JP6834611B2 - Fuel cell manufacturing methods, fuel cells, and fuel cell manufacturing equipment - Google Patents

Fuel cell manufacturing methods, fuel cells, and fuel cell manufacturing equipment Download PDF

Info

Publication number
JP6834611B2
JP6834611B2 JP2017042994A JP2017042994A JP6834611B2 JP 6834611 B2 JP6834611 B2 JP 6834611B2 JP 2017042994 A JP2017042994 A JP 2017042994A JP 2017042994 A JP2017042994 A JP 2017042994A JP 6834611 B2 JP6834611 B2 JP 6834611B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
support member
fuel cell
ultraviolet
resin
ultraviolet rays
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2017042994A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2018147789A (en
Inventor
友実子 赤沼
友実子 赤沼
正毅 杉本
正毅 杉本
沼尾 康弘
康弘 沼尾
英爾 塩谷
英爾 塩谷
▲高▼嶋 和彦
和彦 ▲高▼嶋
アウレル フナル
アウレル フナル
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to JP2017042994A priority Critical patent/JP6834611B2/en
Publication of JP2018147789A publication Critical patent/JP2018147789A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6834611B2 publication Critical patent/JP6834611B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Description

本発明は、燃料電池の製造方法、燃料電池、および燃料電池の製造装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell manufacturing method, a fuel cell, and a fuel cell manufacturing apparatus.

近年、環境負荷の少ない電源として燃料電池が注目されている。燃料電池は、電極反応による生成物が原理的に水であり、地球環境への悪影響がほとんどないクリーンな発電システムである。特に固体高分子型燃料電池(PEFC)は、比較的低温で作動することから、電気自動車用電源として期待されている。 In recent years, fuel cells have been attracting attention as a power source with a low environmental load. A fuel cell is a clean power generation system in which the product of the electrode reaction is water in principle and has almost no adverse effect on the global environment. In particular, polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) are expected as power sources for electric vehicles because they operate at relatively low temperatures.

このような燃料電池の製造方法は、たとえば、セパレーターをプレス成形する工程、セパレーターを溶接(接合)する工程、およびセパレーターを表面処理する工程を有する。燃料電池の製造方法はさらに、セパレーターおよび膜電極接合体が組み込まれたモジュールを組み立てる工程、モジュールからスタックを組み立てる工程を有する(特許文献1)。 Such a method for manufacturing a fuel cell includes, for example, a step of press-molding the separator, a step of welding (joining) the separator, and a step of surface-treating the separator. The method for manufacturing a fuel cell further includes a step of assembling a module incorporating a separator and a membrane electrode assembly, and a step of assembling a stack from the module (Patent Document 1).

このモジュールを組み立てる工程においては、膜電極接合体を支持する支持部材に、接着剤を用いてセパレーターを接合する工程を有する。 In the step of assembling this module, there is a step of joining the separator to the support member supporting the membrane electrode assembly using an adhesive.

ところで、樹脂を接着する工程においては、接着性を良くするために表面改質処理が行われる。たとえば環状オレフィン樹脂を含む材料からなる成形体の製造方法では、環状オレフィン樹脂を含む材料の表面に真空紫外光を照射して、成形体表面の表面荒れを生じさせることなく、成形体表面に自己組織化単分子膜を形成している(特許文献2)。 By the way, in the step of adhering the resin, a surface modification treatment is performed in order to improve the adhesiveness. For example, in a method for producing a molded product made of a material containing a cyclic olefin resin, the surface of the material containing the cyclic olefin resin is irradiated with vacuum ultraviolet light, and the surface of the molded product is self-assembled without causing surface roughness. It forms an organized monolayer (Patent Document 2).

特開2005−190946号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-190946 特許5733392号Patent No. 5733392

しかしながら、支持部材とセパレーターを接着する前の表面改質に特許文献2のように紫外線照射を利用すると、どうしても支持部材に支持されている膜電極接合体にも紫外線が当たってしまう。そうすると紫外線によって膜電極接合体が劣化してしまう虞がある。 However, when ultraviolet irradiation is used for surface modification before adhering the support member and the separator as in Patent Document 2, the membrane electrode assembly supported by the support member is also exposed to ultraviolet rays. Then, there is a risk that the membrane electrode assembly will be deteriorated by ultraviolet rays.

そこで、本発明の目的は、膜電極接合体を支持する支持部材を紫外線照射によって表面改質する際に、膜電極接合体の劣化を抑えることができる燃料電池の製造方法、燃料電池、および燃料電池の製造装置を提供することである。 Therefore, an object of the present invention is a method for manufacturing a fuel cell, a fuel cell, and a fuel, which can suppress deterioration of the membrane electrode assembly when the support member supporting the membrane electrode assembly is surface-modified by irradiation with ultraviolet rays. It is to provide a battery manufacturing apparatus.

上記目的を達成する本発明の燃料電池の製造方法は、電解質膜の両面にアノードおよびカソードの電極層を備える膜電極接合体が接合された支持部材を用意する。この膜電極接合体が接合された支持部材は紫外線照射によって発熱する材料が添加された樹脂を含む。この樹脂は、前記紫外線照射によって発熱する材料としてカーボンブラックを含む環状オレフィン系樹脂である。用意した支持部材の樹脂部分の所定領域に紫外線を照射する。所定領域に接着剤を塗布する。接着剤を介してセパレーターを支持部材に接合する。 In the method for manufacturing a fuel cell of the present invention that achieves the above object, a support member to which a membrane electrode assembly having an anode and a cathode electrode layer is bonded to both sides of an electrolyte membrane is prepared. The support member to which the membrane electrode assembly is bonded contains a resin to which a material that generates heat by ultraviolet irradiation is added. This resin is a cyclic olefin resin containing carbon black as a material that generates heat when irradiated with ultraviolet rays. Irradiate a predetermined area of the resin portion of the prepared support member with ultraviolet rays. Apply the adhesive to the predetermined area. The separator is joined to the support member via an adhesive.

また、上記目的を達成する本発明の燃料電池の製造装置は、前記燃料電池の製造方法における、支持部材に含まれる樹脂部分の所定領域に紫外線を照射する段階で使用される燃料電池の製造装置である。この燃料電池の製造装置は、少なくとも300nmの波長を含む少なくとも2波長の紫外線を照射する少なくとも2波長分のUV−LEDからなる光源と、この光源からの紫外線を集光するレンズと、レンズによって集光された紫外線を支持部材に対して相対的に移動させる移動部と、を有する。 Further, the fuel cell manufacturing apparatus of the present invention that achieves the above object is a fuel cell manufacturing apparatus used at the stage of irradiating a predetermined region of a resin portion included in a support member with ultraviolet rays in the fuel cell manufacturing method. Is. This fuel cell manufacturing apparatus collects by a light source consisting of at least two wavelengths of UV-LED that irradiates ultraviolet rays of at least two wavelengths including a wavelength of at least 300 nm, a lens that collects ultraviolet rays from this light source, and a lens. It has a moving portion that moves the emitted ultraviolet rays relative to the support member.

本発明によれば、紫外線を照射すると発熱する材料が添加された樹脂を含む支持部材を用いて、この樹脂部分の所定領域に紫外線を放射して表面改質することとした。これにより、紫外線照射によって樹脂が発熱し分子結合が解離しやすくなるので、紫外線照射時間を短くすることができ、支持部材により支持されている膜電極接合体に紫外線が当たったとしてもその時間は短くなるので劣化を抑えることができる。 According to the present invention, a support member containing a resin to which a material that generates heat when irradiated with ultraviolet rays is added is used to radiate ultraviolet rays to a predetermined region of the resin portion to modify the surface. As a result, the resin generates heat due to ultraviolet irradiation and the molecular bonds are easily dissociated. Therefore, the ultraviolet irradiation time can be shortened, and even if the membrane electrode assembly supported by the support member is exposed to ultraviolet rays, the time is long. Since it is shortened, deterioration can be suppressed.

燃料電池を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the fuel cell. 燃料電池の積層構造の一部を示す要部拡大断面図である。It is an enlarged sectional view of the main part which shows a part of the laminated structure of a fuel cell. 支持部材が膜電極接合体を支持する様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that a support member supports a membrane electrode assembly. 製造装置を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the manufacturing apparatus. 支持部材上の接着領域を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the adhesive region on a support member. 支持部材とセパレーターを接合する作業手順を示す流れ図である。It is a flow chart which shows the work procedure of joining a support member and a separator. 支持部材への紫外線照射を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the irradiation of ultraviolet rays to a support member. 接着剤硬化のための紫外線照射を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the ultraviolet irradiation for adhesive curing. 表面改質の作用を説明するために分子構造のモデルを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the model of the molecular structure in order to explain the action of surface modification.

