燃料電池セルの製造方法
【課題】ガスケットを射出成形する際に注入された樹脂の樹脂圧に対して電解質膜の端部が持ち上げられてガスケットの端面に臨み、これがガスのクロスリーク路を形成してクロスリーク耐久を低下させるという課題を簡易な製造方法にて解決することのできる、燃料電池の製造方法を提供する。
【解決手段】成形型内に順に、セパレータ７と、第１のガス透過層４’、６’と、膜電極接合体３と、第２のガス透過層４，６と、が積層姿勢で収容され、この積層姿勢において、電解質膜１が第２のガス透過層よりも側方へ張り出し、セパレータ７が電解質膜１よりも側方へ張り出しており、張り出している箇所１ａの上面に電解質膜１よりも弾性率が高く、熱収縮量の少ない熱収縮材９が接着されている工程、高温雰囲気の成形型内において、張り出している箇所１ａの端部を第１のガス透過層側に変形させて密着させ、ガスケット８を成形する工程、からなる。
【解決手段】成形型内に順に、セパレータ７と、第１のガス透過層４’、６’と、膜電極接合体３と、第２のガス透過層４，６と、が積層姿勢で収容され、この積層姿勢において、電解質膜１が第２のガス透過層よりも側方へ張り出し、セパレータ７が電解質膜１よりも側方へ張り出しており、張り出している箇所１ａの上面に電解質膜１よりも弾性率が高く、熱収縮量の少ない熱収縮材９が接着されている工程、高温雰囲気の成形型内において、張り出している箇所１ａの端部を第１のガス透過層側に変形させて密着させ、ガスケット８を成形する工程、からなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池の燃料電池セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側およびカソード側の触媒層とから膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が形成され、このＭＥＡとこれを挟持するアノード側およびカソード側のガス拡散層（ＧＤＬ）とから電極体（ＭＥＧＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ＆ Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が形成され、電極体に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するための多孔体からなるガス流路層とセパレータが電極体の両側に配されて構成されている。実際の燃料電池スタックは、所要電力に応じた基数の燃料電池セルが積層され、スタッキングされることによって形成されている。
【０００３】
上記構成の燃料電池セルにおいては、膜電極接合体に供給される燃料ガスや酸化剤ガス、さらにはセルの昇温を抑止するための冷却水などの流体をシールするためのガスケットが電極体および多孔体の周縁に形成されている。このガスケットは燃料電池セルごとに形成されており、電極体および多孔体の周縁にガスケットを有した燃料電池セルを所定の基数だけ積層した後にスタッキングがおこなわれている。このガスケットの成形は一般に射出成形や圧縮成形にておこなわれている。たとえば射出成形の場合を取り上げると、成形型のキャビティ内にセパレータを収容し、次いでガス流路となるアノード側もしくはカソード側の一方の金属多孔体を収容し、次いで電極体を収容し、次いでアノード側もしくはカソード側の他方の金属多孔体を収容した姿勢で、電極体および金属多孔体の周縁のガスケット成形用キャビティに樹脂を注入するものである。
【０００４】
上記するセパレータは、たとえばチタンやステンレスからなる２枚のプレートの間に流路が形成されたプレートが介層された３層構造のものや、中間層を樹脂製の枠材とし、２枚のプレートの一方から多数のディンプルや流路を画成するリブを突出させて冷却水流路を形成するものなどがある。この３層構造のセパレータは、当該セル自体のアノード側もしくはカソード側のいずれか一方のセパレータであると同時に、積層姿勢において隣接するセルのアノード側もしくはカソード側の他方のセパレータとなるものである。すなわち、この３層構造セパレータを有する燃料電池セルのセル構成部材は、一つの３層構造セパレータと、アノード側およびカソード側の金属多孔体（ガス流路層）と、電極体と、からなり、複数の燃料電池セルが積層された姿勢において、任意の燃料電池セルは、その両端にアノード側およびカソード側のセパレータを有することとなる。
【０００５】
ところで、ガス拡散層や触媒層に対して電解質膜の端部は側方に張り出しており、ガスケットが成形された際の姿勢においては、電解質膜の張り出し端部がガスケットの内部に埋め込まれた構造を呈するのが一般的である。このような構造を適用する理由として、その一つは、両極のガス拡散層や金属多孔体（ガス流路層）が接触して短絡するのを防止することである。また、他の理由は、一方の極（たとえばカソード極）から他方の極（たとえばアノード極）へ電解質膜の側端をガスが回り込んでクロスリークするのを防止するために、ある程度の張り出し長さを確保し、この張り出し部をガスケット内に埋設させた構造を適用しているというものである。
【０００６】
たとえば、成形型内に一つの３層構造セパレータと、金属多孔体とガス拡散層と膜電極接合体を収容して型閉めし、膜電極接合体の側方に画成されたガスケット用のキャビティ内に樹脂を注入してガスケットを成形する場合において、成形型内で膜電極接合体側に流れてきた樹脂の圧力により、側方に張り出した電解質膜の端部が上方に持ち上げられ、これがガスのクロスリーク路を形成してクロスリーク耐久を低下させるという課題が生じていた。
【０００７】
これを図７とその一部を拡大した図８に基づいて説明する。図７は、固定型Ｓ１と可動型Ｓ２のキャビティ内に電極体ｅとガス流路層となる多孔体ｆ１、ｆ２、および一つの３層構造セパレータｇが収容され、ガスケット用の樹脂が注入されている状況を説明したものである。まず、電解質膜ａとこれを挟持するカソード側およびアノード側の触媒層ｂ１、ｂ２とから膜電極接合体ｃが形成され、この膜電極接合体ｃをカソード側およびアノード側のガス拡散層ｄ１、ｄ２が挟持して電極体ｅが形成されたものを用意する。なお、各部材を成形型内へ収容するに際して、膜電極接合体とガス拡散層が予め一体に形成されていてもよいし、双方が分離されていて、それぞれを順に成形型内に収容するものであってもよい。ここで、電解質膜ａの端部ａ１は電極体ｅの側方に張り出している。また、セパレータｇは、２枚のステンレス製もしくはチタン製のプレートｇ１、ｇ２と、このプレート間に介在してガスや冷却水などの流体用の流路を画成する中間層ｇ３と、から構成されており、成形型内に、セパレータｇ、多孔体ｆ２、電極体ｅ、多孔体ｆ１が積層姿勢を成した状態で型閉めされる。なお、この収容された構成部材のユニットで一つの燃料電池セルが形成されるものである。ここで、この３層構造のセパレータｇは、それが組み込まれる燃料電池セルのアノード側の多孔体ｆ２に燃料ガス（流れ方向Ｚ１）を提供するためのガス流通孔ｇ３ａと、セルが積層された姿勢において隣接するセルのカソード側の多孔体に酸化剤ガス（流れ方向Ｚ２）を提供するためのガス流通孔ｇ３ｂを備えている。
【０００８】
型閉めの後に、注入孔Ｈを介してガスケット成形用のキャビティＣ内に樹脂が注入される（Ｙ方向）。樹脂が注入されると、キャビティＣ内で水平方向に張り出した電解質膜ａの端部ａ１には、図８で示すようにその樹脂圧が作用し、該端部ａ１は上方に持ち上げられてキャビティＣの上面に当接する。
【０００９】
この姿勢でガスケットが成形されて燃料電池セルが製造されると、電解質膜ａはその端部ａ１がガスケットの上面に臨んだ状態となってしまう（端部ａ１が外部に臨む）。このような燃料電池セルを所定の基数だけ接着させることなく積み重ね、スタッキングすることにより、従来の燃料電池は形成されている。燃料電池セル同士を接着させないことにより、たとえば発電不良となった燃料電池セルを抜き出して他の燃料電池セルと入れ替えるといったメンテナンスが可能となる。したがって、一つの燃料電池セルに着目した際に、その構成部材であるアノード側およびカソード側の金属多孔体の一方には３層構造のセパレータがガスケットの射出成形の際に接着しており、他方の金属多孔体には積層姿勢において隣接する燃料電池セルのセパレータが接着されることなく当接した状態となっている。
【００１０】
燃料電池セル同士が接着されることなく積み重ねられているのみの構造であるため、上記するようにそのメンテナンスは可能となる一方で、当該燃料電池セルと隣接セルのセパレータとの間に外部に連通する隙間が生じることは避けられない。それに加えて、上記のごとく電解質膜の端部が外部に臨んだ状態となっていることから、電解質膜が外部に通じる状態が形成されることとなり、このことは、ガスのクロスリーク路が形成されることを意味するものであり、燃料電池のクロスリーク耐久低下の一因となるものである。
【００１１】
