CN109950592A - 用于燃料电池的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于燃料电池的制造方法。所述方法包括在其中将隔板和树脂框架粘附至彼此的加热粘附步骤。所述加热粘附步骤包括在其中将积层体加热的多个加热步骤以及在其中在加热步骤之间输送积层体的输送步骤。在输送步骤中，使用具有朝向积层体突出的突出部分的支承部，并且积层体仅由突出部分支承并被输送。

Description

用于燃料电池的制造方法

技术领域

本发明涉及用于燃料电池的制造方法。

背景技术

已知一种用于单个燃料电池的制造方法(参见下面的日本未审查专利申请公开第2016-162651(JP 2016-162651 A)号)。鉴于需要一种即使在金属被用作隔板(separator)的材料并且聚合物被用作支承框架的材料的情况下也不太可能使大的拉伸负载被施加到膜电极组件的技术，JP 2016-162651 A中描述的发明提供了一种具有下面描述的构造的用于单个燃料电池的制造方法。

单个燃料电池包括膜电极组件、气体扩散层、支承框架和隔板(separator)。在膜电极组件中，在电解质膜的两侧分别形成电极催化剂层。在膜电极组件的两侧分别设置气体扩散层。支承框架在膜电极组件的外周边处支承膜电极组件。隔板中的每一个被设置在每一侧上的气体扩散层和支承框架的侧表面上，使得隔板中的每一个隔板的周边边缘被固定至支承框架，并且隔板中的每一个隔板的中心部分与气体扩散层接触。此外，支承框架包括支承框架主体以及在支承框架主体的两个侧表面中至少一者上的由热塑性粘附剂制成的粘附剂涂覆层。此外，隔板由金属制成，以及支承框架主体由延伸的晶体状聚合物制成。

JP 2016-162651 A中描述的用于单个燃料电池的制造方法具有以下步骤：

·第一步骤，其中制备膜电极组件，所述膜电极组件具有分别设置在膜电极组件两侧表面上的气体扩散层，同时使气体扩散层之一的外周边边缘保留在膜电极组件的侧表面之一上；

·第二步骤，其中形成粘附层以便覆盖气体扩散层的外周边边缘；

·第三步骤，其中将支承框架的内部部分设置在粘附层上，并且将支承框架和膜电极组件粘附至彼此；以及

·第四步骤，其中将隔板的周边边缘分别设置在粘附至膜电极组件的支承框架的外部部分的两个侧表面上，并且将支承框架和隔板加热并且粘附至彼此。

发明内容

在JP 2016-162651 A中描述的用于单个燃料电池的制造方法中，存在以下情况：用于第四步骤的工作时间(节拍时间(takt time))，换言之，用于支承框架和隔板被加热并且粘附至彼此的步骤的时间变得长于用于其余步骤中的每一个步骤的工作时间。在这种情况下，在生产线中的其余步骤中的每一个步骤中产生等待工件的时间。

此外，为了在其余步骤中避免等待时间，第四步骤被分成两个步骤或者更多个步骤。然后，当支承框架与隔板的粘附还未完成的情况下在分开的步骤之间输送燃料电池变得必要。当正在输送未完成的燃料电池时，在支承框架和隔板的温度下降的情况下，会发生支承框架与隔板之间的粘附失败。

因此，本发明提供一种用于燃料电池的制造方法，其中，即使在加热并粘附树脂框架和隔板的步骤被分成两个步骤或更多个步骤的情况下，也可抑制树脂框架与隔板之间的粘附失败。

本发明的方面涉及一种用于燃料电池的制造方法。该方法包括加热粘附步骤，在所述加热粘附步骤中，将积层体加热并且将一对隔板与树脂框架粘附至彼此。在积层体中，在隔板之间设置有膜电极气体扩散层组件和围绕该膜电极气体扩散层组件的树脂框架。加热粘附步骤包括将积层体加热的多个加热步骤以及在加热步骤之间输送积层体的输送步骤。在输送步骤中，使用具有朝向积层体突出的突出部分的支承部，并且积层体仅由突出部分支承并被输送。

