DE102016103698B4

DE102016103698B4 - Einzelbrennstoffzelle mit Stützrahmen

Info

Publication number: DE102016103698B4
Application number: DE102016103698.6A
Authority: DE
Inventors: Kotaro Ikeda
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-03-03
Filing date: 2016-03-02
Publication date: 2020-09-10
Anticipated expiration: 2036-03-03
Also published as: CN105938910B; DE102016103698A1; US20160260993A1; JP6245194B2; CN105938910A; JP2016162651A

Abstract

Einzelbrennstoffzelle (1) mit:einer Membranelektrodenbaugruppe (5) mit einer Elektrolytmembran (5e) und elektrokatalytischen Schichten, die an beiden Seitenoberflächen der Elektrolytmembran (5e) entsprechend ausgebildet sind;Gasdiffusionsschichten (3a, 3c), die an beiden Seitenoberflächen der Membranelektrodenbaugruppe (5) entsprechend platziert sind, so dass ein äußerer Randkantenabschnitt (52e) in einer Seitenoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe (5) verbleibt;einer Adhäsivschicht (10), die ausgebildet ist, den äußeren Randkantenabschnitt (52e) zu bedecken;einem Stützrahmen (2), der an der Adhäsivschicht (10) befestigt ist; undSeparatoren (4a, 4c), die an beiden Seitenoberflächen des Stützrahmens (2) bzw. der Gasdiffusionsschichten (3a, 3c) platziert sind, so dass Randabschnitte der Separatoren (4a, 4c) an dem Stützrahmen (2) befestigt sind und Mittelabschnitte der Separatoren (4a, 4c) mit den Gasdiffusionsschichten (3a, 3c) in Anlage sind,wobei der Stützrahmen (2) umfasst:einen Stützrahmenkörper (20); undeine Adhäsivbeschichtungsschicht, die aus einem Adhäsiv mit Thermoplastizität an zumindest einer von beiden Seitenoberflächen des Stützrahmenkörpers (20) ausgebildet ist,die Separatoren (4a, 4c) aus einem Metall ausgebildet sind; undder Stützrahmenkörper (20) aus einem gestreckten kristallinen Polymer ausgebildet ist, wobeidie Adhäsivschicht (10) aus einem Adhäsiv mit Ultraviolett-Härtbarkeit ausgebildet ist; undder Stützrahmenkörper (20) aus einem gestreckten kristallinen Polymer ausgebildet ist, das einen ultravioletten Strahl mit einer vorbestimmten Wellenlänge überträgt, der das Adhäsiv aushärtet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einzelbrennstoffzelle.
Bekannt ist eine Einzelbrennstoffzelle mit: einer Membranelektrodenbaugruppe, in der elektrokatalytische Schichten an beiden Seitenoberflächen einer Elektrolytmembran entsprechend ausgebildet sind; Gasdiffusionsschichten, die an beiden Seitenoberflächen der Membranelektrodenbaugruppe entsprechend platziert sind, während ein äußerer Randkantenabschnitt in einer Seitenoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe verbleibt; einer Adhäsivschicht, die ausgebildet ist, um den äußeren Randkantenabschnitt zu bedecken; einem Stützrahmen, der an der Adhäsivschicht befestigt ist; und Separatoren, die an beiden Seitenoberflächen des Stützrahmens bzw. der Gasdiffusionsschichten platziert sind, so dass Randabschnitte der Separatoren an dem Stützrahmen befestigt sind, und Mittelabschnitte der Separatoren an den Gasdiffusionsschichten in Anlage sind, wobei der Stützrahmen hat: einen Stützrahmenkörper; und Adhäsivbeschichtungsschichten, die aus einem Adhäsiv mit Thermoplastizität an beiden Seitenoberflächen des Stützrahmenkörpers ausgebildet sind, wobei die Separatoren aus einem Metall ausgebildet sind; und der Stützrahmenkörper aus einem isolierenden Film wie z. B. Polypropylen oder Polyethylen ausgebildet ist (siehe z. B. JP 2013-251253 A ).
Die voranstehend beschriebene Einzelbrennstoffzelle weist eine Struktur auf, in der die Separatoren mit dem thermoplastischen Adhäsiv an dem Stützrahmen befestigt sind. In einer derartigen Struktur wird nicht nur das Adhäsiv sondern auch ein breiter Bereich mit den Separatoren und dem Stützrahmen in der Nachbarschaft des Adhäsivs erwärmt, wenn das Adhäsiv erwärmt wird, um die Separatoren und den Stützrahmen aneinander anzuhaften. In einem derartigen Fall ist das Schrumpfen des Stützrahmens größer als das Schrumpfen von jedem der Separatoren in einem Abkühlvorgang nach dem Erwärmen, wenn der lineare Expansionskoeffizient des Stützrahmens größer als der lineare Expansionskoeffizient von jedem der Separatoren ist, und der Unterschied zwischen beiden linearen Expansionskoeffizienten groß ist. Somit unterliegt die Membranelektrodenbaugruppe einer Spannung durch den Stützrahmen über die Adhäsivschicht von der Nachbarschaft der Membranelektrodenbaugruppe, unterliegt einer großen Zugspannung, und kann zerrissen werden. Als Ergebnis kann ein Ausfließen über den Querschnitt auftreten. Insbesondere, wenn ein Metall als Material der Separatoren verwendet ist, und ein Polymer, das ein hochmolekularer Verbund ist, als Material des Stützrahmens verwendet ist, ist wahrscheinlich, dass eine große Zugspannung auf die Membranelektrodenbaugruppe aufgrund des großen Unterschieds zwischen den linearen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien aufgebracht ist.
Die Druckschrift WO 2014/111 745 A2 die als nächstliegender Stand der Technik angesehen wird, offenbart eine Einzelbrennstoffzelle mit einer Membranelektrodenbaugruppe mit einer Elektrolytmembran und elektrokatalytischen Schichten, die an beiden Seitenoberflächen der Elektrolytmembran entsprechend ausgebildet sind. Außerdem sind Gasdiffusionsschichten an beiden Seitenoberflächen der Membranelektrodenbaugruppe entsprechend platziert, so dass ein äußerer Randkantenabschnitt in einer Seitenoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe verbleibt. Eine Adhäsivschicht ist ausgebildet, den äußeren Randkantenabschnitt zu bedecken, und ein Stützrahmen ist an der Adhäsivschicht befestigt. Separatoren sind so an beiden Seitenoberflächen des Stützrahmens bzw. der Gasdiffusionsschichten platziert, dass Randabschnitte der Separatoren an dem Stützrahmen befestigt sind und Mittelabschnitte der Separatoren mit den Gasdiffusionsschichten in Anlage sind. Dabei umfasst der Stützrahmen einen Stützrahmenkörper und eine Adhäsivbeschichtungsschicht, die aus einem Adhäsiv mit Thermoplastizität an zumindest einer von beiden Seitenoberflächen des Stützrahmenkörpers ausgebildet ist.
Aus der Druckschrift US 2009/0214917 A1 ist es bekannt, Separatoren aus Metall für derartige Brennstoffzellen einzusetzen.
Aus der allgemeinen Literatur weiß der Fachmann, dass Spannungen in Kunststoffen wir Polyethylen oder Polypropylen, die beispielsweise als Material für Stützrahmen in derartigen Brennstoffzellen dienen, durch Recken der (teil)kristallinen Polymere gelöst werden können.
Erwünscht ist die Technologie, zu unterdrücken, dass eine große Zugspannung auf eine Membranelektrodenbaugruppe sogar dann aufgebracht wird, wenn ein Metall als das Material des Separators verwendet ist, und ein Polymer als das Material eines Stützrahmens verwendet ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Einzelbrennstoffzelle nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden gemäß den abhängigen Ansprüchen ausgeführt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Einzelbrennstoffzelle bereitgestellt, mit: einer Membranelektrodenbaugruppe mit einer Elektrolytmembran und elektrokatalytischen Schichten, die an beiden Seiten der Elektrolytmembran entsprechend ausgebildet sind; Gasdiffusionsschichten, die an beiden Seitenoberflächen der Membranelektrodenbaugruppe entsprechend platziert sind, so dass ein äußerer Randkantenabschnitt in einer Seitenoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe verbleibt; einer Adhäsivschicht, die ausgebildet ist, den äußeren Randkantenabschnitt zu bedecken; einem Stützrahmen, der an der Adhäsivschicht befestigt ist; und Separatoren, die an beiden Seitenoberflächen des Stützrahmens bzw. der Gasdiffusionsschichten platziert sind, so dass Randabschnitte der Separatoren an dem Stützrahmen befestigt sind, und Mittelabschnitte der Separatoren auf den Gasdiffusionsschichten in Anlage sind, wobei der Stützrahmen umfasst: einen Stützrahmenkörper; und eine Adhäsivbeschichtungsschicht, die aus einem Adhäsiv mit Thermoplastizität an zumindest einer von beiden Seitenoberflächen des Stützrahmenkörpers ausgebildet ist, wobei die Separatoren aus einem Metall ausgebildet sind; und der Stützrahmenkörper aus einem gestreckten kristallinen Polymer ausgebildet ist.
