CN116529915A - 燃料电池用复合片材及燃料电池用复合片材的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的课题在于提供操作性高的燃料电池用复合片材及燃料电池用复合片材的制造方法。其特征在于，具有：框体(2)；设置于框体(2)且包含气体扩散层的膜电极接合体(3)；以及比框体(2)硬且夹持膜电极接合体(3)的片状的夹持部件(4)。通过用夹持部件(4)夹持膜电极接合体(3)，能够抑制翘曲。由此，能够提高成型时、组装时等的操作性。

Description

燃料电池用复合片材及燃料电池用复合片材的制造方法
技术领域
本发明涉及燃料电池用复合片材及燃料电池用复合片材的制造方法。
背景技术
固体高分子型的燃料电池单元具备膜电极接合体(MEA：Membrane ElectrodeAssembly)、气体扩散层(GDL：Gas Diffusion Layer)、一对隔膜及垫圈。该燃料电池单元通过从阳极侧供给氢气、从阴极侧供给空气(氧气)而发电。
利用垫圈的密封结构有各种各样的种类，例如，已知有在延伸设置于膜电极接合体的外周缘的框体形成橡胶等弹性体的密封结构(参照专利文献1)。例如，专利文献1所记载的发明是一种燃料电池用复合片材，其具备框体(板)、包含气体扩散层的膜电极接合体、以及设置于框体的垫圈。
在垫圈的成型中，已知有在框体上直接压缩成型的方法和使预先成型的垫圈粘接于框体的方法。在后者的粘接方法中，存在气体有可能从粘接剂透过，并且工时增加的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016-16619号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在专利文献1所涉及的发明中，作为框体(板)例示了金属制的隔膜，但是例如也存在由柔软的膜形成框体的情况。在这样的情况下，燃料电池用复合片材薄，容易变形，因此存在制造工序中操作性降低的问题。
另外，在框体上直接压缩成型来制造垫圈的情况下，存在如下问题：被成型体因湿度变化而翘曲，产生向成型模具的咬入、垫圈的位置偏移。该问题一般认为是由于包含高分子电解质膜(PEM：polymer electrolyte membrane)的膜电极接合体的溶胀率高于框体而产生的。例如，认为通过将成型模具内的湿度管理为恒定而能够防止翘曲，但在压缩成型中需要将被成型体的周围设为高温且真空，湿度管理很困难。
另一方面，也考虑仅将溶胀率高的高分子电解质膜密封，但需要使垫圈的成型位置与高分子电解质膜充分地分离，因此存在产品形状受到限定的问题。另外，如果使用室温固化(RTV：room temperature vulcanization)型的硅橡胶等，则能够管理湿度，但一般存在机械特性、耐化学性差的问题。
本发明是为了解决上述课题而发明的，其课题在于提供一种操作性高的燃料电池用复合片材及燃料电池用复合片材的制造方法。
用于解决课题的手段
用于解决所述课题的本发明的特征在于，具有：框体；膜电极接合体，设置于所述框体并包含气体扩散层；以及片状的夹持部件，比所述框体硬且夹持所述膜电极接合体。
另外，本发明的特征在于，包括以下工序：在框体上设置包含气体扩散层的膜电极接合体；以及利用比所述框体硬的片状的夹持部件来夹持所述膜电极接合体。
根据本发明，通过利用夹持部件夹持膜电极接合体，能够抑制翘曲。由此，能够提高成型时、组装时等的燃料电池用复合片材的操作性。
另外，优选的是，在所述框体上设置有垫圈。另外，优选在所述框体上通过压缩成型形成垫圈。
根据本发明，即使在湿度管理困难的环境下，也能够抑制膜电极接合体的翘曲，因此能够防止向成型模具的咬入、垫圈的位置偏移。
另外，优选的是，所述夹持部件是磁性体。优选所述磁性体包括磁片和具备磁性的金属板。
根据本发明，通过由磁性体构成夹持部件，能够防止在垫圈的成型时框体和膜电极接合体变形。
另外，优选的是，所述磁片通过树脂层压加工而成。
根据本发明，能够防止由于垫圈的压缩成型时的热而从磁片产生排气。