如早前所描述的，在根据该方面的用于燃料电池的制造方法中，加热粘附步骤包括多于一个的加热步骤。因此，即使在燃料电池的制造方法中包括的除了加热粘附步骤之外的步骤中的每一个步骤的工作时间短于用于加热粘附步骤的工作时间的情况下，可以使用于加热步骤中的每一个加热步骤的工作时间等于用于其他步骤中的每一个步骤的工作时间。因此，在用于燃料电池的制造方法中，即使在用于加热粘附步骤的工作时间长于用于除了加热粘附步骤之外的步骤中的每一个步骤的工作时间的情况下，也可以防止在除了加热粘附步骤之外的步骤中的每一个步骤中产生等待时间。

此外，如上面所描述的，根据该方面的用于燃料电池的制造方法具有在加热步骤之间输送积层体的输送步骤。当在加热步骤之间的输送步骤中输送积层体时，由于积层体的温度下降而造成的隔板与树脂框架之间的粘附失败成为问题。为了解决这个问题，如早前所描述的，在根据该方面的用于燃料电池的制造方法的输送步骤中，使用具有朝向积层体突出的突出部分的支承部，并且积层体仅由突出部分支承并被输送。

因此，在输送步骤中，支承积层体的支承部和由支承部支承的积层体仅通过从支承部朝向积层体突出的突出部分的远端而彼此接触。因此，使支承部与积层体之间的接触面积最小化，并且抑制积层体向支承部的热传递。因此，可以抑制积层体的温度下降。因此，抑制由于积层体的温度下降而造成的隔板与树脂框架之间的粘附失败成为可能。

根据本发明的该方面，提供了用于燃料电池的制造方法，其中，即使在加热并粘附树脂框架和隔板的步骤被分成两个步骤或更多个步骤的情况下，也可抑制树脂框架与隔板之间的粘附失败。

附图说明

下面将参照附图来描述本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术和工业意义，其中，同样的附图标记表示同样的元素，并且其中：

图1是根据本发明的实施方式的用于燃料电池的制造方法的流程图；

图2是图1中示出的输送步骤中积层体的平面图；

图3是图2中由双点划线围住的部分III的放大平面图；以及

图4是图3中示出的支承部和积层体的放大侧视图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图来描述根据本发明的用于燃料电池的制造方法的实施方式。

图1是根据本发明的实施方式的用于燃料电池的制造方法的流程图。根据该实施方式的用于燃料电池的制造方法包括例如用于如下燃料电池的制造方法，所述燃料电池包括例如一对隔板11、膜电极气体扩散层组件(membrane-electrode-gas diffusion layerassembly，MEGA)12和树脂框架13(参见图2)。根据该实施方式的用于燃料电池的制造方法包括例如层压步骤S1、加热粘附步骤S2和冷却步骤S3。

层压步骤S1是其中将MEGA 12和围绕MEGA 12的树脂框架13设置在隔板11之间以便构造积层体10的步骤。MEGA 12是通过例如在聚合物电解质膜(polymer electrolytemembrane，PEM)的正面和背面的每一者上层压催化剂层(catalyst layer，CL)、微孔层(micro porous layer，MPL)和气体扩散层(gas diffusion layer，GDL)而制成的。

隔板11中的每一个是具有足够的不透气性的矩形板状构件。隔板11在燃料电池中的每一个燃料电池中的MEGA 12的正面和背面上分别形成反应气体流动通道。在燃料电池堆是通过层压多个燃料电池1而构造的情况下，隔板11中的每一个在相邻的燃料电池1之间形成冷却剂流动通道。在隔板11中的每一个的两个端部部分中，存在多个歧管孔11b、11c、11d、11e、11f、11g。歧管孔11b、11c、11d、11e、11f、11g构造用于馈送和排放反应气体和冷却剂的歧管。

