JP2018120736A

JP2018120736A - Ｍｅａプレートの製造方法

Info

Publication number: JP2018120736A
Application number: JP2017011154A
Authority: JP
Inventors: 俊樹杉本; Toshiki Sugimoto; 渡辺　祐介; Yusuke Watanabe; 祐介渡辺; 佑介田口; Yusuke Taguchi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-01-25
Filing date: 2017-01-25
Publication date: 2018-08-02
Anticipated expiration: 2037-01-25
Also published as: JP6743717B2

Abstract

【課題】膜電極接合体（ＭＥＡ）に塗布された接着剤とフレーム部材との接触面に気泡が生じることを抑制する方法の提供。【解決手段】矩形のＭＥＡ開口３３を有する樹脂製のフレーム部材３１と、外周部分がＭＥＡ開口３３の周縁にあるフレーム部材３１の開口周縁部分３３Ｐと重ねて接着されたＭＥＡ３２とを有するＭＥＡプレートの製造方法は、ＭＥＡ開口３３の４つの角において開口周縁部分３３Ｐに切込部が設けられたフレーム部材３１と、ＭＥＡ３２とを準備する工程と、ＭＥＡ３２の外周部分に接着剤６０を塗布する工程と、フレーム部材３１の開口周縁部分３３ＰをＭＥＡ３２に向けて傾斜させた状態で、開口周縁部分３３Ｐを接着剤６０と接触させる工程と、接着剤６０を挟んでフレーム部材３１の開口周縁部分３３ＰとＭＥＡ３２の外周部分に圧力を加えることによって、フレーム部材３１とＭＥＡ３２を接着する工程と、を備えるＭＥＡプレートの製造方法。【選択図】図６

Description

本発明は、燃料電池単セル用のＭＥＡプレートの製造方法に関するものである。

特許文献１には、支持フレーム（フレーム部材）を有する燃料電池が開示されている。燃料電池は、電解質膜と、電解質膜を挟むアノード電極及びカソード電極とを備える。電解質膜とアノード電極とカソード電極は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）を構成する。ＭＥＡの外周には、フレーム部材が接着剤によって接着されている。ＭＥＡとフレーム部材は、ＭＥＡプレートを構成する。

特開２０１６−１６２６５１号公報

しかしながら、従来は、フレーム部材をＭＥＡに接着する際、接着剤とフレーム部材の接触面に気泡が入ってしまい、反応ガスが漏洩してしまう問題がある。

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、ＭＥＡプレートの製造方法が提供される。この矩形のＭＥＡ開口を有する樹脂製のフレーム部材と、外周部分が前記ＭＥＡ開口の周縁にある前記フレーム部材の開口周縁部分と重ねて接着された膜電極接合体とを有するＭＥＡプレートの製造方法は、前記ＭＥＡ開口の４つの角において前記開口周縁部分に切込部が設けられた前記フレーム部材と、前記膜電極接合体とを準備する工程と、前記膜電極接合体の前記外周部分に接着剤を塗布する工程と、前記フレーム部材の前記開口周縁部分を前記膜電極接合体に向けて傾斜させた状態で、前記開口周縁部分を前記接着剤と接触させる工程と、前記接着剤を挟んで前記フレーム部材の前記開口周縁部分と前記膜電極接合体の前記外周部分に圧力を加えることによって、前記フレーム部材と前記膜電極接合体を接着する工程と、を備える。
この形態のＭＥＡプレートの製造方法によれば、フレーム部材の開口周縁部分を膜電極接合体に向けて傾斜させた状態で接着剤と接触させて圧力を加えるので、接着剤と開口周縁部分との接触面に気泡が生じることを抑制できる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池単セルの製造方法、燃料電池の製造方法等の形態で実現することができる。

一実施形態の製造方法で得られるＭＥＡプレートを使用する燃料電池スタックの分解斜視図。ＭＥＡプレートの平面図。フレーム部材の開口周縁部分を傾斜させる様子を示す断面図。開口周縁部分を他の方法で傾斜させる様子を示す断面図。フレーム部材をＭＥＡに接着させる様子を示す図。フレーム部材をＭＥＡに接着させる様子の拡大図。フレーム部材をＭＥＡに接着させる様子の拡大図。比較例におけるフレーム部材をＭＥＡに接着させる様子を示す図。比較例におけるフレーム部材をＭＥＡに接着させる様子を示す図。

