JP6485178B2 - Method for producing a single fuel cell - Google Patents
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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、膜電極接合体の一側面上に配置された第1のガス拡散層と、膜電極接合体の他側面上に配置された第2のガス拡散層と、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、膜電極接合体の他側面の外周縁部上に、熱可塑性を有する接着剤層を形成する工程と、膜電極接合体の一側面上に第1のガス拡散層を配置し、膜電極接合体の他側面上に第2のガス拡散層を配置する工程であって、第2のガス拡散層の周縁部分が接着剤層の内側部分と重なるように配置する工程と、第1のガス拡散層、膜電極接合体、接着剤層の内側部分及び第2のガス拡散層を熱圧着して一体化する工程と、接着剤層の外側部分上に支持フレームの内側部分を配置する工程と、支持フレーム、接着剤層の外側部分及び膜電極接合体を熱圧着して一体化する工程と、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 having electrode catalyst layers formed on both sides of the electrolyte membrane; a first gas diffusion layer disposed on one side of the membrane electrode assembly; and a membrane electrode assembly disposed on the other side of the membrane electrode assembly. A fuel cell single cell manufacturing method comprising the second gas diffusion layer and a support frame that supports the membrane electrode assembly on the outer periphery of the membrane electrode assembly, the outer periphery of the other side surface of the membrane electrode assembly Forming a thermoplastic adhesive layer on the part, disposing a first gas diffusion layer on one side of the membrane electrode assembly, and second gas diffusion on the other side of the membrane electrode assembly A step of disposing a layer, the step of disposing the peripheral portion of the second gas diffusion layer so as to overlap the inner portion of the adhesive layer, and the first gas diffusion layer, the membrane electrode assembly, and the adhesive layer. Integrating the inner part and the second gas diffusion layer by thermocompression bonding and supporting on the outer part of the adhesive layer; There is known a method of manufacturing a fuel cell single cell including a step of disposing an inner portion of a frame and a step of thermocompression-bonding a support frame, an outer portion of an adhesive layer, and a membrane electrode assembly ( For example, see Patent Document 1).
特許文献1では、膜電極接合体の他側面の外周縁部は熱可塑性の接着剤層で覆われており、燃料電池単セルのガス雰囲気に曝されていない。そのため、外周縁部がガス雰囲気に曝されたときに起こり得るき裂の発生を回避できる。しかし、熱可塑性の接着剤層の使用時に必要な加熱により、樹脂製の支持フレームが変形してしまうおそれがある。そこで、発明者らは、今回、接着剤層として紫外線で硬化する接着剤、すなわち紫外線硬化性を有する接着剤を使用することを検討した。ところが、ガス拡散層を形成する材料は一般に紫外線透過性を有さない。そのため、紫外線硬化性の接着剤を用いる場合、膜電極接合体上にガス拡散層を配置する前に接着剤を硬化させる必要がある。すなわち、膜電極接合体の外周縁部上に接着剤を塗布して接着剤層を形成し、接着剤層の外側部分上に支持フレームの内側部分を配置した後、第2のガス拡散層の周縁部分が接着剤層の内側部分と重なるように膜電極接合体の他側面上に第2のガス拡散層を配置する前に、接着剤層を紫外線で硬化させる必要がある。しかし、その場合、紫外線により硬化した接着剤層上に第2のガス拡散層を配置しようとすると、第2のガス拡散層の周縁部分が接着剤層の内側部分の上部に担がれるように重なって、第2のガス拡散層の周縁部分が第2のガス拡散層の他の部分と比較して盛り上がってしまう。その結果、第2のガス拡散層とその上のセパレータとで画定される供給ガスの流路が盛り上がり部分で閉塞されたり、第2のガス拡散層を形成している繊維が盛り上がり部分で毛羽立ったり、接着剤層下の膜電極接合体に過剰な面圧がかかったりする、などの現象が発生して電池性能が低下するおそれがある。そうかといって、膜電極接合体の外周縁部上に塗布する接着剤を少なくして、ガス拡散層下に接着剤層が到達しないようにすると、膜電極接合体の外周縁部の一部が露出して燃料電池単セルのガス雰囲気に曝されるおそれがある。膜電極接合体を露出させず、支持フレームを変形させず、膜電極接合体に過剰な面圧をかけることなく、支持フレームとガス拡散層と膜電極接合体とを確実に一体化することが可能な技術が望まれる。
