膜電極接合体を製造する工程の例を示す概念図。 長尺シート材料にシール部材とスペーサ部材が一体成形された形態の例を示す図。 長尺シート材料にシール部材とスペーサ部材が一体成形された形態の例の断面図。

以下図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明は以下に示す個別の実施形態に限定されるものではなく、その形態を変更して実施することもできる。
まず、燃料電池の構成から説明する。図１は、固体高分子型燃料電池を構成する単セル１の概略縦断面図であり、通常、燃料電池はこの単セル１を複数積層した積層体(図示せず)として構成されている。この燃料電池はたとえば燃料電池自動車の発電装置として使用される。

図１において、単セル１は、膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒｅｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）２とセパレータ５,６とにより構成されている。膜電極接合体（ＭＥＡ）２は、高分子電解質膜２１とこの高分子電解質膜２１を挟んで両側に配設されるカソード電極２４およびアノード電極２５とを有する。図１は、燃料電池の単セルの、反応ガスの流れ方向に対し直角な面における断面である。単セル１において、カソード電極２４およびアノード電極２５は、それぞれ、カソード電極側セパレータ５、アノード電極側セパレータ６に当接するように設けられる。また、カソード電極側セパレータ５の電極２４側には酸化ガス供給用の溝７が設けられ、アノード電極側セパレータ６の電極２５側には燃料ガス供給用の溝８が設けられ、溝７は酸化ガス供給マニフォールドに、溝８は燃料ガス供給マニフォールドにそれぞれ連通している。

上記単セル１において、高分子電解質膜２１、カソード電極２４およびアノード電極２５で構成された膜電極接合体（ＭＥＡ）２の周囲に燃料ガスおよび酸化ガスが漏洩するのを防止するため、ＭＥＡ２とセパレータ５,６との間に額縁状(ループ状)のパッキン（シール）９,９が介在している。図３や図５には、パッキン９のシールラインの例を破線で示している。本実施形態においては、上記パッキン９は、あらかじめセパレータ５,６の周縁部表面に額縁状に成形され、一体化されたものである。したがって、図１に示す燃料電池組み立て状態において、パッキン９，９は、セパレータ５，６とは接着一体化されることにより、膜電極接合体２とは接触・押圧されることにより、その周縁部をガスシールする。なお、シールの具体的様態については、公知の技術により行えばよい。

図２ないし図４により、膜電極接合体（ＭＥＡ）２の構成をより詳細に説明する。図２はＭＥＡの斜視図、図３は正面図、図４はＭＥＡを分解した図である。ＭＥＡ２は、高分子電解質膜２１、フレーム２２、カソード電極２４、アノード電極２５、ディフューザ２３を有するように構成されている。フレーム２２は、額縁状に形成された樹脂フィルム製の部材である。フレーム２２の中央部に設けられた穴の部分に高分子電解質膜２１が取り付けられ、高分子電解質膜２１の両側に、カソード電極２４、アノード電極２５が設けられて、ＭＥＡ２の本体が構成されている。

本実施形態においては、フレーム２２が２枚設けられ、その間に高分子電解質膜２１の周縁部が挟み込まれるようにして両者が一体化されている。また、電極２４，２５と高分子電解質膜２１の間には触媒層が設けられる。高分子電解質膜２１としてはいわゆるナフィオン膜（ＮＡＦＩＯＮはデュポン社の登録商標）が利用でき、電極２４，２５としては、カーボンフェルトなどが利用できる。高分子電解質膜２１と、フレーム２２、電極２４，２５の一体化や、触媒層の形成については、公知の技術により行うことができる。