另外，优选的是，所述夹持部件包含磁性体，在一对成型模具的一个成型模具中配置成型模具用磁性部件，在利用磁力将所述框体、所述膜电极接合体以及所述夹持部件约束于该一个成型模具的状态下进行所述压缩成型。
根据本发明，能够防止由成型模具成型时的冲击引起的位置偏移。另外，由于在脱模后产品残留在一个成型模具中，因此能够提高成型的周期时间。另外，在成型后的脱模时，能够防止产品残留于另一个成型模具(型腔侧、上模)而产品掉落。
发明效果
根据本发明的燃料电池用复合片材及燃料电池用复合片材的制造方法，能够提高操作性。
附图说明
图1是实施例1涉及的燃料电池用复合片材的平面图。
图2是图1的A-A线截面图。
图3是实施例1涉及的燃料电池用复合片材的分解立体图。
图4是图1的B-B线截面图。
图5是表示垫圈的压缩成型工序的截面图。
图6是表示以往的燃料电池用复合片材的立体图。
图7是表示以往的成型模具的截面图。
图8是表示以往的下模的平面图。
图9是表示实施例2的成型模具的截面图(图10的IX-IX线截面)。
图10是表示实施例2的下模的平面图。
图11是表示实施例2的第三工序的截面图。
具体实施方式
参照附图对实施方式涉及的燃料电池用复合片材及燃料电池用复合片材的制造方法进行详细说明。如图1所示，燃料电池用复合片材1具备框体2、膜电极接合体(MEA：Membrane Electrode Assembly)3、夹持部件4和垫圈5。燃料电池单元通过用一对隔膜(省略图示)夹持燃料电池用复合片材1而构成。该燃料电池单元通过从阳极侧供给氢气、从阴极侧供给空气(氧气)而发电。
在本实施方式涉及的燃料电池用复合片材1及燃料电池用复合片材的制造方法中，通过利用夹持部件4夹持膜电极接合体3，能够抑制翘曲。由此，能够提高成型时、组装时等的操作性。以下，对实施例进行详细说明。
(实施例1)
如图1所示，框体2是平面视图下呈矩形的膜状片材。框体2例如由PEN(polyethylene terephthalate：聚对苯二甲酸乙二醇酯)膜等树脂制膜形成。框体2的形状及材料只不过是例示，例如也可以是金属隔膜、碳隔膜、带气体扩散层的副垫圈等。框体2具备框主体21和设置于框主体21的两侧的多个连通孔22。框主体21的中央部是设置膜电极接合体3的部位。连通孔22的形状、位置、个数适当设定即可。
如图2所示，膜电极接合体(MEA：Membrane Electrode Assembly)3具备高分子电解质膜31和气体扩散层32、32。气体扩散层32、32从表面侧和背面侧夹持高分子电解质膜31。从高分子电解质膜31的外缘朝向侧方延伸设置有框主体21。
如图2及图3所示，夹持部件4是从表面侧及背面侧夹持膜电极接合体3的片状部件。在本实施例中，夹持部件4包括磁片41和金属板42。磁片41呈矩形，以覆盖膜电极接合体3的表面侧整体的方式配置。磁片41例如通过热塑性树脂膜实施层压加工而成。
金属板42呈矩形，以覆盖膜电极接合体3的背面侧整体的方式配置。在本实施例中，金属板42由具备磁性的材料(例如SUS430)形成。由此，成为磁片41与金属板42通过磁力而紧贴的状态。
夹持部件4在本实施例中如上述那样构成，但只要是比膜电极接合体3硬且溶胀率比膜电极接合体3低的片状部件即可，也可以是其他方式。
如图1及图4所示，垫圈5是由弹性材料形成的密封部件。通过垫圈5与隔膜(省略图示)抵接，能够形成密封区域。垫圈5在本实施例中使用了硅橡胶(VMQ)。另外，垫圈5由具有弹性的材料形成即可，例如可以使用橡胶硬度Hs45-55的三元乙丙橡胶(EPDM)、氟橡胶(FKM)、聚异丁烯(PIB)、树脂等。
垫圈5具备第一垫圈5A和多个第二垫圈5B。第一垫圈5A沿着框主体21的外周缘形成为环状。第二垫圈5B在比第一垫圈5A靠内侧的位置，以沿着各连通孔22的外周缘成为环状的方式形成。第二垫圈5B与各连通孔22对应地形成。垫圈5既可以通过压缩成型与框主体21一体成型，也可以通过粘接剂将预先成型的垫圈5粘接于框主体21。
接着，对本实施例的燃料电池用复合片材的制造方法进行说明。在本实施例的燃料电池用复合片材的制造方法中，执行第一工序、第二工序和第三工序。
第一工序是在框体2上设置包含气体扩散层32的膜电极接合体3的工序。在本实施例中，在框体2的中央部粘接膜电极接合体3而一体成型。
