JP6777429B2 - 燃料電池の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の製造方法に関する。

燃料電池の製造方法として、例えば、特許文献１に記載された技術が知られている。特許文献１に記載された技術では、膜電極ガス拡散層接合体の周縁部に形成された段差部分に接着剤を塗布して、両面が熱可塑性樹脂で覆われたフレーム（シール部材ともいう）の段差部分と接着させている。また、接着剤を紫外線硬化樹脂とすることができることが記載されている。

特開２０１３−２５１２５３号公報

このような燃料電池では、製造誤差などによりフレームとガス拡散層の間に隙間ができる場合がある。この隙間に接着剤が入り込むと、フレームとセパレータの熱接着時に押し出された熱可塑性樹脂が、硬化した接着剤を押し出して剥離させ、燃料電池を破損させるおそれがある。そのため、熱可塑性樹脂を用いた熱接着に起因して燃料電池が破損することを抑制できる技術が望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池の製造方法が提供される。この燃料電池の製造方法は、（ａ）電解質膜の両面に電極触媒層が形成された膜電極接合体上に補強用樹脂を平坦に塗布し、（ｂ）前記工程（ａ）の後、前記補強用樹脂を硬化し、（ｃ）前記工程（ｂ）の後、硬化した前記補強用樹脂の上にガス拡散層と、両面に熱可塑性樹脂を有する樹脂フレームと、を並べて配置するとともに、前記ガス拡散層及び前記樹脂フレーム上にセパレータを配置し、（ｄ）前記工程（ｃ）の後、前記セパレータと前記膜電極接合体とをそれぞれ前記熱可塑性樹脂で前記樹脂フレームに熱接着する。この形態の燃料電池の製造方法によれば、膜電極接合体上の補強用樹脂を予め平坦に塗布して硬化させるため、ガス拡散層と樹脂フレームとの間に隙間ができたとしても、その隙間においての補強用樹脂が盛り上がり、熱可塑性樹脂との間に段差が生じることがない。そのため、熱可塑性樹脂による熱接着時に補強用樹脂が剥がれる方向に力が加えられることを抑制できる。そのため、熱可塑性樹脂を用いた熱接着に起因して燃料電池が破損することを抑制できる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、この形態の製造方法で製造された燃料電池や、この燃料電池を含んで構成される燃料電池システム、この燃料電池を搭載する車両等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態における製造方法で製造された燃料電池の概略構造を示す断面図である。 本実施形態の燃料電池の製造方法の概要を表わす工程図である。 比較例としての燃料電池の概略構造を示す断面図である。 第１変形例における燃料電池の断面図である。 第２変形例における燃料電池の断面図である。 第３変形例における燃料電池の断面図である。 第４変形例における燃料電池の断面図である。 第５変形例における燃料電池の断面図である。 第６変形例における燃料電池の断面図である。 図９をＡ−Ａラインで切断した断面図である。 第７変形例における燃料電池の断面図である。

Ａ．実施形態：
図１は、本発明の一実施形態における製造方法で製造された燃料電池１００の概略構造を示す断面図である。燃料電池１００は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子型の燃料電池である。燃料電池１００は、膜電極接合体１０と、補強用樹脂２０と、一対のガス拡散層３０と、セパレータ４０と、樹脂フレーム５０と、を備える。

膜電極接合体１０は、電解質膜１１と、電解質膜１１の両面にそれぞれ隣接して形成された電極触媒層であるカソード側触媒層１２ａ及びアノード側触媒層１２ｂと、を備える。電解質膜１１は湿潤状態において良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である。電解質膜１１はフッ素系樹脂のイオン交換膜によって構成される。カソード側触媒層１２ａ及びアノード側触媒層１２ｂは水素と酸素の化学反応を促進する触媒と、触媒を担持したカーボン粒子とを備える。

補強用樹脂２０は、膜電極接合体１０のカソード側触媒層１２ａ側の面の端部全周に隣接して設けられている。補強用樹脂２０は、例えば、ポリイソブチレンのような紫外線硬化性樹脂を用いることができる。

ガス拡散層３０は、補強用樹脂２０の膜電極接合体１０側とは反対側の面と膜電極接合体１０のアノード側触媒層１２ｂ側の面とにそれぞれ隣接して設けられている。ガス拡散層３０は、電極反応に用いられる反応ガスを電解質膜１１の面方向に沿って拡散させる層であり、多孔質の拡散層用基材により構成されている。拡散層用基材としては、炭素繊維基材や黒鉛繊維基材、発砲金属など、導電性及びガス拡散性を有する多孔質の基材が用いられる。

セパレータ４０は、ガス拡散層３０の膜電極接合体１０側とは反対側の面に隣接して設けられている。セパレータ４０は例えば、ステンレスやチタン、あるいはそれらの合金からなる金属板をプレス成型することによって形成されている。