In
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一側面上に配置された第1のガス拡散層と、前記膜電極接合体の他側面上に配置された第2のガス拡散層と、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を備え燃料電池単セルの製造方法であって、前記一側面上に前記第1のガス拡散層が配置され、前記他側面に前記第2の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前記他側面の外周縁部上に、カチオン重合型の紫外線硬化性を有する接着剤層を形成する工程と、前記接着剤層の外側部分上に前記支持フレームの内側部分を配置し、前記接着剤層が光重合を開始するが完全には硬化しないように前記接着剤層に紫外線を照射する工程と、前記接着剤層に紫外線を照射した後、前記接着剤層が完全に硬化する前に、前記膜電極接合体の前記他側面上に前記第2のガス拡散層を配置する工程であって、前記第2のガス拡散層の周縁部分が前記接着剤層の内側部分と重なるように配置する工程と、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, the membrane electrode assembly in which the electrode catalyst layers are formed on both sides of the electrolyte membrane, the first gas diffusion layer disposed on one side surface of the membrane electrode assembly, and the membrane electrode junction A method for producing a fuel cell single cell, comprising: a second gas diffusion layer disposed on the other side of the body; and a support frame that supports the membrane electrode assembly on an outer periphery of the membrane electrode assembly, Preparing the membrane electrode assembly in which the first gas diffusion layer is disposed on one side surface and the second gas diffusion layer is not disposed on the other side surface; and the other of the membrane electrode assembly A step of forming a cationic polymerization type ultraviolet curable adhesive layer on the outer peripheral edge of the side surface, an inner portion of the support frame is disposed on an outer portion of the adhesive layer, and the adhesive layer is Adhesion to initiate photopolymerization but not cure completely A step of irradiating the layer with ultraviolet rays, and after irradiating the adhesive layer with ultraviolet rays, before the adhesive layer is completely cured, the second gas diffusion layer on the other side surface of the membrane electrode assembly And a step of arranging the peripheral portion of the second gas diffusion layer so as to overlap the inner portion of the adhesive layer.
膜電極接合体を露出させず、支持フレームを変形させず、膜電極接合体に過剰な面圧をかけることなく、支持フレームとガス拡散層と膜電極接合体とを確実に一体化することができる。 The support frame, the gas diffusion layer, and the membrane electrode assembly can be reliably integrated without exposing the membrane electrode assembly, without deforming the support frame, and without applying excessive surface pressure to the membrane electrode assembly. it can.