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the attached drawings. In the description of the drawings, the same elements are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted. The dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation and may differ from the actual ratios.

まず、本実施形態に燃料電池の製造方法によって製造される燃料電池の一例を説明する。 First, an example of a fuel cell manufactured by a method for manufacturing a fuel cell will be described in this embodiment.

図1は、燃料電池を示す斜視図である。図2は、燃料電池の積層構造の一部を示す要部拡大断面図である。図3は、支持部材が膜電極接合体を支持する様子を示す図である。 FIG. 1 is a perspective view showing a fuel cell. FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a main part showing a part of the laminated structure of the fuel cell. FIG. 3 is a diagram showing how the support member supports the membrane electrode assembly.

燃料電池1は、図1に示すように、燃料ガス(水素)と酸化剤ガス(酸素)との反応により起電力を生じる単セル2を所定数だけ積層した積層体3を有している。この積層体3はスタックと称されている。積層体3の両端のそれぞれに、集電板4、絶縁板5およびエンドプレート6を配置し、これらをダイロッドボルト7により締結することによって、燃料電池1を構成する。 As shown in FIG. 1, the fuel cell 1 has a laminate 3 in which a predetermined number of single cells 2 that generate an electromotive force due to a reaction between a fuel gas (hydrogen) and an oxidant gas (oxygen) are laminated. This laminated body 3 is called a stack. A current collector plate 4, an insulating plate 5, and an end plate 6 are arranged at both ends of the laminated body 3, and these are fastened with die rod bolts 7 to form a fuel cell 1.

燃料電池1内部において燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却水のそれぞれを流通させるために、一方のエンドプレート6に、6つの貫通孔が形成される。6つの貫通孔は、燃料ガス導入口8、燃料ガス排出口9、酸化剤ガス導入口10、酸化剤ガス排出口11、冷却水導入口12、および冷却水排出口13を構成する。 Six through holes are formed in one of the end plates 6 in order to circulate the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling water inside the fuel cell 1. The six through holes constitute a fuel gas introduction port 8, a fuel gas discharge port 9, an oxidant gas introduction port 10, an oxidizer gas discharge port 11, a cooling water introduction port 12, and a cooling water discharge port 13.

単セル2は、図2、3に示すように、電解質膜21の両面にアノードおよびカソードの電極層(アノード側電極23、カソード側電極22)を備える膜電極接合体20と、膜電極接合体20を支持する支持部材50と、を有する。単セル2は、膜電極接合体20の両面のそれぞれに配置される燃料電池用金属セパレーター30(以下、単にセパレーター30と称する)をさらに有する。 As shown in FIGS. 2 and 3, the single cell 2 includes a membrane electrode assembly 20 having anode and cathode electrode layers (anode side electrode 23 and cathode side electrode 22) on both sides of the electrolyte membrane 21 and a membrane electrode assembly. It has a support member 50 that supports 20 and a support member 50. The single cell 2 further has a fuel cell metal separator 30 (hereinafter, simply referred to as a separator 30) arranged on both sides of the membrane electrode assembly 20.

膜電極接合体20は、図2に示すように、電解質膜21と、カソード側電極22と、アノード側電極23と、を有する。また、膜電極接合体20は、図3に示すように、矩形形状に構成される。 As shown in FIG. 2, the membrane electrode assembly 20 has an electrolyte membrane 21, a cathode side electrode 22, and an anode side electrode 23. Further, the membrane electrode assembly 20 is formed in a rectangular shape as shown in FIG.

カソード側電極22は、カソード側触媒層221およびカソード側ガス拡散層222を有する。 The cathode side electrode 22 has a cathode side catalyst layer 221 and a cathode side gas diffusion layer 222.

カソード側触媒層221は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体および電解質を含んでおり、酸素の還元反応が進行する触媒層であり、電解質膜21の一方の側に配置される。 The cathode side catalyst layer 221 contains a catalyst component, a conductive catalyst carrier supporting the catalyst component, and an electrolyte, and is a catalyst layer in which the reduction reaction of oxygen proceeds, and is arranged on one side of the electrolyte film 21. ..

カソード側ガス拡散層222は、カソード側触媒層221に酸化剤ガスを供給するため、十分なガス拡散性および導電性を有する。カソード側ガス拡散層222は、カソード側触媒層221の電解質膜21が配置される面と反対側の面に配置される。 Since the cathode side gas diffusion layer 222 supplies the oxidant gas to the cathode side catalyst layer 221, the cathode side gas diffusion layer 222 has sufficient gas diffusibility and conductivity. The cathode side gas diffusion layer 222 is arranged on the surface of the cathode side catalyst layer 221 opposite to the surface on which the electrolyte membrane 21 is arranged.

アノード側電極23は、アノード側触媒層231およびアノード側ガス拡散層232を有する。 The anode-side electrode 23 has an anode-side catalyst layer 231 and an anode-side gas diffusion layer 232.

アノード側触媒層231は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体および電解質を含んでおり、水素の酸化反応が進行する触媒層であり、電解質膜21の他方の側に配置される。 The anode-side catalyst layer 231 contains a catalyst component, a conductive catalyst carrier carrying the catalyst component, and an electrolyte, and is a catalyst layer in which the hydrogen oxidation reaction proceeds, and is arranged on the other side of the electrolyte film 21. ..

アノード側ガス拡散層232は、アノード側触媒層231に燃料ガスを供給するため、十分なガス拡散性および導電性を有する。アノード側ガス拡散層232は、アノード側触媒層231の電解質膜21が配置される面と反対側の面に配置される。 Since the anode-side gas diffusion layer 232 supplies fuel gas to the anode-side catalyst layer 231, it has sufficient gas diffusibility and conductivity. The anode-side gas diffusion layer 232 is arranged on the surface of the anode-side catalyst layer 231 opposite to the surface on which the electrolyte membrane 21 is arranged.

電解質膜21は、アノード側触媒層231で生成したプロトンをカソード側触媒層221へ選択的に透過させる機能およびアノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能を有する。 The electrolyte membrane 21 has a function of selectively permeating protons generated in the anode side catalyst layer 231 to the cathode side catalyst layer 221 and does not mix the fuel gas supplied to the anode side and the oxidant gas supplied to the cathode side. It has a function as a partition wall for the purpose.

セパレーター30は、単セル2を電気的に直列接続する機能および燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水を互いに遮断する隔壁としての機能を有する。セパレーター30は、たとえば、ステンレス鋼板にプレス加工を施すことで成形され、図2に示すように、流路溝を成形するために凹凸形状を有している。ステンレス鋼板は、複雑な機械加工を施しやすくかつ導電性が良好である点で好ましく、必要に応じて、耐食性のコーティングを施すことも可能である。セパレーター30は、膜電極接合体20の両面のそれぞれに配置されることによって、燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路31、酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路32、および冷却水を流通させるための冷却水流路33を形成している。 The separator 30 has a function of electrically connecting the single cells 2 in series and a function of a partition wall for blocking the fuel gas, the oxidant gas and the cooling water from each other. The separator 30 is formed by, for example, pressing a stainless steel plate, and has an uneven shape for forming a flow path groove as shown in FIG. The stainless steel sheet is preferable in that it is easy to perform complicated machining and has good conductivity, and if necessary, a corrosion-resistant coating can be applied. By arranging the separator 30 on both sides of the membrane electrode assembly 20, the fuel gas flow path 31 for flowing the fuel gas, the oxidant gas flow path 32 for flowing the oxidant gas, and the cooling A cooling water flow path 33 for circulating water is formed.