なお、本出願人によってなされた従来の公開技術として特許文献１を挙げることができ、当該文献には、射出成形に際して、成形型内で電解質膜の端部を押圧部材でセパレータ側に押圧した姿勢で射出成形する技術が開示されている。
【００１２】
上記する公開技術によれば、図７，８で示すガスのクロスリーク路の形成が効果的に抑制される。しかしその一方で、キャビティ内に押圧部材が介在することで注入された樹脂の樹脂流れが阻害されること、押圧部材に作用する樹脂の注入圧に対して該押圧部材の所期の姿勢を保持しながら膜端部をセパレータ側に十分に押さえ付けることが困難であることなどに鑑み、本発明者等は更なる改良を試みてこれらの課題を改善できる技術思想に到達した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００８−１２３８８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池セルを構成する膜電極接合体とガス透過層の周縁にガスケットを射出成形して燃料電池セルを製造する方法に関し、注入された樹脂の樹脂圧に対して電解質膜の端部が持ち上げられてガスケットの端面に臨み、これがガスのクロスリーク路を形成して燃料電池のクロスリーク耐久を低下させるという課題を簡易な製造方法にて解決することのできる、燃料電池セルの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記目的を達成すべく、本発明による燃料電池セルの製造方法は、電解質膜とその両側の触媒層とからなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の両側に配されたガス透過層と、積層されたセルを画成するとともに双方のセルに燃料ガスと酸化剤ガスのいずれか一方を提供するセパレータと、からなる燃料電池セルの製造方法であって、成形型内に順に、前記セパレータと、第１のガス透過層と、膜電極接合体と、第２のガス透過層と、が積層姿勢で収容され、この積層姿勢において、電解質膜が第２のガス透過層よりも側方へ張り出し、セパレータが電解質膜よりも側方へ張り出しており、該電解質膜の少なくとも張り出している箇所の端部領域の上面に、該電解質膜よりも弾性率が高く、かつ電解質膜に比して熱収縮量の少ない熱収縮材が接着されている、第１の工程と、高温雰囲気下の成形型内において、収容された膜電極接合体の側方からガスケット成形用の樹脂を注入し、この際に、電解質膜の前記張り出している箇所の端部領域が前記第１のガス透過層側に変形して該第１のガス透過層に密着し、この姿勢で、膜電極接合体およびガス透過層の周縁にガスケットを成形して燃料電池セルを形成する第２の工程と、からなるものである。
【００１６】
本発明の製造方法にて製造される燃料電池セルのセル構造は、膜電極接合体のアノード側とカソード側の双方に拡散層基材と集電層からなるガス拡散層を具備する形態、アノード側とカソード側のいずれか一方は集電層のみを具備する（拡散層基材が廃された）形態の双方を含んでいる。また、本明細書では、これらのいずれの形態も電極体と称呼している。また、いわゆるフラットタイプのセパレータと電極体の間に、ガス流路層（エキスパンドメタル等の金属多孔体）が配されたセル構造の他にも、電極体の両側にガス流路溝が形成されたセパレータが直接配された従来一般のセル構造を含むものである。さらに、「ガス透過層」とは、ガス拡散層とガス流路層の双方を含む意味である。したがって、ガス流路層を具備しないセル形態においては「ガス透過層」は「ガス拡散層」を意味するものであり、ガス拡散層とガス流路層の双方を具備するセル形態においては「ガス透過層」は「ガス拡散層」と「ガス流路層」の双方もしくはいずれか一方を意味するものである。
【００１７】
本発明の燃料電池セルの製造方法は、たとえば既述する３層構造のセパレータと、アノード側およびカソード側の金属多孔体と、膜電極接合体およびガス拡散層（電極体）を成形型内に収容して該膜電極接合体等の周縁に射出成形にてガスケットを形成することで燃料電池セルを製造する方法に関し、電極体を構成する触媒層やセパレータと当接しないガス透過層（第２のガス透過層）に比して側方に張り出している、電解質膜の該側方へ張り出している箇所の少なくとも端部領域を、ガスケット成形時の型内の高温雰囲気下で下方に（第１のガス透過層側）たとえば湾曲状に変形させることにより、電解質膜の端部を第１のガス透過層に密着させて、該電解質膜と第１のガス透過層の間に注入樹脂が浸入するのを抑止し、もって、注入樹脂が浸入して電解質膜の張り出している箇所が上方へ持ち上げられるのを効果的に防止するものである。
【００１８】
上記効果を奏するべく、電解質膜の側方へ張り出している箇所のうち、少なくともその端部領域の上面に、電解質膜よりも弾性率の高い熱収縮材をたとえば接着剤等を介して接着させておく。ガスケット成形時の高温雰囲気下においては、水分を含有する（あるいは保湿雰囲気の）電解質膜中の水分が蒸発することで、電解質膜は熱収縮する。また、相対的に弾性率の高い熱収縮材も熱収縮するが、電解質膜の上面では、弾性率が高く、該電解質膜よりも相対的に熱収縮量の少ない熱収縮材が接着されていることから、電解質膜の下面は何等の拘束もなく自由に熱収縮する一方で、上面は相対的に熱収縮量が少なく、かつ高弾性率を有する熱収縮材によって、電解質膜の収縮が抑制される方向に引張力が作用することとなる。この熱収縮材による引張力により、電解質膜の張り出している箇所の少なくとも端部は、相対的に収縮量の多い下面側に湾曲状に変形するというメカニズムである。下方に湾曲状に変形した電解質膜の端部が第１のガス透過層の表面と密着することにより、電解質膜と第１のガス透過層の間に注入樹脂が浸入することが抑止され、結果として、浸入樹脂によって電解質膜の側方へ張り出している箇所が上方に持ち上げられることもなくなり、従来技術のごときクロスリーク路の形成も抑止される。
【００１９】
ところで、上記方法を適用する代わりに、予め電解質膜の張り出している箇所の端部領域を下方へ変形させておく方策（くせ付け）も考えられるが、この場合には、一つの燃料電池セルにおいて、たとえば枠縁状の該張り出している箇所のすべてをくせ付けする必要があって非常に手間取ること、および、通常はたとえば２００〜４００基程度の燃料電池セルから一つの燃料電池スタックが形成されることから、これら多数の燃料電池セルのすべてに上記するくせ付けをおこなう必要が生じること、より、製造時間が極めて長期となることは理解に易く、製造コストの高騰が必至であることから、この方策は得策とは言い難い。
【００２０】
ここで、上記する熱収縮材としては、従来の燃料電池で使用されているポリマーフィルムを適用するのが好ましい。たとえば、ガス拡散層の毛羽が電解質膜へ突き刺ささることを防止するべく、触媒層から電解質膜に亘って配設されるＰＥＮ等のポリマーフィルムは、電解質膜に比して弾性率が格段に高く、しかも、ポリマー素材ゆえに、高温雰囲気下で高分子が規則性をもって並び、全体として熱収縮するものであることから、本発明の熱収縮材に好適である。
【００２１】
なお、電解質膜がその水分を失うことによる熱収縮量は、その含水量によっても変化するが、本発明者等によれば、たとえば、１０〜３０％程度の水分が失われることによる電解質膜の熱収縮量に対して、たとえば型内が１００〜１３０℃程度の高温雰囲気下におけるポリマーフィルムの熱収縮量は、格段に少ないという知見が得られている。さらにナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標、デュポン社製）等からなる電解質膜は、その弾性率が温度依存性を有するものであり、温度が高くなるにつれて低下する傾向にあるものの、たとえば上記型内温度において、たとえば数１０ＭＰａ程度の弾性率を有している一方で、ポリイミドなどのポリマーは数ＧＰａもの弾性率を有しており、双方の弾性率の隔たりは極めて大きい。
【００２２】
上記する本発明の燃料電池セルの製造方法によれば、電解質膜の側方に張り出している箇所の上面に、ポリマーフィルム等の、電解質膜に比して高い弾性率を有し、電解質膜に比して熱収縮量の少ない熱収縮材を接着させておくだけの簡易な改良により、電解質膜の張り出している箇所がガスケット成形用の注入樹脂にて上方に持ち上げられ、これがガスのクロスリーク路を形成することが効果的に抑止される。
【００２３】
なお、この製造方法によって製造された燃料電池セルが所定基数積層され、スタッキングされることによって燃料電池スタックが製造される。この燃料電池スタックは、家庭用の定置型燃料電池や車載用燃料電池など、その適用分野は他方面に亘るが、特に、近時その生産が拡大しており、車載機器により一層の高性能と低い製造コストを要求する電気自動車やハイブリッド車に好適である。
【発明の効果】
【００２４】
