JP6133241B2 - ホットメルト接着剤の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体の外周部に、樹脂枠部材を接合するための枠形状を有するホットメルト接着剤の製造方法及び製造装置に関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ触媒層（電極触媒層）とガス拡散層（多孔質カーボン）とからなるアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより、燃料電池が構成されている。燃料電池は、所定の数だけ積層して燃料電池スタックを構成することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

電解質膜・電極構造体では、比較的高価な固体高分子電解質膜の使用量を削減させるとともに、薄膜状で強度が低い前記固体高分子電解質膜を保護するために、樹脂枠部材を組み込んだ樹脂枠付きＭＥＡが採用されている。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池用樹脂枠付き電解質膜・電極構造体では、段差ＭＥＡと樹脂枠部材とを備えている。段差ＭＥＡは、それぞれ電極触媒層とガス拡散層とを有する第１電極及び第２電極が、固体高分子電解質膜の両側に設けられ、前記第１電極は、前記第２電極よりも外形寸法が小さく設定されている。一方、樹脂枠部材は、第１電極の外周側に突出して固体高分子電解質膜の外周縁部に当接する内周端部を有するとともに、前記外周縁部と前記内周端部とは、接着剤層により接着されている。

特開２０１３−９８１５５号公報

ところで、上記の特許文献１では、固体高分子電解質膜の外周縁部と樹脂枠部材の内周端部との接合部位を接着する接着剤として、例えば、ホットメルト接着剤が使用される場合がある。

その際、接合部位は、枠形状を有している。このため、予めシート状のホットメルト接着剤（以下、シート状接着剤という）が製造されており、前記シート状接着剤の中央及び端部がトリムされて、枠形状を有するホットメルト接着剤が得られている。

しかしながら、シート状接着剤から枠形状を有するホットメルト接着剤を切り取るため、廃棄されるホットメルト接着剤が多量に発生するおそれがある。従って、経済的ではなく、しかも作業全体が煩雑化するという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、トリム作業を不要にして製造工程の効率化を図るとともに、廃棄されるホットメルト接着剤を可及的に削減することができ、前記ホットメルト接着剤を経済的に製造することが可能なホットメルト接着剤の製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体の外周部に、樹脂枠部材を接合するための枠形状を有するホットメルト接着剤の製造方法及び製造装置に関するものである。

この製造方法では、ホットメルト接着剤の形状を有する枠状凹部が設けられた型部材が用意される。次いで、枠状凹部に液状のホットメルト接着剤材料を充填させることにより、ホットメルト接着剤を製造している。

また、この製造方法では、型部材には、枠状凹部の内周側と外周側とを結ぶ複数本の線状凸部が形成され、ホットメルト接着剤には、前記線状凸部が転写されて複数本の線状凹部が形成される。

さらに、このホットメルト接着剤の製造装置では、互いに嵌合することにより、液状のホットメルト接着剤材料を充填するための枠状凹部が設けられる少なくとも２つの型部材を備えている。そして、枠状凹部の底面を構成する型部材には、前記枠状凹部の内周側と外周側とを結ぶ複数本の線状凸部が形成されている。

本発明によれば、型部材に設けられている枠状凹部に液状のホットメルト接着剤材料が充填されるだけで、枠形状を有するホットメルト接着剤が得られている。従って、トリム作業を不要にして製造工程の効率化を図るとともに、廃棄されるホットメルト接着剤を可及的に削減することができる。これにより、ホットメルト接着剤を経済的に製造することが可能になる。

固体高分子型燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る製造方法に用いられる製造装置の分解斜視説明図である。 前記製造装置の平面説明図である。 前記製造装置の、図４中、Ｖ−Ｖ線断面図である。 前記製造装置により製造されるホットメルト接着剤の斜視説明図である。 前記製造方法の説明図である。 前記製造方法の説明図である。 前記製造方法の説明図である。 前記ホットメルト接着剤による接着作業の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る製造方法に使用される製造装置の要部分解斜視図である。 前記製造装置の、図１１中、ＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。

図１及び図２に示すように、固体高分子型燃料電池１０は、本発明に係る製造方法により製造されたホットメルト接着剤１２が使用される樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１４を備える。複数の燃料電池１０は、例えば、矢印Ａ方向（水平方向）又は矢印Ｃ方向（重力方向）に積層されて燃料電池スタックが構成される。燃料電池スタックは、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車（図示せず）に搭載される。

燃料電池１０は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１４をカソード側セパレータ１６及びアノード側セパレータ１８で挟持する。カソード側セパレータ１６及びアノード側セパレータ１８は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成される。

