JP6870563B2

JP6870563B2 - 燃料電池の単セルの製造方法

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Description

本発明は、燃料電池の単セルの製造方法に関する。

燃料電池の単セルは、膜電極ガス拡散層接合体を支持した枠部材と、この枠部材を挟持した一対のセパレータとを備えたものがある。枠部材と一対のセパレータとの接合は、枠部材の両面に熱可塑性の接着剤を設け、枠部材が一対のセパレータにより挟持された状態でこれらが加熱及び加圧されることにより行われる。（例えば特許文献１参照）。

特開２０１４−２２５３３５号公報

単セルの構成によっては、枠部材の一方の面にのみ一方のセパレータが接合される場合があり、この場合には枠部材の一方の面にのみ熱可塑性の接着剤が設けられる。枠部材とセパレータとの接合時にこれらが加熱されると、枠部材と接着剤との線膨張係数の差に起因して、枠部材に反りが発生する可能性がある。これにより、枠部材とセパレータとの間のシール性に影響を与える可能性がある。

そこで、本発明は、枠部材の反りの発生が抑制された燃料電池の単セルの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的は、熱可塑性を有し互いに分離した複数の第１接着剤が一方の面上に設けられ、線膨張係数が前記第１接着剤よりも小さい樹脂製の枠部材を準備する工程と、セパレータを準備する工程と、複数の前記第１接着剤を介して前記枠部材の前記一方の面と前記セパレータとを対向させて加熱及び加圧することにより、複数の前記第１接着剤が互いに接触して前記枠部材の平面方向に連続するように融解させて、前記枠部材と前記セパレータとを接合する工程と、を備えた燃料電池の単セルの製造方法によって達成できる。

加熱時に各第１接着剤は膨張するが、互いに分離された第１接着剤の隙間がこの膨張を吸収する。このため、第１接着剤と枠部材との線膨張係数との差に起因して枠部材に反りが発生することが抑制される。

電解質膜、前記電解質膜の一方の面の周縁領域を露出するように前記電解質膜の前記一方の面に形成された第１触媒層、前記電解質膜の他方の面に形成された第２触媒層、前記周縁領域を露出するように前記第１触媒層に接合された第１ガス拡散層、及び前記第２触媒層に接合された第２ガス拡散層、を有する膜電極ガス拡散層接合体を準備する工程と、前記枠部材と前記セパレータとを接合する前記工程よりも先に、前記枠部材の前記一方の面の内周縁側を第２接着剤により前記電解質膜の前記周縁領域に接着させる工程と、を備えてもよい。

前記枠部材を準備する前記工程において、複数の前記第１接着剤同士の所定の方向での隙間の大きさは同じであってもよい。

前記枠部材を準備する前記工程において、複数の前記第１接着剤は形状及び大きさが同じであってもよい。

前記枠部材を準備する前記工程において、複数の前記第１接着剤のそれぞれは、一辺の長さが２０ｍｍの正方形に包含されるように分離していてもよい。

前記枠部材を準備する前記工程において、複数の前記第１接着剤のそれぞれは、一辺の長さが前記枠部材の一辺の長さの１０分の１の正方形内に包含されるように分離していてもよい。

前記第１接着剤は、ポリオレフィンの少なくとも一つに官能基を有した変性ポリオレフィンであってもよい。

前記第１接着剤は、シランカップリング剤、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、無水マレイン酸を含む酸無水物、アクリル酸、メタクリル酸を含むカルボン酸、ビニルアルコール、エチルヘキシルアクリレートを含むアルコール類に含まれる群のうちいずれかまたはこれらの組み合わせを配合することにより、前記ポリオレフィンの少なくとも一つに官能基を有した前記変性ポリオレフィンであってもよい。

枠部材の反りの発生が抑制された燃料電池の単セルの製造方法を提供できる。

図１は、燃料電池の単セルの分解斜視図である。図２は、燃料電池の単セルの部分断面図である。図３は、単セルの製造方法を示すフローチャートである。図４Ａ〜図４Ｄは、単セルの製造方法の説明図である。図５Ａは、セパレータに接合される前の枠部材の断面図であり、図５Ｂは、枠部材の接着剤が形成された側の面の正面図であり、図５Ｃは、図５Ｂの部分拡大図である。図６Ａ及び図６Ｂは、枠部材とセパレータａとの接合方法の比較例の説明図である。図７Ａ〜図７Ｃは、接着剤の形状の変形例の説明図である。