以上の説明から理解できるように、本発明の燃料電池セルの製造方法によれば、電解質膜の側方に張り出している箇所の上面に、電解質膜に比して高い弾性率を有し、電解質膜に比して熱収縮量の少ない熱収縮材を接着させておくだけの簡易な改良により、電解質膜の張り出している箇所がたとえばガスケット成形時の樹脂圧によって持ち上げられ、これが外部に臨んでガスのクロスリーク路を形成するといった課題を効果的に解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の燃料電池セルの製造方法の第１の工程を説明した縦断面図であって、成形型内に収容する前のセパレータと第１、第２のガス透過層と膜電極接合体の積層姿勢を説明した図である。
【図２】本発明の燃料電池セルの製造方法の第１の工程、および第２の工程を説明した縦断面図である。
【図３】（ａ）は図２の一部を拡大した図であり、（ｂ）は（ａ）の一部をさらに拡大した図であって、電解質膜の張り出している箇所の端部が下方へ湾曲状に変形するメカニズムを説明した図である。
【図４】燃料電池セルを積層する前の状態を説明した縦断面図である。
【図５】図４のV部の拡大図である。
【図６】燃料電池セルを積層し、スタッキングされた状態を説明した縦断面図である。
【図７】従来の方法によって、成形型内でガスケットを成形している状況を説明した縦断面図である。
【図８】図７において、電解質膜の張り出し端部が樹脂圧によって上方に持ち上げられている状況を説明した拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の燃料電池セルの製造方法の第１の工程を説明した縦断面図であって、成形型内に収容する前のセパレータと第１、第２のガス透過層と膜電極接合体の積層姿勢を説明した図であり、図２は、本発明の燃料電池セルの製造方法の第１の工程、および第２の工程を説明した縦断面図であり、図３ａは、図２の一部を拡大した図であり、図３ｂは、図３ａの一部をさらに拡大した図であって、電解質膜の張り出している箇所の端部が下方へ湾曲状に変形するメカニズムを説明した図である。なお、図１は、積層される部材を仮に組み付けたものであるが、実際には、成形型内に順に収容され、積層されて図１の積層姿勢が形成されるものである。
【００２７】
図１で示す燃料電池セルは、電解質膜１と、カソード側およびアノード側の触媒層２，２’と、から膜電極接合体３が形成され、これをカソード側およびアノード側のガス拡散層４，４’（ガス透過層）が挟持して電極体５が形成され、これをカソード側およびアノード側のガス流路層６，６’（ガス透過層、金属多孔体）が挟持し、さらに、アノード側のガス流路層６’側に３層構造のセパレータ７が配されて構成される。なお、カソード側の金属多孔体６とガス拡散層４とから第２のガス透過層が形成され、アノード側の金属多孔体６'とガス拡散層４’とから第１のガス透過層が形成されている。さらに、電解質膜１の側方へ張り出している箇所１ａの上面には、ポリマーフィルムからなる熱収縮材９が接着されている。
【００２８】
ここで、膜電極接合体３を構成する電解質膜１は、たとえば、スルホン酸基やカルボニル基を持つフッ素系イオン交換膜、置換フェニレンオキサイドやスルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリアリールエーテルスルホン、スルホン化フェニレンスルファイドなどの非フッ素系のポリマーなどから形成される。
【００２９】
また、触媒層２，２’は、触媒が担持された導電性担体（粒子状のカーボン担体など）と、電解質と、分散溶媒（有機溶媒）と、を混合して触媒溶液（触媒インク）を生成し、これを電解質膜１やガス拡散層４，４’等の基材に塗工ブレードにて層状に引き伸ばして塗膜を形成し、温風乾燥炉等で乾燥することで触媒層が形成される。ここで、触媒溶液を形成する電解質は、プロトン伝導性ポリマーである、有機系の含フッ素高分子を骨格とするイオン交換樹脂、例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化プラスチック系電解質、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィド、スルホアルキル化ポリフェニレンなどのスルホアルキル化プラスチック系電解質などを挙げることができる。なお、市販素材としては、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標、デュポン社製）やフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ）（登録商標、旭硝子株式会社製）などを挙げることができる。また、分散溶媒としては、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ジメチルホルムアミド、ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドン、プロピレンカーボネート、酢酸エチルや酢酸ブチルなどのエステル類、芳香族系あるいはハロゲン系の種々の溶媒を挙げることができ、さらには、これらを単独で、もしくは混合液として使用することができる。さらに、触媒が担持された導電性担体に関し、この導電性担体としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物などを挙げることができ、この触媒（金属触媒）としては、たとえば、白金や白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウムなどのうちのいずれか一種を使用することができ、好ましくは白金または白金合金を使用するのがよい。さらに、この白金合金としては、たとえば、白金と、アルミニウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ガリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、バナジウム、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、チタンおよび鉛のうちの少なくとも一種との合金を挙げることができる。
【００３０】
また、ガス拡散層４，４’は、拡散層基材と集電層（ＭＰＬ）からなるものであり、拡散層基材としては、電気抵抗が低く、集電を行えるものであれば特に限定されるものではないが、たとえば、導電性無機物質を主とするものを挙げることができ、この導電性無機物質としては、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛等の炭素材やこれらのナノカーボン材料、ステンレススチール、モリブデン、チタン等を挙げることができる。また、拡散層基材の導電性無機物質の形態は特に限定されるものではなく、たとえば繊維状あるいは粒子状で用いられるが、ガス透過性の点から無機導電性繊維であって、特に炭素繊維が好ましい。無機導電性繊維を用いた拡散層基材としては、織布あるいは不織布いずれの構造のものも使用することができ、カーボンペーパーやカーボンクロスなどを挙げることができる。織布としては、紋織、平織など、特に限定されるものではなく、不織布としては、抄紙法、ウォータージェットパンチ法によるものなどが挙げられる。さらに、この炭素繊維としては、フェノール系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維などを挙げることができる。さらに、集電層はアノード側、カソード側の触媒層２，２’から電子を集める電極の役割を果たすものであり、導電性材料である、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、金、銀、銅及びこれらの化合物または合金、導電性炭素材料などから形成できる。
【００３１】
また、金属多孔体６，６’は、エキスパンドメタルや金属発泡焼結体などから形成でき、たとえば、チタンやステンレス、銅、ニッケル等の耐食性に優れた金属素材の発泡焼結体からガス流路層が形成されるものである。
【００３２】
また、３層構造のセパレータ７は、ステンレスやチタンからなる金属プレート７１，７２と、その間に、金属素材で冷却水流路やガス流路が形成された中間層７３が介層されたものである。なお、樹脂素材の枠材を中間層とし、２枚の金属プレートの一方のプレートから多数のディンプル、もしくは流路画成用のリブが突出された形態であってもよい。なお、図示するセパレータ７では、自身が構成要素となる燃料電池セルのアノード側の多孔体６'に燃料ガスを供給するためのガス流路７３ａと、セルの積層姿勢において隣接するセルのカソード側の多孔体６に酸化剤ガスを供給するためのガス流路７３ｂが形成されており、さらには、不図示の冷却水流路が中間層７３に形成されている。
【００３３】
さらに、熱収縮材９を形成するポリマーフィルムとしては、ガスケットを射出成形する際の成形型内の高温雰囲気下（たとえば１００〜１３０℃程度）で、電解質膜１がその水分を失う際の熱収縮量に比してその熱収縮量が相対的に少なく、しかも、電解質膜１に比して高い弾性率を有するものであれば特に限定されないが、一例として、ポリテトラフルオロエチレン、ＰＶＤＦ（二フッ化ポリビニル）、ポリエチレン、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリアミド、コポリアミド、ポリアミドエラストマ、ポリイミド、ポリウレタン、ポリウレタンエラストマ、シリコーン、シリコンゴム、シリコンベースのエラストマなどを挙げることができる。