第二工序是利用夹持部件4夹持膜电极接合体3的工序。在本实施例中，在膜电极接合体3的表面(上表面)配置磁片41，在背面(下表面)配置金属板42并夹持。
第三工序是形成垫圈5的工序。在本实施例中，通过压缩成型而一体成型。如图5所示，在第三工序中，使用第一成型模具51和第二成型模具52。第一成型模具51的端面51a是平坦的。第二成型模具52具备平坦的端面52a、凹部53、53以及抵接面54。抵接面54是在成型时与框体2接触的面。
在第三工序中，由第一成型模具51的端面51a、第二成型模具52的端面52a及抵接面54夹持框体2。由此，形成由凹部53、53和框体2包围的型腔。通过使材料流入该型腔并加热、加压规定时间，在框体2上一体成型垫圈5。通过以上的工序形成燃料电池用复合片材1。
在此，图6是表示以往的燃料电池用复合片材1A的立体图。以往的燃料电池用复合片材1A具备膜状的框体2A、膜电极接合体3A和垫圈5C。在连通孔22A的周围也配置有垫圈5C。以往的燃料电池用复合片材1A的框体2A由膜形成，容易变形。因此，在搬运时、成型时、组装时等存在难以操作的问题。另外，由于因压缩成型时的湿度变化而翘曲，因此存在产生向成型模具的咬入、垫圈5C的位置偏移这样的问题。
关于这一点，根据本实施例，通过利用夹持部件4夹持膜电极接合体3，能够抑制翘曲。由此，能够提高搬运时、成型时、组装时等的操作性。
另外，即使在如压缩成型那样湿度管理困难的环境下，也能够抑制膜电极接合体3的翘曲，因此能够防止向成型模具的咬入、垫圈5的位置偏移。
另外，如本实施例那样，夹持部件4优选为磁性体。更详细而言，磁性体优选包括磁片41和具备磁性的金属板42。假设在由不具备磁性的一对板状部件构成夹持部件4的情况下，有可能在垫圈5的压缩成型时在插入的中途翘曲而变形。但是，通过由磁性体构成本实施例的夹持部件4，磁片41与金属板42通过磁力而以紧贴的状态夹持，因此能够防止在垫圈5的压缩成型时框体2及膜电极接合体3变形。
另外，磁片41优选通过树脂被层压加工而成。由此，能够防止由于垫圈5的压缩成型时的热而从磁片41产生排气。
(实施例2)
接着，对实施例2涉及的燃料电池用复合片材的制造方法进行说明。首先，对使用以往的成型模具的情况下的课题进行说明。图7是表示以往的成型模具的截面图。图8是表示以往的下模的平面图。
如图7和图8所示，以往的成型模具60具备第一成型模具(下模)61和第二成型模具(上模)62。第一成型模具61在平坦的端面61a的周缘部形成有定位部61b、61c。定位部61b、61c呈长方体，配置在相互垂直的位置。
第二成型模具62在平坦的端面62a形成有凹部63、第一容纳凹部64以及第二容纳凹部65。凹部63是成型垫圈6的空间。第一容纳凹部64是在成型时容纳膜电极接合体3的空间。第二容纳凹部65是在成型时容纳定位部61b的空间。成型模具60利用第一成型模具61和第二成型模具62夹持框体2，并且使材料流入凹部63，对垫圈6进行压缩成型。如图8所示，在成型时，通过使框体2与定位部61b、61c抵接，能够将框体2相对于第一成型模具61定位。
但是，在如以往的成型模具60那样在框体2上直接压缩成型来成型垫圈6的情况下，存在因成型模具60的滑动、合模等动作的冲击而导致框体2与成型模具60的位置偏移的问题(参照图8的空心箭头)。以往，一般利用定位部61b、61c、定位销(省略图示)等进行定位，但在垫圈成型后的脱模时，产品也有可能残留于第二成型模具62(上模)。若产品残留在第二成型模具62中，则将其拆下的作业变得繁杂。另外，在垫圈成型后的脱模时，若产品残留于第二成型模具62(上模)，则如图7的空心箭头所示，产品也有可能掉落而破损。因此，在第二实施例中，目的在于防止框体2等的位置偏移。
图9是表示实施例2的成型模具的截面图。图10是表示实施例2的下模的平面图。如图9及图10所示，实施例2涉及的成型模具70包括第一成型模具(下模)71和第二成型模具(上模)72。第一成型模具71在作为成型面的端面71a形成有定位部71b、71c。如图10所示，定位部71b、71c配置在相互垂直的位置。另外，在第一成型模具71的内部配置有多个成型模具用磁性部件77。成型模具用磁性部件77例如是磁铁。成型模具用磁性部件77与端面71a齐平，或者配置在端面71a的内部。