Sogar wenn ein Metall als Material eines Separators verwendet wird und ein Polymer als Material eines Stützrahmens verwendet wird, kann unterdrückt werden, dass eine große Zugspannung auf eine Membranelektrodenbaugruppe aufgebracht wird.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die schematisch ein Konfigurationsbeispiel einer Einzelbrennstoffzelle darstellt;
2 ist eine Teilquerschnittsansicht, die ein Konfigurationsbeispiel eines Brennstoffzellenstapels mit einer Einzelbrennstoffzelle darstellt;
3 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht von 2;
4 ist eine Teilquerschnittsansicht, die ein Konfigurationsbeispiel eines Brennstoffzellenstapels mit einer Einzelbrennstoffzelle darstellt;
5 ist eine Teilquerschnittsansicht, die ein Konfigurationsbeispiel eines Strömungsdurchtritt-Elements darstellt;
6 ist eine Teilquerschnittsansicht, die die Schritte eines Verfahrens zum Herstellen einer Einzelbrennstoffzelle darstellt;
7 ist eine Teilquerschnittsansicht, die die Schritte des Verfahrens zum Herstellen einer Einzelbrennstoffzelle darstellt;
8 ist eine Teilquerschnittsansicht, die die Schritte des Verfahrens zum Herstellen einer Einzelbrennstoffzelle darstellt;
9 ist eine Teilquerschnittsansicht, die die Schritte des Verfahrens zum Herstellen einer Einzelbrennstoffzelle darstellt;
10 ist eine Teilquerschnittsansicht, die die Schritte des Verfahrens zum Herstellen einer Einzelbrennstoffzelle darstellt;
11 ist eine Teilquerschnittsansicht, die die Schritte des Verfahrens zum Herstellen einer Einzelbrennstoffzelle darstellt;
12 ist eine Teilquerschnittsansicht, die die Schritte eines Verfahrens zum Herstellen einer Einzelbrennstoffzelle einer anderen Ausführungsform darstellt;
13 ist eine Teilquerschnittsansicht, die die Schritte des Verfahrens zum Herstellen einer Einzelbrennstoffzelle der anderen Ausführungsform darstellt; und
14 ist eine Teilquerschnittsansicht, die die Schritte des Verfahrens zum Herstellen einer Einzelbrennstoffzelle der anderen Ausführungsform darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Konfiguration einer Einzelbrennstoffzelle wird beschrieben. 1 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die schematisch ein Konfigurationsbeispiel der Einzelbrennstoffzelle darstellt. Die Einzelbrennstoffzelle 1 hat eine Membranelektrodenbaugruppe 5. Eine Kathodengasdiffusionsschicht 3c und eine Anodengasdiffusionsschicht 3a sind an beiden Seitenoberflächen der Membranelektrodenbaugruppe 5 entsprechend platziert, und ein Stützrahmen 2 ist an dem Rand der Membranelektrodenbaugruppe 5 über eine Adhäsivschicht 10 platziert. Ein Kathodenseparator 4c und ein Anodenseparator 4a sind an beiden Seitenoberflächen der Membranelektrodenbaugruppe 5 bzw. des Stützrahmens 2 platziert. Somit ist die Einzelbrennstoffzelle 1 durch Zusammenbauen des Kathodenseparators 4c und des Anodenseparators 4a auf beiden Seitenoberflächen des Stützrahmens 2 und der Membranelektrodenbaugruppe 5 mit den Gasdiffusionsschichten 3c bzw. 3a ausgebildet. Bei Betrachtung in der Dickenrichtung S der Einzelbrennstoffzelle 1 weist die Einzelbrennstoffzelle 1 eine annähernd rechteckige äußere Form auf, die eine Längsrichtung L1 und eine Querrichtung L2 rechtwinklig zu der Längsrichtung L1 aufweist. Ähnlich weist jedes Element der Membranelektrodenbaugruppe 5, des Stützrahmens 2, jede der Gasdiffusionsschichten 3c und 3a und jeder der Separatoren 4c und 4a, die in der Einzelbrennstoffzelle 1 vorhanden sind, ebenfalls eine annähernd rechteckige äußere Form auf. Somit entspricht die Längsrichtung und die Querrichtung von jedem Element der Längsrichtung L1 bzw. der Querrichtung L2 der Einzelbrennstoffzelle 1. Im Folgenden werden die Längsrichtung und die Querrichtung von jedem Element ebenfalls als Längsrichtung L1 bzw. Querrichtung L2 bezeichnet.
Ein Mittelabschnitt 4cm des Kathodenseparators 4c hat mehrere Nuten für Sauerstoffgaszufuhrdurchtritte in der Seite der Membranelektrodenbaugruppe 5 (der Seite, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist). Die mehreren Nuten des Mittelabschnitts 4cm sind durch einstückiges Formen des Kathodenseparators 4c ausgebildet. In der in 1 dargestellten Ausführungsform sind die Nuten des Mittelabschnitts 4cm Strömungsdurchtritte in eine Richtung. In einer anderen Ausführungsform, die nicht dargestellt ist, sind die mehreren Nuten Strömungsdurchtritte der Serpentinenart. In einem Randabschnitt 4ce in dem äußeren des Mittelabschnitts 4cm in dem Kathodenseparator 4c sind in der Nachbarschaft von beiden Endabschnitten in der Längsrichtung L1 des Kathodenseparators 4c Durchdringungsanschlüsse 6c1 und 6c2 für einen Sauerstoffgaskrümmer, Durchdringungsanschlüsse 6w1 und 6w2 für einen Kühlwasserkrümmer, und Durchdringungsanschlüsse 6a1 und 6a2 für einen Brennstoffgaskrümmer ausgebildet, um den Kathodenseparator 4c zu durchdringen. Strömungsdurchtritt-Elemente 4cs1 und 4cs2, durch die Sauerstoffgas geführt ist, sind zwischen den Durchdringungsanschlüssen 6c1 und 6c2 für einen Sauerstoffgaskrümmer und die mehreren Nuten des Mittelabschnitts 4cm ausgebildet. In einer anderen Ausführungsform, die nicht dargestellt ist, sind die Strömungsdurchtritt-Elemente 4cs1 und 4cs2 als Teile des Kathodenseparators 4c durch einstückiges Formen ausgebildet. In der Seite umgekehrt zu der Membranelektrodenbaugruppe 5 des Randabschnitts 4ce (der in der Zeichnung dargestellten Seite) sind flache Oberflächen, auf denen dichtungsartige Dichtelemente 14 platziert werden können, um jeden Durchdringungsanschluss und um den Mittelabschnitt 4cm herum ausgebildet.
Ein Mittelabschnitt 4am des Anodenseparators 4a hat mehrere Nuten für Brennstoffgaszufuhrdurchtritte in der Seite der Membranelektrodenbaugruppe 5 (der in der Zeichnung dargestellten Seite). Die mehreren Nuten des Mittelabschnitts 4am sind durch einstückiges Formen des Anodenseparators 4a ausgebildet. In der in 1 dargestellten Ausführungsform sind die mehreren Nuten des Mittelabschnitts 4am Strömungsdurchtritte in eine Richtung. In einer anderen Ausführungsform, die nicht dargestellt ist, sind die mehreren Nuten Strömungsdurchtritte der Serpentinenart. In einem Randabschnitt 4ae in dem äußeren des Mittelabschnitts 4am in dem Anodenseparator 4a sind Durchdringungsanschlüsse 6c3 und 6c4 für einen Sauerstoffgaskrümmer, Durchdringungsanschlüsse 6w3 und 6w4 für einen Kühlwasserkrümmer, und Durchdringungsanschlüsse 6a3 und 6a4 für einen Brennstoffgaskrümmer ausgebildet, um durch den Anodenseparator 4a durchzudringen. Strömungsdurchtritt-Elemente 4as1 und 4as2, durch die Brennstoffgas geführt wird, sind zwischen den Durchdringungsanschlüssen 6a3 und 6a4 für einen Brennstoffgaskrümmer und die mehreren Nuten des Mittelabschnitts 4am platziert. In einer anderen Ausführungsform, die nicht dargestellt ist, sind die Strömungsdurchtritt-Elemente 4as1 und 4as2 als Teile des Anodenseparators 4a durch einstückiges Formen ausgebildet. In der Seite umgekehrt zu der Membranelektrodenbaugruppe 5 des Randabschnitts 4ae (der Seite, die nicht dargestellt ist), sind Vertiefungen zum Empfangen der Dichtelemente 14 um jeden Durchdringungsanschluss und um den Mittelabschnitt 4am ausgebildet, und Vorsprünge 16 sind an entsprechenden Positionen in der Seite der Membranelektrodenbaugruppe 5 ausgebildet.
In den Nachbarschaften von beiden Endabschnitten in der Längsrichtung L1 des Stützrahmens 2 sind Durchdringungsabschnitte 6c5 und 6c6 für einen Sauerstoffgaskrümmer, Durchdringungsanschlüsse 6w5 und 6w6 für einen Kühlwasserkrümmer, und Durchdringungsanschlüsse 6a5 und 6a6 für einen Brennstoffgaskrümmer ausgebildet, um den Stützrahmen 2 zu durchdringen.
