JP6848830B2 - 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。

膜電極接合体の外周縁部にフレームが接合された燃料電池が知られている。特許文献１には、膜電極接合体の外周縁部に紫外線硬化型の接着剤を用いてフレームを接合させることが記載されている。

特開２０１５−１９５１８９号公報

電解質膜に触媒層を形成した後に電解質膜の外周縁部に紫外線硬化性樹脂を含む接着剤を用いてフレームを接合させる場合、紫外線の照射によって触媒層が発熱して接着剤の温度が上昇することがある。接着剤の温度が上昇すると、接着剤から揮発成分が放出されることがある。また、電解質膜の外周縁部に熱硬化性樹脂を含む接着剤を用いてフレームを接合させる場合でも、接着剤の温度が上昇することで接着剤から揮発成分が放出されることがある。接着剤の揮発成分が触媒層に付着すると、発電性能の低下が生じてしまう。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、接着剤の揮発成分の触媒層への付着を抑制することを目的とする。

本発明は、電解質膜の一方の面に第１触媒層を、他方の面に外周縁部を露出させて第２触媒層を形成する工程と、前記第１触媒層及び前記第２触媒層を形成した後、前記電解質膜の外周縁部に、枠状であって内周形状が前記第２触媒層の外周形状よりも大きいフレームを熱硬化性樹脂又は紫外線硬化性樹脂を含む接着剤を介して配置する工程と、前記フレームの内側であって前記接着剤が露出した空間に前記第２触媒層の外周部で連通した排気孔を有する冶具を用いて前記フレームを前記電解質膜側に押し付け且つ前記排気孔を介して前記空間から前記冶具の外部に向かってガスを排出しながら前記接着剤を硬化させる工程と、を備える、燃料電池の製造方法である。

本発明によれば、接着剤からの揮発成分が触媒層に付着することを抑制できる。

図１（ａ）から図１（ｃ）は、実施例１に係る燃料電池の製造方法を示す平面図である。 図２（ａ）から図２（ｄ）は、実施例１に係る燃料電池の製造方法を示す断面図である。 図３（ａ）は、他の上側冶具を用いた場合での図１（ｃ）に相当する平面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。 図４（ａ）から図４（ｄ）は、実施例２に係る燃料電池の製造方法を示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

実施例で説明する燃料電池は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造を有する。燃料電池は、例えば燃料電池自動車又は電気自動車などに搭載される。

図１（ａ）から図１（ｃ）は、実施例１に係る燃料電池の製造方法を示す平面図である。図２（ａ）から図２（ｄ）は、実施例１に係る燃料電池の製造方法を示す断面図である。図２（ａ）から図２（ｃ）は、図１（ａ）から図１（ｃ）のＡ−Ａ間の断面図である。図１（ａ）及び図２（ａ）のように、電解質膜１２の一方の面の全面にアノード触媒層１４ａを形成し、他方の面に外周縁部１８を露出させてカソード触媒層１４ｃを形成する。アノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃは、例えば触媒インクをスプレー塗工することで形成する。これにより、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１０が形成される。なお、アノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃの形成は、スプレー塗工によって行う場合に限られず、転写法やダイコータ法を用いてもよい。また、アノード触媒層１４ａは第１触媒層の一例であり、カソード触媒層１４ｃは第２触媒層の一例である。

電解質膜１２は、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭化水素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。アノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃは、電気化学反応を進行する触媒（例えば白金や、白金−コバルト合金）を担持したカーボン粒子（例えばカーボンブラック）と、スルホン酸基を有する固体高分子であり湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。

次いで、アノード触媒層１４ａの外側にアノードガス拡散層１６ａを配置する。そして、例えば熱圧着によって、アノードガス拡散層１６ａをアノード触媒層１４ａに接合させる。アノードガス拡散層１６ａは、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成されていて、例えばカーボンクロスやカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材によって形成されている。

図１（ｂ）及び図２（ｂ）のように、電解質膜１２の外周縁部１８に、熱硬化性樹脂又は紫外線硬化性樹脂を含む接着剤３０を介して枠状の樹脂フレーム４０を配置する。このとき、電解質膜１２の外周縁部１８に接着剤３０を塗布した後に樹脂フレーム４０を配置してもよいし、接着剤３０を塗布した樹脂フレーム４０を電解質膜１２の外周縁部１８に配置するようにしてもよい。