支持部材50は、図2、3に示すように、膜電極接合体20の外周に設けられ膜電極接合体20を支持する。支持部材50は、高分子材料である環状オレフィン系樹脂が射出成形されることによって成形される。支持部材50を射出成形によって成形する際、環状オレフィン系樹脂がガス拡散層222、232の外周部に含浸することによって、支持部材50および膜電極接合体20が一体化して、支持部材50が膜電極接合体20を支持する。したがって、膜電極接合体20のハンドリング性が向上する。支持部材50は、図3に示すように、エンドプレート6に対応して、燃料ガス導入口51、燃料ガス排出口52、酸化剤ガス導入口53、酸化剤ガス排出口54、冷却水導入口55、および冷却水排出口56を有する。 As shown in FIGS. 2 and 3, the support member 50 is provided on the outer periphery of the membrane electrode assembly 20 and supports the membrane electrode assembly 20. The support member 50 is formed by injection molding a cyclic olefin resin which is a polymer material. When the support member 50 is molded by injection molding, the cyclic olefin resin impregnates the outer peripheral portions of the gas diffusion layers 222 and 232 to integrate the support member 50 and the membrane electrode assembly 20, and the support member 50 becomes a film. Supports the electrode assembly 20. Therefore, the handleability of the membrane electrode assembly 20 is improved. As shown in FIG. 3, the support member 50 corresponds to the end plate 6, and has a fuel gas introduction port 51, a fuel gas discharge port 52, an oxidant gas introduction port 53, an oxidant gas discharge port 54, and a cooling water introduction port. It has 55 and a cooling water discharge port 56.

セパレーター30および支持部材50は、図2に示すように、接着剤Sを介して接合される。 As shown in FIG. 2, the separator 30 and the support member 50 are joined via an adhesive S.

燃料ガスは、燃料ガス導入口8から導入され、セパレーター30の燃料ガス流路31を流れ、燃料ガス排出口9から排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口10から導入され、セパレーター30の酸化剤ガス流路32を流れ、酸化剤ガス排出口11から排出される。冷却水は、冷却水導入口12から導入され、セパレーター30の冷却水流路33を流れ、冷却水排出口13から排出される。 The fuel gas is introduced from the fuel gas introduction port 8, flows through the fuel gas flow path 31 of the separator 30, and is discharged from the fuel gas discharge port 9. The oxidant gas is introduced from the oxidant gas introduction port 10, flows through the oxidant gas flow path 32 of the separator 30, and is discharged from the oxidant gas discharge port 11. The cooling water is introduced from the cooling water introduction port 12, flows through the cooling water flow path 33 of the separator 30, and is discharged from the cooling water discharge port 13.

次に、各構成部品の材質およびサイズなどについて記述する。 Next, the material and size of each component will be described.

電解質膜21は、パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系電解質膜、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂膜、リン酸やイオン性液体等の電解質成分を含浸した多孔質状の膜を、適用することが可能である。パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーは、たとえば、ナフィオン(登録商標、デュポン株式会社製)、アシプレックス(登録商標、旭化成株式会社製)、フレミオン(登録商標、旭硝子株式会社製)である。多孔質状の膜は、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)から成形される。 The electrolyte membrane 21 is a fluorine-based electrolyte membrane composed of a perfluorocarbon sulfonic acid-based polymer, a hydrocarbon-based resin membrane having a sulfonic acid group, and a porous membrane impregnated with an electrolyte component such as phosphoric acid or an ionic liquid. , It is possible to apply. Examples of the perfluorocarbon sulfonic acid-based polymer are Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont Co., Ltd.), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Corporation), and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). The porous membrane is formed from, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF).

電解質膜21は、特に限定されないが、強度、耐久性および出力特性の観点から5〜30μmが好ましく、より好ましくは10〜200μmである。 The electrolyte membrane 21 is not particularly limited, but is preferably 5 to 30 μm, more preferably 10 to 200 μm from the viewpoint of strength, durability and output characteristics.

触媒層221、231のうちカソード側触媒層221に用いられる触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。触媒層221、231のうちアノード側触媒層231に用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。 Of the catalyst layers 221 and 231, the catalyst component used for the cathode side catalyst layer 221 is not particularly limited as long as it has a catalytic action on the reduction reaction of oxygen. Of the catalyst layers 221 and 231, the catalyst component used for the anode-side catalyst layer 231 is not particularly limited as long as it has a catalytic action on the oxidation reaction of hydrogen.

触媒成分は、たとえば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、およびそれらの合金等などから選択される。触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましい。カソード側触媒層221およびアノード側触媒層231に適用される触媒成分は、同一である必要はなく、適宜変更することが可能である。 The catalyst component is, for example, from metals such as platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and alloys thereof. Be selected. In order to improve catalytic activity, toxicity resistance to carbon monoxide and the like, heat resistance and the like, those containing at least platinum are preferable. The catalyst components applied to the cathode side catalyst layer 221 and the anode side catalyst layer 231 do not have to be the same and can be changed as appropriate.

触媒層221、231に用いられる触媒の導電性担体は、触媒成分を所望の分散状態で担持するための比表面積、および集電体として十分な電子導電性を有しておれば、特に限定されないが、主成分がカーボン粒子であることが好ましい。カーボン粒子は、たとえば、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛から構成される。 The conductive carrier of the catalyst used in the catalyst layers 221, 231 is not particularly limited as long as it has a specific surface area for supporting the catalyst component in a desired dispersed state and sufficient electron conductivity as a current collector. However, it is preferable that the main component is carbon particles. The carbon particles are composed of, for example, carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, and artificial graphite.

触媒層221、231に用いられる電解質は、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であれば、特に限定されない。具体的にはたとえば、ポリマー骨格の全部または一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質や、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質が適用可能である。触媒層221、231に用いられる電解質は、電解質膜21に用いられる電解質と同一であっても異なっていてもよいが、電解質膜21に対する触媒層221、231の密着性を向上させる観点から、同一であることが好ましい。 The electrolyte used for the catalyst layers 221 and 231 is not particularly limited as long as it is a member having at least high proton conductivity. Specifically, for example, a fluorine-based electrolyte in which all or part of the polymer skeleton contains a fluorine atom, or a hydrocarbon-based electrolyte in which the polymer skeleton does not contain a fluorine atom can be applied. The electrolyte used for the catalyst layers 221 and 231 may be the same as or different from the electrolyte used for the electrolyte membrane 21, but they are the same from the viewpoint of improving the adhesion of the catalyst layers 221 and 231 to the electrolyte membrane 21. Is preferable.

触媒層221、231の厚みは、水素の酸化反応(アノード側)および酸素の還元反応(カソード側)の触媒作用が十分発揮できる厚みであれば、特に制限されず、従来と同様の厚みが使用できる。具体的には、各触媒層の厚みは、1〜10μmが好ましい。 The thickness of the catalyst layers 221, 231 is not particularly limited as long as the catalytic action of the hydrogen oxidation reaction (anode side) and the oxygen reduction reaction (cathode side) can be sufficiently exerted, and the same thickness as the conventional one is used. it can. Specifically, the thickness of each catalyst layer is preferably 1 to 10 μm.

ガス拡散層222、232は、たとえば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパー、またはカーボンフェルトから成形される。ガス拡散層222、232は、撥水剤を含ませることで、撥水性をより高めてフラッディング現象などを防ぐことが好ましい。撥水剤は、特に限定されないが、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンである。 The gas diffusion layers 222 and 232 are formed from, for example, carbon cloth, carbon paper, or carbon felt woven with threads made of carbon fibers. It is preferable that the gas diffusion layers 222 and 232 contain a water repellent agent to further enhance the water repellency and prevent a flooding phenomenon or the like. The water repellent is not particularly limited, but is, for example, a fluorine-based agent such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyhexafluoropropylene, or tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP). Polymer materials, polypropylene and polyethylene.

ガス拡散層222、232の厚さは、機械的強度およびガスや水などの透過距離を考慮して、30〜500μm程度が好ましい。なお、撥水性は、独立した層を成形することによって、向上させることも可能である。 The thickness of the gas diffusion layers 222 and 232 is preferably about 30 to 500 μm in consideration of the mechanical strength and the permeation distance of gas, water, and the like. The water repellency can also be improved by molding an independent layer.

セパレーター30は、上述したようにステンレス鋼板から構成される。しかしながら、ステンレス鋼板に限定されず、その他の金属材料(たとえば、アルミニウム板やクラッド材)、緻密カーボングラファイトや炭素板などのカーボンを適用することも可能である。カーボンを適用する場合、燃料ガス流路31および酸化剤ガス流路32は、切削加工やスクリーン印刷によって成形することが可能である。 The separator 30 is made of a stainless steel plate as described above. However, it is not limited to the stainless steel plate, and other metal materials (for example, aluminum plate and clad material), and carbon such as dense carbon graphite and carbon plate can be applied. When carbon is applied, the fuel gas flow path 31 and the oxidant gas flow path 32 can be formed by cutting or screen printing.