図１は、燃料電池セルである単セル６０の分解斜視図である。燃料電池は、単セル６０が複数積層されることで構成される。この燃料電池は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば酸素）の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。単セル６０は、膜電極ガス拡散層接合体２０（以下、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と称する）と、アノード側セパレータ３３ａ及びカソード側セパレータ３３ｃ（以下、セパレータと称する）とを含む。ＭＥＧＡ２０は、アノード側ガス拡散層２２ａ及びカソード側ガス拡散層２２ｃ（以下、拡散層と称する）を有している。

枠部材４０は、樹脂製であって絶縁性を有し、略枠状に形成されている。枠部材４０の外周縁はＭＥＧＡ２０よりも大きく形成されており、内周縁４０ｅは、後述するＭＥＧＡ２０の電解質膜１１よりも小さい。枠部材４０の内周縁４０ｅ側にＭＥＧＡ２０が接合されている。枠部材４０の２つの短辺の一方側には孔ｓ１〜ｓ３が形成され、他方側には孔ｓ４〜ｓ６が形成されている。同様に、セパレータ３３ａの２つの短辺の一方側には孔ａ１〜ａ３が形成され、他方側には孔ａ４〜ａ６が形成されている。セパレータ３３ｃの２つの短辺の一方側には孔ｃ１〜ｃ３が形成され、他方側には孔ｃ４〜ｃ６が形成されている。孔ｓ１、ａ１、及びｃ１は連通してカソード入口マニホールドを画定する。同様に、孔ｓ２、ａ２、及びｃ２は、冷媒出口マニホールドを、孔ｓ３、ａ３、及びｃ３はアノード出口マニホールドを、孔ｓ４、ａ４、及びｃ４はアノード入口マニホールドを、孔ｓ５、ａ５、及びｃ５は冷媒入口マニホールドを、孔ｓ６、ａ６、及びｃ６はカソード出口マニホールドを画定する。

ＭＥＧＡ２０に対向するセパレータ３３ａの面には、アノード入口マニホールドとアノード出口マニホールドとを連通して燃料ガスが流れるアノード流路３４ａが形成されている。セパレータ３３ａのアノード流路３４ａとは反対側の面、及びセパレータ３３ａに対向するセパレータ３３ｃの面には、冷媒入口マニホールドと冷媒出口マニホールドとを連通し冷媒が流れる冷媒流路３５ａ及び３５ｃがそれぞれ形成されている。セパレータ３３ｃの冷媒流路３５ｃとは反対側の面には、カソード入口マニホールドとカソード出口マニホールドとを連通して酸化剤ガスが流れるカソード流路３４ｃが形成されている。尚、セパレータ３３ａ及び３３ｃは、ガス遮断性及び導電性を有する材料によって形成され、プレス成形されたステンレス鋼や、チタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材、又は緻密質カーボン等のカーボン製部材によって形成してもよい。

枠部材４０上には、ガスケット４６〜４８が形成されている。ガスケット４６は、枠部材４０の外周縁に沿った枠状である。ガスケット４７は、孔ｓ１〜ｓ６のそれぞれの周辺に形成され、孔ｓ１〜ｓ６のそれぞれを包囲した枠状である。ガスケット４８は、ＭＥＧＡ２０を包囲した枠状である。ガスケット４６〜４８は、それぞれ弾性を有したゴム製である。尚、ガスケットの構成は上記に限定されない。例えば、カソード入口マニホールド及びカソード出口マニホールドをそれぞれ形成する孔ｓ３及びｓ４にはガスケット４７が形成されず、ガスケット４８を備えない構成としてもよい。また、別の構成では、カソード入口マニホールド及びカソード出口マニホールドを形成する孔ｓ３及びｓ４とＭＥＧＡ２０の全体を包囲するガスケット４９を備え、ガスケット４６及び４８を備えない構成としてもよい。これらの構成によっても、ガスケット４７により、アノード入口マニホールド、アノード出口マニホールド、冷媒入口マニホールド、冷媒出口マニホールドをそれぞれ包囲してシールし、かつガスケット４６及び４７、又はガスケット４９により、アノード入口マニホールド、アノード出口マニホールド、冷媒入口マニホールド、冷媒出口マニホールドとは隔離して、カソード入口マニホールド、カソード出口マニホールド、カソード流路を包囲してシールすることができる。ガスケット４６〜４８は、枠部材４０とは別体に形成されて枠部材４０上に接合されているが、これに限定されず、枠部材４０とガスケット４６〜４８の少なくとも一つとが、同一又は異なる材料により一体形成されていてもよい。