接着剤３０は、例えばアクリルモノマーを主成分としたアクリル樹脂系の接着剤であるが、その他の場合でもよい。樹脂フレーム４０には、燃料ガス用、酸化ガス用、又は冷媒用の複数のマニホールド４２が設けられている。樹脂フレーム４０の内周形状は、カソード触媒層１４ｃの外周形状よりも大きい。このため、樹脂フレーム４０とカソード触媒層１４ｃとの間に隙間３２が形成されている。隙間３２では接着剤３０が露出している。なお、接着剤３０は、必ずしも樹脂フレーム４０の内周よりも内側、すなわちカソード触媒層１４ｃに近い側まで延びていなくてもよい。接着剤３０の内周が樹脂フレーム４０の内周よりも大きい場合であっても、樹脂フレーム４０と電解質膜１２との間には接着剤３０の厚さ分の隙間があり、接着剤３０の内周は、その隙間において露出するためである。

図１（ｃ）及び図２（ｃ）のように、平板形状をした下側冶具５０に設けられた凹部内にアノードガス拡散層１６ａを嵌め込んで、ＭＥＡ１０を下側冶具５０に固定する。その後、上側冶具５２を下側冶具５０側に押し付けることで、樹脂フレーム４０を電解質膜１２側に押し付ける。

上側冶具５２には、樹脂フレーム４０の内側であって接着剤３０が露出した空間３４にカソード触媒層１４ｃの外周部で連通した排気孔５４が設けられている。排気孔５４は、例えばカソード触媒層１４ｃの外周部の全周にわたって設けられている。排気孔５４は、カソード触媒層１４ｃの外周部からカソード触媒層１４ｃから離れる方向に延在して上側冶具５２の上面に設けられた排気口５６に連通している。

上側冶具５２を下側冶具５０に押し付けて樹脂フレーム４０を電解質膜１２側に押し付けるとともに、排気口５６から排気孔５４内のガスを吸引しながら、接着剤３０を加熱又は接着剤３０に紫外線を照射することで接着剤３０を硬化させる。なお、接着剤３０に紫外線硬化性樹脂を用い、接着剤３０に紫外線を照射することで硬化させる場合は、上側冶具５２及び樹脂フレーム４０は紫外線を透過する材料を用いることが好ましい。排気口５６から排気孔５４内のガスを吸引しているため、空間３４内のガス圧力は、カソード触媒層１４ｃの中央領域上ではカソード触媒層１４ｃの外周領域上に比べて高くなっている。

接着剤３０を加熱して硬化させた場合、接着剤３０が高温になることで接着剤３０から揮発成分が放出される。また、接着剤３０に紫外線を照射して硬化させた場合、紫外線がカソード触媒層１４ｃ、アノード触媒層１４ａ、及びアノードガス拡散層１６ａにも照射されるため、カソード触媒層１４ｃ、アノード触媒層１４ａ、アノードガス拡散層１６ａが紫外線を吸収することで発熱し、接着剤３０が高温になって接着剤３０から揮発成分が放出される。排気口５６から排気孔５４内のガスを吸引しながら接着剤３０を硬化させることで、排気孔５４を介して空間３４から排気口５６に向かってガスを排出しながら接着剤３０を硬化させることになる。このため、接着剤３０の揮発成分は、矢印Ａで示されるように、排気孔５４を介して外部に放出される。

図２（ｄ）のように、樹脂フレーム４０を接着剤３０によって電解質膜１２に接合した後、カソード触媒層１４ｃの外側にカソードガス拡散層１６ｃを配置し、例えば熱圧着によってカソードガス拡散層１６ｃをカソード触媒層１４ｃに接合させる。カソードガス拡散層１６ｃは、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成されていて、例えばカーボンクロスやカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材によって形成されている。なお、カソードガス拡散層１６ｃのカソード触媒層１４ｃへの接合は、図２（ｂ）の工程の前に行ってもよいし、図２（ｂ）の工程と図２（ｃ）の工程との間で行ってもよい。カソード触媒層１４ｃにカソードガス拡散層１６ｃが接合されている場合でも、接着剤３０の揮発成分がカソードガス拡散層１６ｃ内を通過してカソード触媒層１４ｃに付着する恐れがある。