フレーム２２は樹脂フィルム製である。樹脂フィルムの材料となる合成樹脂としては、ポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴ樹脂）、ポリエチレンナフタレート樹脂（ＰＥＮ樹脂）、ポリイミド樹脂（ＰＩ樹脂）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ樹脂）などの熱可塑性樹脂が例示される。フレームの樹脂材料には、燃料電池の動作温度や、シール材やディフューザの一体化工程の加工温度で変形しない程度の耐熱性が要求される。フレーム２２は、中央部に高分子電解質膜２１が取り付けられる大きな穴が設けられた額縁状に形成されている。この穴の部分が、燃料電池の発電領域となる。フレーム２２の両側部には、反応ガスマニフォールド２２１、２２１と冷却水マニフォールド２２２，２２２が設けられている。複数のＭＥＡが積層された際に、これらマニフォールド２２１，２２２は積層方向に連通した通路となり、マニフォールドに反応ガスや冷却水が流れる。各単セルにおいては、略長方形状のフレーム２２の対角線状に配置された反応ガスマニフォールドの間に、反応ガスが流れて、発電領域に反応ガスが供給される。

フレーム２２上には、ディフューザ２３が形成されている。ディフューザ２３は、フレームがＭＥＡや単セルに組み込まれた際に、セパレータ５，６と対向するよう、フレーム上の一部の領域に設けられている。そして、ディフューザ２３は、反応ガスマニフォールド２２１と、発電領域の間の部分に設けられている。即ち、ディフューザ２３は、フレーム２２とセパレータ５，６の間に形成された反応ガスの通路部分に、発電領域（高分子電解質膜）に隣接するように設けられていて、ディフューザ２３により、反応ガスが発電領域の全体に向けて分配される。なお、本実施形態では、ディフューザ２３はＭＥＡ２（フレーム２２）に設けられたが、ディフューザ２３はセパレータ５、６に設けても良い。

本実施形態では、ディフューザ２３は、発電領域の上流側にも下流側にも設けられている。上流側のみあるいは下流側のみにディフューザ２３を設けても良いが、反応ガスの分配の均一性を高める観点からは、両側に設けることが好ましい。

ディフューザ２３の形態は、棒状またはドット状の形状の微細なディフューザ要素を、特定の平面パターンで分散配置したものである。本実施形態においては、図３や図５（ａ）に示すように、反応ガスマニフォールド２２１から発電領域に向かって、棒状のディフューザ要素が放射状に分散配置されている。反応ガスは、フレーム２２とセパレータ５，６の間を、ディフューザ要素を避けるように流れる。そのため、各ディフューザ要素の大きさや間隔、配置などを調整することにより、発電領域に対し、反応ガスマニフォールド２２１から均一に反応ガスを分配することができるようになる。具体的には、反応ガスをより流したい部分では、ディフューザ要素の間の流路部分が、比較的広く、直線的になるようにし、反応ガスをあまり流したくない部分では、ディフューザ要素の間の流路部分が、比較的狭く、屈曲した迷路状になるようにして、反応ガスの分配性を調整する。

図６には、ディフューザ２３とフレーム２２の断面を示す。それぞれのディフューザ要素は、フレーム２２の表面から、高さＨｍで突出するように設けられる。ディフューザ要素の高さＨｍは、単セル１におけるフレーム２２とセパレータ５，６の間の隙間よりも大きくなるように、好ましくは隙間寸法よりも５〜５０％程度大きくなるように設定することが好ましい。そのようにすれば、それぞれのディフューザ要素が、フレーム２２とセパレータ５，６の間に柱や壁のように設けられることになって、ディフューザ２３の反応ガスの分配機能がより確実なものとなる。

ディフューザ２３の平面パターンは他のパターンであっても良い。例えば、図５（ｂ）に示すディフューザ２３ｂのように、多数のドット状のディフューザ要素を散在させたような形態であっても良い。ドット状のディフューザ要素は、円形、楕円、四角、三角などといった形態としても良い。あるいは、図５（ｃ）に示すディフューザ２３ｃように、複数の棒状のディフューザ要素を、反応ガスの全体的な流れ方向に対し垂直方向に延在するように並べ、ディフューザ要素の間の空間が迷路（ラビリンス）状になるようにした形態であっても良い。また、棒状のディフューザ要素は、直線状の要素であってもよく、湾曲した形状の要素であっても良い。