図２は、単セル６０の部分断面図である。詳細には、図２は単セル６０の長手方向に直交する断面の一部を示している。ＭＥＧＡ２０は、上述した拡散層２２ｃ及び２２ａと、膜電極接合体（以下、ＭＥＡと称する）１０とを含む。ＭＥＡ１０は、略矩形状の電解質膜１１と、図２において電解質膜１１の上側の面及び下側の面にそれぞれ形成されたカソード側触媒層１２ｃ及びアノード側触媒層１２ａ（以下、触媒層と称する）とを含む。電解質膜１１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜であり、例えばフッ素系のイオン交換膜である。電解質膜１１は、周縁領域１１ｅと、周縁領域１１ｅに囲まれた中央領域１１ｃとを有している。

触媒層１２ｃは、電解質膜１１の上側の面の中央領域１１ｃに形成され、周縁領域１１ｅには形成されていない。触媒層１２ａは、電解質膜１１の端部との位置が略揃うように形成されている。即ち、触媒層１２ａは、電解質膜１１の周縁領域１１ｅ及び中央領域１１ｃを含む、電解質膜１１の下側の面の略全面にわたって形成されている。触媒層１２ｃは、電解質膜１１の上側の面の周縁領域１１ｅを露出するように電解質膜１１の一方の面に形成された第１触媒層の一例である。触媒層１２ａは、電解質膜の他方の面に形成された第２触媒層の一例である。触媒層１２ｃ及び１２ａは、例えば白金（Ｐｔ）などを担持したカーボン担体とプロトン伝導性を有するアイオノマとを、電解質膜１１に塗布することにより形成される。

拡散層２２ｃ及び２２ａはそれぞれ、触媒層１２ｃ及び１２ａに接合されている。拡散層２２ｃ及び２２ａは、ガス透過性及び導電性を有する材料、例えば炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。拡散層２２ｃは、その端部が触媒層１２ｃの端部よりもやや内側に位置するか又は略揃う位置に設けられている。従って、拡散層２２ｃは、触媒層１２ｃを介して電解質膜１１の中央領域１１ｃに重なるが周縁領域１１ｅには重ならないように設けられている。これにより、拡散層２２ｃは、周縁領域１１ｅを露出するように設けられている。拡散層２２ｃは、周縁領域１１ｅを露出するように触媒層１２ｃに接合された第１ガス拡散層の一例である。拡散層２２ａは、触媒層１２ａに接合された第２ガス拡散層の一例である。

拡散層２２ａも同様に、その端部が、触媒層１２ａの端部に略揃う位置に設けられるが、上述したように触媒層１２ａは電解質膜１１の下側の面に略全面にわたって形成されている。このため、拡散層２２ａは、触媒層１２ａを介して中央領域１１ｃのみならず周縁領域１１ｅにも重なるように設けられている。このように周縁領域１１ｅにも重なるように拡散層２２ａが設けられているため、ＭＥＡ１０は安定して支持されている。

枠部材４０は、クロスリークや触媒電極同士の電気的短絡を防ぐための部材である。枠部材４０には、セパレータ３３ａが接合されている。セパレータ３３ｃは、セパレータ３３ａの枠部材４０が接着された側とは反対側でセパレータ３３ａに接合されている。

図２において、枠部材４０の下側の面は、接着剤１００によりセパレータ３３ａに接着されている。接着剤１００は熱可塑性樹脂である。枠部材４０の内周縁４０ｅ側の下側の面は、接着剤５０と、詳しくは後述するが接着剤１００が融解する前の形状を維持したドット状の接着剤１００ａとにより、電解質膜１１の周縁領域１１ｅに接着されている。