【００３４】
次に、本発明の製造方法を概説する。まず、図２で示すように、固定型Ｓ１と可動型Ｓ２とからなる成形型内に、ガスケットが成形される前の燃料電池セルを組み付ける。この組み付け姿勢において、カソード側の金属多孔体６やガス拡散層４に比して、電解質膜１はその端部が張り出している。また、セパレータ７は電解質膜１よりも側方に張り出している。
【００３５】
次いで、成形型を型閉めし、固定型Ｓ１に開設された注入孔Ｈを介して、樹脂をガスケット成形用キャビティＣ内に注入する（Ｙ方向）。この射出成形時の成形型内温度は、およそ１００〜１３０℃程度となっている。なお、注入される樹脂としては、ブチル系ゴムやウレタン系ゴム、シリコーンＲＴＶゴム、耐メタノール性を有するエポキシ系樹脂、エポキシ変性シリコーン樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、炭化水素樹脂などを挙げることができる。
【００３６】
成形型内の高温雰囲気により、電解質膜１の張り出している箇所１ａの少なくとも端部は、図２とその拡大図である図３ａで示すように下方にたとえば湾曲状に変形して（Ｚ方向）、ガス拡散層４’表面に密着する。
【００３７】
このように、張り出している箇所１ａが下方に変形するメカニズムを図３ｂを参照して説明する。
【００３８】
電解質膜１の張り出している箇所１ａの上面１ａ１に、電解質膜１よりも弾性率の高い熱収縮材９をたとえば接着剤等を介して接着させておくことにより、ガスケット成形時の高温雰囲気下においては、保湿雰囲気の電解質膜１中の水分が蒸発することで、電解質膜１は熱収縮する。この熱収縮の際に、相対的に弾性率の高い熱収縮材９も熱収縮するが、電解質膜１の上面１ａ１では、弾性率が高く、該電解質膜１よりも相対的に熱収縮量（δ３）の少ない熱収縮材９が接着されていることから、電解質膜１の下面１ａ２は何等の拘束もなく自由に熱収縮する一方（熱収縮量：δ１）で、上面１ａ１は相対的に熱収縮量が少なく（この熱収縮量：δ３は、上面１ａ１側の熱収縮量：δ２よりも少ない）、かつ高弾性率を有する熱収縮材９によって、電解質膜１の収縮が抑制される方向に引張力Ｐが作用することとなる。この熱収縮材９による引張力Ｐにより、電解質膜１の下面１ａ２に比して上面１ａ１の熱収縮量が抑えられる結果、電解質膜１の張り出している箇所１ａの少なくとも端部は、相対的に収縮量の多い下面１ａ２側にたとえば湾曲状に変形するというものである。
【００３９】
図７で示す従来の製造方法と異なり、本発明の製造方法では、電解質膜１の張り出している箇所１ａがアノード側のガス拡散層４’に密着しているため、膜電極接合体３の側方から流れてきた樹脂が電解質膜１とガス拡散層４’の間に浸入することが抑止され、したがって、浸入樹脂によってこの張り出している箇所１ａが上方に持ち上げられることはない。すなわち、電解質膜１の張り出している箇所１ａが下方のガス拡散層４’に密着した姿勢で、キャビティＣ内に樹脂が充填され、ガスケットが成形される。
【００４０】
この射出成形により、セパレータ７の表面上にガスケットが直接成形されることから、セパレータとガスケットの密着領域は十分に接着され、したがって、これらの界面が外部に流体連通することはない。このことから、この界面側に配向する電解質膜１の張り出している箇所１ａも同様に外部に連通することはなく、図８で示すように、ガスケットのうち、セパレータと接着しない側の表面に電解質膜の端部が臨んでこれが外部と流体連通し、ガスのクロスリーク路を形成するという問題は生じ得ない。
【００４１】
図４は、図２で示す第２の工程にて製造された２つの燃料電池セル１０，１０を示しており、より具体的には、これらが積層される前の状態を示している。ここで、図４中のV部の拡大図を図５に示している。同図からも明らかなように、張り出している箇所１ａの端部がガス拡散層４’に密着した姿勢でガスケット８が成形されるため、張り出している箇所１ａとガス拡散層４’の間の隙間Ｇには樹脂が浸入していない。
【００４２】
なお、たとえば３００基の燃料電池セル１０，…を積層して燃料電池スタックを形成する場合には、図２の方法でそれぞれの燃料電池セルを製造し、各燃料電池セル１０のセパレータを具備しない側に積層姿勢で隣接する燃料電池セル１０のセパレータ７を上載するようにして３００基の燃料電池セル１０，…を積層し、スタッキングが実行される。
【００４３】
図６は、複数の燃料電池セル１０，…が積層され、スタッキングされた後の２つの燃料電池セル１０，１０を取り出して図示したものである。なお、射出成形されてできたガスケット８にマニホールドＭが形成され、無端のシールリブ８ａがマニホールドＭを囲繞するようにガスケット８の上面（セパレータ７の存在しない面）に形成される。
【００４４】
図６から明らかなように、積層姿勢の各燃料電池セル１０，…がスタッキングされた際に、任意の燃料電池セル１０は、自身の構成部材であるセパレータ７と隣接する燃料電池セル１０のセパレータ７がその両側に配される構造となる。スタッキングされることによってマニホールドＭ周りのシールリブ８ａが隣接する燃料電池セル１０のセパレータ７にて潰され、シール構造が形成される。
【００４５】
図示するマニホールドＭは燃料ガスが流入するマニホールドであり、供給された燃料ガスは３層構造セパレータ７の中間層７３からプレート７１に亘って形成された供給ガス流路７３ａを介してアノード側の多孔体６’に供給される（Ｚ１方向）。一方、ガスケット８の他の断面には酸化剤ガスが流入する別途のマニホールドが形成されており、この別途のマニホールドを介して酸化剤ガスが流入し、セパレータ７の中間層７３からプレート７２に亘って形成された供給ガス流路７３ｂを介して隣接セルのカソード側の多孔体６に供給される（Ｚ２方向）。
【００４６】
上記する本発明の燃料電池セルの製造方法によれば、射出成形時の樹脂が電解質膜の張り出している箇所とガス透過層の間に浸入することで上方に持ち上げられ、該張り出している箇所がセパレータと接着していない側のガスケットの端面に臨んで外部と流体連通し、ガスのクロスリーク路となることが効果的に抑止される。しかも、電解質膜の張り出している箇所の上面に、相対的に高弾性率で熱収縮量の少ない熱収縮材を接着しておくだけの極めて簡易な改良によってクロスリーク耐久の高い燃料電池を製造するものであることから、その製造効率も高く、需要増に伴う燃料電池の大量生産に好適である。
【００４７】
なお、実際に電気自動車等に車載される燃料電池システムは、燃料電池（燃料電池スタック）と、水素ガスや空気を収容する各種タンク、これらのガスを燃料電池に提供するためのブロア、燃料電池を冷却するためのラジエータ、燃料電池で生成された電力を蓄電するバッテリ、この電力で駆動する駆動モータ等から大略構成されるものである。
【００４８】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４９】
１…電解質膜、１ａ…張り出している箇所、２…カソード側の触媒層、２’…アノード側の触媒層、３…膜電極接合体、４…カソード側のガス拡散層（ガス透過層）、４’…アノード側のガス拡散層（ガス透過層）、５…電極体、６…カソード側の金属多孔体（ガス透過層、ガス流路層）、６’…アノード側の金属多孔体（ガス透過層、ガス流路層）、７…セパレータ、７１、７２…プレート、７３…中間層、８…ガスケット、９…熱収縮材（ポリマーフィルム）、１０…燃料電池セル、Ｍ…マニホールド、Ｓ１…固定型、Ｓ２…可動型、Ｈ…注入孔、Ｃ…キャビティ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池の燃料電池セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側およびカソード側の触媒層とから膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が形成され、このＭＥＡとこれを挟持するアノード側およびカソード側のガス拡散層（ＧＤＬ）とから電極体（ＭＥＧＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ＆ Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が形成され、電極体に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するための多孔体からなるガス流路層とセパレータが電極体の両側に配されて構成されている。実際の燃料電池スタックは、所要電力に応じた基数の燃料電池セルが積層され、スタッキングされることによって形成されている。
【０００３】