Wenn die Einzelbrennstoffzelle 1 ausgebildet ist, sind die Durchdringungsanschlüsse 6c1, 6c5, 6c3, 6c2, 6c6 und 6c4 für einen Sauerstoffgaskrümmer, die Durchdringungsanschlüsse6 6w1, 6w5, 6w3, 6w2, 6w6 und 6w4 für einen Kühlwasserkrümmer, und die Durchdringungsanschlüsse 6a1, 6a5, 6a3, 6a2, 6a6 und 6a4 für einen Brennstoffgaskrümmer in dem Kathodenseparator 4c, dem Stützrahmen 2 und dem Anodenseparator 4a entsprechend in der Dickenrichtung S durch Zusammenbauen des Kathodenseparators 4c und des Anodenseparators 4a an den beiden Seiten der durch den Stützrahmen 2 gestützten Membranelektrodenbaugruppe 5 zusammengebaut. Somit sind sich in der Dickenrichtung S erstreckende Durchtritte, d. h. die Sauerstoffgaskrümmer, die Kühlwasserkrümmer, und die Brennstoffgaskrümmer als Fluiddurchströmungsdurchtritte definiert.
2 ist eine Teilquerschnittsansicht, die ein Konfigurationsbeispiel eines Brennstoffzellenstapels A mit einer Einzelbrennstoffzelle 1 darstellt. Die Zeichnung stellt einen Abschnitt entsprechend einem Querschnitt entlang der Linie E2-E2 der 1 dar. 3 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht der 2. Ein Brennstoffzellenstapel wird durch ein geschichtetes Erzeugnis ausgebildet, in dem eine Mehrzahl Einzelbrennstoffzellen 1 in der Dickenrichtung S der Einzelbrennstoffzelle 1 geschichtet sind. Die Einzelbrennstoffzelle 1 erzeugt durch eine elektrochemische Reaktion eines Brennstoffgases (z. B. eines Wasserstoffgases) und eines Sauerstoffgases (z. B. Luft) eine elektrische Leistung. Die durch die Einzelbrennstoffzelle 1 erzeugte elektrische Leistung wird über eine Mehrzahl Verdrahtungsleitungen von Anschlussplatten, die an beiden Endabschnitten des geschichteten Produkts an dem Äußeren des Brennstoffzellenstapels platziert sind, zu dem Äußeren des Brennstoffzellenstapels genommen. Die von dem Brennstoffzellenstapel genommene elektrische Leistung wird z. B. zu einem Elektromotor zum Antreiben eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs oder einem Kondensator zugeführt.
Die Membranelektrodenbaugruppe 5 der Einzelbrennstoffzelle 1 hat eine Elektrolytmembran 5e wie auch eine elektrokatalytische Kathodenschicht 5c und eine elektrokatalytische Anodenschicht 5a, die an beiden Seiten der Elektrolytmembran 5e ausgebildet sind. Die Elektrolytmembran 5e, die elektrokatalytische Kathodenschicht 5c und die elektrokatalytische Anodenschicht 5a weisen ähnliche Größen auf. Wenn die elektrokatalytische Kathodenschicht 5c und die elektrokatalytische Anodenschicht 5a an beiden Seiten der Elektrolytmembran 5e platziert sind, um die Membranelektrodenbaugruppe 5 auszubilden, passen die Elektrolytmembran 5e, die elektrokatalytische Kathodenschicht 5c und die elektrokatalytische Anodenschicht 5a nahezu zueinander. In einer anderen Ausführungsform, die nicht dargestellt ist, ist zumindest eine aus elektrokatalytischer Kathodenschicht 5c und elektrokatalytischer Anodenschicht 5a kleiner als die Elektrolytmembran 5e.
Beispiele des Materials der Elektrolytmembran 5e haben eine fluorbasierte Polymermembran mit ionischer Konduktivität. In der in 2 dargestellten Ausführungsform wird eine Ionenaustauschmembran mit Protonenkonduktivität mit Perfluorschwefelsäure verwendet. Beispiele der Materialien der elektrokatalytischen Kathodenschicht 5c und der elektrolytischen Anodenschicht 5a sind katalysatorgetragener Kohlenstoff, auf dem ein Katalysator wie z. B. Platin oder eine Platinlegierung getragen ist. In der in 2 dargestellten Ausführungsform wird katalysatorgetragener Kohlenstoff verwendet, auf dem eine Platinlegierung getragen ist. In einer anderen Ausführungsform, die nicht dargestellt ist, ist ein Ionomer des gleichen Materials wie dem der Elektrolytmembran 5e weiter zu dem katalysatorgetragenen Kohlenstoff hinzugefügt.
Eine Kathodengasdiffusionsschicht 3c ist an einer Seitenoberfläche 52 der Membranelektrodenbaugruppe 5 platziert, d.h. an der elektrokatalytischen Kathodenschicht 5c, um dadurch die Kathodengasdiffusionsschicht 3c mit der Membranelektrodenbaugruppe 5 elektrisch zu verbinden. Zusätzlich ist eine Anodengasdiffusionsschicht 3a an der anderen Seitenoberfläche 51 der Membranelektrodenbaugruppe 5 platziert, d.h. an der elektrokatalytischen Anodenschicht 5a, um dadurch die Anodengasdiffusionsschicht 3a mit der Membranelektrodenbaugruppe 5 elektrisch zu verbinden. Die Kathodengasdiffusionsschicht 3c weist die nächstkleinere Größe wie die der Membranelektrodenbaugruppe 5 auf. Wenn die Kathodengasdiffusionsschicht 3c an der Seitenoberfläche 52 der Membranelektrodenbaugruppe 5 platziert ist, ist ein äußerer Randkantenabschnitt 52e in Form eines Rahmens an der Seitenoberfläche 52 der Membranelektrodenbaugruppe 5 um die Kathodengasdiffusionsschicht 3c herum ausgebildet. Im Gegensatz weist die Anodengasdiffusionsschicht 3a eine Größe auf, die ähnlich zu der der Membranelektrodenbaugruppe 5 ist. Wenn die Anodengasdiffusionsschicht 3a an der Seitenoberfläche 51 der Membranelektrodenbaugruppe 5 platziert ist, passen die Membranelektrodenbaugruppe 5 und die Anodengasdiffusionsschicht 3a nahezu zueinander.
Beispiele der Materialien der Kathodengasdiffusionsschicht 3c und der Anodengasdiffusionsschicht 3a sind poröse Körper mit Leitfähigkeit, z. B. poröse Kohlenstoffkörper wie z. B. Kohlenstoffpapier, Kohlenstoffgewebe und glasartige Kohlenstoffe, und poröse Metallkörper wie z. B. Metallnetze und Schaummetalle. In der in 2 dargestellten Ausführungsform wird ein Karbongewebe verwendet. In einer anderen Ausführungsform, die nicht dargestellt ist, ist der voranstehend beschriebene poröse Körper mit einem Material mit einer hohen Wasserabstoßung wie z. B. Polytetrafluorethylen in einer derartigen Weise imprägniert, dass die Porosität nicht verloren geht. In noch einer anderen Ausführungsform, die nicht dargestellt ist, ist eine gemischte Schicht eines Materials mit hoher Wasserzurückweisung und Kohlenstoffpartikeln an einer Seitenoberfläche des voranstehend beschriebenen porösen Körpers ausgebildet.
Eine Adhäsivschicht 10 ist an dem äußeren Randkantenabschnitt 52e ausgebildet. Die Adhäsivschicht 10 ist in einer Form eines Rahmens ausgebildet, die ähnlich zu der des äußeren Randkantenabschnitts 52e ist. In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist die Adhäsivschicht 10 an der gesamten Oberfläche des äußeren Randkantenabschnitts 52e ausgebildet, um den äußeren Randkantenabschnitt 52e zu bedecken. Die Adhäsivschicht 10 hat: einen äußeren Abschnitt 32, der an dem Äußeren des äußeren Randkantenabschnitts 52e in einer Ebenenrichtung angeordnet ist; und einen inneren Abschnitt 31, der an dem Inneren des äußeren Randkantenabschnitts 52e in der Ebenenrichtung angeordnet ist. Ein Endabschnitt 31e in dem Inneren des inneren Abschnitts 31 gerät mit einem äußeren Abschnitt 3ce der Kathodengasdiffusionsschicht 3c in Berührung.
Die Adhäsivschicht 10 ist aus einem Adhäsiv ausgebildet, das keine warmhärtenden Eigenschaften aufweist, sondern eine Ultraviolett-(UV-)Härtbarkeit aufweist. Beispiele des Materials einer solchen Adhäsivschicht 10 sind: UV-härtbare Adhäsive, in denen radikal-polymerisierbare Harze wie z. B. UV-härtbares Polyisobuthylen-Harz, UV-härtbares Epoxidharz, und UV-härtbares Acrylharz verwendet werden; und UV-härtbare Adhäsive, in denen kathionische polymerisierbare Harze verwendet werden. In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist ein UV-härtbares Adhäsiv, in dem ein UV-härtbares Polyisobuthylen-Harz, das ein radikal-polymerisierbares Harz ist, verwendet ist, verwendet. Beispiele eines Verfahrens zum Anwenden eines Adhäsivs für die Adhäsivschicht 10 sind ein Siebdruckverfahren und ein Anwendungsverfahren mit einem Dispenser. In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist ein Siebdruckverfahren verwendet.