このような単セル６０が複数積層されて、燃料電池が構成される。このため、燃料電池では、図２に示したＭＥＧＡ２０及び枠部材４０は、図示されているセパレータ３３ａと、図２の単セル６０の上方側に隣接する不図示の他の単セルのカソードセパレータとにより挟持される。また、図２の単セル６０の下方側に隣接する不図示の他の単セルのＭＥＧＡ及び枠部材は、図２のセパレータ３３ｃと、この不図示の他の単セルのアノードセパレータとにより挟持される。尚、ガスケット４６〜４８は、単セル６０の上方側に隣接する不図示の他の単セルのカソードセパレータにより圧縮される。

次に、単セル６０の製造方法について説明する。図３は、単セル６０の製造方法を示すフローチャートである。図４Ａ〜図４Ｄは、単セル６０の製造方法の説明図である。まず、ＭＥＧＡ２０と枠部材４０とセパレータ３３ａ及び３３ｃとを準備する（ステップＳ１０）。ここで、図４Ａに示すように、枠部材４０の下側の面の略全体に亘って互いに分離した複数の接着剤１００ａが形成されている。具体的には、接着剤１００ａのそれぞれはドット状に形成され、複数の接着剤１００ａは全体で格子状に配置されている。接着剤１００ａは、上述した接着剤１００が融解する前の状態である。上述したように接着剤１００は熱可塑性樹脂であり、接着剤１００が融解する前では、接着剤１００ａの形状が維持される。ステップＳ１０の工程は、熱可塑性を有し互いに分離した複数の接着剤１００ａが一方の面上に設けられた樹脂製の枠部材４０を準備する工程、セパレータ３３ａを準備する工程、及びＭＥＧＡ２０を準備する工程の一例である。

次に、ＭＥＧＡ２０の電解質膜１１の周縁領域１１ｅと枠部材４０の内周縁４０ｅ側の下側の面とを紫外線硬化樹脂である接着剤５０により接合する（ステップＳ２０）。具体的には、ディスペンサー等により周縁領域１１ｅ上に塗布された接着剤５０に対して、枠部材４０の内周縁４０ｅ側の下側の面を接触させて、図４Ｂに示すように枠部材４０の上方から周縁領域１１ｅ側に紫外線を照射することにより、接着剤５０を硬化させて枠部材４０をＭＥＧＡ２０に接合する。ここで、枠部材４０は紫外線透過性を有する材料により形成されている。また、枠部材４０の内周縁４０ｅ側では、接着剤１００ａの隙間に接着剤５０が入り込んだ状態で接着剤５０が硬化される。

次に、セパレータ３３ｃ及び３３ａを、接着又は溶接により接合する（ステップＳ３０）。次に、枠部材４０とセパレータ３３ａとを、接着剤１００ａにより接合する（ステップＳ４０）。具体的には、枠部材４０とセパレータ３３ａとを接着剤１００ａを介して接触させた状態で、図４Ｃに示すように、枠部材４０とセパレータ３３ａ及び３３ｃとを加熱プレス型により加熱及び加圧される。これにより、接着剤１００ａは枠部材４０の平面方向に広がるように融解する。これにより、図４Ｄに示すように、隣接した接着剤１００ａは互いに接触して接着剤１００ａ同士の隙間が埋められて、枠部材４０の平面方向に連続した接着剤１００となる。その後に加熱が解除されて接着剤１００が冷却されることにより接着剤１００ａが硬化した後に、加圧が解除されて枠部材４０とセパレータ３３ａとは接合される。これにより枠部材４０とセパレータ３３ａとの間のシール性が確保される。尚、ステップＳ３０及びＳ４０の工程の順序は逆であってもよい。ステップＳ３０をステップＳ４０の後に実施する場合には、ステップＳ３０でセパレータ３３ｃ及び３３ａを、接着又は溶接により接合する際に、接着剤１００ａの溶解温度以下で接合を実施する。