セパレーター30の板厚は、たとえば、0.2mm以下である。このようにセパレーター30を薄肉に成形することによって、電気抵抗をできるだけ小さくし、燃料電池1の性能評価の1つ指標である出力密度(「起電力/単位容積」と定義される)を高めることができる。 The plate thickness of the separator 30 is, for example, 0.2 mm or less. By forming the separator 30 into a thin wall in this way, the electric resistance is reduced as much as possible, and the output density (defined as "electromotive force / unit volume"), which is one index of the performance evaluation of the fuel cell 1, is increased. Can be done.

支持部材50は、たとえば環状オレフィン系樹脂によって構成される。環状オレフィン系樹脂としてはたとえば、不飽和ポリエステルやポリ塩化ビニリデン、ポリカーボネート、エポキシ等が用いられる。 The support member 50 is made of, for example, a cyclic olefin resin. As the cyclic olefin resin, for example, unsaturated polyester, polyvinylidene chloride, polycarbonate, epoxy and the like are used.

また、支持部材50は、樹脂中に、紫外線吸収剤が添加されている。紫外線吸収剤はカーボンブラックが好ましい。樹脂中のカーボンブラック含有量は好ましくは5〜30質量%である。この含有量の範囲とすることで、後述する紫外線照射時に、紫外線照射部分が発熱し表面改質が速く行われるようになる。しかも、この範囲内であれば、カーボンブラックを入れたことで樹脂材全体がもろくなることもない。発熱量はカーボンブラックの添加量や紫外線量などに異なるものの、たとえばカーボンブラックを30質量%添加することによって最大で、室温(20℃)から35℃程度まで上昇する。 Further, in the support member 50, an ultraviolet absorber is added to the resin. Carbon black is preferable as the ultraviolet absorber. The carbon black content in the resin is preferably 5 to 30% by mass. By setting the content within this range, the ultraviolet-irradiated portion generates heat during irradiation with ultraviolet rays, which will be described later, and surface modification can be performed quickly. Moreover, within this range, the entire resin material does not become brittle due to the addition of carbon black. Although the calorific value differs depending on the amount of carbon black added and the amount of ultraviolet rays, for example, by adding 30% by mass of carbon black, the maximum calorific value rises from room temperature (20 ° C.) to about 35 ° C.

カーボンブラックはたとえば、微粒子状のものを樹脂中にまんべんなく分散されることが好ましい。カーボンブラックを樹脂中に分散される方法は周知の方法でよく、たとえば、ミキサーなどに樹脂材料を投入して、加熱しつつカーボンブラックの微粒子(粉体)を混合することにより行われる。 As for carbon black, for example, it is preferable that fine particles are evenly dispersed in the resin. A well-known method may be used for dispersing carbon black in the resin. For example, the resin material is put into a mixer or the like, and the carbon black fine particles (powder) are mixed while heating.

なお、紫外線吸収剤は、カーボンブラックのほかにも、ベンゾトリアゾール系、ベンゾフェノン系、トリアジン系などの化合物を用いることもできる。これらの紫外線吸収剤も、周知のように、紫外線を吸収してそのエネルギーを熱エネルギーとして放出する。また、樹脂材に対しての相溶性もよく、支持部材50となる樹脂に添加しても問題がない。したがってこれらを添加した樹脂に紫外線を照射すると内部から発熱する。この発熱によって樹脂を構成する分子結合の一部が解離しやすくなる(詳細後述)。 As the ultraviolet absorber, in addition to carbon black, compounds such as benzotriazole-based, benzophenone-based, and triazine-based compounds can also be used. As is well known, these UV absorbers also absorb UV rays and release the energy as heat energy. Further, the compatibility with the resin material is good, and there is no problem even if it is added to the resin to be the support member 50. Therefore, when the resin to which these are added is irradiated with ultraviolet rays, heat is generated from the inside. This heat generation makes it easier for some of the molecular bonds that make up the resin to dissociate (details will be described later).

接着剤Sは、たとえばエポキシ樹脂系の熱硬化型の接着剤Sであり、加熱することで硬化する。 The adhesive S is, for example, an epoxy resin-based thermosetting adhesive S, which is cured by heating.

次に、本発明の実施形態に係る燃料電池1の製造装置100を説明する。図4は製造装置を説明するための概略図である。 Next, the manufacturing apparatus 100 of the fuel cell 1 according to the embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is a schematic view for explaining the manufacturing apparatus.

本実施形態に係る燃料電池1の製造装置100は、ワークを載置して移動させるX−Yステージ170と、ワークである支持部材50の、セパレーター30が積層される側の表面に設定されている接着領域57(所定領域)に紫外線UVを照射する照射部110とを有する。 The manufacturing apparatus 100 of the fuel cell 1 according to the present embodiment is set on the surface of the XY stage 170 on which the work is placed and moved and the support member 50 which is the work on the side where the separator 30 is laminated. It has an irradiation unit 110 that irradiates the adhesive region 57 (predetermined region) with ultraviolet rays UV.

X−Yステージ170は移動部であり、支持部材50を載置して、その接着領域57に紫外線UVが照射されるように移動する。 The XY stage 170 is a moving portion, on which the support member 50 is placed, and moves so that the adhesive region 57 is irradiated with ultraviolet rays and UV rays.

図5は、支持部材上の接着領域を示す斜視図である。図示するように、支持部材50上の接着領域57は、支持部材50の周辺部、燃料ガス導入口51、燃料ガス排出口52、酸化剤ガス導入口53、酸化剤ガス排出口54、冷却水導入口55、および冷却水排出口56の周囲に点在させて設けられる。ここでは、接着領域57を一定間隔でストライプ状に設けたが、このような形態に限定されない。この接着領域57に対して紫外線UVを照射するために、X−Yステージ170を移動させる。 FIG. 5 is a perspective view showing an adhesive region on the support member. As shown in the figure, the adhesive region 57 on the support member 50 includes a peripheral portion of the support member 50, a fuel gas introduction port 51, a fuel gas discharge port 52, an oxidant gas introduction port 53, an oxidant gas discharge port 54, and cooling water. It is provided so as to be scattered around the introduction port 55 and the cooling water discharge port 56. Here, the adhesive regions 57 are provided in stripes at regular intervals, but the present invention is not limited to such a form. The XY stage 170 is moved to irradiate the adhesive region 57 with ultraviolet UV rays.

なお、X−Yステージ170に代えて、照射部110を移動させたり、反射鏡を用いて、紫外線を走査するようにしてもよい。 Instead of the XY stage 170, the irradiation unit 110 may be moved or a reflector may be used to scan the ultraviolet rays.

照射部110は、紫外線UVを接着領域57に照射することで表面改質する。照射部110は、波長の異なる2つの紫外線UVを放射する光源151と152を有する。 The irradiation unit 110 is surface-modified by irradiating the adhesive region 57 with ultraviolet UV rays. The irradiation unit 110 has light sources 151 and 152 that emit two ultraviolet UV rays having different wavelengths.

光源151と152の前には、光源151と152から出た光を平行光にするコリメータレンズ群161および162と、平行光をそれぞれワーク面へ集光する集光レンズ165および166が設けられている。これらレンズ群161および162と集光レンズ165および166によって光源151と152からの紫外線UVがワーク面である接着領域57に集光されて、接着領域57の表面を表面改質する。 In front of the light sources 151 and 152, collimator lens groups 161 and 162 that make the light emitted from the light sources 151 and 152 parallel light, and condensing lenses 165 and 166 that collect the parallel light onto the work surface are provided. There is. Ultraviolet UV rays from the light sources 151 and 152 are focused on the adhesive region 57, which is the work surface, by the lens groups 161 and 162 and the condenser lenses 165 and 166, and the surface of the adhesive region 57 is surface-modified.

光源の一つである光源151の波長はたとえば300nmである。300nmの波長は、支持部材50を構成している樹脂表面のC−C結合を解離させるとともに、環状オレフィン系樹脂中のカーボンブラック(炭素)に作用して樹脂を内部から発熱させる。 The wavelength of the light source 151, which is one of the light sources, is, for example, 300 nm. The wavelength of 300 nm dissociates the CC bond on the surface of the resin constituting the support member 50, and acts on carbon black (carbon) in the cyclic olefin resin to generate heat from the inside of the resin.

