JP7052483B2 - 一体化シートの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に用いられる膜電極ガス拡散層接合体と樹脂フレームとの一体化シートの製造方法に関するものである。

燃料電池用の膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）として、当該ＭＥＧＡの周縁部に枠状の樹脂フレームを有する一体化シートが知られている。

特許文献１には、接着剤により燃料電池シーリングプレートとセパレータが固定されている燃料電池が開示されており、当該接着剤として紫外線硬化接着剤を用いた例が開示されている。

特開２００７－２８７６０８号公報

一般に紫外線硬化接着剤は、材質に応じて、所定の積算光量［ｍＪ／ｃｍ^２］（＝照射強度［ｍＷ／ｃｍ^２］×照射時間［ｓｅｃ］）を照射することにより硬化するとされている。本発明者は、生産性向上の観点から、ＭＥＧＡと樹脂フレームを接着する際に照射強度を上げて照射時間を短くすることを検討した。しかしながら照射強度を上げた場合、紫外線硬化接着剤に照射した紫外線が所定の積算光量に達しても、硬化が不十分となる場合があるとの知見を得た。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、紫外線硬化接着剤の硬化阻害を抑制することで、当該紫外線硬化接着剤を短時間で硬化することができ、生産性に優れた膜電極ガス拡散層接合体と樹脂フレームとの一体化シートの製造方法を提供することを目的とする。

本実施の一体化シートの製造方法は、膜電極ガス拡散層接合体に樹脂フレームが接合された一体化シートの製造方法であって、
膜電極接合体の少なくとも一方の面にガス拡散層が積層された積層体を準備する工程と、
前記積層体に紫外線硬化接着剤を塗布する工程と、
前記紫外線硬化接着剤上に樹脂フレームを配置して加圧する工程と、
前記紫外線硬化接着剤に紫外線を照射する照射工程と、を有し、
前記照射工程が、第１の照射工程と、前記第１の照射工程よりも照射強度を上げて紫外線を照射する第２の照射工程と、を有する。

上記一体化シートの製造方法の一実施形態は、前記第１の照射工程を開始した後、前記樹脂フレームの温度がラジカルクエンチ発生温度に達する前に、前記第２の照射工程を開始する。

本発明によれば、紫外線硬化接着剤の硬化阻害を抑制することで、当該紫外線硬化接着剤を短時間で硬化することができ、生産性に優れた膜電極ガス拡散層接合体と樹脂フレームとの一体化シートの製造方法を提供することができる。

図１は、本実施の製造方法の一例を示す概略的な工程図である。 図２は、本実施の製造方法により硬化の阻害が抑制されることを説明するグラフである。 図３は、紫外線硬化接着剤の硬化実験結果を示すグラフである。

まず、図１を参照して、本実施の膜電極ガス拡散層接合体に樹脂フレームが接合された一体化シートの製造方法の概要を説明する。図１は、本実施の製造方法の一例を示す概略的な工程図である。なお図１は、一体化シートの接合部の模式的な断面図である。図１の例に示される一体化シートの製造方法は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１１の少なくとも一方の面にガス拡散層１２が積層された積層体を準備する工程（図１（ａ））と、前記積層体に紫外線硬化接着剤１３を塗布する工程（図１（ｂ））と、前記紫外線硬化接着剤１３上に樹脂フレーム１４を配置して加圧する工程（図１（ｃ））と、前記紫外線硬化接着剤１３に紫外線２１を照射する照射工程（図１（ｄ））とを有し、前記照射工程が、第１の照射工程と、前記第１の工程よりも照射強度を上げて紫外線を照射する第２の照射工程と、を有する。なお、第１の照射工程と第２の照射工程は、通常、連続で行うものである。

本実施においては、まず、膜電極接合体（ＭＥＡ）１１の少なくとも一方の面にガス拡散層１２が積層された積層体を準備する（図１（ａ））。
膜電極接合体１１は、電解質膜の両面にそれぞれ電極が接合されたものである。電解質膜及び電極は、燃料電池用途として知られている任意の構成とすることができる。電解質膜は一例として固体高分子膜などとすることができる。電極は一例として電極触媒層などとすることができる。また、本実施においては、市販の膜電極接合体を用いてもよい。