尚、枠部材４０の一方の面の内周縁４０ｅ側では、接着剤１００ａ同士の隙間で接着剤５０が既に硬化しているため、枠部材４０の内周縁４０ｅ側に設けられた接着剤１００ａ同士は接触せずに枠部材４０の内周縁４０ｅ側と電解質膜１１の周縁領域１１ｅとを接合する。ステップＳ４０の工程は、複数の接着剤１００ａを介して枠部材４０の一方の面とセパレータ３３ａとを対向させて加熱及び加圧することにより、複数の接着剤１００ａが互いに接触するように融解させて、枠部材４０とセパレータ３３ａとを接合する工程の一例である。また、ステップＳ２０の工程は、枠部材４０とセパレータ３３ａとを接合する工程よりも先に、枠部材４０の一方の面の内周縁４０ｅ側を接着剤５０により電解質膜１１の周縁領域１１ｅに接着させる工程の一例である。

次に、接着剤１００ａについて詳細に説明する。図５Ａは、セパレータ３３ａに接合される前の枠部材４０の断面図である。図５Ｂは、枠部材４０の接着剤１００ａが形成された側の面の正面図である。図５Ｃは、図５Ｂの部分拡大図である。図５Ｂ及び図５Ｃには、枠部材４０の長手方向をＸ方向とし、短手方向をＹ方向として示している。接着剤１００ａは、例えば転写やスクリーン印刷等により枠部材４０の一方の面に設けられている。また、枠部材４０の一方の面にスクリーン印刷等によりシート状の接着剤を貼り付け、この接着剤が流動性を持つまで加熱した状態で、接着剤に押し型を押し付けることによりドット状の接着剤１００ａを形成してもよい。図５Ｃに示すように、接着剤１００ａのそれぞれは略正方形状であって、これら複数の接着剤１００ａは格子状に配置されている。また、Ｘ方向及びＹ方向のそれぞれの隣接した接着剤１００ａ同士の隙間Ｃ１及びＣ２は、略一定である。ここで、隙間Ｃ１及びＣ２は略同じ大きさである。隙間Ｃ１及びＣ２の何れも、単一の接着剤１００ａのＸ及びＹ方向の各辺の長さよりも短い。

尚、枠部材４０は、上述した加熱工程での熱膨張を抑制するために、比較的線膨張係数の小さい材料により形成されている。例えば枠部材４０の材料は、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンサルファイド、又はシンジオタクチックポリスチレンである。これに対して接着剤１００ａの材料は、枠部材４０の線膨張係数よりも大きい材料により形成されている。具体的には、接着剤１００ａは、ポリオレフィンの少なくとも一つに官能基を有した変性ポリオレフィンである。さらに具体的には、シランカップリング剤、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、無水マレイン酸を含む酸無水物、アクリル酸、メタクリル酸を含むカルボン酸、ビニルアルコール、エチルヘキシルアクリレートを含むアルコール類に含まれる群のうちいずれかまたはこれらの組み合わせを配合することにより、ポリオレフィンの少なくとも一つに官能基を有することができ、例えば、マレイン酸変性ポリプロピレンを使用できる。通常ポリオレフィンは非極性であり、金属との接着性が困難であるが、上述の添加剤を配合することにより、極性を持たせることができ、金属との接着性が向上する。

次に、枠部材４０とセパレータ３３ａとの接合方法の比較例について説明する。図６Ａ及び図６Ｂは、枠部材４０とセパレータ３３ａとの接合方法の比較例の説明図である。比較例では、枠部材４０の一方の面に連続して形成された接着剤１００ｘにより枠部材４０とセパレータ３３ａとを接合する。接着剤１００ｘを介して枠部材４０とセパレータ３３ａとを接触させてこれらが加熱されると、接着剤１００ｘが融解する前に、枠部材４０と接着剤１００ｘとの線膨張係数の差により枠部材４０に反りが発生する場合がある。

図６Ｂは、枠部材４０に反りが発生した場合の説明図である。例えば接着剤１００ｘの線膨張係数が枠部材４０よりも大きい場合には、接着剤１００ｘの膨張率は枠部材４０よりも大きいため、図６Ｂに示すように、接着剤１００ｘでの平面方向での膨張に対して枠部材４０の平面方向での膨張が小さくなり、枠部材４０は接着剤１００ｘ側に凸となるように湾曲する。このような状態で接着剤１００ｘが融解して枠部材４０とセパレータ３３ａとに接合されると、枠部材４０に反りが発生したままセパレータ３３ａに接合される可能性がある。また、枠部材４０とセパレータ３３ａとの接合後に枠部材４０や接着剤１００ｘ内に内部応力が残留したままとなる可能性もある。このため、枠部材４０とセパレータ３３ａとの間のシール性を十分に確保できない可能性がある。