図1は、燃料電池単セル1を含む燃料電池スタックAの構成例を示す部分断面図である。図1を参照すると、燃料電池スタックAは、複数の燃料電池単セル1が燃料電池単セル1の厚み方向Sに積層された積層体により形成される。燃料電池単セル1は、燃料電池単セル1に供給された燃料ガス(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で発生した電力は、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 stack A including a
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を含み、電解質膜5eの両側にはアノード電極触媒層5a及びカソード電極触媒層5cが形成されている。電解質膜5e、アノード電極触媒層5a及びカソード電極触媒層5cはほぼ同じ大きさを有し、電解質膜5eの両側面上それぞれにアノード電極触媒層5a及びカソード電極触媒層5c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、アノード電極触媒層5a及びカソード電極触媒層5cの少なくとも一方が電解質膜5eよりも小さい。
The fuel cell
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1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1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(第1のガス拡散層)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。また、膜電極接合体5の他側面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(第2のガス拡散層)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。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ため、膜電極接合体5の他側面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の周囲の他側面52に外周縁部52eが枠形状に形成される。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。
An anode gas diffusion layer (first gas diffusion layer) 3a is disposed on one
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。これらの材料は紫外線透過性を有さない。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
膜電極接合体5の外周縁部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を覆うように外周縁部52eと同様の枠形状に形成される。図1に示す実施例では接着剤層10は外周縁部52eの全面に形成される。
An
接着剤層10は、カチオン重合型の紫外線(UV)硬化性を有する接着剤で形成される。接着剤層10の材料としては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、カチオン重合性樹脂としてはエポキシ系樹脂、オキタセン系樹脂、ビニルエーテル系樹脂が例示される。図1に示す実施例では、エポキシ系樹脂を用いた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1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の材料として用いるカチオン重合型の紫外線硬化性を有する接着剤では、典型的には速硬化性を生かして短時間で硬化させるべく、紫外線が照射されて硬化が開始され、硬化が終了した後に紫外線が停止される。一方で、カチオン重合型の紫外線硬化性を有する接着剤は遅延硬化性を有しており、図1に示す接着剤層10ではその遅延硬化性が利用される。すなわち、一度、紫外線が接着剤層10に照射されて接着剤層10が光重合(カチオン重合)を開始する、すなわち硬化を開始すると、接着剤層10が完全に硬化する前に紫外線が接着剤層10に照射されなくなっても接着剤層10がカチオン重合を継続し、その後しばらくして接着剤層10が完全に硬化する。接着剤層10が完全に硬化するのにかかる時間は、紫外線の照射条件(照度、積算光量(=照度×時間))によって制御できる。したがって、適度な照射条件で紫外線を接着剤層10に照射すると、照射を終了した後しばらくの間は、接着剤層10は完全には硬化しない状態、すなわち形体を保持しているが小さな力で流動可能な、ある程度の流動性を有する状態となる。その後、徐々に硬化が進み、照射条件に応じた時間経過後に、接着剤層10は完全に硬化した状態、すなわち硬化が完了した状態になる。ただし、完全に硬化した状態とは、重合反応が停止し、接着剤層10が流動性を殆ど有さない状態である。
In the cationic polymerization type ultraviolet curable adhesive used as the material of the
接着剤層10上には支持フレーム2が固定される。支持フレーム2は、枠形状を有し、アノードガス拡散層3a及びカソードガス拡散層3cを配置された膜電極接合体5をその外周において支持する。支持フレーム2は、支持フレーム本体21と、支持フレーム本体21の内縁側から内側へ向かって延在し、支持フレーム本体21よりも薄い突出部22とを備える。支持フレーム2の突出部22は支持フレーム2の内周縁側の部分、すなわち内周縁部と見ることができる。支持フレーム2の突出部22(内周縁部)は、膜電極接合体5の外周縁部52eと接着剤層10で接合される。突出部22が外周縁部52eと接合されたとき、突出部22の内側の端部とカソードガス拡散層3cの外側の端部との間に隙間Gが形成される。すなわち支持フレーム2とカソードガス拡散層3cとは離間している。
The