高分子材料の分子結合の解離に必要なエネルギーは、周知のとおり、その分子結合の結合エネルギーに基づく。C−C結合は高分子材料の種類によって異なるものの、光の波長に換算すると300nmであれば、解離させることができる。 As is well known, the energy required to dissociate a molecular bond of a polymer material is based on the binding energy of the molecular bond. Although the CC bond differs depending on the type of polymer material, it can be dissociated if it is 300 nm in terms of the wavelength of light.

また、カーボンブラックを含む樹脂への紫外線照射による発熱作用は周知であり、カーボンブラックが照射された紫外線UVを吸収する際に熱エネルギーとして放出するために発熱する。周知文献としてはたとえば、「PREPARATION AND PROPERTIES OF POLYURETHANE − CARBON BLACK − GRAPHITE HYBRID COMPOSITES FOR ELECTRICALLY CONDUCTIVE APPLICATIONS」UMI Number: 1459675の第14ページ、「Getting The Most Of Polypropylene, Polyethlene and TPO」Additives for Polyolefinsの第34ページ、「HANDBOOK OF VINYL FORMULATING SECOND EDITION」RICHARD F. GROSSMAN WILEYの第124ページなどが挙げられる。 Further, the heat generating action by irradiating a resin containing carbon black with ultraviolet rays is well known, and when the carbon black absorbs the irradiated ultraviolet rays UV, it generates heat because it is released as heat energy. As a well-known literature, for example, "PREPARATION AND PROPERTIES OF POLYURETHANE - CARBON BLACK - GRAPHITE HYBRID COMPOSITES FOR ELECTRICALLY CONDUCTIVE APPLICATIONS" UMI Number: the first 14 pages of 1,459,675, "Getting The Most Of Polypropylene, Polyethlene and TPO" Section 34 of Additives for Polyolefins Page, "HANDBOOK OF VINYL FORMULATING SECOND EDITION" RICHARD F. The 124th page of GROSSMAN WILEY and the like can be mentioned.

他の一つの光源である光源152の波長は、たとえば、従来から使用されているエキシマランプの中心波長172nmと同じでよい。この波長であれば、多くの分子結合を解離させることができる。ちなみに、環状オレフィン系樹脂の主な構造式を下記(化1)式に示す。 The wavelength of the light source 152, which is another light source, may be the same as, for example, the center wavelength of 172 nm of a conventionally used excimer lamp. At this wavelength, many molecular bonds can be dissociated. Incidentally, the main structural formulas of the cyclic olefin resin are shown in the following formula (Chemical formula 1).

(化1)に示したように、環状オレフィン系樹脂には、C−C結合はもとより、C−O結合、C=O結合、C−H結合が含まれている。これらの結合を解離させるためには、これら分子の結合エネルギー以上のエネルギーを持つ波長の光を照射する必要がある。ちなみに、C−Cの結合エネルギーの換算波長は339nm、C−Oの結合エネルギーの換算波長は374nm、C−Hの結合エネルギーの換算波長は262nmである。C=Oの結合エネルギーの換算波長は151nmである。したがって、環状オレフィン系樹脂の多くの分子結合を中心波長172nmにより解離させることができる。また、151nmより短い波長を用いることで、C=O結合も解離させることができる。ただし、本実施形態は、表面改質を行うことを目的とした紫外線照射である。したがって、C−C結合、C−O結合、C−H結合を解離させることだけでも十分であり、必ずしもC=O結合を解離させるような高いエネルギーを持つ紫外線照射は行わなくてもよい。 As shown in (Chemical Formula 1), the cyclic olefin resin contains not only a CC bond but also a C—O bond, a C = O bond, and a CH bond. In order to dissociate these bonds, it is necessary to irradiate with light having a wavelength higher than the binding energy of these molecules. Incidentally, the conversion wavelength of the binding energy of CC is 339 nm, the conversion wavelength of the binding energy of CO is 374 nm, and the conversion wavelength of the binding energy of CH is 262 nm. The conversion wavelength of the binding energy of C = O is 151 nm. Therefore, many molecular bonds of the cyclic olefin resin can be dissociated by a central wavelength of 172 nm. In addition, the C = O bond can also be dissociated by using a wavelength shorter than 151 nm. However, this embodiment is ultraviolet irradiation for the purpose of surface modification. Therefore, it is sufficient to dissociate the C—C bond, the CO bond, and the CH bond, and it is not always necessary to perform ultraviolet irradiation having a high energy that dissociates the C = O bond.

光源152として用いる波長は、172nm以外にも、たとえば既存のUVランプ同様に185nmや254nmなどの波長としてもよい。また、これら複数の波長の紫外線UVを一度に照射できるように、複数の光源を設けてもよい。そのほか使用する光源の波長については、支持部材50を構成する樹脂材料に合わせて適宜変更することができる。ただし、複数の光源のうち、いずれか一つの光源はカーボンブラックの発熱を促すために300nmであることが好ましい。 The wavelength used as the light source 152 may be a wavelength such as 185 nm or 254 nm as in the existing UV lamp, in addition to 172 nm. Further, a plurality of light sources may be provided so that the ultraviolet UV rays having a plurality of wavelengths can be irradiated at one time. In addition, the wavelength of the light source used can be appropriately changed according to the resin material constituting the support member 50. However, one of the plurality of light sources is preferably 300 nm in order to promote heat generation of carbon black.

これらの光源151および152としては、たとえば、小型軽量であることからUV−LEDが好ましい。本実施形態では、集光レンズ165および166を用いることで、UV−LEDを用いても光のエネルギー密度を上げることができる。もちろん従来同様に、UVランプを使用してもよい。 As these light sources 151 and 152, for example, UV-LED is preferable because of its small size and light weight. In this embodiment, by using the condenser lenses 165 and 166, the energy density of light can be increased even by using a UV-LED. Of course, the UV lamp may be used as in the conventional case.

次に、本実施形態における作業手順を説明する。 Next, the work procedure in this embodiment will be described.

図6は、支持部材とセパレーターを接合する作業手順を示す流れ図である。 FIG. 6 is a flow chart showing a work procedure for joining the support member and the separator.

本実施形態に係る燃料電池1の製造方法は、概説すると、支持部材50の接着領域57を含む表面に紫外線UVを照射して表面洗浄する工程(S1)、支持部材50の接着領域57に紫外線UVを照射して表面改質する工程(S2)、支持部材50とセパレーター30を接着する工程(S3)からなる。以下順に説明する。 The method for manufacturing the fuel cell 1 according to the present embodiment is roughly described in a step (S1) of irradiating the surface including the adhesive region 57 of the support member 50 with ultraviolet UV to clean the surface, and ultraviolet rays on the adhesive region 57 of the support member 50. The process includes a step of irradiating UV to modify the surface (S2) and a step of adhering the support member 50 and the separator 30 (S3). This will be described in order below.

表面洗浄工程(S1)を説明する。 The surface cleaning step (S1) will be described.

まず、燃料電池の製造装置100(以下単に装置100という)のX−Yステージ170にワークである支持部材50をセットする(S101)。このとき、ワークとしての支持部材50は既に膜電極接合体20が接合されている状態である。したがって、この工程に入る前にまでに、支持部材50に膜電極接合体20が接合されている状態のワークを用意しておくことになる。 First, the support member 50, which is a work, is set on the XY stage 170 of the fuel cell manufacturing apparatus 100 (hereinafter, simply referred to as the apparatus 100) (S101). At this time, the support member 50 as a work is in a state in which the membrane electrode assembly 20 is already bonded. Therefore, before starting this step, a work in which the membrane electrode assembly 20 is bonded to the support member 50 is prepared.

続いて、2波長の紫外線照射を開始する(S102)。このとき照射する領域は、接着領域57を含む支持部材50の表面全域に紫外線UVを2波長同時に照射する。 Subsequently, irradiation with ultraviolet rays of two wavelengths is started (S102). At this time, in the region to be irradiated, two wavelengths of ultraviolet UV are simultaneously irradiated to the entire surface of the support member 50 including the adhesive region 57.

続いて、一定時間経経過後、紫外線照射を停止する(S103)。ここで一定時間は、通常の光洗浄同様でよく、たとえば5〜60秒程度である。 Subsequently, after a lapse of a certain period of time, the ultraviolet irradiation is stopped (S103). Here, the fixed time may be the same as that of normal light cleaning, for example, about 5 to 60 seconds.