また、上記のような反りの発生を抑制するために、枠部材４０の両面に接着剤１００ｘを設けることも考えられる。しかしながらこの場合、枠部材４０とセパレータ３３ａとの接合の際に、枠部材４０の上側の面に設けられた接着剤１００ｘが加熱プレス型に付着し、加熱プレス型から枠部材４０を剥がしにくくなり、生産性が低下する可能性がある。

本実施例では、上述したように複数の接着剤１００ａは隙間Ｃ１及びＣ２を介して非連続であるため、加熱時に各接着剤１００ａが膨張したとしても、その膨張量は隙間Ｃ１又はＣ２により吸収される。このため、枠部材４０の反りの発生が抑制される。従って本実施例では、枠部材４０の反り発生を抑制しつつ枠部材４０をセパレータ３３ａに接合することができ、枠部材４０とセパレータ３３ａとの間のシール性を確保できる。また、枠部材４０の上方側の面には接着剤１００ａは設けられていないため、加熱プレス型から枠部材４０が容易に剥がれ、生産性の低下も抑制されている。

また、隙間Ｃ１及びＣ２のそれぞれは大きさが略一定であり、隙間Ｃ１及びＣ２もほぼ同じ大きさであるため、隣接する接着剤１００ａ同士で接触しない領域が部分的に形成されることが抑制される。これによっても、シール性を確保できる。

また、各接着剤１００ａの形状及び大きさは同じである。大きさには厚みも含まれる。このため、接着剤１００ａが融解して広がった後の形状も略同一となる。これにより、枠部材４０とセパレータ３３ａとの接合力を各箇所で均一にできる。また、各接着剤１００ａは形状及び大きさは同じであることにより、形状や大きさが互いに異なる場合よりも枠部材４０上に形成するのが容易である。また、各接着剤１００ａの形状及び大きさが同一であるため、後述するが各接着剤１００ａの平面方向の面積を小さく形成することが容易となる。

また、隙間Ｃ１及びＣ２のそれぞれは大きさが略一定であり、隙間Ｃ１及びＣ２もほぼ同じ大きさであり、各接着剤１００ａの形状及び大きさは略同じであるため、接着剤１００ａが融解して互いに接触した後での接着剤１００の厚みのばらつきを抑制できる。これによってもシール性を確保できる。

尚、各接着剤１００ａの平面方向での面積は、小さい方が好ましい。各接着剤１００ａが小さい方が、加熱時での平面方向での膨張率が小さくなり、各接着剤１００ａから枠部材４０に作用する平面方向の応力も小さくなり、より枠部材４０の反りの発生を抑制できるからである。

本実施例において、接着剤１００ａのそれぞれは、一辺の長さが５ｍｍの正方形で形成されている。接着剤１００ａの大きさは特に限定されないが、例えば一辺が２０ｍｍの正方形に包含されることが好ましく、更に好ましくは１０ｍｍの正方形に包含される。また、長辺と短辺を有する枠部材において、接着剤１００ａの大きさは特に限定されないが、一辺の長さが長辺の長さの１０分の１の正方形に包含されることが好ましく、更に好ましくは２０分の１の正方形に包含される。ここで、本実施例の枠部材４０の長辺の長さは３００ｍｍ程度であり短辺の長さは１５０ｍｍ程度であり、接着剤１００ａの一辺の長さは、枠部材４０の長辺の長さの６０分の１であり短辺の長さの３０分の１である。本実施例では、接着剤１００ａの一辺の長さは、枠部材４０の長辺及び短辺のそれぞれの長さの２０分の１の正方形に包含されるが、長辺の長さの１０分の１の正方形に包含されているが短辺の長さの１０分の１の正方形に包含されていなくてもよい。尚、４辺の各長さが同じである枠部材の場合には、接着剤１００ａの一辺の長さは、枠部材の何れかの辺の長さの１０分の１の正方形に包含されることが好ましく、さらに２０分の１の正方形に包含されることが好ましい。

上述したように、枠部材４０の全面に亘って接着剤１００ａが形成されている場合には、完成後の単セル６０においても、枠部材４０の内周縁４０ｅ側と周縁領域１１ｅとの間には接着剤５０と互いに分離した複数のドット状の接着剤１００ａとが存在している。このため、この領域に互いに分離した複数の接着剤が存在していることは、その単セルが本実施例と同一の製造方法により製造されたことを示す根拠の一つである。