支持フレーム2の材料としては、電気絶縁性及び気密性を有する材料、例えばポリプロピレン系樹脂、フェノール系樹脂、エポキシ系樹脂、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紫外線光源(例示:メタルハライドランプ)から照射される所定波長(所定波長領域)の紫外線が透過可能なポリプロピレン系樹脂を用いる。
Examples of the material of the
アノードガス拡散層3a及びカソードガス拡散層3c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アノードセパレータ4a及びカソードセパレータ4cが配置される。アノードセパレータ4aは、周縁部分4aeにおいて支持フレーム本体21に別の接着剤層(図示せず)で固定され、中央部分4amにおいてアノードガス拡散層3aに当接する。中央部分4amには、互いに平行に延びる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とにより複数の燃料ガス供給路32が形成される。カソードセパレータ4cは、周縁部分4ceにおいて支持フレーム本体21に別の接着剤層(図示せず)で固定され、中央部分4cmにおいてカソードガス拡散層3cに当接する。中央部分4cmには、互いに平行に延びる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とにより複数の酸化剤ガス供給路31が形成される。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、二つの燃料ガス供給路32と二つの酸化剤ガス供給路31とに囲まれた冷却媒体供給路30が形成される。
A pair of
アノードセパレータ4a及びカソードセパレータ4cは、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体(例示:水)を透過させず、導電性を有する材料で形成される。そのような材料としては、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、アノードセパレータ4a及びカソードセパレータ4cの材料としてチタンを用いる。
The
図2は、図1の接着剤層10近傍を拡大して示す部分断面図である。図に示すように、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11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13と、外側部分11と内側部分13との間の中央部分12とを有する。内側部分13は、カソードガス拡散層3cの周縁部分3ceの内部に吸収されている。外側部分11は支持フレーム2の突出部22と膜電極接合体5との間に挟まれ、突出部22の端部22gからアノードガス拡散層3aの外縁3agまで存在し、突出部22と膜電極接合体5とを接合する。中央部分12は、支持フレーム2の端部22gとカソードガス拡散層3cの端部3cgとの間の隙間Gを埋めている。カソードガス拡散層3cや突出部22に覆われていない隙間Gの外周縁部52eが接着剤層10で覆われることにより、外周縁部52eには外部へ露出する部分が無くなる。なお、図示しない別の実施例では、支持フレーム2とカソードガス拡散層3cとを近接させ、接着剤層10の中央部分12を実質的に設けない。
FIG. 2 is an enlarged partial cross-sectional view showing the vicinity of the
次に、燃料電池単セルの製造方法について説明する。図3〜図10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. 3-10 is a fragmentary sectional view which shows each process of the manufacturing method of the fuel cell
まず、図3に示すように、一側面51上にアノードガス拡散層3aが配置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. 3, the
次に、図4に示すように、膜電極接合体5の他側面52の外周縁部52e上に、カチオン重合型の紫外線硬化性を有する接着剤層10を形成する。接着剤層10は、外周縁部52eの外側領域上の外側部分11と、外周縁部52eの内側領域上の内側部分13と、外周縁部52eの中央領域上の中央部分12とを有する。図4に示す実施例では、接着剤層10としてエポキシ系樹脂を用いたUV硬化型接着剤を用いる。接着剤層10の形成方法としてはスクリーン印刷を用いる方法を用いる。
Next, as shown in FIG. 4, a cationic polymerization type ultraviolet
続いて、図5に示すように、接着剤層10の外側部分11上に支持フレーム2の内側部分(突出部22)が配置されるように、膜電極接合体5の外周に支持フレーム2を配置する。このとき突出部22は上から荷重をかけられて配置されるので、外側部分11の接着剤は押し潰される。その結果、膜電極接合体5の外側方向ではその接着剤がアノードガス拡散層3aの外縁3agまで達する。それにより、膜電極接合体5と支持フレーム2との接着面積を広くとることができる。また、膜電極接合体5の内側方向では、その接着剤は突出部22の端部22gを覆うと共に、内側部分13が内側方向に押し出される。それにより、カソードガス拡散層3cの周縁部分3ceが配置される領域にまで確実に接着剤を配置でき、膜電極接合体5の外周縁部52eを確実に覆うことができる。
Subsequently, as shown in FIG. 5, the
次に、図6に示すように、接着剤層10に紫外線を照射する。具体的には、接着剤層10が光重合を開始するが完全には硬化しないように接着剤層10へ紫外線UVを照射する。接着剤層10が光重合を開始するが完全には硬化しない紫外線UVの照射条件は、例えば予め実験により確定しておく。
Next, as shown in FIG. 6, the