Ein Stützrahmen 2 ist auf der Adhäsivschicht 10 platziert. Der Stützrahmen 2, der die Form eines Rahmens aufweist, stützt die Membranelektrodenbaugruppe 5 mit der Kathodengasdiffusionsschicht 3c und der Anodengasdiffusionsschicht 3a an dem Rand der Membranelektrodenbaugruppe 5. In der in 3 dargestellten Ausführungsform ist ein innerer Abschnitt 2e in einer Seitenoberfläche des Stützrahmens 2 auf den äußeren Abschnitt 32 der Adhäsivschicht 10 angehaftet, wodurch der innere Abschnitt 2e des Stützrahmens 2 an dem äußeren Randkantenabschnitt 52e der Membranelektrodenbaugruppe 5 angehaftet ist. Wenn der innere Abschnitt 2e an dem äußeren Randkantenabschnitt 52e angehaftet ist, ist ein Spalt G zwischen dem inneren Abschnitt 2e des Stützrahmens 2 und dem äußeren Abschnitt 3ce der Kathodengasdiffusionsschicht 3c ausgebildet. Mit anderen Worten, der Stützrahmens 2 ist platziert, von der Kathodengasdiffusionsschicht 3c beabstandet zu sein.
Der Stützrahmen 2 hat: einen Stützrahmenkörper 20; und Adhäsivbeschichtungsschichten 21 und 22, die entsprechend an beiden Seitenoberflächen des Stützrahmenkörpers 20 ausgebildet sind.
Der Stützrahmenkörper 20 ist aus einem Material mit einer elektrischen Isoliereigenschaft und Luftdichtigkeit ausgebildet. Ein kristallines Polymer ist als das Material des Stützrahmenkörpers 20 verwendet. Beispiele des kristallinen Polymers sind Konstruktionskunststoffe und Kunststoffe für die allgemeine Verwendung. Beispiele der Konstruktionskunststoffe sind Polyethylen-Naphthalat-Harz (PEN), Polyethylen-Terephthalat-Harz (PET), Polyphenylen-Sulfit-Harz (PPS), und syndiotaktisches Polystyren-Harz (SPS). Beispiele der Kunststoffe allgemeiner Verwendung sind Polypropylen-Harze (PP). In der in 3 dargestellten Ausführungsform ist ein Polyethylen-Terephthalat-Harz verwendet, das ultraviolette Strahlung mit einer vorbestimmten Wellenlänge (z. B. 365 nm) übertragen kann, die zum Härten der Adhäsivschicht 10 verwendet wird, als Material des Stützrahmenkörpers 20 verwendet. Zusätzliche Beispiele von Materialien, die die ultraviolette Strahlung übertragen können, die die vorbestimmte Wellenlänge aufweisen, sind syndiotaktische Polystyren-Harze (SPS) und Polypropylen-Harze (PP).
Die Adhäsivbeschichtungsschichten 21 und 22 können an dem Stützrahmenkörper 20, beiden Separatoren 4c und 4a und der Adhäsivschicht 10 angehaftet sein, und sind an beiden Seitenoberflächen des Stützrahmenkörpers 20 mit einem eine Thermoplastizität aufweisenden Adhäsiv durch ein bekanntes Verfahren ausgebildet. Die Materialien der Adhäsivbeschichtungsschichten 21 und 22 können als geeignet als z. B. Vinyl-Acetat-Harz-Adhäsiven, Polyvinyl-Alkohol-Harz-Adhäsiven, Ethylen-Vinyl-Acetat-Harz-Adhäsiven, Vinyl-Chlorid-Harz-Adhäsiven, Acryl-Harz-Adhäsiven, Polyamid-Harz-Adhäsiven, Cellulose-Harz-Adhäsiven, Polyvinylpyrolidon-Harz-Adhäsiven, Polystyren-Harz-Adhäsiven, Cyanoacryl-Harz-Adhäsiven, Polyvinyl-Acetat-Harz-Adhäsiven, Polyester-Harz-Adhäsiven, modifizierten Olefin-Harz-Adhäsiven und Ähnlichem abhängig von den Materialien des Stützrahmenkörpers 20, beiden Separatoren 4c und 4a und der Adhäsivschicht 10 ausgewählt werden.
In der in 3 dargestellten Ausführungsform ist ein Polyethylen-Terephthalat-Harz als das Material des Stützrahmenkörpers 20 verwendet. Jedoch kann das Polyethylen-Terephthalat-Harz und das Polyethylen-Naphthalat-Harz, die gegenüber einer stark säurehaltigen Umgebung der Einzelbrennstoffzelle 1 verletzbar sind, sich verschlechtern. Somit, wenn ein schwaches Material in einer derart stark säurehaltigen Umgebung verwendet ist, ist eine Adhäsivschutzschicht 33, die ein Ende 20e vor der stark säurehaltigen Umgebung schützt, an dem Ende 20e des Stützrahmenkörpers 20 ausgebildet. Das Material der Adhäsivschutzschicht 33 ist nicht besonders begrenzt, solange das Material das Ende 20e vor der stark säurehaltigen Umgebung schützen kann, und Beispiele des Materials sind die gleichen Materialien wie die der Adhäsivschicht 10 und die gleichen Materialien wie die der Adhäsivbeschichtungsschichten 21 und 22. Die beiden Seitenoberflächen des Stützrahmenkörpers 20 sind nicht durch die stark säurehaltige Umgebung der Einzelbrennstoffzelle 1 verschlechtert, da sie durch die Adhäsivbeschichtungsschichten 21 bzw. 22 geschützt sind.
Ein Randabschnitt 4ce in einer Seitenoberfläche des Kathodenseparators 4c ist an der anderen Seitenoberfläche des Stützrahmens 2 mit der Adhäsivbeschichtungsschicht 21 angehaftet und befestigt. Ein Mittelabschnitt 4cm, der weiter innen als der Randabschnitt 4ce in der einen Seitenoberfläche des Kathodenseparators 4c liegt, ist mit der Kathodengasdiffusionsschicht 3c in Anlage, wodurch der Kathodenseparator 4c elektrisch mit der Kathodengasdiffusionsschicht 3c verbunden ist. Die Adhäsivbeschichtungsschicht 21 dichtet eine Kathodenelektrodenseite der Einzelbrennstoffzelle 1 von außen ab. Wie in 2 dargestellt ist, sind mehrere Sauerstoffgaszufuhrdurchtritte 8 durch mehrere Nuten für Sauerstoffgaszufuhrdurchtritte ausgebildet, die in dem Mittelabschnitt 4cm des Kathodenseparators 4c vorgesehen sind, und durch die Kathodengasdiffusionsschicht 3c. Von den mehreren Sauerstoffgaszufuhrdurchtritten 8 zugeführtes Sauerstoffgas wird durch die Kathodengasdiffusionsschicht 3c zu der Membranelektrodenbaugruppe 5 zugeführt.
Im Gegensatz ist ein Randabschnitt 4ae in einer Seitenoberfläche des Anodenseparators 4a an einer Seitenoberfläche des Stützrahmens 2 mit der Adhäsivbeschichtungsschicht 22 angehaftet und befestigt. Ein Mittelabschnitt 4am, der weiter innen als der Randabschnitt 4ae in der einen Seitenoberfläche des Anodenseparators 4a liegt, ist mit der Anodengasdiffusionsschicht 3a in Anlage, wodurch der Anodenseparator 4a elektrisch mit der Anodengasdiffusionsschicht 3a verbunden ist. Die Adhäsivbeschichtungsschicht 22 dichtet eine Anodenelektrodenseite von der Einzelbrennstoffzelle 1 von dem Äußeren ab. Wie in 2 dargestellt ist, sind mehrere Gaszufuhrdurchtritte 9 durch mehrere Nuten für Brennstoffgaszufuhrdurchtritte, die in dem Mittelabschnitt 4am des Anodenseparators 4a vorgesehen sind, und durch die Anodengasdiffusionsschicht 3a ausgebildet. Von den mehreren Brennstoffgaszufuhrdurchtritten 9 zugeführtes Brennstoffgas wird zu der Membranelektrodenbaugruppe 5 durch die Anodengasdiffusionsschicht 3a zugeführt.
In den zwei Einzelbrennstoffzellen 1, die an einander angrenzend liegen, sind der Kathodenseparator 4c von einer Einzelbrennstoffzelle 1 und der Anodenseparator 4a der anderen Einzelbrennstoffzelle 1 miteinander in Anlage. Als Ergebnis ist ein Kühlwasserzufuhrdurchtritt 7, der durch zwei Sauerstoffgaszufuhrdurchtritte 8 und zwei Brennstoffgaszufuhrdurchtritte 9 umgeben ist, ausgebildet, wie in 2 dargestellt ist.
Der Kathodenseparator 4c und der Anodenseparator 4a, die ein Sauerstoffgas, ein Brennstoffgas oder ein Kühlwasser nicht übertragen, sind aus einem Material mit Leitfähigkeit ausgebildet. Beispiele der Materialien des Kathodenseparators 4c und des Anodenseparators 4a sind Metalle wie z. B. rostfreier Stahl und Titan. Die linearen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien sind nahezu um 10 × 10^-6 /°C. Insbesondere z. B. ist der lineare Ausdehnungskoeffizient von SUS304 ungefähr 17 × 10^-6 /°C, während der lineare Ausdehnungskoeffizient von Titan ungefähr 8,4 × 10^-6 /°C beträgt.
In aneinander angrenzenden Einzelbrennstoffzellen 1 geraten der Randabschnitt 4ae in der anderen Seitenoberfläche des Anodenseparators 4e von einer Einzelbrennstoffzelle 1 und der Randabschnitt 4ce in der anderen Seitenoberfläche des Kathodenseparators 4c der anderen Einzelbrennstoffzelle 1 miteinander über ein Dichtelement 14 in Berührung, wie in 2 dargestellt ist. In der in 2 dargestellten Ausführungsform passt das auf eine flache Oberfläche des Randabschnitts 4ce platzierte Dichtelement 14 in eine Vertiefung 15 des Randabschnitts 4ae. Beispiele des Materials des Dichtelements 14 sind elastische Elemente wie z. B. Kautschuk.