本実施例では接着剤５０は、紫外線硬化樹脂であるが、これに限定されず、熱可塑性樹脂であってもよい。この場合、接着剤１００ａと異なる種類の接着剤を使用せずに、ＭＥＧＡ２０の周縁領域に対向する枠部材４０の内周縁４０ｅ側のみを加熱することにより、接着剤１００ａの内周縁側のみを溶解させて、ＭＥＧＡ２０と枠部材４０とを接合してもよい。なお、このとき、枠部材４０の内周縁４０ｅ側を除く外周領域が加熱されないように、外周領域を冷却しながら接合してもよい。また、接着剤５０は、熱硬化性樹脂であってもよい。この場合も、ＭＥＧＡ２０と枠部材４０との接合時での加熱の際に、接着剤１００ａが融解しないように、接着剤５０の硬化温度は接着剤１００ａの融点よりも低いものを用いる。

次に、接着剤の形状の変形例について説明する。図７Ａ〜図７Ｃは、接着剤の形状の変形例の説明図である。尚、接着剤の形状の変形例について、同一の構成は同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。図７Ａは、略真円状の接着剤１００ｂが千鳥状に配置された例を示している。Ｘ方向に隣接する接着剤１００ｂ同士の隙間Ｃ１ｂは略一定の大きさである。同様に、Ｙ方向に隣接する接着剤１００ｂ同士の隙間Ｃ２ｂも略一定の大きさである。Ｘ方向及びＹ方向のそれぞれに対して４５度傾斜した方向での隣接する接着剤１００ｂ同士の隙間Ｃ３ｂも略一定の大きさである。隙間Ｃ１ｂ及びＣ２ｂは略同じ大きさであり、隙間Ｃ３ｂは、隙間Ｃ１ｂ及びＣ２ｂのそれぞれよりも小さい。このような形状の接着剤１００ｂによっても、枠部材４０の反りの発生を抑制できる。

図７Ｂは、略正三角形状の接着剤１００ｃが千鳥状に配置された例を示している。Ｘ方向に隣接する接着剤１００ｃは、それぞれの一辺同士が互いに平行となるように対向して配置されている。また、各接着剤１００ｃの一辺がＸ方向に平行となるように配置されている。これらの接着剤１００ｃの対向し合う辺同士の隙間Ｃ３ｃは略一定の大きさである。図７Ｃは、略正六角形状の接着剤１００ｄが千鳥状に配置された例を示している。接着剤１００ｄの一辺同士が対向するように配置されている。これらの接着剤１００ｄの対向し合う辺同士の隙間Ｃ３ｄは略一定の大きさである。

枠部材４０とセパレータ３３ａとを接合するための接着剤は、上述した形状に限定されず、例えば、長方形状等の多角形状や、略楕円形状、略環状であってもよい。また、上述した接着剤１００ａ〜１００ｄは、Ｘ方向及びＹ方向に対して必ずしも上記のような配列である必要はない。尚、上述の変形例においても、接着剤１００ｂ、１００ｃ、及び１００ｄのそれぞれの大きさは、特に限定されないが、例えば一辺の長さが２０ｍｍの正方形に包含されることが好ましく、さらに好ましくは１０ｍｍの正方形に包含される。また、長辺と短辺を有する枠部材において、接着剤１００ｂ、１００ｃ、及び１００ｄのそれぞれの大きさは特に限定されないが、一辺の長さが長辺の長さの１０分の１の正方形に包含されることが好ましく、さらに好ましくは２０分の１の正方形に包含される。また、接着剤１００ｂ、１００ｃ、及び１００ｄのそれぞれの一辺の長さは、長辺の長さの１０分の１の正方形に包含されているが短辺の長さの１０分の１の正方形に包含されていなくてもよい。尚、４辺の各長さが同じである枠部材の場合には、接着剤１００ｂ、１００ｃ、及び１００ｄのそれぞれの一辺の長さは、枠部材の何れかの辺の長さの１０分の１の正方形に包含されることが好ましく、さらに２０分の１の正方形に包含されることが好ましい。