ディフューザ２３の平面パターンにおける最小幅寸法Ｗｍ（図５（ａ）、（ｃ）のような棒状のディフューザ要素であれば、棒状要素の幅寸法Ｗｍ、図５（ｂ）のようなドット状のディフューザ要素であれば、ドット状要素の短径寸法Ｗｍ）は、好ましくは、０．２ｍｍ〜３ｍｍとされ、典型的には０．３ｍｍ〜１ｍｍとされる。
また、好ましくは、ディフューザ２３の平面パターンの最小幅寸法Ｗｍと、ディフューザの高さ（特に最小幅部分における高さ）Ｈｍとが、０．１＊Ｗｍ≦Ｈｍ≦０．８＊Ｗｍとなるようにディフューザが形成されることが好ましく、このように形成されたディフューザは、反応ガスの分配機能が高い。
ディフューザの高さＨｍは好ましくは０．０５ｍｍ〜０．８ｍｍに設けられ、より好ましくは０．１ｍｍ〜０．６ｍｍに設けられる。

ディフューザ２３は、弾力性を有するエラストマー、好ましくは、架橋された発泡ゴム材料を主体として形成されている。
ディフューザを形成するゴム材料としては、イソプレンゴム、水添イソプレンゴム、エチレンプロピレンゴム、ブタジエンゴム、ブチルゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴムなどが例示される。特に水添イソプレンゴムが好ましい。ゴム材料は好ましくはイソシアネート化合物や有機過酸化物により架橋されている。ディフューザを形成するゴム材料を発泡ゴムとする場合の発泡材料としては、熱膨張性マイクロカプセル（例えば、エクスパンセルやマイクロスフィアといった商品名で販売されている、加熱により膨張する液体をポリマー殻で包んだマイクロカプセル）や、アゾジカルボンアミド（ＡＤＣＡ）、オキシビスベンゼンスルホニルヒドラジド（ＯＢＳＨ）、ジニトロソペンタメチレンテトラミン（ＤＰＴ）、炭酸水素ナトリウムなどの化学発泡剤が例示される。特に熱膨張性マイクロカプセルにより発泡させると、発泡材料の残滓が燃料電池の使用時に溶出して触媒が被毒することがないので好ましい。熱膨張性マイクロカプセルは、松本油脂製薬株式会社からマツモトマイクロスフィアという商品名で、日本フェライト株式会社からエクスパンセル（Ｅｘｐａｎｃｅｌ）という商品名で販売されている。発泡材料から分解ガスや分解残滓などが発生する場合には、それらを除去してから燃料電池に組み込むようにすることが好ましい。

本実施形態においては、発泡材料として熱膨張性マイクロカプセルを配合した水添イソプレンゴムをイソシアネート化合物で架橋して、ディフューザ２３を形成している。より具体的には発泡開始温度が１１０〜１７０℃の熱膨張性マイクロカプセルを、ゴム材料１００重量部に対し１〜１０重量部配合し、加熱し膨張・架橋させることにより、アスカーＣ硬度が３０で発泡倍率４倍の発泡ゴムとして、ディフューザ２３を形成している。ディフューザ２３は、後述するように、スクリーン印刷を利用して形成することが好ましい。

上記したディフューザ２３を備えるフレーム２２および膜電極接合体２の製造方法について説明する。
フレーム２２は、長尺のシート材料ＰＦの表面に、あらかじめディフューザ２３を一体成形しておいて、長尺シート材料ＰＦからフレーム２２の形状を切り出すことによって製造される。図７に長尺シート材料ＰＦにディフューザ２３が一体成形された形態の例を示す。この長尺シート材料には、スペーサ部材３０も一体に形成されている。図８には、その断面図を示す。

長尺シート材料ＰＦには、将来切り出されるべきフレーム２２の形状及び位置があらかじめ想定されている。図７には、その形状及び位置を破線で示している。本実施形態では、長尺のシート材料の幅方向に２つのフレーム２２が並ぶように、その位置を決定している。長尺シート材料の長手方向には、フレーム２２が２つづつ取れるように、パターンが繰り返されている。そして、ディフューザ２３、２３は、シート材料の所定の位置に一体成形されており、シート材料ＰＦからフレーム２２が切り出されると、フレーム２２上の所定の位置にディフューザ２３が配置されるようになっている。