上記構成の燃料電池セルにおいては、膜電極接合体に供給される燃料ガスや酸化剤ガス、さらにはセルの昇温を抑止するための冷却水などの流体をシールするためのガスケットが電極体および多孔体の周縁に形成されている。このガスケットは燃料電池セルごとに形成されており、電極体および多孔体の周縁にガスケットを有した燃料電池セルを所定の基数だけ積層した後にスタッキングがおこなわれている。このガスケットの成形は一般に射出成形や圧縮成形にておこなわれている。たとえば射出成形の場合を取り上げると、成形型のキャビティ内にセパレータを収容し、次いでガス流路となるアノード側もしくはカソード側の一方の金属多孔体を収容し、次いで電極体を収容し、次いでアノード側もしくはカソード側の他方の金属多孔体を収容した姿勢で、電極体および金属多孔体の周縁のガスケット成形用キャビティに樹脂を注入するものである。
【０００４】
上記するセパレータは、たとえばチタンやステンレスからなる２枚のプレートの間に流路が形成されたプレートが介層された３層構造のものや、中間層を樹脂製の枠材とし、２枚のプレートの一方から多数のディンプルや流路を画成するリブを突出させて冷却水流路を形成するものなどがある。この３層構造のセパレータは、当該セル自体のアノード側もしくはカソード側のいずれか一方のセパレータであると同時に、積層姿勢において隣接するセルのアノード側もしくはカソード側の他方のセパレータとなるものである。すなわち、この３層構造セパレータを有する燃料電池セルのセル構成部材は、一つの３層構造セパレータと、アノード側およびカソード側の金属多孔体（ガス流路層）と、電極体と、からなり、複数の燃料電池セルが積層された姿勢において、任意の燃料電池セルは、その両端にアノード側およびカソード側のセパレータを有することとなる。
【０００５】
ところで、ガス拡散層や触媒層に対して電解質膜の端部は側方に張り出しており、ガスケットが成形された際の姿勢においては、電解質膜の張り出し端部がガスケットの内部に埋め込まれた構造を呈するのが一般的である。このような構造を適用する理由として、その一つは、両極のガス拡散層や金属多孔体（ガス流路層）が接触して短絡するのを防止することである。また、他の理由は、一方の極（たとえばカソード極）から他方の極（たとえばアノード極）へ電解質膜の側端をガスが回り込んでクロスリークするのを防止するために、ある程度の張り出し長さを確保し、この張り出し部をガスケット内に埋設させた構造を適用しているというものである。
【０００６】
たとえば、成形型内に一つの３層構造セパレータと、金属多孔体とガス拡散層と膜電極接合体を収容して型閉めし、膜電極接合体の側方に画成されたガスケット用のキャビティ内に樹脂を注入してガスケットを成形する場合において、成形型内で膜電極接合体側に流れてきた樹脂の圧力により、側方に張り出した電解質膜の端部が上方に持ち上げられ、これがガスのクロスリーク路を形成してクロスリーク耐久を低下させるという課題が生じていた。
【０００７】
これを図７とその一部を拡大した図８に基づいて説明する。図７は、固定型Ｓ１と可動型Ｓ２のキャビティ内に電極体ｅとガス流路層となる多孔体ｆ１、ｆ２、および一つの３層構造セパレータｇが収容され、ガスケット用の樹脂が注入されている状況を説明したものである。まず、電解質膜ａとこれを挟持するカソード側およびアノード側の触媒層ｂ１、ｂ２とから膜電極接合体ｃが形成され、この膜電極接合体ｃをカソード側およびアノード側のガス拡散層ｄ１、ｄ２が挟持して電極体ｅが形成されたものを用意する。なお、各部材を成形型内へ収容するに際して、膜電極接合体とガス拡散層が予め一体に形成されていてもよいし、双方が分離されていて、それぞれを順に成形型内に収容するものであってもよい。ここで、電解質膜ａの端部ａ１は電極体ｅの側方に張り出している。また、セパレータｇは、２枚のステンレス製もしくはチタン製のプレートｇ１、ｇ２と、このプレート間に介在してガスや冷却水などの流体用の流路を画成する中間層ｇ３と、から構成されており、成形型内に、セパレータｇ、多孔体ｆ２、電極体ｅ、多孔体ｆ１が積層姿勢を成した状態で型閉めされる。なお、この収容された構成部材のユニットで一つの燃料電池セルが形成されるものである。ここで、この３層構造のセパレータｇは、それが組み込まれる燃料電池セルのアノード側の多孔体ｆ２に燃料ガス（流れ方向Ｚ１）を提供するためのガス流通孔ｇ３ａと、セルが積層された姿勢において隣接するセルのカソード側の多孔体に酸化剤ガス（流れ方向Ｚ２）を提供するためのガス流通孔ｇ３ｂを備えている。
【０００８】
型閉めの後に、注入孔Ｈを介してガスケット成形用のキャビティＣ内に樹脂が注入される（Ｙ方向）。樹脂が注入されると、キャビティＣ内で水平方向に張り出した電解質膜ａの端部ａ１には、図８で示すようにその樹脂圧が作用し、該端部ａ１は上方に持ち上げられてキャビティＣの上面に当接する。
【０００９】
この姿勢でガスケットが成形されて燃料電池セルが製造されると、電解質膜ａはその端部ａ１がガスケットの上面に臨んだ状態となってしまう（端部ａ１が外部に臨む）。このような燃料電池セルを所定の基数だけ接着させることなく積み重ね、スタッキングすることにより、従来の燃料電池は形成されている。燃料電池セル同士を接着させないことにより、たとえば発電不良となった燃料電池セルを抜き出して他の燃料電池セルと入れ替えるといったメンテナンスが可能となる。したがって、一つの燃料電池セルに着目した際に、その構成部材であるアノード側およびカソード側の金属多孔体の一方には３層構造のセパレータがガスケットの射出成形の際に接着しており、他方の金属多孔体には積層姿勢において隣接する燃料電池セルのセパレータが接着されることなく当接した状態となっている。
【００１０】
燃料電池セル同士が接着されることなく積み重ねられているのみの構造であるため、上記するようにそのメンテナンスは可能となる一方で、当該燃料電池セルと隣接セルのセパレータとの間に外部に連通する隙間が生じることは避けられない。それに加えて、上記のごとく電解質膜の端部が外部に臨んだ状態となっていることから、電解質膜が外部に通じる状態が形成されることとなり、このことは、ガスのクロスリーク路が形成されることを意味するものであり、燃料電池のクロスリーク耐久低下の一因となるものである。
【００１１】
なお、本出願人によってなされた従来の公開技術として特許文献１を挙げることができ、当該文献には、射出成形に際して、成形型内で電解質膜の端部を押圧部材でセパレータ側に押圧した姿勢で射出成形する技術が開示されている。
【００１２】
上記する公開技術によれば、図７，８で示すガスのクロスリーク路の形成が効果的に抑制される。しかしその一方で、キャビティ内に押圧部材が介在することで注入された樹脂の樹脂流れが阻害されること、押圧部材に作用する樹脂の注入圧に対して該押圧部材の所期の姿勢を保持しながら膜端部をセパレータ側に十分に押さえ付けることが困難であることなどに鑑み、本発明者等は更なる改良を試みてこれらの課題を改善できる技術思想に到達した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００８−１２３８８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池セルを構成する膜電極接合体とガス透過層の周縁にガスケットを射出成形して燃料電池セルを製造する方法に関し、注入された樹脂の樹脂圧に対して電解質膜の端部が持ち上げられてガスケットの端面に臨み、これがガスのクロスリーク路を形成して燃料電池のクロスリーク耐久を低下させるという課題を簡易な製造方法にて解決することのできる、燃料電池セルの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記目的を達成すべく、本発明による燃料電池セルの製造方法は、電解質膜とその両側の触媒層とからなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の両側に配されたガス透過層と、積層されたセルを画成するとともに双方のセルに燃料ガスと酸化剤ガスのいずれか一方を提供するセパレータと、からなる燃料電池セルの製造方法であって、成形型内に順に、前記セパレータと、第１のガス透過層と、膜電極接合体と、第２のガス透過層と、が積層姿勢で収容され、この積層姿勢において、電解質膜が第２のガス透過層よりも側方へ張り出し、セパレータが電解質膜よりも側方へ張り出しており、該電解質膜の少なくとも張り出している箇所の端部領域の上面に、該電解質膜よりも弾性率が高く、かつ電解質膜に比して熱収縮量の少ない熱収縮材が接着されている、第１の工程と、高温雰囲気下の成形型内において、収容された膜電極接合体の側方からガスケット成形用の樹脂を注入し、この際に、電解質膜の前記張り出している箇所の端部領域が前記第１のガス透過層側に変形して該第１のガス透過層に密着し、この姿勢で、膜電極接合体およびガス透過層の周縁にガスケットを成形して燃料電池セルを形成する第２の工程と、からなるものである。
【００１６】