実施例１によれば、図１（ａ）及び図２（ａ）のように、電解質膜１２の一方の面にアノード触媒層１４ａを形成し、他方の面に外周縁部１８を露出させてカソード触媒層１４ｃを形成する。その後、図１（ｂ）及び図２（ｂ）のように、電解質膜１２の外周縁部１８に、枠状であって内周形状がカソード触媒層１４ｃの外周形状よりも大きい樹脂フレーム４０を熱硬化性樹脂又は紫外線硬化性樹脂を含む接着剤３０を介して配置する。そして、図１（ｃ）及び図２（ｃ）のように、樹脂フレーム４０の内側であって接着剤３０が露出した空間３４にカソード触媒層１４ｃの外周部で連通した排気孔５４を有する上側冶具５２を用いて樹脂フレーム４０を電解質膜１２側に押し付けつつ、排気孔５４を介して空間３４から外部に向かってガスを排出しながら接着剤３０を硬化させる。これにより、接着剤３０の硬化工程で接着剤３０から放出された揮発成分は排気孔５４を介して外部に放出されるようになる。また、排気孔５４はカソード触媒層１４ｃの外周部で接着剤３０が露出した空間３４に連通しているため、接着剤３０の揮発成分はカソード触媒層１４ｃ側に拡散する前に排気孔５４を介して外部に放出されるようになる。接着剤３０の揮発成分がカソード触媒層１４ｃに付着した場合、例えば揮発成分に含まれるアクリルモノマー中のエステル結合がカソード触媒層１４ｃの触媒（白金）に吸着すると、発電性能の低下が生じてしまう。しかしながら、実施例１では、接着剤３０の揮発成分はカソード触媒層１４ｃ側に拡散する前に排気孔５４を介して外部に放出されるようになるため、カソード触媒層１４ｃに揮発成分が付着することを抑制できる。よって、発電性能の低下を抑制することができる。

接着剤３０の揮発成分がカソード触媒層１４ｃに付着することを効果的に抑制するために、図１（ｃ）のように、上側冶具５２の排気孔５４はカソード触媒層１４ｃの外周の全周にわたって延在していることが好ましい。なお、排気孔５４はカソード触媒層１４ｃの外周の全周にわたって延在している場合に限られず、複数に分割されている場合でもよい。

図３（ａ）は、他の上側冶具を用いた場合での図１（ｃ）に相当する平面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ間の断面図である。図３（ａ）及び図３（ｂ）のように、排気孔５４は、複数に分割されていて、平面視で矩形形状をしたカソード触媒層１４ｃの各辺近傍に位置して設けられている。例えば、カソード触媒層１４ｃの１つの辺近傍にしか排気孔５４が設けられていない場合、他の辺近傍に位置する接着剤３０の揮発成分はカソード触媒層１４ｃ上を通過して排気孔５４を介して外部に放出されるようになる。この場合、カソード触媒層１４ｃに接着剤３０の揮発成分が付着され易くなってしまう。しかしながら、カソード触媒層１４ｃの各辺近傍に排気孔５４が設けられていることで、カソード触媒層１４ｃの各辺のいずれにおいても接着剤３０の揮発成分はカソード触媒層１４ｃ側に拡散する前に排気孔５４を介して外部に放出され易くなる。したがって、カソード触媒層１４ｃに接着剤３０の揮発成分が付着することを効果的に抑制できる。

接着剤３０の揮発成分がカソード触媒層１４ｃ側に拡散され難くなるよう、図２（ｃ）のように、上側冶具５２は、カソード触媒層１４ｃに狭い隙間を介して対向する突出部５８を有することが好ましい。突出部５８とカソード触媒層１４ｃとの間に隙間を介在させるのは、突出部５８がカソード触媒層１４ｃに接触するとカソード触媒層１４ｃにダメージを与えるためである。なお、突出部５８をカソード触媒層１４ｃに接触させてもよいが、この場合は、耐酸性に優れ且つカソード触媒層１４ｃに付着する恐れがないシート（例えばＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）シートなど）を介して突出部５８をカソード触媒層１４ｃに接触させることが好ましい。

また、図２（ｃ）のように、上側冶具５２は、電解質膜１２の外側であって樹脂フレーム４０の下側で接着剤３０が露出した空間と排気口５６とを連通させる排気孔６０を有していてもよい。これにより、接着剤３０の揮発成分が外部に放出される経路Ｂを増やすことができ、揮発成分を効率良く外部に放出できる。