第二成型模具(上模)72能够相对于第一成型模具71相对移动。在第二成型模具72的作为成型面的端面72a形成有凹部73、第一容纳凹部74以及第二容纳凹部75。凹部73是成型垫圈的空间。第一容纳凹部74是在成型时容纳膜电极接合体3的空间。第二容纳凹部75设置在与定位部61b对应的位置，是在成型时容纳定位部61b的空间。另外，虽然省略了具体的图示，但在第二成型模具72上还设置有容纳定位部71c的第二容纳凹部。成型模具70利用第一成型模具71和第二成型模具72夹持框体2，并且使材料流入凹部73，对垫圈进行压缩成型。
接着，对本实施例的燃料电池用复合片材的制造方法进行说明。在本实施例的燃料电池用复合片材的制造方法中，执行第一工序、第二工序和第三工序。第一工序和第二工序与实施例1相同。通过第二工序，在带MEA、GDL(气体扩散层)的副垫圈的两面设置有作为夹持部件4的磁片41及金属板42。另外，将该成型品称为“中间体X”。
第三工序是形成垫圈的工序。在本实施例中，通过压缩成型将垫圈一体成型。如图11所示，在第三工序中，在第一成型模具71的端面71a配置中间体X。
夹持部件4包括磁片41和金属板42，因此，若将中间体X配置于第一成型模具71，则被成型模具用磁性部件77的磁力约束为不能移动。接着，使第一成型模具71和第二成型模具72接近，由端面71a、72a彼此夹持框体2。由此，由框体2和凹部73形成型腔。通过使材料流入该型腔并进行规定时间的加热、加压，从而在框体2上一体成型垫圈。
根据以上说明的实施例2涉及的燃料电池用复合片材的制造方法，由于在第一成型模具71中配置成型模具用磁性部件77，因此能够通过磁力防止成型模具70的成型时的冲击所引起的中间体X的位置偏移。另外，在脱模后，产品直接残留在一个成型模具(第一成型模具71)中。由此，不需要如以往那样从第二成型模具72拆卸产品的作业，因此能够提高成型的周期时间。另外，在成型后的脱模时，能够防止产品残留于第二成型模具72(另一个成型模具)而产品掉落。
以上对实施例进行了说明，但能够适当地进行设计变更。
符号说明：
1燃料电池用复合片材
2框体
3膜电极接合体
4夹持部件
5垫圈
21框主体
22连通孔
31高分子电解质膜
32气体扩散层
41磁片
42金属板
70成型模具
71第一成型模具(下模)
72第二成型模具(上模)
77成型模具用磁性部件

Claims (9)

1.一种燃料电池用复合片材，其特征在于，具有：
框体；
膜电极接合体，设置于所述框体并包含气体扩散层；以及
片状的夹持部件，比所述框体硬且夹持所述膜电极接合体。
2.如权利要求1所述的燃料电池用复合片材，其特征在于，
在所述框体上设置有垫圈。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池用复合片材，其特征在于，
所述夹持部件是磁性体。
4.如权利要求3所述的燃料电池用复合片材，其特征在于，
所述磁性体包括磁片和具备磁性的金属板。
5.如权利要求4所述的燃料电池用复合片材，其特征在于，
所述磁片通过树脂被层压加工而成。
6.一种燃料电池用复合片材的制造方法，其特征在于，包括以下工序：
在框体上设置包含气体扩散层的膜电极接合体；以及
利用比所述框体硬的片状的夹持部件来夹持所述膜电极接合体。
7.如权利要求6所述的燃料电池用复合片材的制造方法，其特征在于，
通过压缩成型在所述框体上形成垫圈。
8.如权利要求7所述的燃料电池用复合片材的制造方法，其特征在于，
所述夹持部件包含磁性体，
在一对成型模具的一个成型模具中配置成型模具用磁性部件，在利用磁力将所述框体、所述膜电极接合体以及所述夹持部件约束于该一个成型模具的状态下进行所述压缩成型。
9.如权利要求8所述的燃料电池用复合片材的制造方法，其特征在于，
所述磁性体包括磁片和具备磁性的金属板。
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