樹脂フレーム５０は、膜電極接合体１０のカソード側触媒層１２ａの周縁部に設けられている。樹脂フレーム５０としては、例えば、ポリプロピレンやポリエチレン等の樹脂からなる絶縁性のフィルム状の部材を用いることができる。樹脂フレーム５０の両面には、熱可塑性樹脂５１が塗布又は接合されている。熱可塑性樹脂５１として、例えば、シランカップリング剤を配合されたポリプロピレンやポリエチレン、ポリオレフィンに官能基を導入した変性ポリオレフィンを用いることができる。なお、熱可塑性樹脂５１としてはシランカップリング剤を用いていない物や、熱可塑熱硬化エポキシ樹脂等を用いることも可能である。

樹脂フレーム５０は、熱可塑性樹脂５１を介して補強用樹脂２０に接着されている。樹脂フレーム５０は、反応ガスが燃料電池１００外部へ漏れ出ることがないようにシール部材としての役割を果たす。本実施形態では、樹脂フレーム５０は、ガス拡散層３０と所定の隙間Ｇを空けて並べて補強用樹脂２０上に設置されている。

図２は、本実施形態の燃料電池１００の製造方法の概要を表わす工程図である。まず、カソード側触媒層１２ａの電解質膜１１側とは反対側の面の端部全周に補強用樹脂２０を塗布する（ステップＳ２００）。続いて、補強用樹脂２０を硬化する（ステップＳ２１０）。

次に、ガス拡散層３０と樹脂フレーム５０とセパレータ４０の配置を行なう（ステップＳ２２０）。ガス拡散層３０は、硬化した補強用樹脂２０上と膜電極接合体１０のアノード側触媒層１２ｂ側の面とにそれぞれ隣接して配置される。樹脂フレーム５０は、膜電極接合体１０の周縁部において熱可塑性樹脂５１を介して補強用樹脂２０上に配置される。本実施形態では、ガス拡散層３０と樹脂フレーム５０とは、硬化した補強用樹脂２０の上に並べて配置される。セパレータ４０は、ガス拡散層３０及び樹脂フレーム５０上に配置される。このとき、セパレータ４０は、樹脂フレーム５０上に熱可塑性樹脂５１を介して配置される。

なお、補強用樹脂２０は、膜電極接合体１０のカソード側触媒層１２ａの側の面の端部に設けられているため、膜電極接合体１０の中央部においては、ガス拡散層３０は補強用樹脂２０上ではなくカソード側触媒層１２ａの上に配置される。

次に膜電極接合体１０とセパレータ４０とを、それぞれ熱可塑性樹脂５１で樹脂フレーム５０に熱接着する（ステップＳ２３０）。図３は、比較例としての燃料電池１００Ａの概略構造を示す断面図である。本実施形態では、上記ステップＳ２１０により、補強用樹脂２０を先に硬化することで、図３に示すように、表面張力により樹脂フレーム５０の内側の側面に補強用樹脂２０が付着することを防いでいる。そのため、熱接着の際に熱可塑性樹脂５１が隙間Ｇに流れ出た際も、補強用樹脂２０に応力がかからない。

以上で説明した本実施形態の燃料電池１００の製造方法によれば、膜電極接合体１０上の補強用樹脂２０を予め平坦に塗布して硬化させる事で、ガス拡散層３０と樹脂フレーム５０との間に隙間Ｇができたとしても、その隙間Ｇにおいて補強用樹脂２０が盛り上がり、熱可塑性樹脂５１との間に段差が生じることがない。そのため、熱可塑性樹脂５１による熱接着時に補強用樹脂２０が剥がれる方向に力が加えられることを抑制できる。そのため、熱可塑性樹脂５１を用いた熱接着に起因して燃料電池１００が破損することを抑制できる。

Ｂ．変形例および参考例：
＜第１参考例＞
図４は、第１参考例における燃料電池１００Ｂの断面図である。本参考例では、ガス拡散層３０と樹脂フレーム５０との隙間Ｇを、補強用樹脂２０ｂによって埋めている。これにより、補強用樹脂２０ｂを剥離させず、膜電極接合体１０を補強した状態を保つことができる。そのため、熱可塑性樹脂５１を用いた熱接着に起因して燃料電池１００Ｂが破損することを抑制できる。

＜第２参考例＞
図５は、第２参考例における燃料電池１００Ｃの断面図である。本参考例では、セパレータ４０は、発電に影響のない部位に融けた熱可塑性樹脂５１を収納する空間６０を備えている。補強用樹脂２０が樹脂フレーム５０の側面に付着したとしても、この空間に熱可塑性樹脂５１が流れ込むことにより、補強用樹脂２０に応力が加わることを防ぐことができる。そのため、熱可塑性樹脂５１を用いた熱接着に起因して燃料電池１００Ｃが破損することを抑制できる。