図２に示すように、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１４は、電解質膜・電極構造体１４ａを備える。電解質膜・電極構造体１４ａは、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜１９と、前記固体高分子電解質膜１９を挟持するアノード電極２０及びカソード電極２２とを有する。固体高分子電解質膜１９は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。

アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１９及びカソード電極２２よりも小さな平面寸法を有する。なお、アノード電極２０とカソード電極２２とは、同一の平面寸法であってもよく、また、前記カソード電極２２は、前記アノード電極２０よりも小さな平面寸法を有していてもよい。

アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１９の一方の面１９ａに配置されるとともに、前記固体高分子電解質膜１９の外周縁部１９ｅを額縁状に露呈させる。カソード電極２２は、固体高分子電解質膜１９の他方の面１９ｂ全面に亘って配置される。

アノード電極２０は、固体高分子電解質膜１９の面１９ａに接合される電極触媒層２０ａと、前記電極触媒層２０ａに積層されるガス拡散層２０ｂとを設ける。カソード電極２２は、固体高分子電解質膜１９の面１９ｂに接合される電極触媒層２２ａと、前記電極触媒層２２ａに積層されるガス拡散層２２ｂとを設ける。

電極触媒層２０ａ、２２ａは、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子がガス拡散層２０ｂ、２２ｂの表面に一様に塗布されて形成される。ガス拡散層２０ｂ、２２ｂは、カーボンペーパ等からなるとともに、前記ガス拡散層２０ｂの平面は、前記ガス拡散層２２ｂの平面よりも小さく設定される。電極触媒層２０ａ、２２ａは、例えば、固体高分子電解質膜１９の両方の面１９ａ、１９ｂに形成される。

図１及び図２に示すように、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１４は、固体高分子電解質膜１９の外周を周回するとともに、アノード電極２０及びカソード電極２２に接合される樹脂枠部材２４を備える。樹脂枠部材２４は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）又はｍ−ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル樹脂）等で構成される。

樹脂枠部材２４は、アノード電極２０の外周側に突出して固体高分子電解質膜１９の外周縁部１９ｅに当接する内周端部２４ａを有する。内周端部２４ａは、アノード電極２０と同一の肉厚、実質的には、ガス拡散層２０ｂと同一の肉厚である厚さ（ガス拡散層２０ｂ上に中間層を設ける場合には、前記中間層の厚さも含む）を有する。

樹脂枠部材２４の内周端部２４ａと固体高分子電解質膜１９の外周縁部１９ｅとは、エステル系、アクリル系又はウレタン系のホットメルト接着剤１２により接着される。ホットメルト接着剤１２の溶融温度は、例えば、１５０℃〜１７０℃であり、樹脂枠部材２４の溶融温度は、例えば、３６０℃である。ホットメルト接着剤１２は、固体高分子電解質膜１９の外周縁部１９ｅの全周に亘って額縁状に形成される。なお、樹脂枠部材２４とカソード電極２２のガス拡散層２２ｂとは、例えば、樹脂含浸部（図示せず）により一体化されてもよい。

図１に示すように、燃料電池１０の矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３０ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、冷却媒体入口連通孔３２ａは、冷却媒体を供給する。燃料ガス出口連通孔３４ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、冷却媒体入口連通孔３２ａ及び燃料ガス出口連通孔３４ｂは、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給する燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔３２ｂ、及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔３０ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体出口連通孔３２ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３０ｂは、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

カソード側セパレータ１６の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１４に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。

アノード側セパレータ１８の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１４に向かう面１８ａには、燃料ガス入口連通孔３４ａと燃料ガス出口連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路３８が形成される。互いに隣接するアノード側セパレータ１８の面１８ｂとカソード側セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３２ａと冷却媒体出口連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路４０が形成される。

図１及び図２に示すように、アノード側セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、このアノード側セパレータ１８の外周端部を周回して、第１シール部材４２が一体化される。カソード側セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、このカソード側セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材４４が一体化される。

図２に示すように、第１シール部材４２は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１４を構成する樹脂枠部材２４の内周端部２４ａに当接する第１凸状シール４２ａと、カソード側セパレータ１６の第２シール部材４４に当接する第２凸状シール４２ｂとを有する。第２シール部材４４は、セパレータ面に沿って平面状に延在する平面シールを構成する。なお、第２凸状シール４２ｂに代えて、第２シール部材４４に凸状シール（図示せず）を設けてもよい。

第１及び第２シール部材４２、４４には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。

図１に示すように、アノード側セパレータ１８には、燃料ガス入口連通孔３４ａを燃料ガス流路３８に連通する供給孔部４６と、前記燃料ガス流路３８を燃料ガス出口連通孔３４ｂに連通する排出孔部４８とが形成される。