本発明の製造方法にて製造される燃料電池セルのセル構造は、膜電極接合体のアノード側とカソード側の双方に拡散層基材と集電層からなるガス拡散層を具備する形態、アノード側とカソード側のいずれか一方は集電層のみを具備する（拡散層基材が廃された）形態の双方を含んでいる。また、本明細書では、これらのいずれの形態も電極体と称呼している。また、いわゆるフラットタイプのセパレータと電極体の間に、ガス流路層（エキスパンドメタル等の金属多孔体）が配されたセル構造の他にも、電極体の両側にガス流路溝が形成されたセパレータが直接配された従来一般のセル構造を含むものである。さらに、「ガス透過層」とは、ガス拡散層とガス流路層の双方を含む意味である。したがって、ガス流路層を具備しないセル形態においては「ガス透過層」は「ガス拡散層」を意味するものであり、ガス拡散層とガス流路層の双方を具備するセル形態においては「ガス透過層」は「ガス拡散層」と「ガス流路層」の双方もしくはいずれか一方を意味するものである。
【００１７】
本発明の燃料電池セルの製造方法は、たとえば既述する３層構造のセパレータと、アノード側およびカソード側の金属多孔体と、膜電極接合体およびガス拡散層（電極体）を成形型内に収容して該膜電極接合体等の周縁に射出成形にてガスケットを形成することで燃料電池セルを製造する方法に関し、電極体を構成する触媒層やセパレータと当接しないガス透過層（第２のガス透過層）に比して側方に張り出している、電解質膜の該側方へ張り出している箇所の少なくとも端部領域を、ガスケット成形時の型内の高温雰囲気下で下方に（第１のガス透過層側）たとえば湾曲状に変形させることにより、電解質膜の端部を第１のガス透過層に密着させて、該電解質膜と第１のガス透過層の間に注入樹脂が浸入するのを抑止し、もって、注入樹脂が浸入して電解質膜の張り出している箇所が上方へ持ち上げられるのを効果的に防止するものである。
【００１８】
上記効果を奏するべく、電解質膜の側方へ張り出している箇所のうち、少なくともその端部領域の上面に、電解質膜よりも弾性率の高い熱収縮材をたとえば接着剤等を介して接着させておく。ガスケット成形時の高温雰囲気下においては、水分を含有する（あるいは保湿雰囲気の）電解質膜中の水分が蒸発することで、電解質膜は熱収縮する。また、相対的に弾性率の高い熱収縮材も熱収縮するが、電解質膜の上面では、弾性率が高く、該電解質膜よりも相対的に熱収縮量の少ない熱収縮材が接着されていることから、電解質膜の下面は何等の拘束もなく自由に熱収縮する一方で、上面は相対的に熱収縮量が少なく、かつ高弾性率を有する熱収縮材によって、電解質膜の収縮が抑制される方向に引張力が作用することとなる。この熱収縮材による引張力により、電解質膜の張り出している箇所の少なくとも端部は、相対的に収縮量の多い下面側に湾曲状に変形するというメカニズムである。下方に湾曲状に変形した電解質膜の端部が第１のガス透過層の表面と密着することにより、電解質膜と第１のガス透過層の間に注入樹脂が浸入することが抑止され、結果として、浸入樹脂によって電解質膜の側方へ張り出している箇所が上方に持ち上げられることもなくなり、従来技術のごときクロスリーク路の形成も抑止される。
【００１９】
ところで、上記方法を適用する代わりに、予め電解質膜の張り出している箇所の端部領域を下方へ変形させておく方策（くせ付け）も考えられるが、この場合には、一つの燃料電池セルにおいて、たとえば枠縁状の該張り出している箇所のすべてをくせ付けする必要があって非常に手間取ること、および、通常はたとえば２００〜４００基程度の燃料電池セルから一つの燃料電池スタックが形成されることから、これら多数の燃料電池セルのすべてに上記するくせ付けをおこなう必要が生じること、より、製造時間が極めて長期となることは理解に易く、製造コストの高騰が必至であることから、この方策は得策とは言い難い。
【００２０】
ここで、上記する熱収縮材としては、従来の燃料電池で使用されているポリマーフィルムを適用するのが好ましい。たとえば、ガス拡散層の毛羽が電解質膜へ突き刺ささることを防止するべく、触媒層から電解質膜に亘って配設されるＰＥＮ等のポリマーフィルムは、電解質膜に比して弾性率が格段に高く、しかも、ポリマー素材ゆえに、高温雰囲気下で高分子が規則性をもって並び、全体として熱収縮するものであることから、本発明の熱収縮材に好適である。
【００２１】
なお、電解質膜がその水分を失うことによる熱収縮量は、その含水量によっても変化するが、本発明者等によれば、たとえば、１０〜３０％程度の水分が失われることによる電解質膜の熱収縮量に対して、たとえば型内が１００〜１３０℃程度の高温雰囲気下におけるポリマーフィルムの熱収縮量は、格段に少ないという知見が得られている。さらにナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標、デュポン社製）等からなる電解質膜は、その弾性率が温度依存性を有するものであり、温度が高くなるにつれて低下する傾向にあるものの、たとえば上記型内温度において、たとえば数１０ＭＰａ程度の弾性率を有している一方で、ポリイミドなどのポリマーは数ＧＰａもの弾性率を有しており、双方の弾性率の隔たりは極めて大きい。
【００２２】
上記する本発明の燃料電池セルの製造方法によれば、電解質膜の側方に張り出している箇所の上面に、ポリマーフィルム等の、電解質膜に比して高い弾性率を有し、電解質膜に比して熱収縮量の少ない熱収縮材を接着させておくだけの簡易な改良により、電解質膜の張り出している箇所がガスケット成形用の注入樹脂にて上方に持ち上げられ、これがガスのクロスリーク路を形成することが効果的に抑止される。
【００２３】
なお、この製造方法によって製造された燃料電池セルが所定基数積層され、スタッキングされることによって燃料電池スタックが製造される。この燃料電池スタックは、家庭用の定置型燃料電池や車載用燃料電池など、その適用分野は他方面に亘るが、特に、近時その生産が拡大しており、車載機器により一層の高性能と低い製造コストを要求する電気自動車やハイブリッド車に好適である。
【発明の効果】
【００２４】
以上の説明から理解できるように、本発明の燃料電池セルの製造方法によれば、電解質膜の側方に張り出している箇所の上面に、電解質膜に比して高い弾性率を有し、電解質膜に比して熱収縮量の少ない熱収縮材を接着させておくだけの簡易な改良により、電解質膜の張り出している箇所がたとえばガスケット成形時の樹脂圧によって持ち上げられ、これが外部に臨んでガスのクロスリーク路を形成するといった課題を効果的に解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の燃料電池セルの製造方法の第１の工程を説明した縦断面図であって、成形型内に収容する前のセパレータと第１、第２のガス透過層と膜電極接合体の積層姿勢を説明した図である。
【図２】本発明の燃料電池セルの製造方法の第１の工程、および第２の工程を説明した縦断面図である。
【図３】（ａ）は図２の一部を拡大した図であり、（ｂ）は（ａ）の一部をさらに拡大した図であって、電解質膜の張り出している箇所の端部が下方へ湾曲状に変形するメカニズムを説明した図である。
【図４】燃料電池セルを積層する前の状態を説明した縦断面図である。
【図５】図４のV部の拡大図である。
【図６】燃料電池セルを積層し、スタッキングされた状態を説明した縦断面図である。
【図７】従来の方法によって、成形型内でガスケットを成形している状況を説明した縦断面図である。
【図８】図７において、電解質膜の張り出し端部が樹脂圧によって上方に持ち上げられている状況を説明した拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の燃料電池セルの製造方法の第１の工程を説明した縦断面図であって、成形型内に収容する前のセパレータと第１、第２のガス透過層と膜電極接合体の積層姿勢を説明した図であり、図２は、本発明の燃料電池セルの製造方法の第１の工程、および第２の工程を説明した縦断面図であり、図３ａは、図２の一部を拡大した図であり、図３ｂは、図３ａの一部をさらに拡大した図であって、電解質膜の張り出している箇所の端部が下方へ湾曲状に変形するメカニズムを説明した図である。なお、図１は、積層される部材を仮に組み付けたものであるが、実際には、成形型内に順に収容され、積層されて図１の積層姿勢が形成されるものである。
【００２７】
図１で示す燃料電池セルは、電解質膜１と、カソード側およびアノード側の触媒層２，２’と、から膜電極接合体３が形成され、これをカソード側およびアノード側のガス拡散層４，４’（ガス透過層）が挟持して電極体５が形成され、これをカソード側およびアノード側のガス流路層６，６’（ガス透過層、金属多孔体）が挟持し、さらに、アノード側のガス流路層６’側に３層構造のセパレータ７が配されて構成される。なお、カソード側の金属多孔体６とガス拡散層４とから第２のガス透過層が形成され、アノード側の金属多孔体６'とガス拡散層４’とから第１のガス透過層が形成されている。さらに、電解質膜１の側方へ張り出している箇所１ａの上面には、ポリマーフィルムからなる熱収縮材９が接着されている。
【００２８】