In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist der Stützrahmenkörper 20 außerdem aus einem Material ausgebildet, das einen linearen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der sich jedem linearen Ausdehnungskoeffizienten des Kathodenseparators 4c und des Anodenseparators 4a annähert. Wenn der Stützrahmen 2 erwärmt wird, um die Adhäsivbeschichtungsschichten 21 und 22 zu schmelzen und den Stützrahmen 2 und beide Separatoren 4c und 4a aneinander anzuhaften, ergibt ein großer Unterschied zwischen dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des Stützrahmenkörpers 20 und jedem linearen Ausdehnungskoeffizienten von beiden Separatoren 4c und 4a einen großen Unterschied zwischen dem Schrumpfen des Stützrahmens 2 und dem Schrumpfen von beiden Separatoren 4c und 4a in einem darauf folgenden Abkühlvorgang oder während eines Kaltbetriebs. Dann bringt der Stützrahmen 2 eine große Zugspannung auf die Membranelektrodenbaugruppe 5 auf, und Risse können erzeugt werden, z. B. in der Nähe des äußeren Randkantenabschnitts 52e der Elektrolytmembran 5e oder Ähnliches, und können ein Ausfließen über den Querschnitt verursachen. Ein reduzierter Unterschied zwischen dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des Stützrahmenkörpers 20 und jedem linearen Ausdehnungskoeffizienten von beiden Separatoren 4c und 4a kann gestatten, dass eine solche Situation vermieden wird.
Beispiele des Materials des Stützrahmenkörpers 20, das einen linearen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der sich jedem linearen Ausdehnungskoeffizienten von beiden Separatoren 4c und 4a annähert, sind die voranstehenden kristallinen Polymere, die biaxial gestreckt sind. In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist ein biaxial gestrecktes Polyethylen-Terephthalat-Harz als das Material des Stützrahmenkörpers 20 verwendet. Der lineare Ausdehnungskoeffizient eines solchen Materials vor dem Strecken ist z. B. 100 × 10^-6 /°C, während der lineare Ausdehnungskoeffizient davon in einer Streckrichtung nach dem Strecken verringert werden kann, z. B. auf ungefähr 20 bis 40 × 10^-6 /°C durch das Strecken. Im Gegensatz beträgt der lineare Ausdehnungskoeffizient des typischen Materials des Kathodenseparators 4c oder des Anodenseparators 4a ungefähr 10 × 10^-6 /°C. Durch das Strecken des Stützrahmens 2 in einer derartigen Weise kann ermöglicht werden, dass der lineare Ausdehnungskoeffizient des Stützrahmens 2 in einer Streckrichtung sich jedem linearen Ausdehnungskoeffizient der beiden Separatoren 4a und 4c annähert, und kann geeignet gleichwertig zu jedem linearen Ausdehnungskoeffizient von beiden Separatoren 4a und 4c abhängig von dem Grad des Streckens angepasst werden. In einer anderen Ausführungsform, die nicht dargestellt ist, wird das voranstehend beschriebene kristalline Polymer verwendet, das monoaxial oder drei- oder darüber hinaus mehraxial gestreckt ist, verwendet, z. B. Polyethylen-Terephthalat-Harz. Beispiele eines Verfahrens zum Herstellen des Stützrahmenkörpers 20, aber nicht insbesondere darauf beschränkt, sind ein Verfahren, in dem ein Film, der durch ein T-Matrizengussverfahren ausgebildet ist, durch ein Spannrahmenverfahren gestreckt wird, um den Stützrahmenkörper auszubilden. Als das Streckverfahren ist z. B. ein gleichzeitiges biaxiales Strecken oder ein aufeinander folgendes biaxiales Strecken in dem Fall des biaxialen Streckens akzeptabel.
Insbesondere ist in der in 2 dargestellten Ausführungsform ein Polyethylen-Terephthalat-Harz, das in Richtungen rechtwinklig zueinander biaxial gestreckt ist, als das Material des Stützrahmenkörpers 20 verwendet, und die biaxialen Streckrichtungen sind in der Längsrichtung L1 bzw. der Querrichtung L2 des Stützrahmens 2 ausgerichtet.
4 ist eine Teilquerschnittsansicht, die ein Konfigurationsbeispiel eines Brennstoffzellenstapels A mit einer Einzelbrennstoffzelle 1 darstellt. Die Zeichnung stellt den Querschnitt eines Teils entsprechend einem Querschnitt entlang der Linie E4-E4 der 1 dar. Mit Bezug auf 4 ist das Strömungsdurchtrittelement 4cs1, durch das ein Sauerstoffgas strömt, zwischen dem Stützrahmen 2 und dem Kathodenseparator 4c platziert. Das Strömungsdurchtritt-Element 4cs1 bildet Strömungsdurchtritte für Sauerstoffgas zwischen einem Sauerstoffgaskrümmer 6cm, der durch Ausrichten von Durchdringungsanschlüssen 6c1, 6c5 und 6c3 für einen Sauerstoffgaskrümmer in einer Richtung S der Dicke nach und mehrere Sauerstoffgaszufuhrdurchtritte 8 in dem Mittelabschnitt 4cm des Kathodenseparators 4c ausgebildet ist. Ähnlich ist das Strömungsdurchtritt-Element 4cs2, durch das ein Sauerstoffgas strömt (siehe 1), zwischen dem Stützrahmen 2 und dem Kathodenseparator 4c platziert. Das Strömungsdurchtritt-Element 4cs2 bildet Strömungsdurchtritte für Sauerstoffgas zwischen einem anderen Sauerstoffgaskrümmer, der durch Ausrichten von Durchdringungsanschlüssen 6c2, 6c6 und 6c4 für einen Sauerstoffgaskrümmer in der Richtung S der Dicke nach und mehrere Sauerstoffgaszufuhrdurchtritte 8 ausgebildet ist. 5 stellt einen Querschnitt entlang der Linie E5-E5 der 4 dar. In der in 5 dargestellten Ausführungsform weist der Querschnitt des Strömungsdurchtritt-Elements 4cs1 in einer Strömungsdurchtrittrichtung eine Form auf, die eine Mehrzahl Nuten parallel zu der Strömungsdurchtrittrichtung aufweist, ähnlich zu den Sauerstoffgaszufuhrdurchtritten 8. In der in 1 dargestellten Ausführungsform sind die Formen der Strömungsdurchtritt-Elemente 4cs2, 4as1 und 4as2 ähnlich zu der Form des Strömungsdurchtritt-Elements 4csl.
Als Nächstes wird ein Verfahren zum Herstellen einer Einzelbrennstoffzelle beschrieben. 6 bis 11 sind Teilquerschnittsansichten, die jeden Schritt des Verfahrens zum Herstellen der Einzelbrennstoffzelle 1 darstellen.
Zuerst, wie in 6 dargestellt ist, ist die Membranelektrodenbaugruppe 5 bereitgestellt, in der die Anodengasdiffusionsschicht 3a auf der anderen Seitenoberfläche 51 platziert ist, und die eine Seitenoberfläche 52 freigelegt ist. Die Anodengasdiffusionsschicht 3a und die Membranelektrodenbaugruppe 5 mit einander im Voraus durch Erwärmen und Verdichten der Anodengasdiffusionsschicht 3a und der Membranelektrodenbaugruppe 5 z. B. durch einen Heißpressschritt gefügt.
Wie dann in 7 dargestellt ist, wird die Kathodengasdiffusionsschicht 3c auf die eine Seitenoberfläche 52 der Membranelektrodenbaugruppe 5 so platziert, dass der äußere Randkantenabschnitt 52e verbleibt. Dann werden die Kathodengasdiffusionsschicht 3c und die Membranelektrodenbaugruppe 5 miteinander durch Erwärmen und Verdichten der Kathodengasdiffusionsschicht 3c und der Membranelektrodenbaugruppe 5 z. B. durch einen Heißpressschritt gefügt.
Wie dann in 8 dargestellt ist, wird die Adhäsivschicht 10 mit Ultraviolett-Härtbarkeit auf dem äußeren Randkantenabschnitt 52e ausgebildet. In der in 8 dargestellten Ausführungsform ist ein UV-härtbares Adhäsiv, in dem ein radikalpolymerisierbares Harz verwendet wird, als Material der Adhäsivschicht 10 verwendet. Die Adhäsivschicht 10 ist an der gesamten Oberfläche des äußeren Randkantenabschnitts 52e ausgebildet. Als ein Verfahren zum Ausbilden der Adhäsivschicht 10 wird ein Verfahren zum Anwenden des UV-härtbaren Adhäsivs auf dem äußeren Randkantenabschnitt 52e durch Siebdrucken verwendet. In einem anderen Beispiel, das nicht dargestellt ist, wird die Adhäsivschicht 10 im Voraus auf der einen Seitenoberfläche 52 der Membranelektrodenbaugruppe 5 ausgebildet, und die Kathodengasdiffusionsschicht 3c wird dann ausgebildet.