長尺のシート材料ＰＦには、スペーサ部材３０，３０も一体化されている。スペーサ部材３０，３０は、長尺シート材料ＰＦがロール巻きされた際に、相次いで巻かれるシート材料の間に挟まれて、シート材料同士の間隔を維持する働きをする部材である。スペーサ部材３０は、スペーサ部材３０の無負荷時の高さＨＬが、ディフューザ２３の無負荷時の高さＨｍよりも大きくなるように、すなわち、スペーサ部材３０の方がディフューザ２３よりも無負荷時に高くなるように形成されている。スペーサ部材３０の存在により、長尺シート材料ＰＦをロール巻きした際に、長尺シート材料同士が密接するように巻かれてしまって、ディフューザ２３がつぶれるように変形してしまい、その機能が損なわれることを未然に予防できる。

スペーサ部材３０，３０は、長尺シート材料ＰＦからフレーム２２が切り出される際に、フレーム２２から切り離される部分に形成されている。スペーサ部材３０は、少なくともその一部が、長尺のシート材料ＰＦの長手方向に延在するよう一体化されていることが好ましい。このようにされていると、スペーサ部材をロール巻きした際に、長尺のシート材料がきれいな円筒状になりつつ、シート材料間の間隔が長手方向に延在するスペーサ部材によって一定に維持されるため、ディフューザ２３の過度の変形を確実に防止できる。
スペーサ部材３０を、長尺シート材料の幅方向に延在するように設けても良い。また、スペーサ部材３０は、ディフューザ２３にできるだけ近接して設けることが、ディフューザの変形防止の観点から好ましい。

長尺シート材料ＰＦにディフューザ２３、２３及びスペーサ部材３０，３０を一体化して、ロール巻きして、シート材料ロールＰＦＲを製造する方法の例を説明する。
図９には、長尺シート材料ＰＦにディフューザ２３及びスペーサ部材３０をスクリーン印刷を利用して一体成形する工程の例を示す。また、図１０には、シート材料ＰＦにディフューザとスペーサ部材を一体化して、フレーム２２を製造するためのシート材料ロールＰＦＲを製造する工程の流れを示す。

以下の工程によりディフューザ２３およびスペーサ部材３０をシート材料（樹脂フィルム）ＰＦ上に一体成形する。まず、発泡材料を配合した未架橋の液状ゴム材料を準備する。使用する未架橋ゴムに発泡材料や架橋剤等を配合し、粘度を調整し、後述するスクリーン印刷に適用可能な未架橋の液状ゴム材料とする。粘度調整は、いわゆるペースト状や液状の程度になるように、充填材や溶剤の量を調整するなどして行われる。充填材としては、ファーネスブラック、アセチレンブラック、サーマルブラック等のカーボンブラックや、シリカ、タルク、クレー、等の白色充填材が使用できる。本実施形態においては、好ましくはカーボンブラックが使用される。

形成されるべきディフューザ及びスペーサ部材の平面パターンに対応する開孔が設けられた、スクリーン印刷用のマスクＭを準備する。ディフューザ部分のマスクの開孔パターンは、発泡の程度を考慮して、ディフューザのディフューザ要素の大きさよりもやや小さめにされることが好ましい。また、スペーサ部材の部分のマスクの開孔パターンは、スペーサ部分の開孔の幅が、ディフューザ要素の大きさよりも大きくなるようにすることが好ましい。スペーサ部分の開孔の幅が大きいと、発泡して形成されるスペーサ部材がより高く形成され、その支持力も大きくなる。