次いで、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１４を製造する方法について、以下に説明する。

先ず、段差ＭＥＡである電解質膜・電極構造体１４ａが作製されるとともに、金型（図示せず）を用いて射出成形されることにより、樹脂枠部材２４が成形される。樹脂枠部材２４は、肉薄形状の内周端部２４ａを一体に有する。

一方、枠形状を有するホットメルト接着剤１２は、図３〜図５に示す製造装置５０により製造される。製造装置５０は、少なくとも３つの型部材、例えば、外型５２、中型５４及び内型５６の３つの金型を備え、これらが互いに嵌合されることにより、枠状凹部５８が形成される。

外型５２は、枠形状を有し、所定の高さ（肉厚）ｔ１に設定されるとともに、内周面５２ａは、ホットメルト接着剤１２の外周面１２ａに対応する（図６参照）。外型５２の内周面５２ａは、枠状凹部５８の外周側を形成する。

中型５４は、枠形状を有し、所定の高さ（肉厚）ｔ２に設定される。高さｔ２は、高さｔ１よりも低く設定されるとともに（ｔ１＞ｔ２）、ホットメルト接着剤１２の使用箇所等に応じて種々（例えば、高さｔ２の線状凸部５４ｂのパターン）変更可能である。中型５４は、枠状凹部５８の底面を構成する面５４ａに複数本の線状凸部５４ｂを設ける。線状凸部５４ｂは、枠状凹部５８の内周側と外周側とを結んで形成され、ホットメルト接着剤１２の表面に複数本の線状凹部１２ｃを形成する（図６参照）。

内型５６は、立方体形状を有し、所定の高さ（肉厚）ｔ１（外型５２と同じ高さ）に設定されるとともに、前記内型５６の外周面５６ａは、枠状凹部５８の内周側を形成する。図５に示すように、内型５６の外周面５６ａと外型５２の内周面５２ａとの間隔Ｓは、中型５４の幅寸法、すなわち、ホットメルト接着剤１２の幅寸法に設定される。

そこで、図７に示すように、ホットメルト接着剤１２の形状を有する枠状凹部５８が設けられた製造装置５０が、接着剤塗布ステーションに配置される。接着剤塗布ステーションでは、図８に示すように、接着剤塗布ノズル６０が、製造装置５０の上面に沿って液状のホットメルト接着剤材料６２を吐出する。接着剤塗布ノズル６０は、製造装置５０に対して相対的に移動することにより、前記製造装置５０の上面に亘って液状のホットメルト接着剤材料６２が塗布される。

さらに、図９に示すように、接着剤掻き取り具６４が製造装置５０の上面に対して相対的に移動する。このため、液状のホットメルト接着剤材料６２は、枠状凹部５８に充填されるとともに、不要な部分が製造装置５０から除去される。

そして、所定の時間だけ乾燥処理を施すことにより、枠状凹部５８では、液状のホットメルト接着剤材料６２が固化し、ホットメルト接着剤１２が製造される。ホットメルト接着剤１２は、製造装置５０から取り出されることにより、枠形状を有するとともに、接合面に複数本の線状凹部１２ｃが形成される（図６参照）。

次に、図１０に示すように、電解質膜・電極構造体１４ａでは、アノード電極２０の外周から外部に露呈する固体高分子電解質膜１９の外周縁部１９ｅにホットメルト接着剤１２が配置される。樹脂枠部材２４は、内周端部２４ａがアノード電極２０側に配置される。この状態で、ホットメルト接着剤１２が加熱溶融（ホットメルト）されるとともに、荷重（プレス等）が付与されることにより、内周端部２４ａと固体高分子電解質膜１９とが接着される。従って、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１４が製造される。その際、線状凹部１２ｃが樹脂枠部材２４に対向する凹により、前記樹脂枠部材２４との接合面のエア噛みを防止することができる。

図２に示すように、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１４は、アノード側セパレータ１８及びカソード側セパレータ１６により挟持される。アノード側セパレータ１８の第１凸状シール４２ａは、樹脂枠部材２４の内周端部２４ａに当接し、カソード側セパレータ１６とともに樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１４に荷重を付与する。さらに、燃料電池１０は、所定数だけ積層されて燃料電池スタックが構成されるとともに、図示しないエンドプレート間に締め付け荷重が付与される。

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａからカソード側セパレータ１６の酸化剤ガス流路３６に導入され、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体１４ａのカソード電極２２に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３４ａから供給孔部４６を通ってアノード側セパレータ１８の燃料ガス流路３８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３８に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１４ａのアノード電極２０に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体１４ａでは、カソード電極２２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層２２ａ、２０ａ内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