隔板11的材料可以是例如由不锈钢制成的薄金属板。在隔板11的材料是薄金属板的情况下，隔板11可以通过压制而形成，并且因此简化并缩短制造步骤。因此，提高了生产率，并且抑制了制造成本的增加。

树脂框架13是通过例如对至少在树脂片表面上包含可热焊接热塑性树脂的柔韧性膜状树脂片进行冲孔而形成为围绕MEGA 12的框架形状。树脂框架13具有与隔板11的形状相对应的矩形框架形状，并且还在设置MEGA12的中央中具有中央开口13a。此外，在跨中央开口13a的树脂框架13的两个端部部分中，存在多个歧管开口13b、13c、13d、13e、13f、13g。

树脂框架13的歧管开口13b、13c、13d、13e、13f、13g分别在与隔板11的歧管孔11b、11c、11d、11e、11f、11g相对应的位置处形成。歧管开口13b、13c、13d、13e、13f、13g构造用于馈送和排放反应气体和冷却剂的歧管。例如，树脂框架13在用于馈送和排放反应气体的歧管开口13b、13d、13e、13g与中央开口13a之间具有缝隙状流动通道(未示出)。形成缝隙状流动通道以便连通隔板11之间的反应气体流动通道和歧管。

在层压步骤S1中，例如，隔板11之一被设置得几乎水平，并且MEGA 12和围绕MEGA12的树脂框架13被设置在隔板11的顶上。在其顶上，另一隔板11被设置，从而构造积层体10。在层压步骤S1完成之后，如图1中所示实施加热粘附步骤S2。

加热粘附步骤S2是在其中MEGA 12和围绕MEGA 12的树脂框架13被设置在隔板11之间的积层体10被加热的步骤，并且隔板11和树脂框架13粘附至彼此。在根据实施方式的用于燃料电池的制造方法中，加热粘附步骤S2包括用于加热积层体10的多个加热步骤S21、S23和在加热步骤S21与加热步骤S23之间输送积层体10的输送步骤S22。

在根据实施方式的用于燃料电池的制造方法中，加热粘附步骤S2具有两个阶段的加热步骤S21、S23。加热粘附步骤S2不限于两个阶段，并且可以具有三个阶段或者更多个阶段的加热步骤。在根据实施方式的用于燃料电池的制造方法中，加热步骤S21、S23中的每一个是例如在其中执行积层体10的周边边缘的压制的热压步骤。

如上面所描述的，通过将加热粘附步骤S2分成加热步骤S21、S23，即使在用于加热粘附步骤S2的工作时间长于除了加热粘附步骤S2之外的每一个步骤的工作时间的情况下，用于加热步骤S21、S23中的每一个加热步骤的工作时间也可以等于用于除了加热粘附步骤S2之外的每一个步骤的工作时间。因此，可以防止由加热粘附步骤S2造成的除了加热粘附步骤S2之外的每一个步骤的等待时间，从而提高燃料电池1的生产率。

此外，在根据实施方式的用于燃料电池的制造方法中，第一加热步骤S21是例如在其中预加热积层体10的预加热压制步骤，以及第二加热步骤S23是例如在其中以低于预加热压制步骤中的温度的温度加热积层体10的热压步骤。用于第一加热步骤S21和第二加热步骤S23中每一个的工作时间几乎等于例如用于层压步骤S1、输送步骤S22和冷却步骤S3中的每一个的工作时间。用于所述步骤中的每一个的工作时间是例如约2秒。

在第一加热步骤S21中，积层体10被加热至例如190℃或者更高但是不超过200℃的温度。在第二加热步骤S23中，积层体10被加热至例如170℃或者更高但是不超过190℃的温度。在根据实施方式的用于燃料电池的制造方法中，在第一加热步骤S21与第二加热步骤S23之间执行输送步骤S22。