ここで、膜電極接合体３を構成する電解質膜１は、たとえば、スルホン酸基やカルボニル基を持つフッ素系イオン交換膜、置換フェニレンオキサイドやスルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリアリールエーテルスルホン、スルホン化フェニレンスルファイドなどの非フッ素系のポリマーなどから形成される。
【００２９】
また、触媒層２，２’は、触媒が担持された導電性担体（粒子状のカーボン担体など）と、電解質と、分散溶媒（有機溶媒）と、を混合して触媒溶液（触媒インク）を生成し、これを電解質膜１やガス拡散層４，４’等の基材に塗工ブレードにて層状に引き伸ばして塗膜を形成し、温風乾燥炉等で乾燥することで触媒層が形成される。ここで、触媒溶液を形成する電解質は、プロトン伝導性ポリマーである、有機系の含フッ素高分子を骨格とするイオン交換樹脂、例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化プラスチック系電解質、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィド、スルホアルキル化ポリフェニレンなどのスルホアルキル化プラスチック系電解質などを挙げることができる。なお、市販素材としては、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標、デュポン社製）やフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ）（登録商標、旭硝子株式会社製）などを挙げることができる。また、分散溶媒としては、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン、ジメチルホルムアミド、ジメチルイミダゾリジノン、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロリドン、プロピレンカーボネート、酢酸エチルや酢酸ブチルなどのエステル類、芳香族系あるいはハロゲン系の種々の溶媒を挙げることができ、さらには、これらを単独で、もしくは混合液として使用することができる。さらに、触媒が担持された導電性担体に関し、この導電性担体としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料のほか、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物などを挙げることができ、この触媒（金属触媒）としては、たとえば、白金や白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウムなどのうちのいずれか一種を使用することができ、好ましくは白金または白金合金を使用するのがよい。さらに、この白金合金としては、たとえば、白金と、アルミニウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、ガリウム、ジルコニウム、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、バナジウム、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、チタンおよび鉛のうちの少なくとも一種との合金を挙げることができる。
【００３０】
また、ガス拡散層４，４’は、拡散層基材と集電層（ＭＰＬ）からなるものであり、拡散層基材としては、電気抵抗が低く、集電を行えるものであれば特に限定されるものではないが、たとえば、導電性無機物質を主とするものを挙げることができ、この導電性無機物質としては、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛等の炭素材やこれらのナノカーボン材料、ステンレススチール、モリブデン、チタン等を挙げることができる。また、拡散層基材の導電性無機物質の形態は特に限定されるものではなく、たとえば繊維状あるいは粒子状で用いられるが、ガス透過性の点から無機導電性繊維であって、特に炭素繊維が好ましい。無機導電性繊維を用いた拡散層基材としては、織布あるいは不織布いずれの構造のものも使用することができ、カーボンペーパーやカーボンクロスなどを挙げることができる。織布としては、紋織、平織など、特に限定されるものではなく、不織布としては、抄紙法、ウォータージェットパンチ法によるものなどが挙げられる。さらに、この炭素繊維としては、フェノール系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維などを挙げることができる。さらに、集電層はアノード側、カソード側の触媒層２，２’から電子を集める電極の役割を果たすものであり、導電性材料である、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、金、銀、銅及びこれらの化合物または合金、導電性炭素材料などから形成できる。
【００３１】
また、金属多孔体６，６’は、エキスパンドメタルや金属発泡焼結体などから形成でき、たとえば、チタンやステンレス、銅、ニッケル等の耐食性に優れた金属素材の発泡焼結体からガス流路層が形成されるものである。
【００３２】
また、３層構造のセパレータ７は、ステンレスやチタンからなる金属プレート７１，７２と、その間に、金属素材で冷却水流路やガス流路が形成された中間層７３が介層されたものである。なお、樹脂素材の枠材を中間層とし、２枚の金属プレートの一方のプレートから多数のディンプル、もしくは流路画成用のリブが突出された形態であってもよい。なお、図示するセパレータ７では、自身が構成要素となる燃料電池セルのアノード側の多孔体６'に燃料ガスを供給するためのガス流路７３ａと、セルの積層姿勢において隣接するセルのカソード側の多孔体６に酸化剤ガスを供給するためのガス流路７３ｂが形成されており、さらには、不図示の冷却水流路が中間層７３に形成されている。
【００３３】
さらに、熱収縮材９を形成するポリマーフィルムとしては、ガスケットを射出成形する際の成形型内の高温雰囲気下（たとえば１００〜１３０℃程度）で、電解質膜１がその水分を失う際の熱収縮量に比してその熱収縮量が相対的に少なく、しかも、電解質膜１に比して高い弾性率を有するものであれば特に限定されないが、一例として、ポリテトラフルオロエチレン、ＰＶＤＦ（二フッ化ポリビニル）、ポリエチレン、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリアミド、コポリアミド、ポリアミドエラストマ、ポリイミド、ポリウレタン、ポリウレタンエラストマ、シリコーン、シリコンゴム、シリコンベースのエラストマなどを挙げることができる。
【００３４】
次に、本発明の製造方法を概説する。まず、図２で示すように、固定型Ｓ１と可動型Ｓ２とからなる成形型内に、ガスケットが成形される前の燃料電池セルを組み付ける。この組み付け姿勢において、カソード側の金属多孔体６やガス拡散層４に比して、電解質膜１はその端部が張り出している。また、セパレータ７は電解質膜１よりも側方に張り出している。
【００３５】
次いで、成形型を型閉めし、固定型Ｓ１に開設された注入孔Ｈを介して、樹脂をガスケット成形用キャビティＣ内に注入する（Ｙ方向）。この射出成形時の成形型内温度は、およそ１００〜１３０℃程度となっている。なお、注入される樹脂としては、ブチル系ゴムやウレタン系ゴム、シリコーンＲＴＶゴム、耐メタノール性を有するエポキシ系樹脂、エポキシ変性シリコーン樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、炭化水素樹脂などを挙げることができる。
【００３６】
成形型内の高温雰囲気により、電解質膜１の張り出している箇所１ａの少なくとも端部は、図２とその拡大図である図３ａで示すように下方にたとえば湾曲状に変形して（Ｚ方向）、ガス拡散層４’表面に密着する。
【００３７】
このように、張り出している箇所１ａが下方に変形するメカニズムを図３ｂを参照して説明する。
【００３８】
電解質膜１の張り出している箇所１ａの上面１ａ１に、電解質膜１よりも弾性率の高い熱収縮材９をたとえば接着剤等を介して接着させておくことにより、ガスケット成形時の高温雰囲気下においては、保湿雰囲気の電解質膜１中の水分が蒸発することで、電解質膜１は熱収縮する。この熱収縮の際に、相対的に弾性率の高い熱収縮材９も熱収縮するが、電解質膜１の上面１ａ１では、弾性率が高く、該電解質膜１よりも相対的に熱収縮量（δ３）の少ない熱収縮材９が接着されていることから、電解質膜１の下面１ａ２は何等の拘束もなく自由に熱収縮する一方（熱収縮量：δ１）で、上面１ａ１は相対的に熱収縮量が少なく（この熱収縮量：δ３は、上面１ａ１側の熱収縮量：δ２よりも少ない）、かつ高弾性率を有する熱収縮材９によって、電解質膜１の収縮が抑制される方向に引張力Ｐが作用することとなる。この熱収縮材９による引張力Ｐにより、電解質膜１の下面１ａ２に比して上面１ａ１の熱収縮量が抑えられる結果、電解質膜１の張り出している箇所１ａの少なくとも端部は、相対的に収縮量の多い下面１ａ２側にたとえば湾曲状に変形するというものである。
【００３９】