図7は紫外線の照射条件と接着剤層10の硬化との関係を示す実験結果の一例である。接着剤層10としてはエポキシ系樹脂を用いたUV硬化型接着剤を用い、紫外線光源としてはメタルハライドランプ(例示:約200〜400nmの波長領域の紫外線を広範囲に放射)を用いた。ただし、縦軸は接着剤層10に照射された紫外線の照度であり、横軸は接着剤層10に照射された紫外線の積算光量である。この図の例では、接着剤層10が光重合を開始するが完全には硬化しない紫外線UVの照射条件としては図中のA領域に示す照射条件が最適であった。すなわち照度270mW/cm2及び積算光量50mJ/cm2、照度168mW/cm2及び積算光量224mJ/cm2、照度575mW/cm2及び積算光量5mJ/cm2を含む領域である。このA領域の照射条件では、硬化にかかる時間が適当であり、照射終了後、硬化の完了までに行うべき後工程に必要十分な時間が得られる。しかし、図中のB領域の照射条件では、硬化にかかる時間が短いか、又は、照射中に硬化が完了してしまうため、照射終了後、硬化の完了までに行うべき後工程を短時間に行う必要があるか、又は、後工程が行えない。図中のC領域の照射条件では、硬化にかかる時間が長く、照射終了後、硬化の完了までに行うべき後工程の終了後に待ち時間が発生してしまう。なお、照射中に硬化を完了させる典型的な照射条件は、例えば領域BのB1点の照射条件、すなわち照度700mW/cm2及び積算光量4500mJ/cm2である。
FIG. 7 is an example of an experimental result showing the relationship between the irradiation condition of ultraviolet rays and the curing of the
このとき、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紫外線光源(例示:メタルハライドランプ)から照射される所定波長(所定波長範囲)の紫外線が透過可能なポリプロピレン系樹脂を用いるので、紫外線UVは突出部22を透過できる。これにより、接着剤層10に紫外線UVを接着剤層10に照射を開始し、照射を終了した後しばらくの間は、接着剤層10は完全に硬化せず、形体を保持しているが、小さな力で流動可能な状態となる。ただし、接着剤層10では徐々にカチオン重合が進むことで、接着剤層10は時間をかけて硬化して行き、それと共に突出部22と外周縁部52eとは徐々に時間をかけて接着剤層10より接着されてゆく。図示しない別の実施例では、紫外線の照射中、又は、照射後に、接着剤層10を加熱して紫外線硬化を促進する。
At this time, as the material of the
次に、図8に示すように、膜電極接合体5のカソード電極触媒層5c上にカソードガス拡散層3cを載せて、接着剤層10の内側部分13上にカソードガス拡散層3cの周縁部分3ceを配置する。このときカソードガス拡散層3cの周縁部分3ceは上から荷重をかけられて接着剤層10の内側部分13に押し付けられる。この段階では接着剤層10はまだ小さな力で流動可能なので、接着剤層10の内側部分13は多孔体の周縁部分3ceの内に浸み込むことができる。したがって、カソードガス拡散層3cの周縁部分3ceは接着剤層10の上部に担がれるように盛り上がった状態になることはない。図示しない別の実施例では、接着剤層10を外周縁部52eに形成後、次に接着剤層10に完全に硬化しないように紫外線UVを照射し、続いて接着剤層10上に支持フレーム2及びカソードガス拡散層3cのいずれか一方を配置し、その後にいずれか他方を配置する。
Next, as shown in FIG. 8, the cathode
次に、図9に示すように、膜電極接合体5及びカソードガス拡散層3cをホットプレス工程により加熱・圧縮して熱圧着する。ホットプレスの条件は、例えば、140℃、5分である。これにより、カソード電極触媒層5cとカソードガス拡散層3cとが接合され、膜電極接合体5とカソードガス拡散層3cとが一体化される。また、この段階の終了までに、接着剤層10でのカチオン重合が進み、接着剤層10が硬化して、膜電極接合体5と支持フレーム2とが一体化される。その結果、ガス拡散層3a、3cを有する膜電極接合体5と支持フレーム2とが一体化される。
Next, as shown in FIG. 9, the
その後、図10に示すように、アノードセパレータ4aを中央部分4amにおいてアノードガス拡散層3aに当接させ、周縁部分4aeにおいて支持フレーム本体21に別の接着剤層で固定する。それ共に、カソードセパレータ4cを中央部分4cmにおいてカソードガス拡散層3cに当接させ、周縁部分4ceにおいて支持フレーム本体21に別の接着剤層で固定する。その結果、ガス拡散層3a、3cを有する膜電極接合体5及び支持フレーム2とセパレータ4a、4cとが一体化される。
Thereafter, as shown in FIG. 10, the
以上のようにして、燃料電池単セル1が製造される。
The fuel cell
ここで、上記の燃料電池単セルの製造方法(以下「実施例の製造方法」と記す。)の効果を説明するために、実施例の製造方法と異なる別の燃料電池単セルの製造方法(以下「比較例の製造方法」と記す。)について説明する。 Here, in order to explain the effect of the above-described method for manufacturing a fuel cell unit cell (hereinafter referred to as “method for manufacturing the example”), another method for manufacturing a unit cell for fuel cell (which differs from the method for manufacturing the example) ( Hereinafter, it will be described as “manufacturing method of comparative example”.