ガス拡散層１２は電極反応に用いられるガスを膜電極接合体の面方向に拡散させる層であり、一例として、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。
本実施の製造方法においては、膜電極接合体１１の少なくとも一方の面にガス拡散層１２が積層された積層体を用いる。例えば、膜電極接合体１１にアノード用のガス拡散層が積層された接合体などを用いることができる。この場合、本実施の製造方法により一体化シートを製造した後に、当該一体化シートにカソード用のガス拡散層１６を設けてもよい（図１（ｅ））。

次いで、前記積層体に紫外線硬化接着剤１３を塗布する（図１（ｂ））。紫外線硬化接着剤１３は、後述する樹脂フレームが配置される部分に選択的に塗布するものであり、通常、積層体の周縁部に選択的に塗布される。塗布方法は、特に限定されず、種々の塗装法、印刷法を適宜選択して用いることができる。塗布方法の一例として、スクリーン印刷法によれば、紫外線硬化接着剤を必要な位置に選択的に塗布することができる。積層体の塗布面は、図１（ｂ）の例のように膜電極接合体１１であってもよく、膜電極接合体１１よりも大きい面を有するガス拡散層１２を用いることによりガス拡散層１２の面に塗布してもよい。
紫外線硬化接着剤１３は、公知の接着剤の中から適宜選択することができる。紫外線硬化接着剤１３は、一例としてアクリル系の接着剤とすることができる。

次いで、紫外線硬化接着剤１３上に樹脂フレーム１４を配置して加圧した後、紫外線硬化接着剤１３に紫外線２１を照射する（図１（ｃ）及び（ｄ））。
樹脂フレーム１４としては、絶縁性のフィルムを用いることができ、本実施においては、透明性を有するものが用いられる。樹脂フレーム１４は一例として、ポリエチレンやポリプロピレン等とすることができる。

紫外線２１は、通常、図１（ｄ）の例に示されるようには透明性を有する樹脂フレーム１４を介して、紫外線硬化接着剤１３に照射され、当該紫外線硬化接着剤は硬化する（１５）。
本実施においては、紫外線の照射工程を、比較的照射強度の低い紫外線を照射する第１の照射工程と、前記第１の照射工程よりも照射強度を上げて紫外線を照射する第２の照射工程との２段階の照射を行うことにより、紫外線硬化接着剤の硬化阻害を抑制され、紫外線硬化接着剤を短時間で硬化することができる。

ここで図３を参照して、紫外線硬化接着剤の阻害が生じるメカニズムについて説明する。図３は紫外線硬化接着剤の硬化実験結果を示すグラフである。図３のグラフにおいて、縦軸は紫外線照射強度［ｍＷ／ｃｍ^２］を表し、横軸は積算光量［ｍＪ／ｃｍ^２］＝紫外線照射強度［ｍＷ／ｃｍ^２］×照射時間［ｓｅｃ］を表す。即ち図３のグラフ上の点は、紫外線の照射条件を特定するものである。なお、図３の硬化実験においては、紫外線照射強度は一定とし、照射中に照射強度の変更は行っていない。図３中の線分ＡＢ及び線分ＡＦを境界とする領域を領域１、線分ＢＦ、線分ＢＣ、線分ＣＤ、及び線分ＤＦを境界とする領域を領域２とする。紫外線硬化接着剤の単品に直接紫外線を照射した場合、領域１及び領域２の照射条件のいずれであっても当該紫外線硬化接着剤の硬化度は８０％以上となった。