続いて、不純物が除去されたか確認する(S104)、これはたとえば目視(顕微鏡を用いる場合を含む)による確認である。除去できていなければ、もう一度、S102〜S103による紫外線照射を行う。これで不純物除去が確認されれば、次に表面改質工程へ続くことになる。なお、この確認(S104)はなくてもよい。 Subsequently, it is confirmed whether impurities have been removed (S104), which is, for example, a visual confirmation (including the case where a microscope is used). If it cannot be removed, the ultraviolet irradiation by S102 to S103 is performed again. If the removal of impurities is confirmed by this, the next step is to proceed to the surface modification step. This confirmation (S104) may not be necessary.

表面改質工程(S2)を説明する。 The surface modification step (S2) will be described.

まず、装置100のX−Yステージ170にワークである支持部材50をセットする(S201)。なお不純物除去の確認(S104)を行わない場合は、支持部材50は、X−Yステージ170にセットされたままとなっているので、そのまま、次のS202を行う。 First, the support member 50, which is a work, is set on the XY stage 170 of the device 100 (S201). When the confirmation of impurity removal (S104) is not performed, the support member 50 is still set on the XY stage 170, so the next S202 is performed as it is.

続いて、X−Yステージ170上の支持部材50を補助加熱する(S202)。補助加熱はたとえば、赤外線、誘導加熱(IH)、高温ガス、マイクロ波、超音波、レーザーなどを使用することができる。この補助加熱によって、支持部材50は、紫外線照射時にカーボンブラックによる樹脂内部からの発熱とともに、外部からも温められて、より分子結合が解離しやすくなる。補助加熱の温度は30〜50℃程度であり、支持部材50を構成する樹脂が変性するようなことのない温度にする。この補助加熱は外部からの加熱であるため、樹脂内部までなかなか温まらない。本実施形態では、既に説明したように、樹脂にカーボンブラックを添加しているので紫外線照射によって樹脂内部からも発熱する。なお、補助加熱はなくてもよい。 Subsequently, the support member 50 on the XY stage 170 is auxiliary heated (S202). For the auxiliary heating, for example, infrared rays, induction heating (IH), high temperature gas, microwaves, ultrasonic waves, lasers and the like can be used. By this auxiliary heating, the support member 50 is heated from the outside as well as heat generated from the inside of the resin by carbon black when irradiated with ultraviolet rays, and the molecular bond is more easily dissociated. The temperature of the auxiliary heating is about 30 to 50 ° C., and the temperature is set so that the resin constituting the support member 50 is not denatured. Since this auxiliary heating is heating from the outside, it is difficult to heat the inside of the resin. In the present embodiment, as described above, since carbon black is added to the resin, heat is also generated from the inside of the resin by ultraviolet irradiation. There may be no auxiliary heating.

続いて、X−Yステージ170により、支持部材50上で点在している接着領域57に2波長の紫外線照射を照射できるように支持部材50を移動する(S203)。このとき照射する領域は、接着領域57のみである。本実施形態では、UV−LEDからの紫外線UVを集光レンズ165および166により集中させて照射しているので、支持部材50全体へ紫外線UVを照射するよりはタクトタイムを短くすることができる。 Subsequently, the support member 50 is moved by the XY stage 170 so that the adhesive regions 57 scattered on the support member 50 can be irradiated with ultraviolet rays of two wavelengths (S203). At this time, the area to be irradiated is only the adhesive area 57. In the present embodiment, since the ultraviolet UV from the UV-LED is concentrated and irradiated by the condenser lenses 165 and 166, the tact time can be shortened as compared with irradiating the entire support member 50 with the ultraviolet UV.

続いて、2波長の紫外線照射を開始する(S204)。 Subsequently, irradiation with ultraviolet rays of two wavelengths is started (S204).

続いて、一定時間経経過後、紫外線照射を停止する(S205)。ここで一定時間は、表面改質に必要な時間であり、たとえば数秒〜数分程度である。この表面改質に必要な時間は限定されるものではないが、本実施形態は、カーボンブラックを樹脂に添加しているため、カーボンブラックを添加しなかった場合より短くてよい。 Subsequently, after a lapse of a certain period of time, the ultraviolet irradiation is stopped (S205). Here, the fixed time is the time required for surface modification, for example, about several seconds to several minutes. The time required for this surface modification is not limited, but in this embodiment, since carbon black is added to the resin, it may be shorter than when carbon black is not added.

図7は、支持部材への紫外線照射を説明する説明図である。図示するように、支持部材50の接着領域57には、膜電極接合体20が近傍まで来ている。このため、膜電極接合体20にも紫外線UVが当たる可能性がある。本実施形態では、支持部材50の樹脂にカーボンブラックを添加したことで、紫外線照射により発熱し、支持部材50の樹脂表面の分子結合が解離しやすくなる。このためカーボンブラックを添加しない場合と比較して紫外線照射時間を短くすることができる。したがって、仮に紫外線UVが膜電極接合体20に当たっても膜電極接合体20が劣化するのを抑えることができる。 FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating irradiation of the support member with ultraviolet rays. As shown in the figure, the film electrode joint 20 comes close to the adhesive region 57 of the support member 50. Therefore, there is a possibility that the membrane electrode assembly 20 is also exposed to ultraviolet UV rays. In the present embodiment, by adding carbon black to the resin of the support member 50, heat is generated by irradiation with ultraviolet rays, and the molecular bonds on the resin surface of the support member 50 are easily dissociated. Therefore, the ultraviolet irradiation time can be shortened as compared with the case where carbon black is not added. Therefore, even if the ultraviolet UV rays hit the membrane electrode assembly 20, the deterioration of the membrane electrode assembly 20 can be suppressed.

続いて、すべての接着領域57に紫外線UVを照射したか否かを確認して、すべての接着領域57に紫外線UVを照射していなければ(S206:NO)、S203へ戻り、次の接着領域57に紫外線UVを照射できるようにX−Yステージ170を移動させる。以降S204〜206を実行する。一方、すべての接着領域57への紫外線照射が終了したなら、表面改質工程(S2)は終了して、次の接着工程(S3)を行う。 Subsequently, it is confirmed whether or not all the adhesive regions 57 have been irradiated with ultraviolet UV, and if all the adhesive regions 57 have not been irradiated with ultraviolet UV (S206: NO), the process returns to S203 and the next adhesive region is next. The XY stage 170 is moved so that the 57 can be irradiated with ultraviolet UV rays. After that, S204 to 206 are executed. On the other hand, when the irradiation of all the bonding regions 57 with ultraviolet rays is completed, the surface modification step (S2) is completed and the next bonding step (S3) is performed.

接着工程(S2)を説明する。 The bonding step (S2) will be described.

装置100のX−Yステージ170にワークである支持部材50をセットする(S301)。 The support member 50, which is a work, is set on the XY stage 170 of the device 100 (S301).

続いて、接着領域57に接着剤Sを塗布する(S302)。このとき接着剤Sの塗布は、たとえばロボットアームなどに設けられたノズルから接着剤Sを送り出し、ノズルと支持部材50とを相対的に移動させて塗布する。 Subsequently, the adhesive S is applied to the adhesive region 57 (S302). At this time, the adhesive S is applied by sending out the adhesive S from a nozzle provided on, for example, a robot arm, and relatively moving the nozzle and the support member 50 to apply the adhesive S.

続いて、支持部材50にセパレーター30を載せる(S303)。 Subsequently, the separator 30 is placed on the support member 50 (S303).

続いて、接着剤S部分を加熱または紫外線照射する(S304)。これにより接着剤Sを硬化させる。この段階において加熱するか紫外線照射するかは、使用する接着剤Sによって決まる。熱硬化型の接着剤Sを使用しているのであれば、この段階で加熱することになる。また、紫外線硬化型の接着剤Sを使用しているのであれば、この段階で接着剤Sを硬化させる波長の紫外線UVを照射することになる。 Subsequently, the adhesive S portion is heated or irradiated with ultraviolet rays (S304). This cures the adhesive S. Whether to heat or irradiate with ultraviolet rays at this stage depends on the adhesive S used. If the thermosetting adhesive S is used, it will be heated at this stage. Further, if the ultraviolet curable adhesive S is used, the ultraviolet UV having a wavelength that cures the adhesive S is irradiated at this stage.