まず、図９(ａ)のように、シート材料（樹脂フィルム）ＰＦのディフューザやスペーサ部材が形成されるべき位置に、マスクＭを重ね合わせ、密着させる。

その状態で、図９（ｂ）のように、発泡材料を配合した未架橋の液状ゴム材料をマスクＭ上に置いて、スキージＳＱによりマスクに対し液状ゴム材料を押し付けて、マスクＭの開孔に液状ゴム材料が充填されるようにする。その後、図９（ｃ）のように、マスクＭを樹脂フィルムＰＦから取り外すと、マスクＭの開孔に充填されていた液状ゴム材料が、樹脂フィルムＰＦの側に残って、ディフューザの平面パターンを有するディフューザ前駆体２３Ｐと、スペーサ部材の平面パターンを有するスペーサ部材前駆体３０Ｐとが未架橋ゴムによって形成される。即ち、スクリーン印刷によって、未架橋かつ未発泡のゴム材料により、所定パターンのディフューザ前駆体２３Ｐとスペーサ部材前駆体３０Ｐが形成される。

これら前駆体２３Ｐ、３０Ｐは未発泡であるため、その高さＨｓ、ＨＫは、最終的に形成されるディフューザ２３の高さＨｍやスペーサ部材３０の高さＨＬよりも小さい。ディフューザ前駆体やスペーサ部材前駆体３０Ｐの高さＨｓ、ＨＫは、マスクＭの厚みの設定やスクリーン印刷の回数により調整することができる。

ディフューザ前駆体２３Ｐとスペーサ部材前駆体３０Ｐをシート材料ＰＦ上に形成する際には、発泡・架橋した後にディフューザ２３よりもスペーサ部材３０が高くなるように、ディフューザ前駆体２３Ｐよりもスペーサ部材前駆体３０Ｐが高くなるようにスクリーン印刷することが好ましい。

その後、ディフューザ前駆体２３Ｐとスペーサ部材前駆体３０Ｐを発泡させて架橋する。発泡は、典型的には、発泡材料の発泡温度まで加熱することにより行われる。架橋は、有機過酸化物架橋であれば過酸化物の分解温度まで加熱することにより、放射線架橋であれば放射線の照射により、紫外線架橋であれば紫外線の照射により行われる。発泡材の配合量や、発泡と架橋の開始条件等を調整することにより、ディフューザの高さＨｍやスペーサ部材ＨＬを調整できる。スペーサ部材がディフューザの要素よりも幅広であれば、スペーサ部材の方が発泡によってより高く形成されやすい。

発泡と架橋が行われることにより、高さＨｍを有するディフューザ２３と、高さＨＬを有するスペーサ部材３０とが一体成形されたシート材料（樹脂フィルム）ＰＦが得られる。

図１０には、上記したスクリーン印刷工程と発泡架橋工程を、長尺のシート材料に対して連続的に行うプロセスを示す。フレーム２２の原材料となるシート材料ＰＦは、例えばロール巻きされた原反の状態で、このプロセスに供給される。長尺シート材料ＰＦは、まず、連続的にスクリーン印刷装置に供給される。スクリーン印刷工程では、上述したように、発泡材料を配合した未架橋液状ゴム材料によって、ディフューザ前駆体２３Ｐとスペーサ部材前駆体３０Ｐがシート材料ＰＦ上に形成される。

ディフューザ前駆体２３Ｐとスペーサ部材前駆体３０Ｐが形成された状態で、シート材料ＰＦは、発泡・架橋装置に供給され、ディフューザ前駆体２３Ｐは発泡し架橋されてディフューザ２３となり、スペーサ部材前駆体３０Ｐが発泡し架橋されてスペーサ部材３０となる。このようにして、長尺のシート材料ＰＦに、ディフューザ２３とスペーサ部材３０が、所定の位置に一体成形される。

その後、長尺のシート材料ＰＦを、巻き取り装置によって巻き取り、ディフューザ２３とスペーサ部材３０が一体化されたシート材料のロールＰＦＲを得る。シート材料ロールＰＦＲにおいては、ロール巻きされたシート材料ＰＦの間に、スペーサ部材が挟まれて、シート材料の間の間隔（隙間）が一定の間隔に維持されている。好ましくは、ディフューザ２３が、先行してもしくは後続して巻かれるシート材料ＰＦとは非接触状態となるように、巻取りの程度が調整される。非接触状態とされていると、形成されたディフューザの変形が確実に防止できるので、好ましい。