在具体示例中描述实施方式的效果。在例如加热粘附步骤花费4秒并且未被分成多于一个加热步骤并且冷却步骤花费2秒的情况下，则在冷却步骤中产生加热粘附步骤中的2秒的等待时间。然而，在本发明的实施方式中，加热粘附步骤S2被分成2秒长的加热步骤S21和2秒长的加热步骤S23。因此，加热步骤S21、加热步骤S23和冷却步骤S3具有相等的工作时间(2秒)，并且步骤中的每一个无需等待时间而被执行。在实施方式中，在加热步骤S21与加热步骤S23之间实施输送步骤S22。因此，在输送步骤S22期间会降低积层体10的温度。因此，在实施方式中，输送积层体10的托盘(palette)30的每个支承部20具有下面描述的形状。

图2是图1中示出的输送步骤S22中积层体10的平面图。图3是图2中由双点划线围住的部分III的放大的平面图。图4是图3中示出的支承部20和积层体10的放大的侧视图。

如图1中所示，在根据实施方式的用于燃料电池的制造方法中，具有朝向积层体10突出的突出部分21的支承部20的每一个被用在包括在加热粘附步骤S2中的加热步骤S21、S23之间的输送步骤S22中，并且积层体10仅由突出部分21支承并被输送。由于积层体10仅由突出部分21支承并被输送，因此使支承部20中的每一个与积层体10之间的接触面积最小化，并且抑制积层体10向支承部20的热传递。因此，可以抑制输送步骤S22中积层体10的温度下降。

为了更具体，在输送步骤S22中，积层体10从在其中加热步骤S21被执行的诸如模具(die)的加热器中被移除，并且然后积层体10被放置在突出部分21上。每一个突出部分21被设置成从设置在矩形框架状的托盘30中的凸耳(lug)状支承部20的远端部分朝向积层体10突出。然后，在积层体10由设置在支承部20的远端部分中的突出部分21分别支承的状态下，积层体10被输送至在其中执行下一加热步骤S23的诸如模具的加热器。

如图2中所示，支承部20被设置在平面视图中面对矩形隔板11的四个角的位置处。支承部20的突出部分21分别支承例如平面视图中矩形隔板11的角部。在输送在加热步骤S21中加热的积层体10的情况下，支承部20的突出部分21在如上面描述的彼此分离的位置处支承积层体10。因此，可以抑制积层体10的温度下降。积层体10的位置——在该位置处积层体10由支承部20的突出部分21支承——不限于隔板11的四个角。例如，积层体10的周边边缘中的任何三个点或者更多点可以分别由支承部20的突出部分21中的三个或者更多个突出部分21支承。

如图3和图4所示，每一个支承部20具有沿着隔板11的表面延伸的凸耳(lug)22以及从凸耳22的远端朝向隔板11的表面突出的突出部分21。凸耳22具有使得面对隔板11的表面的凸耳22的远端部分窄于位于隔板11的周边边缘的外部的凸耳22的基座端部分的锥形形状。换言之，凸耳22的截面面积从基座端部分朝向远端部分逐渐减小。因此，支承部20的热传递面积减小，并且积层体10的热几乎不通过支承部20传递至托盘30，从而抑制积层体10的温度下降。

此外，在图3中示出的示例中，具有尖的远端的楔状尖头部分22a被设置在凸耳22的最远端。在尖头部分22a中，提供具有圆柱状的突出部分21。圆柱突出部分21的中心轴几乎垂直于隔板11的表面。突出部分21的形状不限于圆柱状，并且可以是诸如多边柱状、圆锥状和多边锥状的任意形状。因此，在支承部20的凸耳22具有尖头部分22a的情况下，支承部20的热传递面积进一步减小，因此更有效地抑制积层体10的温度下降。作为支承部20的尺寸的示例，凸耳22的厚度为约5mm，圆柱突出部分21的直径为约4mm，以及突出部分21的突出高度为大约4mm。

例如，突出部分21的横截面可以朝向隔板11来减小。优选的是在突出部分21能够支承积层体10的范围内使突出部分21的远端与积层体10之间的接触面积尽可能地最小化。这意味着优选的是突出部分21与积层体10之间的接触尽可能接近点接触。因此，可以减小积层体10与突出部分21之间的热传递面积，从而更有效地抑制积层体10的温度下降。