ここで紫外線照射の場合の一例を説明する。図8は、接着剤硬化のための紫外線照射を説明する説明図である。図示するように、紫外線UVは支持部材50の方から行う。照射位置は接着領域57である。そして、セパレーター30の、支持部材50と接着する面には、反射材301を設けておくことが好ましい。なお、セパレーター30は金属であるので紫外線を反射する場合、反射材は設けなくてもよい。反射材301を設ける領域は、接着領域57を含む部分である。これにより紫外線UVは支持部材50を透過してセパレーター30の反射材301に反射して接着剤Sにより多く当たるようになる。このためより短時間で接着剤Sを硬化させることができる。したがって、紫外線照射時間を短縮することができる。 Here, an example in the case of ultraviolet irradiation will be described. FIG. 8 is an explanatory diagram illustrating irradiation with ultraviolet rays for curing the adhesive. As shown in the figure, ultraviolet UV rays are emitted from the support member 50. The irradiation position is the adhesive region 57. Then, it is preferable to provide a reflective material 301 on the surface of the separator 30 that adheres to the support member 50. Since the separator 30 is made of metal, it is not necessary to provide a reflective material when reflecting ultraviolet rays. The region where the reflector 301 is provided is a portion including the adhesive region 57. As a result, the ultraviolet UV rays pass through the support member 50, are reflected by the reflective material 301 of the separator 30, and are more likely to hit the adhesive S. Therefore, the adhesive S can be cured in a shorter time. Therefore, the ultraviolet irradiation time can be shortened.

なお、紫外線UVの照射方向はこのような例に限定されない。接着剤Sに紫外線UVが照射できる位置であれば、どこから照射してもよい。 The irradiation direction of ultraviolet UV is not limited to such an example. The adhesive S may be irradiated from any position as long as it can be irradiated with ultraviolet rays and UV rays.

加熱または紫外線照射を一定時間行った後、加熱または紫外線照射を停止して(S305)、処理を終了する。これで支持部材50にセパレーター30が接合される。 After heating or irradiating with ultraviolet rays for a certain period of time, the heating or irradiating with ultraviolet rays is stopped (S305) to end the treatment. The separator 30 is now joined to the support member 50.

本実施形態による表面改質の作用を説明する。図9は表面改質の作用を説明するために分子構造のモデルを示す模式図である。 The action of surface modification according to this embodiment will be described. FIG. 9 is a schematic diagram showing a model of the molecular structure for explaining the action of surface modification.

図示する(a)紫外線照射前の状態では、支持部材50の樹脂を構成する分子はすべて結合している。また、樹脂中にカーボンブラックBCが添加されている。これに紫外線UVが照射されると、図示する(b)紫外線照射の状態となり、一部の分子結合が解離する。このときカーボンブラックBCにも紫外線UVが当たり発熱する。その後、図示する(c)接着剤硬化後の状態では、接着剤S成分の分子が、結合が解離した支持部材50内の分子と結合する。 In the state (a) before irradiation with ultraviolet rays shown in the figure, all the molecules constituting the resin of the support member 50 are bonded. In addition, carbon black BC is added to the resin. When this is irradiated with ultraviolet UV, it becomes the state of (b) ultraviolet irradiation shown in the figure, and some molecular bonds are dissociated. At this time, ultraviolet UV rays also hit the carbon black BC and generate heat. Then, in the illustrated state (c) after the adhesive is cured, the molecules of the adhesive S component are bonded to the molecules in the support member 50 whose bond is dissociated.

このように、紫外線照射による表面改質後、接着剤Sを塗布、硬化させることで、接着剤Sを介して支持部材50との強固な接合が可能となる。 In this way, by applying and curing the adhesive S after surface modification by ultraviolet irradiation, strong bonding with the support member 50 is possible via the adhesive S.

以上説明した本実施形態によれば以下の効果を奏する。 According to the present embodiment described above, the following effects are obtained.

本実施形態は、支持部材50を構成する樹脂中に、紫外線UVを照射すると発熱する材料を添加しているので、紫外線照射により発熱が起こる。この発熱は、室温(20℃)から約35℃程度まで温度を上昇させることが可能となる。樹脂は熱が加わることで、その分子結合が解離しやすくなる。このため、この発熱により、紫外線UVを照射すると発熱する材料を入れない場合と比較して、より短い時間で分子結合を解離させることが可能となる。これにより支持部材50に支持されている膜電極接合体20が紫外線UVに当たる時間を短くして、紫外線UVによる直接的な劣化を抑えることができる。 In the present embodiment, since a material that generates heat when irradiated with ultraviolet rays UV is added to the resin constituting the support member 50, heat is generated by the irradiation with ultraviolet rays. This heat generation makes it possible to raise the temperature from room temperature (20 ° C.) to about 35 ° C. When heat is applied to the resin, its molecular bond is easily dissociated. Therefore, this heat generation makes it possible to dissociate molecular bonds in a shorter time than in the case where a material that generates heat when irradiated with ultraviolet rays UV is not added. As a result, the time during which the membrane electrode assembly 20 supported by the support member 50 is exposed to ultraviolet UV can be shortened, and direct deterioration due to ultraviolet UV can be suppressed.

また、使用する紫外線UVによってはオゾンが発生する。特に、波長が200nm以下の場合にはオゾンが発生してしまう。本実施形態では、上記のように紫外線照射時間を短くできるため、このようなオゾン発生も抑えることが可能となって、膜電極接合体20がオゾンに曝される時間を短くでき、オゾンよる劣化も抑えられる。 In addition, ozone is generated depending on the ultraviolet rays and UV rays used. In particular, when the wavelength is 200 nm or less, ozone is generated. In the present embodiment, since the ultraviolet irradiation time can be shortened as described above, such ozone generation can be suppressed, the time when the membrane electrode assembly 20 is exposed to ozone can be shortened, and the deterioration due to ozone can be shortened. Can also be suppressed.

また、本実施形態では、支持部材50を構成する樹脂として環状オレフィン系樹脂を用い、これにカーボンブラックを添加しているので、紫外線照射時に発熱する。 Further, in the present embodiment, since a cyclic olefin resin is used as the resin constituting the support member 50 and carbon black is added thereto, heat is generated when irradiated with ultraviolet rays.

また、本実施形態では、少なくとも2波長の紫外線UVを同時に使用することとしたので、発熱と同時に必要な分子結合の解離を同時に起こさせることができる。特に、300nm波長の紫外線UVを用いることで、カーボンブラックによる発熱を起こりやすくできる。さらにもう一つの波長を樹脂材料に合わせて選択して使用することで、接着に効果のある分子結合を解離させて、官能基を効率よく形成させて接着効果を高めることができる。しかも、接着剤Sを塗布、硬化させた後は、支持部材50への紫外線照射によって解離した分子と強固に結びつく。 Further, in the present embodiment, since it is decided to use at least two wavelengths of ultraviolet UV at the same time, it is possible to simultaneously cause heat generation and dissociation of necessary molecular bonds. In particular, by using ultraviolet UV having a wavelength of 300 nm, heat generation due to carbon black can be easily generated. Further, by selecting and using another wavelength according to the resin material, it is possible to dissociate the molecular bond effective for adhesion, efficiently form a functional group, and enhance the adhesion effect. Moreover, after the adhesive S is applied and cured, it is firmly bonded to the molecules dissociated by irradiating the support member 50 with ultraviolet rays.

また、本実施形態の製造装置100は集光レンズ165および166を使用することで、局所的に高エネルギーが照射できる。このため接着領域57のみに、短時間で巨大なエネルギーを照射できるのでサイクルタイムを短縮できる。 Further, the manufacturing apparatus 100 of the present embodiment can locally irradiate high energy by using the condenser lenses 165 and 166. Therefore, a huge amount of energy can be irradiated only to the adhesive region 57 in a short time, so that the cycle time can be shortened.

また、照射する部位によって波長を使い分けることもでき、これまでは別々に処理していた工程を一つに集約でき、さらなるサイクルタイムの短縮を行うことができる。 In addition, the wavelength can be used properly depending on the irradiation site, and the processes that have been processed separately can be integrated into one, and the cycle time can be further shortened.