比較例の製造方法で作製された燃料電池単セル101は図11に示す構成を有する。比較例の製造方法は、以下のとおりである。すなわち、まず、一側面151上にアノードガス拡散層103aが配置された膜電極接合体105を準備する。次に、膜電極接合体105の他側面152の外周縁部52e1上に、紫外線硬化性を有する接着剤層110を形成する。続いて、接着剤層110の外側部分111上に支持フレーム102の内側部分122を配置する。その後、接着剤層110を紫外線で完全に硬化させて支持フレーム102と膜電極接合体105とを接着する。続いて、接着剤層110の内側部分113上にカソードガス拡散層103cの周縁部分103ceを配置する。その後、アノードガス拡散層103a、膜電極接合体105及びカソードガス拡散層103cをホットプレスして、支持フレーム102を有する膜電極接合体105とガス拡散層103a、103cとを一体化する。
A fuel cell single cell 101 manufactured by the manufacturing method of the comparative example has the configuration shown in FIG. The manufacturing method of the comparative example is as follows. That is, first, the
この比較例の製造方法では、接着剤層110の内側部分113上にカソードガス拡散層103cの周縁部分103ceを配置する前に、接着剤層110が完全に硬化されている。そのため、その後に内側部分113上に周縁部分103ceを配置すると、周縁部分103ceが内側部分113上に担がれて、盛り上がってしまう。その結果、カソードガス拡散層103cとその上のカソードセパレータ(図示せず)とで画定される供給ガスの流路が盛り上がり部分で閉塞されたり、カソードガス拡散層103cを形成している繊維が盛り上がり部分で毛羽立ったり、接着剤層110下の膜電極接合体105に過剰な面圧がかかったりする、などの現象が発生して電池性能が低下するおそれがある。
In the manufacturing method of this comparative example, the
一方、実施例の製造方法では、図8に示すように接着剤層10が完全に硬化する前にカソードガス拡散層3cを接着剤層10上に配置するので、接着剤層10がカソードガス拡散層3cに浸み込むことができる。それにより、カソードガス拡散層3cが接着剤層10の上部に重なって盛り上がることを防止できる。その結果、カソードガス拡散層3cとその上のカソードセパレータ4cとで画定される酸化剤ガス供給路31が閉塞されたり、カソードガス拡散層3cを形成している繊維が盛り上がり部分で毛羽立ったり、接着剤層10下の膜電極接合体5に過剰な面圧がかかったりすることを防止でき、それらの理由による電池性能の低下を防止できる。
On the other hand, in the manufacturing method of the embodiment, the cathode
また、上記の実施例の製造方法では、支持フレーム2やカソードガス拡散層3cを配置する前に膜電極接合体5の外周縁部52eに接着剤層10を塗布するので、外周縁部52eの露出を確実に防止できる。また、紫外線硬化性を有する接着剤層10を用いて支持フレーム2を膜電極接合体5に接着するので、支持フレーム2の熱による変形を回避できる。
In the manufacturing method of the above embodiment, the
上述の燃料電池単セルの製造方法により、膜電極接合体5の外周縁部52eを露出させず、支持フレーム2を熱等で変形させることなく、支持フレーム2とガス拡散層3と膜電極接合体5とを確実に一体化することができる。
According to the method for manufacturing a single fuel cell described above, the outer
図示しない別の実施例では、支持フレーム2の材料として接着剤層10の硬化用の所定波長の紫外線が透過しない材料を用いた場合、接着剤層10を外周縁部52eに形成後、まず接着剤層10に紫外線UVを照射し、その後、接着剤層が完全に硬化する前に、接着剤層10上に支持フレーム2及びカソードガス拡散層3cのいずれか一方を配置し、更にその後にいずれか他方を配置する。支持フレーム2の材料として接着剤層10の硬化用の所定波長の紫外線が透過しない材料を用いた場合であっても、加熱が不要なUV硬化型接着剤により支持フレーム2を固定することができ、したがって加熱による支持フレーム2の変形が生じない。
In another embodiment (not shown), when a material that does not transmit ultraviolet rays of a predetermined wavelength for curing the
なお、上記実施例では、膜電極接合体5の一側面51はアノード極側面であり、他側面52はカソード極側面である。図示しない別の実施例では、膜電極接合体5の一側面はカソード極側面であり、他側面はアノード極側面である。
In the above embodiment, one
1 燃料電池単セル
2 支持フレーム
3a アノードガス拡散層
3c カソードガス拡散層
3ce 周縁部分
5 膜電極接合体
5a アノード電極触媒層
5c カソード電極触媒層
5e 電解質膜
10 接着剤層
11 外側部分
13 内側部分
22 突出部
52e 外周縁部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記一側面上に前記第1のガス拡散層が配置され、前記他側面に前記第2の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前記他側面の外周縁部上に、カチオン重合型の紫外線硬化性を有する接着剤層を形成する工程と、
前記接着剤層の外側部分上に前記支持フレームの内側部分を配置し、前記接着剤層が光重合を開始するが完全には硬化しないように前記接着剤層に紫外線を照射する工程と、
前記接着剤層に紫外線を照射した後、前記接着剤層が完全に硬化する前に、前記膜電極接合体の前記他側面上に前記第2のガス拡散層を配置する工程であって、前記第2のガス拡散層の周縁部分が前記接着剤層の内側部分と重なるように配置する工程と、
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 first gas diffusion layer disposed on one side of the membrane electrode assembly; and on the other side of the membrane electrode assembly A fuel cell single cell manufacturing method comprising: a second gas diffusion layer disposed; and a support frame that supports the membrane electrode assembly on an outer periphery of the membrane electrode assembly,