在根据实施方式的用于燃料电池的制造方法中，用于输送步骤S22的托盘30具有四对支承部20，并且每对中的支承部20在竖直方向上被分别设置在积层体10上方和下方。四对支承部20构造在竖直方向上从上方和下方夹住积层体10的卡盘。因此，在输送步骤S22中，积层体10在被牢牢夹住的情况下输送，并且因此更可靠地防止积层体10的精确放置的构件的移位。

托盘30不限于在其中上支承部20和下支承部20被设置为一对的构造，并且托盘30可以仅包括具有在竖直方向上从下方支承积层体10的突出部分21的下支承部20。此外，隔板11可以被提供有支承部20的突出部分21与之接合的凹陷的部分或者孔。因此，可以在防止支承部20的突出部分21相对于积层体10移位的同时减小支承部20与积层体10之间的接触面积。因此，进一步抑制积层体10的温度下降。

此外，从抑制积层体10的温度下降的观点，托盘30可以具有被用于至少加热支承部20的突出部分21的诸如加热器的加热装置。然而，在托盘30中不存在加热装置的情况下，简化了输送积层体10的托盘30的构造，并且更容易地移动托盘30。因此，提高燃料电池1的生产率。

支承部20的材料可以是例如诸如不锈钢和铝的金属。此外，从通过减小支承部20的热导率来抑制积层体10的温度下降的观点，优选的是支承部20的材料具有低热导率。此外，从提高支承部20的耐磨性和持久性并且防止燃料电池1中外来物质的污染和进入的观点，优选的是支承部20的材料具有高硬度、耐磨性和化学稳定性——例如，陶瓷。

此外，支承部20的与积层体10接触的部分可以涂覆有由诸如聚酰亚胺的具有低热导率的隔热材料制成的隔热部分。为了更具体，在支承部20中，突出部分21的与积层体10接触的远端部分可以涂覆有具有低于突出部分21的材料的热导率的热导率的膜状隔热部分。隔热部分的厚度是例如约0.15mm。

支承部20的整个突出部分21或者包括凸耳22和突出部分21的整个支承部20可以涂覆有隔热部分。隔热部分可以通过例如将具有粘附层的聚酰亚胺膜粘至支承部20的表面而形成。因此，积层体10的热传递至支承部20变得不太可能，并且更有效地抑制积层体10的温度下降。

如到目前所描述的，加热粘附步骤S2包括在其中加热积层体10的加热步骤S21、S23以及在其中在加热步骤S21、S23之间输送积层体10的输送步骤S22。在加热粘附步骤S2完成时，如图1中所示执行冷却步骤S3。

例如，在冷却步骤S3中，积层体10的温度下降至低于加热粘附步骤S2中积层体10的温度的温度，使得在加热粘附步骤S2中至少部分塑化的树脂框架13变硬。冷却步骤S3是例如在其中执行积层体10的周边边缘的压制的冷压步骤。在冷却步骤S3中，积层体10的温度下降至例如约140℃。此后，积层体10被冷却至例如室温。利用前述的步骤，燃料电池1被制造。

如到目前所描述的，根据实施方式的用于燃料电池的制造方法包括在其中加热积层体10并且将隔板11和树脂框架13粘附至彼此的加热粘附步骤S2。在积层体10中，MEGA12和围绕MEGA12的树脂框架13被设置在隔板11之间。加热粘附步骤S2包括在其中加热积层体10的加热步骤S21、S23以及在其中在加热步骤S21、S23之间输送积层体10的输送步骤S22。在根据实施方式的用于燃料电池的制造方法的输送步骤S22中，使用具有朝向积层体10突出的突出部分21的支承部20，并且积层体10仅由突出部分21支承并被输送。