また、本実施形態の製造装置100は、紫外線UVを照射する照射部110を複数用意して、照射する位置を変えてもよい。複数の照射部110を持ついことで、支持部材50上の接着領域57だけでなく、膜電極接合体20を支持部材50に接続する部分にも、同時に紫外線UVを照射して表面改質することができる。このため、サイクルタイムを短縮できる。特に、UV−LEDを使用することで照射部110の構成を、エキシマランプを使用するよりも小型軽量にできるので、照射部110の複数化(特に光源の複数化)も容易である。 Further, the manufacturing apparatus 100 of the present embodiment may prepare a plurality of irradiation units 110 for irradiating ultraviolet UV rays and change the irradiation position. By having a plurality of irradiation portions 110, not only the adhesive region 57 on the support member 50 but also the portion connecting the membrane electrode assembly 20 to the support member 50 is simultaneously irradiated with ultraviolet UV to modify the surface. be able to. Therefore, the cycle time can be shortened. In particular, by using the UV-LED, the configuration of the irradiation unit 110 can be made smaller and lighter than that by using the excimer lamp, so that the number of irradiation units 110 (particularly the number of light sources) can be easily increased.

以上、本発明を適用した実施形態を説明したが、本発明はここで説明した実施形態以外の構成であってもよく、本発明は特許請求の範囲により規定した事項によって定められる様々な変形形態が可能である。 Although the embodiment to which the present invention is applied has been described above, the present invention may have a configuration other than the embodiment described here, and the present invention has various modifications defined by the matters specified by the claims. Is possible.

1 燃料電池、
20 膜電極接合体、
21 電解質膜、
22 カソード側電極、
23 アノード側電極、
30 セパレーター、
50 支持部材、
57 接着領域、
100 製造装置、
110 照射部、
151、152 光源(UV−LED)、
165、166 集光レンズ
170 X−Yステージ、
301 反射材、
BC カーボンブラック、
S 接着剤、
UV 紫外線。
1 fuel cell,
20 Membrane electrode assembly,
21 Electrolyte membrane,
22 Cathode side electrode,
23 Anode side electrode,
30 Separator,
50 Support member,
57 Adhesive area,
100 manufacturing equipment,
110 Irradiator,
151, 152 light source (UV-LED),
165, 166 Condensing Lens 170 XY Stage,
301 Reflective material,
BC carbon black,
S adhesive,
UV UV.

Claims (4)

電解質膜の両面にアノードおよびカソードの電極層を備える膜電極接合体が接合された支持部材を用意する段階と、
前記支持部材は紫外線照射によって発熱する材料が添加された樹脂を含み、前記樹脂部分の所定領域に紫外線を照射する段階と、
前記所定領域に接着剤を塗布する段階と、
前記接着剤を介してセパレーターを前記支持部材に接合する段階と、
を有し、前記樹脂は、前記紫外線照射によって発熱する材料としてカーボンブラックを含む環状オレフィン系樹脂である、燃料電池の製造方法。
At the stage of preparing a support member to which a membrane electrode assembly having anode and cathode electrode layers on both sides of the electrolyte membrane is bonded, and
The support member contains a resin to which a material that generates heat by irradiation with ultraviolet rays is added, and a step of irradiating a predetermined region of the resin portion with ultraviolet rays
The stage of applying the adhesive to the predetermined area and
At the stage of joining the separator to the support member via the adhesive,
Have a, the resin, the cyclic olefin resin containing carbon black as a material that generates heat by irradiation with ultraviolet light, the manufacturing method of the fuel cell.
前記カーボンブラックは前記樹脂中に5〜30質量%含む、請求項に記載の燃料電池の製造方法。 The method for manufacturing a fuel cell according to claim 1 , wherein the carbon black is contained in the resin in an amount of 5 to 30% by mass. 前記紫外線を照射する段階は、少なくとも300nmの波長を含む少なくとも2波長を同時に照射する、請求項1または2に記載の燃料電池の製造方法。 The method for manufacturing a fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the step of irradiating the ultraviolet rays simultaneously irradiates at least two wavelengths including a wavelength of at least 300 nm. 請求項1〜3のいずれか一つに記載の燃料電池の製造方法における、支持部材に含まれる樹脂部分の所定領域に紫外線を照射する段階で使用される燃料電池の製造装置であって、
少なくとも300nmの波長を含む少なくとも2波長の紫外線を照射する少なくとも2波長分のUV−LEDからなる光源と、
前記光源からの前記紫外線を集光するレンズと、
前記レンズによって集光された前記紫外線を前記支持部材に対して相対的に移動させる移動部と、
を有する燃料電池の製造装置。
A fuel cell manufacturing apparatus used in a stage of irradiating a predetermined region of a resin portion included in a support member with ultraviolet rays in the fuel cell manufacturing method according to any one of claims 1 to 3.
A light source consisting of at least two wavelengths of UV-LED that irradiates at least two wavelengths of ultraviolet light, including at least 300 nm.
A lens that collects the ultraviolet rays from the light source and
A moving portion that moves the ultraviolet rays collected by the lens relative to the support member, and
Fuel cell manufacturing equipment with.
JP2017042994A 2017-03-07 2017-03-07 Fuel cell manufacturing methods, fuel cells, and fuel cell manufacturing equipment Active JP6834611B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017042994A JP6834611B2 (en) 2017-03-07 2017-03-07 Fuel cell manufacturing methods, fuel cells, and fuel cell manufacturing equipment

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017042994A JP6834611B2 (en) 2017-03-07 2017-03-07 Fuel cell manufacturing methods, fuel cells, and fuel cell manufacturing equipment

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2018147789A JP2018147789A (en) 2018-09-20
JP6834611B2 true JP6834611B2 (en) 2021-02-24

Family

ID=63591507

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017042994A Active JP6834611B2 (en) 2017-03-07 2017-03-07 Fuel cell manufacturing methods, fuel cells, and fuel cell manufacturing equipment

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6834611B2 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6856003B2 (en) * 2017-11-09 2021-04-07 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell manufacturing method
DE102018217290A1 (en) * 2018-10-10 2020-04-16 Robert Bosch Gmbh Process for sealing a fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
JP2018147789A (en) 2018-09-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4890787B2 (en) Fuel cell and manufacturing method thereof
US20160104909A1 (en) Method of manufacturing unit fuel cell
US20120034541A1 (en) Fuel cell stack and electronic device provided with the same
CN104995778A (en) Power generator
US20170162878A1 (en) Gas diffusion layer for fuel cell, fuel cell, and formation method for gas diffusion layer for fuel cell
JP2006019298A (en) Polymer electrolyte membrane for fuel cell, membrane/electrode assembly, fuel cell system, and manufacturing method for membrane/electrode assembly
Parekh Recent developments of proton exchange membranes for PEMFC: A review
JP5442481B2 (en) Composite membrane, fuel cell, and method for producing composite membrane
CN1969417A (en) Electrolyte membrane for solid polymer fuel cell, method for producing same and membrane electrode assembly for solid polymer fuel cell
JP2007157387A (en) Manufacturing method of fuel battery and fuel battery
JP6834611B2 (en) Fuel cell manufacturing methods, fuel cells, and fuel cell manufacturing equipment
Shrivastava et al. Wire mesh current collectors for passive direct methanol fuel cells
JP6863264B2 (en) Fuel cell manufacturing method
JP6237263B2 (en) Manufacturing method of fuel cell
US8105728B2 (en) Polyelectrolyte material, method for producing polyelectrolyte material, polyelectrolyte component, fuel cell, and method for producing fuel cell
KR20090119675A (en) Method for producing electrolyte membrane for fuel cell and method for producing electrolyte membrane-electrode assembly for fuel cell
JPWO2008023632A1 (en) Membrane electrode assembly, method for producing the same, and fuel cell
JP2014229515A (en) Device and method for manufacturing separator assembly for fuel cell, and fuel cell
JP2006210166A (en) Electrolyte membrane for polymer electrolyte fuel cell and membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell
JP4692714B2 (en) Method for producing solid polymer electrolyte membrane for fuel cell
JP2012099393A (en) Fuel battery and manufacturing method of fuel battery
JP5316413B2 (en) Solid polymer electrolyte membrane, method for producing solid polymer electrolyte membrane, and fuel cell
JP5447922B2 (en) FUEL CELL, FUEL CELL STACK, AND ELECTRONIC DEVICE PROVIDED WITH FUEL CELL STACK
JP2016004631A (en) Method and device for manufacturing fuel cell
JP6229603B2 (en) Method for forming conductive film for fuel cell separator

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20190913

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20200721

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20200804

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20200831

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20210105

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20210118

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6834611

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151