以下、上記シート材料ロールＰＦＲを用いて、フレーム２２や膜電極接合体２を製造する工程について説明する。図１１には、シート材料ロールＰＦＲを用いて膜電極接合体２を製造する工程の例を示す。ロール巻きされたシート材料ロールＰＦＲが膜電極接合体２の製造ラインに持ち込まれる。シート材料ロールＰＦＲを用いることで、ディフューザの形成ラインと、膜電極接合体の製造ラインを別々のラインとできて、ラインの構成自由度が高くなるとともに、製造効率も高められる。また、シート材料ロールＰＦＲのシート材料には、すでにディフューザが形成されているので、簡単にフレーム２２が製造できる。

シート材料ロールＰＦＲから、ディフューザ２３が一体化されたシート材料ＰＦが引きだされて、打ち抜き装置に供給される。打ち抜き装置によって、ディフューザ２３が一体化された樹脂フィルムＰＦが額縁状に打ち抜き加工され、マニフォールドが打ち抜き加工されて、ディフューザ２３が一体成形されたフレーム２２が得られる。この打ち抜き工程で、フレーム２２には不要な部分がシート材料ＰＦから切り取られる。そして、この打ち抜き工程で、スペーサ部材３０，３０は、フレーム２２には不要な部分と同時に切除される。すなわち、シート材料ＰＦにスペーサ部材３０が一体化された部分が、膜電極接合体のフレーム２２となる部分から切り離される。スペーサ部材３０は、フレーム２２には不要な部分に設けられているので、シート材料ＰＦからフレーム２２の形状を切り出すだけで、スペーサ部材も同時に切除することができ、効率的にフレーム２２を製造できる。

高分子電解質膜の原反を所定の寸法にカットして、高分子電解質膜２１を準備し、カーボンフェルトなどを所定の寸法にカットして、電極２４，２５を準備する。高分子電解質膜２１の表面に触媒層を形成しながら、電極２４，２５を一体化し、高分子電解質膜２１をフレーム２２，２２で挟み込むようにして、フレームと高分子電解質膜、電極を一体化し、膜電極接合体（ＭＥＡ）２を得る。図８には、高分子電解質膜２１と電極２４，２５を一体化してから、フレーム２２に一体化する例を示している。高分子電解質膜２１とフレーム２２を一体化した後に電極２４，２５を一体化するようにしても良い。なお、触媒層の形成やフレーム・電極の一体化については、公知の製造方法が利用できる。

上記実施形態による作用と効果を説明する。
上記したシート材料ロールＰＦＲにはディフューザ２３とスペーサ部材３０が一体化されているが、無負荷時の高さについて、スペーサ部材３０が、ディフューザ２３よりも高くされているので、ロール巻きされた際に、ディフューザ２３が押しつぶされて変形してしまうことが抑制される。また、シート材料ロールＰＦＲを用いれば、不要な部分を切り取るだけで、ディフューザ２３が一体化されたフレーム２２が効率的に製造できる。すなわち、シート材料ロールＰＦＲは、ディフューザ付フレームの品質及び製造効率の向上に寄与する。

ディフューザが、発泡ゴム材料を含むものであると、ロール巻きにより変形しやすくなりため、スペーサ部材を設けることによる保護効果が大きい。そして、ロール巻きされた状態で、ディフューザ２３が、先行してもしくは後続して巻かれるシート材料ＰＦと非接触状態にされていれば、ディフューザの変形がより確実に防止できる。

また、スペーサ部材が、少なくとも長尺のシート材料の長手方向に延在するよう一体化されていると、長手方向に延在するスペーサ部材によって、互いに隣接するシート部材がほぼ平行な円筒面状になるので、シート部材の間の隙間が一定に維持され、ディフューザの変形防止に寄与する。