また、本実施例及び変形例では、各接着剤１００ａ〜１００ｄが融解して枠部材４０がセパレータ３３ａに接合された後に形成された接着剤１００の一部に隙間ができていてもよい。このような隙間が部分的に形成されていたとしても、枠部材４０の外周縁、内周縁４０ｅ、及びマニホールドを形成する孔ｓ１〜ｓ６のそれぞれに沿った線分上に隙間が形成されておらず、孔ｓ１〜ｓ６のそれぞれを包囲する線分上に隙間が形成されていなければよい。これによりシール性を確保することができるからである。

上記実施例では、枠部材４０の一方の面の全面に亘って接着剤１００ａ等が形成されているため、図４Ｂ及び図４Ｃに示したように枠部材４０の一方の面の内周縁４０ｅ側では、接着剤１００ａの隙間に接着剤５０が入り込むがこれに限定されない。即ち、枠部材４０の一方の面の内周縁４０ｅ側では、マスク処理等により接着剤１００ａが形成されていなくてもよい。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態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。

１１電解質膜
１１ｅ周縁領域
１１ｃ中央領域
１２ｃカソード側触媒層（第１触媒層）
１２ａアノード側触媒層（第２触媒層）
２２ｃカソード側ガス拡散層（第１ガス拡散層）
２２ａアノード側ガス拡散層（第２ガス拡散層）
３３ａアノード側セパレータ（セパレータ）
４０枠部材
５０接着剤（第２接着剤）
１００、１００ａ接着剤（第１接着剤）

Claims

熱可塑性を有し互いに分離した複数の第１接着剤が一方の面上に設けられ、線膨張係数が前記第１接着剤よりも小さい樹脂製の枠部材を準備する工程と、
セパレータを準備する工程と、
複数の前記第１接着剤を介して前記枠部材の前記一方の面と前記セパレータとを対向させて加熱及び加圧することにより、複数の前記第１接着剤が互いに接触して前記枠部材の平面方向に連続するように融解させて、前記枠部材と前記セパレータとを接合する工程と、を備えた燃料電池の単セルの製造方法。
電解質膜、前記電解質膜の一方の面の周縁領域を露出するように前記電解質膜の前記一方の面に形成された第１触媒層、前記電解質膜の他方の面に形成された第２触媒層、前記周縁領域を露出するように前記第１触媒層に接合された第１ガス拡散層、及び前記第２触媒層に接合された第２ガス拡散層、を有する膜電極ガス拡散層接合体を準備する工程と、
前記枠部材と前記セパレータとを接合する前記工程よりも先に、前記枠部材の前記一方の面の内周縁側を第２接着剤により前記電解質膜の前記周縁領域に接着させる工程と、を備えた、請求項１の燃料電池の単セルの製造方法。
前記枠部材を準備する前記工程において、複数の前記第１接着剤同士の所定の方向での隙間の大きさは同じである、請求項１又は２の燃料電池の単セルの製造方法。
前記枠部材を準備する前記工程において、複数の前記第１接着剤は形状及び大きさが同じである、請求項１乃至３の何れかの燃料電池の単セルの製造方法。
前記枠部材を準備する前記工程において、複数の前記第１接着剤のそれぞれは、一辺の長さが２０ｍｍの正方形に包含されるように分離している、請求項１乃至４の何れかの燃料電池の単セルの製造方法。
前記枠部材を準備する前記工程において、複数の前記第１接着剤のそれぞれは、一辺の長さが前記枠部材の一辺の長さの１０分の１の正方形内に包含されるように分離している、請求項１乃至５の何れかの燃料電池の単セルの製造方法。
前記第１接着剤は、ポリオレフィンの少なくとも一つに官能基を有した変性ポリオレフィンである、請求項１乃至６の何れかの燃料電池の単セルの製造方法。
前記第１接着剤は、シランカップリング剤、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、無水マレイン酸を含む酸無水物、アクリル酸、メタクリル酸を含むカルボン酸、ビニルアルコール、エチルヘキシルアクリレートを含むアルコール類に含まれる群のうちいずれかまたはこれらの組み合わせを配合することにより、前記ポリオレフィンの少なくとも一つに官能基を有した前記変性ポリオレフィンである、請求項７の燃料電池の単セルの製造方法。