Darauffolgend wird ein Stützrahmen 2 vorbereitet, wie in 9 dargestellt ist. In der in 9 dargestellten Ausführungsform wird ein Polyethylen-Terephthalat-Harz als das Material des Stützrahmenkörpers 20 verwendet. Der Stützrahmenkörper 20 ist im Voraus in Richtungen rechtwinklig zueinander biaxial gestreckt, und die biaxialen Streckrichtungen sind in der Längsrichtung L1 bzw. der Querrichtung L2 des Stützrahmens 2 ausgerichtet. Darauffolgend wird der Stützrahmen 2 auf der Adhäsivschicht 10 platziert. In der in 9 dargestellten Ausführungsform ist der Stützrahmen 2 an einer geeigneten Position auf der Adhäsivschicht 10 so platziert, dass der innere Abschnitt 2e des Stützrahmens 2 mit dem äußeren Abschnitt 32 der Adhäsivschicht 10 in Berührung gerät, und die Adhäsivschicht 10 teilweise freigelegt ist. Dann wird der Stützrahmen 2 an der Adhäsivschicht 10 angehaftet, da die Adhäsivschicht 10 eine Adhäsivität aufweist. Den linearen Ausdehnungskoeffizienten des Stützrahmens 2 in der Längsrichtung L1 bzw. in der Querrichtung L2 kann gestattet werden, gleichwertig zu den linearen Ausdehnungskoeffizienten des Kathodenseparators 4c und des Anodenseparators 4a zu sein, da die biaxialen Streckrichtungen des Stützrahmenkörpers 20 der Längsrichtung L1 bzw. der Querrichtung L2 des Stützrahmens 2 entsprechen. In einer anderen Ausführungsform, die nicht dargestellt ist, ist den biaxialen Streckrichtungen gestattet, sich mit der Längsrichtung L1 bzw. der Querrichtung L2 des Stützrahmens 2 zu schneiden, wenn biaxial gestrecktes Polyethylen-Naphthalat-Harz platziert wird.
Dann werden der Stützrahmen 2 und die Membranelektrodenbaugruppe 5 in der in 9 dargestellten Ausführungsform mit Druck beaufschlagt, um einander relativ zu drücken. Als Druckbeaufschlagungsverfahren wird der Stützrahmen 2 mit einem Druck P unter Verwendung eines Gewichts 60 auf die Adhäsivschicht 10 gedrückt. Somit wird die Adhäsivschicht 10 unterhalb der Stützrahmens 2 verformt, ein Teil davon bewegt sich zu dem Spalt G, und die Adhäsivschutzschicht 33, die das Ende 20a des Stützrahmenkörpers 20 bedeckt, wird ausgebildet. Die Adhäsivschutzschicht 33 kann z. B. durch Anpassen der Dicke der Adhäsivschicht 10 und des Drucks P ausgebildet werden. In einer anderen Ausführungsform, die nicht dargestellt ist, wird die Adhäsivschutzschicht 33 im Voraus auf dem Ende 20e des Stützrahmenkörpers 20 unter Verwendung eines anderen Adhäsivs als der Adhäsivschicht 10 ausgebildet. In einem derartigen Fall ist es nicht erforderlich, die Druckbeaufschlagung durchzuführen.
Darauffolgend wird der Stützrahmen 2 mit ultravioletten Strahlen UV bestrahlt, die die vorbestimmte Wellenlänge (z. B. 365 nm) aufweisen, während die Druckbeaufschlagung mit dem Druck P fortgeführt wird, wie in 10 dargestellt ist. Dann wird die Adhäsivschicht 10 durch Empfangen der ultravioletten Strahlen ausgehärtet, da das Gewicht 60 aus einem Quarz hergestellt ist, und die ultravioletten Strahlen UV übertragen kann, die die vorbestimmte Wellenlänge aufweisen, und das Polyethylen-Terephthalat-Harz des Stützrahmenkörpers 20 kann ebenfalls die ultravioletten Strahlen UV übertragen, die die vorbestimmte Wellenlänge aufweisen. Die Bestrahlungsbedingungen (z. B. die Intensität der ultravioletten Strahlen, die Bestrahlungszeit und Ähnliches) sind wie geeignet abhängig von dem Material der Adhäsivschicht 10 ausgewählt. Somit werden der äußere Abschnitt 32 der Adhäsivschicht 10 und der innere Abschnitt 2e des Stützrahmens 2 aneinander angehaftet, und der äußere Abschnitt 32 der Adhäsivschicht 10 und der äußere Randkantenabschnitt 52e der Membranelektrodenbaugruppe 5 werden aneinander angehaftet. Als Ergebnis werden der Stützrahmen 2 und die Membranelektrodenbaugruppe 5 aneinander über die Adhäsivschicht 10 angehaftet.
Zusätzlich kann die Druckbeaufschlagung mit dem Druck P mehr Adhäsion des Stützrahmens 2 an die Adhäsivschicht 10 ergeben, um die Adhäsivfestigkeit zu verbessern. Eine Oberfläche 60s, wo der Stützrahmen 2 und das Gewicht 60 miteinander in Berührung geraten, ist mit einem Material wie z. B. Teflon (registrierte Handelsmarke) beschichtet, wodurch verhindert ist, dass die Adhäsivbeschichtungsschicht 21 sich an der Oberfläche 60s des Gewichts 60 anhaftet, sogar wenn die Adhäsivbeschichtungsschicht 21 schmilzt. In einer anderen Ausführungsform, die nicht dargestellt ist, ist der Stützrahmen 2 ohne Druckbeaufschlagung des Stützrahmens 2 und der Membranelektrodenbaugruppe 5 erwärmt.
Dann, wie in 11 dargestellt ist, ist der Anodenseparator 4a so platziert, dass ein äußerer Abschnitt 22f umgekehrt zu dem inneren Abschnitt 22e, der mit der Adhäsivschicht 10 in der Adhäsivbeschichtungsschicht 22 auf der einen Seitenoberfläche des Stützrahmens 2 in Berührung gerät, mit dem Randabschnitt 4ae des Anodenseparators 4a in Berührung gerät. Zusätzlich ist der Kathodenseparator 4c so platziert, dass ein äußerer Abschnitt 21f in der Adhäsivbeschichtungsschicht 21 an der anderen Seitenoberfläche des Stützrahmens 2 mit dem Randabschnitt 4ce des Kathodenseparators 4c in Berührung gerät. Dann wird hauptsächlich ein äußerer Abschnitt 2f des Stützrahmens 2 erwärmt. Somit werden der äußere Abschnitt 22f in der Adhäsivbeschichtungsschicht 22 und der äußere Abschnitt 21f in der Adhäsivbeschichtungsschicht 21 auf beiden Seitenoberflächen des Stützrahmens 2 hauptsächlich geschmolzen, um den Randabschnitt 4ae des Anodenseparators 4a und den Randabschnitt 4ce des Kathodenseparators 4c und den Stützrahmen 2 aneinander anzuhaften. Als Ergebnis werden die Membranelektrodenbaugruppe 5 und der Stützrahmen 2 zwischen einem Paar des Anodenseparators 4a und des Kathodenseparators 4c eingefügt. Dann kühlen die Adhäsivbeschichtungsschichten 22 und 21 ab, und härten aus, um die Membranelektrodenbaugruppe 5, die Kathodengasdiffusionsschicht 3c, die Anodengasdiffusionsschicht 3a, den Stützrahmen 2, den Anodenseparator 4a und den Kathodenseparator 4c zu integrieren. In einer anderen Ausführungsform, die nicht dargestellt ist, ist lediglich die Adhäsivbeschichtungsschicht 21 auf dem Stützrahmen 2 ausgebildet, die Adhäsivbeschichtungsschicht 22 ist nicht darauf ausgebildet, eine zusätzliche Adhäsivschicht mit Thermoplastizität ist auf dem Randabschnitt 4ae des Anodenseparators 4a stattdessen ausgebildet, und der Anodenseparator 4a und der Stützrahmen 2 sind mit der zusätzlichen Adhäsivschicht aneinander angehaftet. In noch einer anderen Ausführungsform, die nicht dargestellt ist, ist lediglich die Adhäsivbeschichtungsschicht 22 auf dem Stützrahmen 2 ausgebildet, die Adhäsivbeschichtungsschicht 21 ist nicht darauf ausgebildet, eine zusätzlich Adhäsivschicht mit Thermoplastizität ist auf dem Randabschnitt 4ce des Kathodenseparators 4c stattdessen ausgebildet, und der Kathodenseparator 4c und der Stützrahmen 2 sind aneinander mit der zusätzlichen Adhäsivschicht angehaftet. In noch einer anderen Ausführungsform, die nicht dargestellt ist, ist eine Adhäsivschicht mit Thermoplastizität wie z. B. die Adhäsivbeschichtungsschicht 22 oder die zusätzliche Adhäsivschicht, die voranstehend beschrieben wurde, lediglich an einem Gelenk zwischen dem Randabschnitt 4ae des Anodenseparators 4a und des Stützrahmens 2 ausgebildet und/oder eine Adhäsivschicht mit Thermoplastizität, wie z. B. die Adhäsivbeschichtungsschicht 21 oder die zusätzliche Adhäsivschicht, die voranstehend beschrieben wurde, ist lediglich an einem Gelenk zwischen dem Randabschnitt 4ce des Kathodenseparators 4c und des Stützrahmens 2 ausgebildet.
Die Einzelbrennstoffzelle 1 wird in den voranstehend beschriebenen Schritten ausgebildet.
In dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Ausführungsform wird ein biaxial gestrecktes kristallines Polymer als Material des Stützrahmenkörpers 20 verwendet. Somit kann dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des Stützrahmens 2 gestattet werden, annähernd gleichwertig zu dem linearen Ausdehnungskoeffizienten von jedem der Anodenseparatoren 4a und Kathodenseparatoren 4c zu sein. Somit kann dem Schrumpfen des Stützrahmens 2 und dem Schrumpfen von beiden Separatoren 4a und 4c in einem darauffolgenden Abkühlvorgang oder während eines Kaltbetriebs gestattet werden, annähernd gleichwertig zueinander zu sein, wenn der Stützrahmen 2 erwärmt wird, um den Stützrahmen 2 und beide Separatoren 4a und 4c aneinander mit den Adhäsivbeschichtungsschichten 21 und 22 mit Thermoplastizität anzuhaften. Als Ergebnis kann die Zugspannung der Membranelektrodenbaugruppe 5, die durch den Stützrahmen 2 verursacht wird, verringert werden, und die Erzeugung von Rissen in einer Elektrolytmembran 5e kann unterdrückt werden. Insbesondere, wenn die biaxialen Streckrichtungen des biaxial gestreckten Polyethylen-Naphthalat-Harzes in der Längsrichtung L1 bzw. der Querrichtung L2 des Stützrahmens 2 ausgerichtet sind, kann den linearen Ausdehnungskoeffizienten des Stützrahmens 2 in der Längsrichtung L1 und der Querrichtung L2 gestattet werden, zueinander zu jedem linearen Ausdehnungskoeffizienten des Kathodenseparators 4c und des Anodenseparators 4a gleichwertig zu sein, wodurch die Zugspannung, die auf die vier Seiten der Elektrodenbaugruppe 5 aufgrund des Stützrahmens 2 wirken kann, weiter verringert werden kann.
In dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Ausführungsform wird das biaxial gestreckte kristalline Polymer verwendet. Jedoch können ein tri- oder darüber ein mehr-axial-gestrecktes kristallines Polymer (z. B. Polyethylen-Terephthalat-Harz) ebenfalls als das Material des Stützrahmenkörpers 20 verwendet werden. In einem derartigen Fall sind die linearen Ausdehnungskoeffizienten des Stützrahmenkörpers 20 in nahezu allen Richtungen gleichwertig zu den linearen Ausdehnungskoeffizienten von beiden Separatoren 4c und 4a, und deswegen kann die Erzeugung von Rissen in der Membranelektrodenbaugruppe 5 weiter unterdrückt werden. Zusätzlich kann das Ausrichten von einer der Streckrichtungen in der Längsrichtung des Stützrahmens 2 dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des Stützrahmens 2 in der Längsrichtung mit einem großen Schrumpfen aufgrund der Temperaturänderung gestatten, gleichwertig zu jedem linearen Ausdehnungskoeffizienten des Kathodenseparators 4c und des Anodenseparators 4a zu sein, und kann eine weitere Unterdrückung der Erzeugung von Rissen in der Membranelektrodenbaugruppe 5 ergeben. Da zusätzlich viele Streckrichtungen des kristallinen Polymers vorliegen, ist die Flexibilität eines Schneidens in dem Fall eines Schneidens eines Films zum Ausbilden des Stützrahmenkörpers 20 erhöht, um zu ermöglichen, dass die Produktivität verbessert ist.
Alternativ kann auch ein monoaxial-gestrecktes kristallines Polymer (z. B. Polyethylen-Terephthalat-Harz) als Material des Stützrahmenkörpers 20 verwendet werden. In einem derartigen Fall ist die Streckrichtung in der Längsrichtung des Stützrahmens 2 ausgerichtet. Somit kann dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des Stützrahmens 2 in der Längsrichtung mit einem großen Schrumpfen aufgrund der Temperaturänderung gestattet werden, gleichwertig zu jedem linearen Ausdehnungskoeffizienten des Kathodenseparators 4c und des Anodenseparators 4a zu sein, und die Erzeugung von Rissen in der Membranelektrodenbaugruppe 5 kann unterdrückt werden.
In dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Ausführungsform wird ein Adhäsiv ohne jegliche Warmhärteigenschaft und mit Ultraviolett-Härtbarkeit als Adhäsivschicht 10 verwendet. Wenn das Adhäsiv, das kaum durch Erwärmen ausgehärtet wird, aber durch ultraviolette Strahlen ausgehärtet wird, in einer derartigen Weise verwendet wird, ist eine Aufwärmzeit nicht erforderlich, da das Adhäsiv durch ultraviolette Strahlung ohne Erwärmen ausgehärtet wird, und die Zeit von dem Schritt des Ausbildens des Adhäsivschicht 10 kann verkürzt werden, um zu ermöglichen, dass die Produktivität aufgrund einer sehr kurzen Aushärtezeit verbessert wird. Falls das Erwärmen des Adhäsivs erforderlich wäre, würde nicht nur das Adhäsiv sondern auch ein breiter Bereich mit der Membranelektrodenbaugruppe 5 und dem Stützrahmen 2 in der Nähe des Adhäsivs erwärmt werden, und eine Beschädigung der Membranelektrodenbaugruppe 5 kann durch den Unterschied zwischen den linearen Ausdehnungskoeffizienten der Adhäsivschicht 10 und der Membranelektrodenbaugruppe 5 in einem Abkühlvorgang nach dem Erwärmen verursacht werden. Jedoch kann die Beschädigung unterdrückt werden, da das Erwärmen nicht erforderlich ist. Außerdem, falls das Erwärmen des Adhäsivs erforderlich wäre, würde der breite Bereich erwärmt werden, wie zuvor beschrieben wurde, und ein Verziehen des Stützrahmens 2 und der Membranelektrodenbaugruppe 5 aufgrund des Unterschieds zwischen den linearen Ausdehnungskoeffizienten des Stützrahmens 2 und der Membranelektrodenbaugruppe 5 in dem Abkühlvorgang nach dem Erwärmen kann auftreten. Jedoch kann das Verziehen unterdrückt werden, da das Erwärmen nicht erforderlich ist.
In dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Ausführungsform ist das Ende 20e des Stützrahmenkörpers 20 durch die Adhäsivschutzschicht 33 geschützt. Wie in 4 dargestellt ist, ist das Ende 20e des Stützrahmenkörpers 20 einer stark oxidierenden Umgebung näher an einer elektrokatalytischen Kathodenschicht 5c der Einzelbrennstoffzelle 1 ausgesetzt. Insbesondere kann in dem Vorhandensein des Spalts G zwischen dem Stützrahmen 2 und der Kathodengasdiffusionsschicht 3c eine stark säurehaltige wässrige Lösung sich in dem Spalt G sammeln, um das Ende 20e stark zu beschädigen. Jedoch verhindert der Schutz des Endes 20e mit der Adhäsivschutzschicht 33, dass der Stützrahmenkörper 20 der oxidierenden Umgebung ausgesetzt ist, um zu ermöglichen, dass eine Verschlechterung des Stützrahmenkörpers 20 verhindert wird, sogar wenn das Material des Stützrahmenkörpers 20 ein Material ist, das einer oxidierenden Umgebung in der Seite der elektrokatalytischen Kathodenschicht 5c verwundbar ist.
In dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Ausführungsform kann eine Situation verhindert werden, in der die Membranelektrodenbaugruppe 5 des äußeren Randkantenabschnitts 52e aufgrund einer Verschlechterung oder Ähnlichem zerrissen wird, da der äußere Randkantenabschnitt 52e in dem Spalt G zwischen dem Stützrahmen 2 und der Kathodengasdiffusionsschicht 3c in einem inneren Abschnitt 31 der Adhäsivschicht 10 geschützt ist, und verhindert es, dass er zu dem äußeren freigelegt ist. In einer anderen Ausführungsform, die nicht dargestellt ist, ist es dem Stützrahmen 2 und der Kathodengasdiffusionsschicht 3c gestattet, einander anzunähern, um den Spalt G im Wesentlichen zu entfernen.
Als Nächstes wird mit Bezug auf 12 bis 14 eine andere Ausführungsform beschrieben. Ein Herstellungsverfahren des alternativen Beispiels unterscheidet sich von dem voranstehend beschriebenen Herstellungsverfahren, das in 6 bis 11 dargestellt ist, in Hinsicht auf das Ausbilden des Stützrahmenkörpers 20 mit einem Material, das kaum ultraviolette Strahlung mit vorbestimmten Wellenlängen (z. B. 365 nm) überträgt, das zum Aushärten der Adhäsivschicht 10 verwendet wird, und im Ausbilden der Adhäsivschicht 10 mit einem Adhäsiv, das mit einer warmhärtenden Eigenschaft versehen ist, und eine Ultraviolett-Härtbarkeit aufweist. Der Unterschied wird hauptsächlich beschrieben wie folgt.