また、ディフューザ２３がシート材料ＰＦの一方の面に一体化されており、スペーサ部材３０もシート材料ＰＦの同じ面に一体化されていると、ディフューザ２３をシート部材に一体成形する工程（例えばスクリーン印刷工程）を利用して、スペーサ部材３０を同時に成形一体化することが可能となり、製造効率の向上に寄与する。

また、スクリーン印刷によって、ディフューザとなるべき所定の形状および、スペーサ部材となるべき所定の形状に、同時に液状ゴム材料をシート材料に塗布形成し、その後、シート材料に塗布された液状ゴム材料を架橋処理して、ディフューザおよびスペーサ部材をシート材料に一体に形成するようにすれば、ディフューザとスペーサ部材とを同時に成形一体化できて非常に製造効率が高い。さらに、スクリーン印刷工程において、ディフューザとなるべき所定の形状よりも、スペーサ部材となるべき所定の形状の方が幅広くなるようにスクリーン印刷して、スクリーン印刷工程の後に、液状ゴム材料を発泡・架橋処理するようにすると、スクリーン印刷工程の回数を減らすことができて、特に製造効率が高められる。

また、上記シート材料ロールＰＦＲからフレームを切り出して製造すると、シート材料からフレームを切り出す工程を利用して、スペーサ部材を同時に除去することができて、フレームを製造する工程の製造効率が高められる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の改変をして実施することができる。以下に本発明の他の実施形態について説明するが、以下の説明においては、上記実施形態と異なる部分を中心に説明し、同様である部分についてはその詳細な説明を省略する。また、以下に示す実施形態は、その一部を互いに組み合わせて、あるいは、その一部を置き換えて実施できる。

上記実施形態では、ディフューザ２３が一体化されたフレーム２２を製造するための、ディフューザが一体成形されたシート材料ロールＰＦＲについて説明したが、シート材料ロールＰＦＲは他の形態の燃料電池部材の製造にも応用できる。例えば、シール部材が一体化されたフレームの製造や、ディフューザが一体化されたセパレータの製造、シール部材が一体化されたセパレータの製造に、シート材料ロールＰＦＲが応用できる。すなわち、フレームもしくはセパレータを製造するための長尺のシート材料に、所定形状に形成されたシール部材もしくはディフューザを一体化し、かつ、前記シート材料にスペーサ部材も一体化して、シート材料ロールを構成すればよい。

図１２及び図１３には、シール部材９が一体化されたセパレータ５（６）を製造するためのシート材料ロールＰＦＲ’を引き出した図を示す。本実施形態では、シール部材９がシート材料ＰＦ上の所定の位置に一体成形されている。図１２には、セパレータの外形線を破線で示している。シート材料ＰＦからセパレータを切り出す際に切除される部分には、スペーサ部材３１，３１が設けられている。
本実施形態では、シール部材９やスペーサ部材３１，３１は発泡ゴムではなく、非発泡のゴム材料により形成されている。すなわち、本発明におけるディフューザやシール部材、スペーサ部材は、発泡材料であってもよいが、非発泡材料であってもよく、一部が発泡材料とされたものであっても良い。
なお、シール部材もしくはディフューザと、スペーサ部材とで、材料を異ならせる場合には、スペーサ部材の方が、硬度が高くなるようにすることが、シール部材もしくはディフューザの形状を保護する観点から好ましい。

上記実施形態では、スペーサ部材が細長い棒状に形成された例を中心に説明したが、シール部材やディフューザの保護ができる範囲で、スペーサ部材の形状を変更しても良く、例えば、スペーサ部材を、ドットの連続する形態や、破線状の形態等としても良い。

上記実施形態の説明では、ディフューザやシール部材やスペーサ部材をスクリーン印刷により形成する方法を例として説明したが、これら部材の製造は、他の方法によっても良い。例えば、ディフューザをスクリーン印刷によりシート材料に一体成形する一方で、所定の厚みのゴムシートを細長く切ったものを、スペーサ部材としてシート材料に貼り付けるようにしても良い。特に、スペーサ部材の形成は、ディスペンサを用いて行うこともできる。また、シール部材やディフューザ及びスペーサ部材の成形を、射出成形によって行っても良い。