次いで、カソード電極２２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極２０に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部４８を通り燃料ガス出口連通孔３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、互いに隣接するアノード側セパレータ１８とカソード側セパレータ１６との間の冷却媒体流路４０に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４ａを冷却した後、冷却媒体出口連通孔３２ｂから排出される。

この場合、第１の実施形態では、図７〜図９に示すように、製造装置５０に設けられている枠状凹部５８に液状のホットメルト接着剤材料６２が充填されるだけで、枠形状を有するホットメルト接着剤１２が得られている。このため、シート状のホットメルト接着剤ウエブからホットメルト接着剤１２を切り出す方式に比べ、トリム作業を不要にして製造工程の効率化を図るとともに、廃棄されるホットメルト接着剤１２を可及的に削減することができる。

しかも、製造装置５０は、外型５２、中型５４及び内型５６の３つの金型を備えている。従って、ホットメルト接着剤１２の厚さや線状凹部１２ｃを変更（例えば、高さｔ２の線状凸部５４ｂのパターン）する際には、所望の厚さ及び線状凸部５４ｂが設けられた中型５４を使用するだけでよい。これにより、種々のホットメルト接着剤１２を経済的且つ容易に製造することが可能になるという効果が得られる。

図１１は、本発明の第２の実施形態に係る製造方法に使用される製造装置７０の要部分解斜視図である。

図１１及び図１２に示すように、製造装置７０は、２つの型部材、例えば、主型７２及び副型７４の２つの金型を備え、これらが嵌合されることにより、枠状凹部７６が形成される。

主型７２は、所定の高さｔ３の立方体形状を有し、上面には、枠状凹部７６を構成する溝部７２ａが所定の深さｄまで形成され、前記溝部７２ａに副型７４が収容されることにより、前記枠状凹部７６が形成される。副型７４は、枠形状を有し、所定の高さ（肉厚）ｔ４に設定される。高さｔ４は、高さｔ３よりも小さな寸法に設定される（ｔ４＜ｔ３）。副型７４は、枠状凹部７６の底面を構成する面７４ａに複数本の線状凸部７４ｂを設ける。線状凸部７４ｂは、枠状凹部７６の内周側と外周側とを結んで形成され、ホットメルト接着剤１２の表面に複数本の線状凹部１２ｃを形成する（図６参照）。

このように、第２の実施形態では、製造装置７０は、２つの型部材により構成されており、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られるとともに、部品点数が一層削減されるという利点がある。

１０…燃料電池 １２…ホットメルト接着剤
１２ｃ…線状凹部 １４…樹脂枠付き電解質膜・電極構造体
１４ａ…電解質膜・電極構造体 １６…カソード側セパレータ
１８…アノード側セパレータ １９…固体高分子電解質膜
２０…アノード電極 ２０ａ、２２ａ…電極触媒層
２０ｂ、２２ｂ…ガス拡散層 ２２…カソード電極
２４…樹脂枠部材 ２４ａ…内周端部
３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３２ａ…冷却媒体入口連通孔 ３２ｂ…冷却媒体出口連通孔
３４ａ…燃料ガス入口連通孔 ３４ｂ…燃料ガス出口連通孔
３６…酸化剤ガス流路 ３８…燃料ガス流路
４０…冷却媒体流路 ４２、４４…シール部材
５０、７０…製造装置 ５２…外型
５４…中型 ５４ｂ、７４ｂ…線状凸部
５６…内型 ５８、７６…枠状凹部
６２…ホットメルト接着剤材料 ７２…主型
７４…副型

Claims (2)

1. 電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体の外周部に、樹脂枠部材を接合するための枠形状を有するホットメルト接着剤の製造方法であって、
   前記ホットメルト接着剤の形状を有する枠状凹部が設けられた型部材を用意し、前記枠状凹部に液状のホットメルト接着剤材料を充填させることにより、前記ホットメルト接着剤を製造し、
   前記型部材には、前記枠状凹部の内周側と外周側とを結ぶ複数本の線状凸部が形成され、前記ホットメルト接着剤には、前記線状凸部が転写されて複数本の線状凹部が形成されることを特徴とするホットメルト接着剤の製造方法。
2. 電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体の外周部に、樹脂枠部材を接合するための枠形状を有するホットメルト接着剤の製造装置であって、
   互いに嵌合することにより、液状のホットメルト接着剤材料を充填するための枠状凹部が設けられる少なくとも２つの型部材を備え、
   前記枠状凹部の底面を構成する前記型部材には、前記枠状凹部の内周側と外周側とを結ぶ複数本の線状凸部が形成されることを特徴とするホットメルト接着剤の製造装置。

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