如上面所描述的，由于加热粘附步骤S2包括加热步骤S21、S23，即使在燃料电池的制造方法中包括的除了加热粘附步骤S2之外的步骤中的每一个步骤的工作时间短于用于加热粘附步骤S2的工作时间的情况下，可以使用于加热步骤S21、S23中每一个的工作时间等于用于其他步骤中每一个步骤的工作时间。因此，利用该用于燃料电池的制造方法，可以防止除了加热粘附步骤S2之外的步骤中的每一个步骤中的等待时间。

此外，如早前所描述的，根据实施方式的用于燃料电池的制造方法包括在其中在加热步骤S21、S23之间输送积层体10的输送步骤S22。因此，在积层体10在加热步骤S21与加热步骤S23之间的输送步骤S22中被输送时，由于积层体10的温度下降而造成的隔板11与树脂框架13之间的粘附失败成为问题。为了解决这个问题，如早前所描述的，在根据实施方式的用于燃料电池的制造方法的输送步骤S22中，使用分别具有朝向积层体10突出的突出部分21的支承部20，并且积层体10仅由突出部分21支承并被输送。

因此，在输送步骤S22中，支承积层体10的支承部20和由支承部20支承的积层体10仅通过从支承部20朝向积层体10突出的突出部分21的远端分别接触彼此。因此，使支承部20的每一个与积层体10之间的接触面积最小化，使得抑制积层体10向支承部20的热传递。因此，可以抑制积层体10的温度下降。因此，抑制由于积层体10的温度下降而造成的隔板11与树脂框架13之间的粘附失败成为可能。

此外，如早前所描述的，在根据实施方式的用于燃料电池的制造方法的加热粘附步骤S2中，树脂框架13被设置在隔板11之间并且被加热，树脂框架13由至少在树脂片的表面上包含可热焊接热塑性树脂的树脂片制成。因此，隔板11和树脂框架13粘附至彼此，并且隔板11通过树脂框架13连接至彼此。与液体粘附剂被应用至隔板11的表面以便将隔板11结合至彼此的情况相比，通过树脂框架13接合隔板11提高了生产率。

如上面所描述的，用于燃料电池的制造方法——该方法包括在其中通过树脂框架13将隔板11接合至彼此的加热粘附步骤S2——对于在其中燃料电池1被层压的燃料电池堆的制造特别有用。例如，因为安装在车辆上的燃料电池堆是通过层压几百个燃料电池1被制造的，所以减少用于燃料电池1中的每一个的制造时间变得重要。

这意味着与均匀地将液体粘附剂应用至隔板11的表面上的给定位置相比，树脂框架13被简单地设置在隔板11的表面上的给定位置处。因此，与在其中液体粘附剂被应用至隔板11的表面的制造方法相比，利用根据实施方式的用于燃料电池的制造方法提高了燃料电池1的生产率。

已经参照附图详细地描述了本发明的实施方式。然而，具体的构造不限于本实施方式，并且本发明包括不脱离本发明的主旨而做出的任何设计变化等。

Claims (4)

1.一种用于燃料电池的制造方法，包括加热粘附步骤，在所述加热粘附步骤中，将积层体加热并且将一对隔板与树脂框架粘附至彼此，所述积层体具有所述一对隔板、膜电极气体扩散层组件和围绕所述膜电极气体扩散层组件的所述树脂框架，所述膜电极气体扩散层组件和所述树脂框架被设置在所述隔板之间，其特征在于：

所述加热粘附步骤具有将所述积层体加热的多个加热步骤以及在所述多个加热步骤之间输送所述积层体的输送步骤；以及

在所述输送步骤中，使用具有朝向所述积层体突出的突出部分的支承部，并且所述积层体仅由所述突出部分支承并被输送。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：

所述支承部被设置在输送所述积层体的托盘中；以及

所述支承部具有沿所述积层体的表面方向延伸的延伸部分。

3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述延伸部分的截面面积朝向所述延伸部分的远端部分逐渐减小。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的制造方法，其特征在于，所述支承部支承所述隔板的角部。