上記実施形態の説明では、ディフューザもしくはシール部材と、スペーサ部材とが、シート材料ＰＦの同じ面に設けられる形態の例を示したが、スペーサ部材を、ディフューザもしくはシール部材とは反対側の面に設けても良い。

また、燃料電池の利用分野は、自動車用に限定されるものではなく、家庭用発電機など、自動車以外の他の技術分野にも応用できる。

本発明のシート材料ロールは、燃料電池の製造に利用することができ、産業上の利用価値が高い。

１ 燃料電池の単セル
２ 膜電極接合体（ＭＥＡ）
２１ 高分子電解質膜
２２ フレーム
２３ ディフューザ
２４ カソード電極
２５ アノード電極
５ カソード電極側セパレータ
６ アノード電極側セパレータ
７，８ 溝
９ シール部材
ＰＦＲ シート材料ロール
ＰＦ シート材料
３０，３１ スペーサ部材
Ｍ スクリーンマスク
ＳＱ スキージ
２３Ｐ ディフューザ前駆体
３０Ｐ スペーサ部材前駆体

Claims (8)

1. 燃料電池の膜電極接合体のフレームもしくはセパレータを製造するための長尺のシート材料をロール巻きした、燃料電池部材用のシート材料ロールであって、
   前記シート材料には、所定形状に形成されたシール部材もしくはディフューザが一体化されており、
   かつ、前記シート材料には、スペーサ部材が一体化されており、
   無負荷時の高さについて、スペーサ部材が、シール部材もしくはディフューザよりも高い
   燃料電池部材用のシート材料ロール。
2. シール部材もしくはディフューザが、発泡ゴム材料を含むものである請求項１に記載の燃料電池部材用のシート材料ロール。
3. ロール巻きされた状態で、シール部材もしくはディフューザが、先行してもしくは後続して巻かれるシート材料と非接触状態にされている請求項１に記載の燃料電池部材用のシート材料ロール。
4. スペーサ部材は、少なくとも長尺のシート材料の長手方向に延在するよう一体化されている請求項１に記載の燃料電池部材用のシート材料ロール。
5. シール部材もしくはディフューザがシート材料の一方の面に一体化されており、スペーサ部材もシート材料の同じ面に一体化されている、請求項１に記載の燃料電池部材用のシート材料ロール。
6. 請求項１に記載の燃料電池部材用のシート材料ロールを製造する方法であって、
   液状ゴム材料をスクリーン印刷によりシート材料に塗布する工程を有しており、
   前記スクリーン印刷工程において、シール部材もしくはディフューザとなるべき所定の形状、および、スペーサ部材となるべき所定の形状に、液状ゴム材料を塗布形成し、
   スクリーン印刷工程の後に、シート材料に塗布された液状ゴム材料を架橋処理して、シール部材もしくはディフューザおよびスペーサ部材をシート材料に一体に形成し、
   その後、シート材料をロール巻きする、
   燃料電池部材用のシート材料ロールの製造方法。
7. 液状ゴム材料に発泡材料を含ませると共に、
   スクリーン印刷工程において、シール部材もしくはディフューザとなるべき所定の形状よりも、スペーサ部材となるべき所定の形状の方が幅広くなるようにスクリーン印刷する、
   請求項６に記載の燃料電池部材用シート材料ロールの製造方法。
8. 請求項１に記載の燃料電池部材用のシート材料ロールを用いて、燃料電池の膜電極接合体のフレームもしくはセパレータを製造する方法であって、
   シート材料ロールから引き出したシート材料を、所定の箇所で所定の形状に切り取って、膜電極接合体のフレームもしくはセパレータの形状に加工する工程を有しており、
   前記切り取り工程において、シート材料にスペーサ部材が一体化された部分を、膜電極接合体のフレームもしくはセパレータとなる部分から切り離す、
   燃料電池の膜電極接合体のフレームもしくはセパレータを製造する方法。

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