Preparing the membrane electrode assembly in which the first gas diffusion layer is disposed on the one side surface and the second gas diffusion layer is not disposed on the other side surface;
Forming a cationic polymerization type ultraviolet curable adhesive layer on the outer peripheral edge of the other side surface of the membrane electrode assembly;
Placing the inner part of the support frame on the outer part of the adhesive layer and irradiating the adhesive layer with ultraviolet rays so that the adhesive layer initiates photopolymerization but does not completely cure;
The step of disposing the second gas diffusion layer on the other side surface of the membrane electrode assembly after the adhesive layer is irradiated with ultraviolet rays and before the adhesive layer is completely cured, A step of arranging the peripheral portion of the second gas diffusion layer so as to overlap the inner portion of the adhesive layer;
Comprising
A method for producing a single fuel cell.
前記接着剤層に前記支持フレームを配置し、前記接着剤層に紫外線を照射する工程は、
前記接着剤層の前記外側部分上に前記支持フレームの前記内側部分を配置する工程と、
前記接着剤層に前記支持フレームを配置した後に、前記接着剤層が光重合を開始するが完全には硬化しないように前記接着剤層に前記所定波長の紫外線を照射する工程と、
を含む、
請求項1に記載の燃料電池単セルの製造方法。 The support frame can transmit ultraviolet rays of a predetermined wavelength for curing the adhesive layer,
The step of disposing the support frame on the adhesive layer and irradiating the adhesive layer with ultraviolet rays,
Disposing the inner portion of the support frame on the outer portion of the adhesive layer;
Irradiating the adhesive layer with ultraviolet rays of the predetermined wavelength so that the adhesive layer starts photopolymerization but is not completely cured after disposing the support frame on the adhesive layer;
including,
The manufacturing method of the fuel cell single cell of Claim 1.
前記接着剤層が光重合を開始するが完全には硬化しないように前記接着剤層に紫外線を照射する工程と、
前記接着剤層に紫外線を照射した後に、前記接着剤層の前記外側部分上に前記支持フレームの前記内側部分を配置する工程と、
を含む、
請求項1に記載の燃料電池単セルの製造方法。 The step of disposing the support frame on the adhesive layer and irradiating the adhesive layer with ultraviolet rays,
Irradiating the adhesive layer with ultraviolet rays so that the adhesive layer starts photopolymerization but is not completely cured;
Disposing the inner portion of the support frame on the outer portion of the adhesive layer after irradiating the adhesive layer with ultraviolet light; and
including,
The manufacturing method of the fuel cell single cell of Claim 1.
請求項1乃至3のいずれか一項に記載の燃料電池単セルの製造方法。 The one side surface of the membrane electrode assembly is an anode electrode side surface, and the other side surface is a cathode electrode side surface.
The manufacturing method of the fuel cell single cell as described in any one of Claims 1 thru | or 3.
請求項1乃至4のいずれか一項に記載の燃料電池単セルの製造方法。 A step of thermocompression bonding the membrane electrode assembly and the second gas diffusion layer to each other;
The manufacturing method of the fuel cell single cell as described in any one of Claims 1 thru | or 4.
請求項1乃至5のいずれか一項に記載の燃料電池単セルの製造方法。 The support frame includes a support frame main body, and a protrusion that extends from an inner edge side of the support frame main body to the inside of the support frame main body and is thinner than the support frame main body, and the inner portion of the support frame Is formed from the protrusion,
The method for producing a single fuel cell according to any one of claims 1 to 5.
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