＜第３参考例＞
図６は、第３参考例における燃料電池１００Ｄの断面図である。本参考例では、樹脂フレーム５０及び熱可塑性樹脂５１の内側側面に高融点の樹脂材料である流出防止材７０を接合又は塗布している。これにより、熱可塑性樹脂５１を熱接着する際に、融けた熱可塑性樹脂５１が隙間Ｇ側に流れ出ることを防ぐことができる。そのため、図６に示すように、隙間Ｇに補強用樹脂２０が盛り上がった場合でも、熱可塑性樹脂５１を用いた熱接着に起因して燃料電池１００Ｄが破損することを抑制できる。

＜第４参考例＞
図７は、第４参考例における燃料電池１００Ｅの断面図である。本参考例では、膜電極接合体１０側の熱可塑性樹脂５１の端部に高融点の樹脂材料である流出防止材７０ｅを設けている。これにより、熱可塑性樹脂５１を熱接着する際に、融けた熱可塑性樹脂５１が隙間Ｇ側に流れ出ることを防ぐことができる。そのため、熱可塑性樹脂５１を用いた熱接着に起因して燃料電池１００Ｅが破損することを抑制できる。

＜第５参考例＞
図８は、第５参考例における燃料電池１００Ｆの断面図である。本参考例では、樹脂フレーム５０の内側の端部に膜電極接合体１０側に突き出す突出部８０を設けている。これにより、熱可塑性樹脂５１を熱接着する際に、融けた熱可塑性樹脂５１が隙間Ｇ側に流れ出ることを防ぐことができる。そのため、熱可塑性樹脂５１を用いた熱接着に起因して燃料電池１００Ｆが破損することを抑制できる。

＜第６参考例＞
図９は、第６参考例における燃料電池１００Ｇの断面図であり、図１０は、図９をＡ−Ａラインで切断した断面図である。本参考例では、樹脂フレーム５０のカソード側触媒層１２ａ側の面に、熱可塑性樹脂５１とともに複数の厚み保持用のシム９０を設けている。シム９０は熱可塑性樹脂５１より高融点の樹脂である。このように、厚み保持用のシム９０が設けられていれば、熱接着時に熱可塑性樹脂５１の厚みが保持されるので、融けた熱可塑性樹脂５１が隙間Ｇ側に押し出されることを防ぐことができる。そのため、熱可塑性樹脂５１を用いた熱接着に起因して燃料電池１００Ｇが破損することを抑制できる。

＜第７参考例＞
図１１は、第７参考例における燃料電池１００Ｈの断面図である。本参考例では、燃料電池１００Ｈは、第３参考例と同様に流出防止材７０を備えており、更に第６参考例と同様に厚み保持用のシム９０を備えている。このような構造であれば、融けた熱可塑性樹脂５１が隙間Ｇ側に押し出されることをより効果的に防ぐことができる。そのため、熱可塑性樹脂５１を用いた熱接着に起因して燃料電池１００Ｈが破損することを抑制できる。

＜第１変形例＞
上記実施形態では、補強用樹脂２０は膜電極接合体１０の端部全周に設けられている。これに対して、補強用樹脂２０は、端部全周に限らず膜電極接合体１０の補強が必要な任意の場所に設けられていてもよい。また、樹脂フレーム５０も、膜電極接合体１０の周縁部に限らず、シールが必要な任意の場所に設けられていてもよい。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、あるいは上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜削除することが可能である。

１０…膜電極接合体
１１…電解質膜
１２ａ…カソード側触媒層
１２ｂ…アノード側触媒層
２０、２０ｂ…補強用樹脂
３０…ガス拡散層
４０…セパレータ
５０…樹脂フレーム
５１…熱可塑性樹脂
６０…空間
７０、７０ｅ…流出防止材
８０…突出部
９０…シム
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ、１００Ｆ、１００Ｇ、１００Ｈ…燃料電池
Ｇ…隙間

Claims (1)

1. 燃料電池の製造方法であって、
   （ａ）電解質膜の両面に電極触媒層が形成された膜電極接合体上に補強用樹脂を平坦に塗布する工程と、
   （ｂ）前記工程（ａ）の後、前記補強用樹脂を硬化する工程と、
   （ｃ）前記工程（ｂ）の後、硬化した前記補強用樹脂の上にガス拡散層と、両面に熱可塑性樹脂を有する樹脂フレームと、を並べて配置するとともに、前記ガス拡散層及び前記樹脂フレーム上にセパレータを配置する工程と、
   （ｄ）前記工程（ｃ）の後、前記セパレータと前記膜電極接合体とをそれぞれ前記熱可塑性樹脂で前記樹脂フレームに熱接着する工程と、を備える製造方法。

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