図７で示す従来の製造方法と異なり、本発明の製造方法では、電解質膜１の張り出している箇所１ａがアノード側のガス拡散層４’に密着しているため、膜電極接合体３の側方から流れてきた樹脂が電解質膜１とガス拡散層４’の間に浸入することが抑止され、したがって、浸入樹脂によってこの張り出している箇所１ａが上方に持ち上げられることはない。すなわち、電解質膜１の張り出している箇所１ａが下方のガス拡散層４’に密着した姿勢で、キャビティＣ内に樹脂が充填され、ガスケットが成形される。
【００４０】
この射出成形により、セパレータ７の表面上にガスケットが直接成形されることから、セパレータとガスケットの密着領域は十分に接着され、したがって、これらの界面が外部に流体連通することはない。このことから、この界面側に配向する電解質膜１の張り出している箇所１ａも同様に外部に連通することはなく、図８で示すように、ガスケットのうち、セパレータと接着しない側の表面に電解質膜の端部が臨んでこれが外部と流体連通し、ガスのクロスリーク路を形成するという問題は生じ得ない。
【００４１】
図４は、図２で示す第２の工程にて製造された２つの燃料電池セル１０，１０を示しており、より具体的には、これらが積層される前の状態を示している。ここで、図４中のV部の拡大図を図５に示している。同図からも明らかなように、張り出している箇所１ａの端部がガス拡散層４’に密着した姿勢でガスケット８が成形されるため、張り出している箇所１ａとガス拡散層４’の間の隙間Ｇには樹脂が浸入していない。
【００４２】
なお、たとえば３００基の燃料電池セル１０，…を積層して燃料電池スタックを形成する場合には、図２の方法でそれぞれの燃料電池セルを製造し、各燃料電池セル１０のセパレータを具備しない側に積層姿勢で隣接する燃料電池セル１０のセパレータ７を上載するようにして３００基の燃料電池セル１０，…を積層し、スタッキングが実行される。
【００４３】
図６は、複数の燃料電池セル１０，…が積層され、スタッキングされた後の２つの燃料電池セル１０，１０を取り出して図示したものである。なお、射出成形されてできたガスケット８にマニホールドＭが形成され、無端のシールリブ８ａがマニホールドＭを囲繞するようにガスケット８の上面（セパレータ７の存在しない面）に形成される。
【００４４】
図６から明らかなように、積層姿勢の各燃料電池セル１０，…がスタッキングされた際に、任意の燃料電池セル１０は、自身の構成部材であるセパレータ７と隣接する燃料電池セル１０のセパレータ７がその両側に配される構造となる。スタッキングされることによってマニホールドＭ周りのシールリブ８ａが隣接する燃料電池セル１０のセパレータ７にて潰され、シール構造が形成される。
【００４５】
図示するマニホールドＭは燃料ガスが流入するマニホールドであり、供給された燃料ガスは３層構造セパレータ７の中間層７３からプレート７１に亘って形成された供給ガス流路７３ａを介してアノード側の多孔体６’に供給される（Ｚ１方向）。一方、ガスケット８の他の断面には酸化剤ガスが流入する別途のマニホールドが形成されており、この別途のマニホールドを介して酸化剤ガスが流入し、セパレータ７の中間層７３からプレート７２に亘って形成された供給ガス流路７３ｂを介して隣接セルのカソード側の多孔体６に供給される（Ｚ２方向）。
【００４６】
上記する本発明の燃料電池セルの製造方法によれば、射出成形時の樹脂が電解質膜の張り出している箇所とガス透過層の間に浸入することで上方に持ち上げられ、該張り出している箇所がセパレータと接着していない側のガスケットの端面に臨んで外部と流体連通し、ガスのクロスリーク路となることが効果的に抑止される。しかも、電解質膜の張り出している箇所の上面に、相対的に高弾性率で熱収縮量の少ない熱収縮材を接着しておくだけの極めて簡易な改良によってクロスリーク耐久の高い燃料電池を製造するものであることから、その製造効率も高く、需要増に伴う燃料電池の大量生産に好適である。
【００４７】
なお、実際に電気自動車等に車載される燃料電池システムは、燃料電池（燃料電池スタック）と、水素ガスや空気を収容する各種タンク、これらのガスを燃料電池に提供するためのブロア、燃料電池を冷却するためのラジエータ、燃料電池で生成された電力を蓄電するバッテリ、この電力で駆動する駆動モータ等から大略構成されるものである。
【００４８】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４９】
１…電解質膜、１ａ…張り出している箇所、２…カソード側の触媒層、２’…アノード側の触媒層、３…膜電極接合体、４…カソード側のガス拡散層（ガス透過層）、４’…アノード側のガス拡散層（ガス透過層）、５…電極体、６…カソード側の金属多孔体（ガス透過層、ガス流路層）、６’…アノード側の金属多孔体（ガス透過層、ガス流路層）、７…セパレータ、７１、７２…プレート、７３…中間層、８…ガスケット、９…熱収縮材（ポリマーフィルム）、１０…燃料電池セル、Ｍ…マニホールド、Ｓ１…固定型、Ｓ２…可動型、Ｈ…注入孔、Ｃ…キャビティ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜とその両側の触媒層とからなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の両側に配されたガス透過層と、積層されたセルを画成するとともに双方のセルに燃料ガスと酸化剤ガスのいずれか一方を提供するセパレータと、からなる燃料電池セルの製造方法であって、
成形型内に順に、前記セパレータと、第１のガス透過層と、膜電極接合体と、第２のガス透過層と、が積層姿勢で収容され、この積層姿勢において、電解質膜が第２のガス透過層よりも側方へ張り出し、セパレータが電解質膜よりも側方へ張り出しており、該電解質膜の少なくとも張り出している箇所の端部領域の上面に、該電解質膜よりも弾性率が高く、かつ電解質膜に比して熱収縮量の少ない熱収縮材が接着されている、第１の工程と、
高温雰囲気下の成形型内において、収容された膜電極接合体の側方からガスケット成形用の樹脂を注入し、この際に、電解質膜の前記張り出している箇所の端部領域が前記第１のガス透過層側に変形して該第１のガス透過層に密着し、この姿勢で、膜電極接合体およびガス透過層の周縁にガスケットを成形して燃料電池セルを形成する第２の工程と、からなる、燃料電池セルの製造方法。
【請求項２】
前記熱収縮材がポリマーフィルムからなる、請求項１に記載の燃料電池セルの製造方法。
【請求項３】
前記ガス透過層が、ガス拡散層、もしくは、金属多孔体からなるガス流路層、もしくは、ガス拡散層と金属多孔体からなるガス流路層の積層体、のいずれか一方からなる、請求項１または２に記載の燃料電池セルの製造方法。
【請求項１】
電解質膜とその両側の触媒層とからなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の両側に配されたガス透過層と、積層されたセルを画成するとともに双方のセルに燃料ガスと酸化剤ガスのいずれか一方を提供するセパレータと、からなる燃料電池セルの製造方法であって、
成形型内に順に、前記セパレータと、第１のガス透過層と、膜電極接合体と、第２のガス透過層と、が積層姿勢で収容され、この積層姿勢において、電解質膜が第２のガス透過層よりも側方へ張り出し、セパレータが電解質膜よりも側方へ張り出しており、該電解質膜の少なくとも張り出している箇所の端部領域の上面に、該電解質膜よりも弾性率が高く、かつ電解質膜に比して熱収縮量の少ない熱収縮材が接着されている、第１の工程と、
高温雰囲気下の成形型内において、収容された膜電極接合体の側方からガスケット成形用の樹脂を注入し、この際に、電解質膜の前記張り出している箇所の端部領域が前記第１のガス透過層側に変形して該第１のガス透過層に密着し、この姿勢で、膜電極接合体およびガス透過層の周縁にガスケットを成形して燃料電池セルを形成する第２の工程と、からなる、燃料電池セルの製造方法。
【請求項２】
前記熱収縮材がポリマーフィルムからなる、請求項１に記載の燃料電池セルの製造方法。
【請求項３】
前記ガス透過層が、ガス拡散層、もしくは、金属多孔体からなるガス流路層、もしくは、ガス拡散層と金属多孔体からなるガス流路層の積層体、のいずれか一方からなる、請求項１または２に記載の燃料電池セルの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−１６５５６７（Ｐ２０１０−１６５５６７Ａ）
【公開日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７０７５（Ｐ２００９−７０７５）
【出願日】平成２１年１月１５日（２００９．１．１５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月１５日（２００９．１．１５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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