次に、図３中の点ａ～ｆは、それぞれ図１（ｃ）を準備した後、各点に応じた条件で紫外線を照射したときの硬化度を表す。例えば、点ａ、点ｂ及び点ｃは、同一の照射強度で、照射時間を２秒～４秒に変更することにより、積算光量を変更した結果である。また、点ｄ、点ｅ及び点ｆは、点ａよりも照射強度の高い条件で照射を行った結果である。点ａ～ｃと点ｄ～ｆとの比較から、照射強度を高くすると、積算光量を同様としたときには、硬化度が低下する傾向があることがわかる。また、点ａと点ｅとの比較では、積算光量の大きい点ｅのほうが却って硬化度が低くなっている。このことから照射強度を高くすることにより硬化阻害が大きくなることが予測される。
点ｄ及び点ｅの条件は、樹脂フレームを有しない場合には紫外線硬化接着剤の硬化度が８０％以上となる条件であった。しかしながら樹脂フレームを介して紫外線照射した場合には、硬化度が低下していることがわかる。このように種々の条件で硬化実験を行った結果、紫外線硬化接着剤に樹脂フレームを介して紫外線を照射した場合、前記領域２の条件では硬化度が十分であるが、前記領域１の条件では硬化度が不十分となることがわかった。
本発明者は鋭意検討の結果、紫外線硬化接着剤に樹脂フレームを介して紫外線を照射した場合、樹脂フレームの温度が上昇し、当該樹脂フレームに含まれる酸化防止剤等が溶出するとの知見を得た。溶出された酸化防止剤が紫外線硬化接着剤に移行して、ラジカルのクエンチャーとして作用することで、紫外線硬化接着剤の硬化が阻害されるものと推定される。

本発明者はこのような知見のもと、樹脂フレームが高温状態になる時間を短くし、酸化防止剤の溶出を最小限とすることを検討し、本発明を完成させた。図２を参照して説明する。図２は、本実施の製造方法により硬化の阻害が抑制されることを説明するグラフである。図２のグラフにおいて横軸は照射時間［ｓｅｃ］を表し、縦軸は積算光量［ｍＪ／ｃｍ^２］を表す。ここで樹脂フレームの温度は、概ね積算光量に比例している。樹脂フレームの温度が一定値以上になると、紫外線硬化樹脂内でラジカルクエンチが発生し硬化阻害が生じる。本実施の照射工程は、第１の照射工程で、比較的弱い照射強度で紫外線照射を行うため、樹脂フレームの温度上昇が抑制される。そして、ラジカルクエンチ発生温度に達する前に照射強度を上げて第２の照射工程を開始する。第２の照射工程により、短時間で必要積算光量に到達することで、照射強度を一定にした場合と比較して硬化阻害発生時間を短縮することができる。

第１の照射工程から第２の照射工程へ切り替える方法は、例えば、予め、紫外線硬化接着剤と樹脂フレームとの組合せにより、最適な照射強度と照射時間を測定しておき、時間で制御してもよい。また、例えば、熱伝対などにより樹脂フレームの温度に応じて照射強度が変更される構成としてもよい。

本実施の一体化シートの製造方法によれば、上述のように樹脂フレームが高温状態になる時間を短くすることができ、酸化防止剤等の硬化阻害物質の溶出を抑制することができる。その結果、紫外線硬化接着剤を短時間で硬化することができ、一体化シートの生産性に優れている。

本実施の製造方法により得られた一体化シートは、例えば、更にガス拡散層を接合して、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）としてもよい（図１（ｅ））。また図示はしないが、更にセパレータや、その他、任意の構成を設けることにより、燃料電池とすることができる。

１０ 一体化シート
１１ 膜電極接合体（ＭＥＡ）
１２ ガス拡散層
１３ 紫外線硬化接着剤
１４ 樹脂フレーム
１５ 硬化した紫外線硬化接着剤
１６ ガス拡散層
２１ 紫外線

Claims (2)

1. 膜電極ガス拡散層接合体に樹脂フレームが接合された一体化シートの製造方法であって、
   膜電極接合体の少なくとも一方の面にガス拡散層が積層された積層体を準備する工程と、
   前記積層体に紫外線硬化接着剤を塗布する工程と、
   前記紫外線硬化接着剤上に、ラジカルのクエンチャーが溶出し得る樹脂フレームを配置して加圧する工程と、
   前記紫外線硬化接着剤に紫外線を照射する照射工程と、を有し、
   前記照射工程が、第１の照射工程と、前記第１の照射工程よりも照射強度を上げて紫外線を照射する第２の照射工程と、を有し、
   前記第１の照射工程を開始した後、前記樹脂フレームの温度がラジカルクエンチ発生温度に達する前に、前記第２の照射工程を開始する、一体化シートの製造方法。
2. 前記ラジカルのクエンチャーが、酸化防止剤である、請求項１に記載の一体化シートの製造方法。

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