また、接着剤３０の揮発成分がカソード触媒層１４ｃに付着することを効果的に抑制するために、排気孔５４はカソード触媒層１４ｃの外周辺よりも外側に位置して設けられていてもよい。すなわち、排気孔５４は、カソード触媒層１４ｃの外周部であれば、カソード触媒層１４ｃに重なって設けられていてもよいし、カソード触媒層１４ｃよりも外側でカソード触媒層１４ｃに重ならずに設けられていてもよい。

図４（ａ）から図４（ｃ）は、実施例２に係る燃料電池の製造方法を示す断面図である。図４（ａ）及び図４（ｂ）では、実施例１の図２（ａ）及び図２（ｂ）で説明した工程と同じ工程を行う。

図４（ｃ）のように、上側冶具５２ａをＭＥＡ１０が固定された下側冶具５０側に押し付けることで、樹脂フレーム４０を電解質膜１２側に押し付ける。上側冶具５２ａは、カソード触媒層１４ｃの中央領域上に位置する箇所に上側冶具５２ａを貫通して空間３４と外部とを連通させる送風孔６２が設けられ、且つ、カソード触媒層１４ｃとの間隔が広くなるように突出部５８ａの突出量が小さくなっている点が、実施例１の上側冶具５２と異なっている。上側冶具５２ａを下側冶具５０に押し付けて樹脂フレーム４０を電解質膜１２側に押し付けるとともに、送風孔６２に外部から空気などのガスを送り込みながら、接着剤３０を加熱又は接着剤３０に紫外線を照射して接着剤３０を硬化させる。送風孔６２に送り込まれたガスは、カソード触媒層１４ｃの中央領域から外周領域に向かって流れるため、接着剤３０の揮発成分は、矢印Ａで示されるように、排気孔５４を介して排気口５６から外部に放出される。

図４（ｄ）では、実施例１の図２（ｄ）で説明した工程と同じ工程を行う。

実施例２によれば、上側冶具５２ａは、カソード触媒層１４ｃの中央領域上に位置する箇所に送風孔６２を有する。そして、送風孔６２に外部からガスを送り込みながら接着剤３０を硬化させる。これによっても、排気孔５４を介して接着剤３０が露出した空間３４から上側冶具５２の外部に向かってガスを排出しながら接着剤３０を硬化させることになるため、接着剤３０の揮発成分はカソード触媒層１４ｃ側に拡散する前に排気孔５４を介して外部に放出されるようになる。このため、カソード触媒層１４ｃに揮発成分が付着することを抑制できる。よって、発電性能の低下を抑制することができる。

なお、実施例２では、送風孔６２に外部からガスを送り込むことに加え、排気口５６から排気孔５４内のガスを吸引しながら接着剤３０を硬化させてもよい。これにより、カソード触媒層１４ｃに接着剤３０の揮発成分が付着することを効果的に抑制できる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 膜電極接合体
１２ 電解質膜
１４ａ アノード触媒層
１４ｃ カソード触媒層
１６ａ アノードガス拡散層
１６ｃ カソードガス拡散層
３０ 接着剤
３２ 隙間
３４ 空間
４０ 樹脂フレーム
４２ マニホールド
５０ 下側冶具
５２、５２ａ 上側冶具
５４ 排気孔
５６ 排気口
５８、５８ａ 突出部
６０ 排気孔
６２ 送風孔

Claims (1)

1. 電解質膜の一方の面に第１触媒層を、他方の面に外周縁部を露出させて第２触媒層を形成する工程と、
   前記第１触媒層及び前記第２触媒層を形成した後、前記電解質膜の外周縁部に、枠状であって内周形状が前記第２触媒層の外周形状よりも大きいフレームを熱硬化性樹脂又は紫外線硬化性樹脂を含む接着剤を介して配置する工程と、
   前記フレームの内側であって前記接着剤が露出した空間に前記第２触媒層の外周部で連通した排気孔を有する冶具を用いて前記フレームを前記電解質膜側に押し付け且つ前記排気孔を介して前記空間から前記冶具の外部に向かってガスを排出しながら前記接着剤を硬化させる工程と、を備える、燃料電池の製造方法。

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