図１は、本発明の一実施形態の製造方法で得られるＭＥＡプレート３０を使用する燃料電池スタック１００の分解斜視図である。燃料電池スタック１００は、複数の単セル１４０が、図１に示すＺ軸方向に積層されて形成されている。図中で、Ｚ軸及びＸ軸は水平面と平行であり、＋Ｙ方向は鉛直上方向を示し、−Ｙ方向は鉛直下方を示す。単セル１４０は、ＭＥＡ３２とＭＥＡ３２の外周に接着されたフレーム部材３１とを有するＭＥＡプレート３０と、ＭＥＡプレート３０を挟んで配置された２つのセパレータ４０，５０、すなわち、カソード側セパレータ４０と、アノード側セパレータ５０とを備える。燃料電池スタック１００は、いわゆる固体高分子形燃料電池であり、反応ガス（酸化剤ガス及び燃料ガス）の供給部や、冷却媒体の供給部等と共に燃料電池システムを構成する。このような燃料電池システムは、例えば、駆動用電源を供給するためのシステムとして、車両等に搭載される。

図２は、ＭＥＡプレート３０の平面図である。図示の便宜上、ＭＥＡ３２をハッチングしている。フレーム部材３１は、矩形の形状を有する樹脂製の部材であり、複数のマニホールド開口３５と、一つのＭＥＡ開口３３と、ＭＥＡ開口３３の周縁にある開口周縁部分３３Ｐと、を有する。マニホールド開口３５は、フレーム部材３１の長手方向の両側に設けられており、燃料電池スタック１００（図１）内部を流れる反応ガス及び冷却媒体を通過させる。ＭＥＡ開口３３は、フレーム部材３１の中央に設けられており、矩形の形状を有する。ＭＥＡ開口３３の４つの角のそれぞれにおけるフレーム部材３１の開口周縁部分３３Ｐには、切込部３４が設けられている。切込部３４は、隣接するＭＥＡ開口３３の辺と鋭角θを形成している。こうすれば、開口周縁部分３３Ｐを傾斜させることを容易に行える。なお、切込部３４は、開口周縁部分３３Ｐが傾斜できれば他の任意の形としてもよい。図２において、フレーム部材３１の開口周縁部分３３Ｐの裏面には、ＭＥＡ３２の外周部分３２Ｐが開口周縁部分３３Ｐと重ねて接着されている。なお、ＭＥＡ開口３３の面積は、ＭＥＡ３２の面積よりも小さい。また、フレーム部材３１は、単層の樹脂シートによって構成されてもよく、２枚の熱可塑性樹脂シートでコア材を挟む三層樹脂シートによって構成されてもよい。

図３は、フレーム部材３１の開口周縁部分３３Ｐを傾斜させる様子を示す断面図である。図示の便宜上、フレーム部材３１は、図２のＭＥＡプレート３０を長手方向に沿って切った断面で表している。フレーム部材３１の開口周縁部分３３Ｐは、斜面形成治具２００によって加工される。斜面形成治具２００は、上型２１０と下型２２０とを備える。上型２１０の底面の周縁には、斜面Ｓ１が設けられている。下型２２０の上面の中央には、底面の周縁に斜面Ｓ２が設けられた凹部２２１が形成されている。上型２１０の斜面Ｓ１と下型２２０の斜面Ｓ２とを合わせることにより、上型２１０を凹部２２１と嵌合することが可能である。なお、下型２２０の凹部２２１の開口の長さＬ２は、フレーム部材３１のＭＥＡ開口３３の長さＬ１よりも小さい。

フレーム部材３１は、予めＭＥＡ開口３３が下型２２０の凹部２２１と重なるように下型２２０に設置される。その後、上型２１０を下降させると、フレーム部材３１の開口周縁部分３３Ｐは、上型２１０の斜面Ｓ１と下型２２０の斜面Ｓ２に挟まれることによって、下方に向けて傾斜する。

図４は、他の方法によってフレーム部材３１の開口周縁部分３３Ｐを傾斜させる様子を示す断面図であり、開口周縁部分３３Ｐを拡大した図である。加熱装置４００は、開口周縁部分３３Ｐの直前の部分Ｈを加熱する。部分Ｈが加熱により柔らかくなり、開口周縁部分３３Ｐが自重によって下方に向けて傾斜する。なお、フレーム部材３１の開口周縁部分３３Ｐを傾斜させる方法としては、図３及び図４以外の任意の方法を利用可能である。

図５は、フレーム部材３１をＭＥＡ３２に接着させる様子を示す図である。図示の便宜上、フレーム部材３１のＭＥＡ開口３３の線を省略している。ＭＥＡ３２は、外周部分３２Ｐに予め接着剤６０が塗布されており、載置台５００に設置されている。接着剤としては、例えば未硬化の紫外線硬化性樹脂が使用可能である。フレーム部材３１は、接着治具３００によってＭＥＡ３２に接着される。接着治具３００は、フレーム部材３１とほぼ同様な外観形状を有し、内部に吸着用流路３１０を備える。真空ポンプを用いて吸着用流路３１０を真空引きすることによって、フレーム部材３１を吸引して保持することが可能である。接着治具３００は、フレーム部材３１を保持した状態で下降させ、その開口周縁部分３３Ｐを接着剤６０と接触させるとともに、開口周縁部分３３Ｐに圧力を加える。

図６は、図５のフレーム部材３１の開口周縁部分３３Ｐ付近を拡大した図であり、吸着用流路３１０を省略している。接着剤６０の表面には、凹凸Ｒｏが形成されている。この凹凸Ｒｏは、接着剤６０の塗布の際に意図せずに形成されてしまうものである。フレーム部材３１の開口周縁部分３３Ｐは、ＭＥＡ３２に向けて傾斜している。この結果、開口周縁部分３３Ｐにおいて、ＭＥＡ開口３３により近い内側部分３３ｉｓが、ＭＥＡ開口３３により遠い外側部分３３ｏｓよりも先に接着剤６０と接触している。

図７は、接着治具３００がフレーム部材３１の開口周縁部分３３Ｐに圧力を加えた後の様子を示す図である。接着治具３００からの圧力により、フレーム部材３１の開口周縁部分３３Ｐは、水平に延びることによって外側部分３３ｏｓも接着剤６０と接触する。こうすれば、開口周縁部分３３Ｐが接着剤６０の表面の凹凸Ｒｏ（図６）を平坦にすることができ、気泡が生じることを抑制できる。また、開口周縁部分３３Ｐは内側部分３３ｉｓ、外側部分３３ｏｓの順に接着剤６０の表面と接触するので、接着剤６０がＭＥＡ３２の中央より外側に広がり、有効発電面積の低下を抑制できる。これにより、フレーム部材３１とＭＥＡ３２が接着剤６０によって接着される。

図８は、比較例におけるフレーム部材３１ａをＭＥＡ３２に接着させる様子を示す図であり、図６に対応する図である。図８の比較例において、フレーム部材３１ａの開口周縁部分３３Ｐａは、水平の状態で接着剤６０と接触する。この結果、接着剤６０の表面の凹凸Ｒｏの凹部に空気が封入されてしまう。

図９は、比較例において接着治具３００がフレーム部材３１ａの開口周縁部分３３Ｐａに圧力を加えた後の様子を示す図である。接着剤６０の表面に空気が封入されているため、気泡Ｂｕが形成されてしまい、反応ガスが漏洩してしまう。

以上説明したように、本発明の一実施形態では、フレーム部材３１の開口周縁部分３３ＰをＭＥＡ３２に向けて傾斜させた状態で接着剤６０と接触させて圧力を加えるので、接着剤６０と開口周縁部分３３Ｐとの接触面に気泡が生じることを抑制できる。

本発明は、上述の実施形態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中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、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。

３０…ＭＥＡプレート
３１，３１ａ…フレーム部材
３２…膜電極接合体（ＭＥＡ）
３２Ｐ…外周部分
３３…ＭＥＡ開口
３３Ｐ，３３Ｐａ…開口周縁部分
３３ｉｓ…内側部分
３３ｏｓ…外側部分
３４…切込部
３５…マニホールド開口
４０…カソード側セパレータ
５０…アノード側セパレータ
６０…接着剤
１００…燃料電池スタック
１４０…単セル
２００…斜面形成治具
２１０…上型
２２０…下型
２２１…凹部
３００…接着治具
３１０…吸着用流路
４００…加熱装置
５００…載置台

Claims

矩形のＭＥＡ開口を有する樹脂製のフレーム部材と、外周部分が前記ＭＥＡ開口の周縁にある前記フレーム部材の開口周縁部分と重ねて接着された膜電極接合体とを有するＭＥＡプレートの製造方法であって、
前記ＭＥＡ開口の４つの角において前記開口周縁部分に切込部が設けられた前記フレーム部材と、前記膜電極接合体とを準備する工程と、
前記膜電極接合体の前記外周部分に接着剤を塗布する工程と、
前記フレーム部材の前記開口周縁部分を前記膜電極接合体に向けて傾斜させた状態で、前記開口周縁部分を前記接着剤と接触させる工程と、
前記接着剤を挟んで前記フレーム部材の前記開口周縁部分と前記膜電極接合体の前記外周部分に圧力を加えることによって、前記フレーム部材と前記膜電極接合体を接着する工程と、
を備えるＭＥＡプレートの製造方法。