Beispiele des Materials des Stützrahmenkörpers 20 sind Polyethylen-Naphthalat-Harz oder Polyphenylen-Sulfit-Harz eines gestreckten kristallinen Polymers. Das Polyethylen-Naphthalat-Harz und das Polyphenylen-Sulfit-Harz überträgt kaum ultraviolette Strahlen mit den vorbestimmten Wellenlängen (z. B. 365 nm), die zum Aushärten der Adhäsivschicht 10 verwendet werden. Somit kann berücksichtigt werden, dass der Stützrahmen 2 unter Verwendung eines solchen Materials ein Material ist, das kaum die ultravioletten Strahlen mit den vorbestimmten Wellenlängen unter Betrachtung eines Material überträgt, das kaum die ultravioletten Strahlen mit den vorbestimmten Wellenlängen übertragen kann, die zum Aushärten der Adhäsivschicht 10 verwendet werde. Beispiele des Materials der Adhäsivschicht 10, die in einem derartigen Fall verwendet werden, sind ein UV-härtbares Adhäsiv unter Verwendung eines radikal-polymerisierbaren Harzes, das mit einer warmhärtenden Eigenschaft versehen ist, oder ein UV-härtbares Adhäsiv, das ein kationisches polymerisierbares Harz verwendet, das mit einer warmhärtenden Eigenschaft versehen ist. Obwohl UV-härtbare Adhäsive kaum durch Wärme ausgehärtet werden, wird ein UV-härtbares Adhäsiv, das mit einer warmhärtenden Eigenschaft versehen ist, thermisch gehärtet. In der vorliegenden Ausführungsform ist ein biaxial gestrecktes Polyethylen-Naphthalat-Harz als Material für den Stützrahmenkörper 20 verwendet, und ein UV-härtbares Adhäsiv unter Verwendung eines radikal-polymerisierbaren Harzes, das mit einer warmhärtenden Eigenschaft versehen ist, ist als Material der Adhäsivschicht 10 verwendet. In dieser anderen Ausführungsform ist die Adhäsivschicht 10 aus einem Adhäsiv mit Klebrigkeit ausgebildet, wenn es mit ultravioletten Strahlen bestrahlt wird und zu einem derartigen Grad ausgehärtet wird, dass zumindest die Form der Adhäsivschicht beibehalten werden kann. Als Verfahren zum Verleihen der Adhäsivschicht 10 mit Klebrigkeit ist ein Verfahren, das vollständige Aushärten der Adhäsivschicht 10 durch Anpassen einer Bestrahlungszeit und einer Intensität der ultravioletten Strahlen zu verhindern, verwendet. In einer anderen Ausführungsform, die nicht dargestellt ist, ist ein Verfahren ein zusätzliches Bestandteil wie z. B. ein Klebemittel (Kleber) zu dem Material der Adhäsivschicht 10 verwendet.
In dem Herstellungsverfahren dieser anderen Ausführungsform wird zuerst die Membranelektrodenbaugruppe 5 bereitgestellt, wie in 6 dargestellt ist, gefolgt von dem Platzieren der Kathodengasdiffusionsschicht 3c auf der einen Seitenoberfläche 52 der Membranelektrodenbaugruppe 5, wie in 7 dargestellt ist.
Dann wird die Adhäsivschicht 10 auf dem anderen Randkantenabschnitt 52e unter Verwendung des UV-härtbaren Adhäsivs unter Verwendung des radikal-polymerisierbaren Harzes ausgebildet, das mit einer warmhärtenden Eigenschaft versehen ist, wie in 12 dargestellt ist.
Dann wird die Adhäsivschicht 10 mit ultravioletten Strahlen UV bestrahlt, die vorbestimmte Wellenlängen (365 nm) aufweisen, so dass die Adhäsivschicht 10 an dem äußeren Randkantenabschnitt 52e der Membranelektrodenbaugruppe 5 anhaftet, wie in 12 dargestellt ist. Mit anderen Worten, die Adhäsivschicht 10 ist an der Membranelektrodenbaugruppe 5 aufgrund des ultravioletten Aushärtens angehaftet, was hauptsächlich durch die ultravioletten Strahlen verursacht ist, und schützt den äußeren Randkantenabschnitt 52e. In der Ausführungsform, die in 12 dargestellt ist, ist jedoch verhindert, dass die Adhäsivschicht 10 vollständig aushärtet. Somit wird die Adhäsivschicht 10 zu einem derartigen Grad ausgehärtet, dass die Form der Adhäsivschicht 10 beibehalten bleiben kann, und nicht strömt; jedoch weist die Adhäsivschicht 10 eine Adhäsivität (Klebefestigkeit) auf und kann zu einem gewissen Ausmaß durch Aufbringen einer relativ starken Kraft zu der Adhäsivschicht 10 verformt werden. Die Bedingungen des Bestrahlens mit derartigen ultravioletten Strahlen UV (z. B. die Intensität der ultravioletten Strahlen, die Bestrahlungszeit und Ähnliches) werden ausgewählt, wie geeignet ist, abhängig von dem Material der Adhäsivschicht 10. In einer anderen Ausführungsform, die nicht dargestellt ist, wird ein Klebemittel als zusätzliches Bestandteil zu dem Adhäsiv der Adhäsivschicht 10 hinzugefügt, wodurch die Klebefestigkeit ausgeübt wird.
Darauffolgend ist der Stützrahmen 2 bereitgestellt, wie in 13 dargestellt ist. In der in 13 dargestellten Ausführungsform wird biaxial gestrecktes Polyethylen-Naphthalat-Harz als Material des Stützrahmenkörpers 20 verwendet. Darauffolgend wird der Stützrahmen 2 auf der Adhäsivschicht 10 platziert. In der in 13 dargestellten Ausführungsform sind der Stützrahmen 2 und die Membranelektrodenbaugruppe 5 mit Druck beaufschlagt, um einander relativ zu drücken. Dann wird der Stützrahmen 2 an der Adhäsivschicht 10 angehaftet, durch die Adhäsivschicht 10 gehalten, und dabei vorübergehend an dem äußeren Randkantenabschnitt 52e der Membranelektrodenbaugruppe 5 befestigt, da die Adhäsivität in der Adhäsivschicht 10 verbleibt.
Darauffolgend wird der Stützrahmen 2 erwärmt, während die Druckbeaufschlagung mit einem Druck P fortgeführt wird, wie in 14 dargestellt ist. Als ein Erwärmungsverfahren wird ein Verfahren verwendet, den Stützrahmen 2 mit ultravioletten Strahlen UV zu bestrahlen, die vorbestimmte Wellenlängen aufweisen, und dem Stützrahmen 2 zu gestatten, die ultravioletten Strahlen UV zu absorbieren, wodurch der Stützrahmen 2 eine Wärme durch sich selbst erzeugt, um den Stützrahmen 2 zu erwärmen. In einem derartigen Fall wird der Stützrahmen 2 mit den ultravioletten Strahlen UV so bestrahlt, dass, wenn der Stützrahmen 2 die Wärme erzeugt, die Temperatur des Stützrahmens 2 nicht weniger als die Temperatur ist, an der die Adhäsivschicht 10 ausgehärtet wird. In der in 14 dargestellten Ausführungsform wird der innere Abschnitt 2e in dem Stützrahmen 2 mit ultravioletten Strahlen UV bestrahlt, die vorbestimmte Wellenlängen aufweisen, so dass die Temperatur des inneren Abschnitts 2e, der mit der Adhäsivschicht 10 in dem Stützrahmen 2 in Berührung gerät, nicht geringer als die Temperatur ist, an der die Adhäsivschicht 10 ausgehärtet wird. Die Bedingungen einer derartigen Bestrahlung (z. B. die Intensität der ultravioletten Strahlen, die Bestrahlungszeit und Ähnliches) werden wie geeignet abhängig von den Materialien des Stützrahmens 2 und der Adhäsivschicht 10 ausgewählt. Somit beginnt die Adhäsivschicht 10 unterhalb des inneren Abschnitts 2e des Stützrahmens 2, thermisch ausgehärtet zu werden, um dabei die Adhäsivschicht 10 und den Stützrahmen 2 aneinander anzuhaften. In anderen Worten, die Adhäsivschicht 10 wird durch Warmhärten, das hauptsächlich durch Erwärmen verursacht wird, an den Stützrahmen 2 angehaftet. Als Ergebnis werden der Stützrahmen 2 und die Membranelektrodenbaugruppe 5 aneinander über der Adhäsivschicht 10 angehaftet. Die Adhäsivschicht 10, die nicht mit dem Stützrahmen 2 bedeckt ist, kann ebenfalls mit einem Teil der ultravioletten Strahlen UV bestrahlt werden, von denen die Bestrahlung zu dem inneren Abschnitt 2e des Stützrahmens durchgeführt wird. In einem derartigen Fall kann das Aushärten der Adhäsivschicht 10, die nicht mit dem Stützrahmen 2 bedeckt ist, weiter aufgrund der ultravioletten Strahlen UV voranschreiten. Zu dieser Zeit ist die Intensität der ultravioletten Strahlen, die zum Erwärmen benötigt werden, das durch die Absorption der ultravioletten Strahlen UV verursacht wird, größer als die Intensität der ultravioletten Strahlen in dem Schritt der 12, und deswegen schreitet das Aushärten der Adhäsivschicht 10, die nicht mit dem Stützrahmen 2 bedeckt ist, weiter voran. In einem derartigen Fall ist ein Abschnitt, der mit dem Stützrahmen 2 in einer Adhäsivschutzschicht 33 in Berührung gerät, thermisch ausgehärtet, während der Abschnitt, der mit dem Stützrahmen 2 in der Adhäsivschutzschicht 33 nicht in Berührung gerät, ultraviolett-gehärtet ist. Somit werden der Stützrahmen 2 und die Membranelektrodenbaugruppe 5 über die Adhäsivschicht 10 aneinander angehaftet.
Darauffolgend, wie aus 11 ersichtlich ist, werden der Kathodenseparator 4c und der Anodenseparator 4a auf beiden der Seitenoberflächen des Stützrahmens 2 bzw. der Membranelektrodenbaugruppe 5 platziert.
Die Einzelbrennstoffzelle 1 ist in den voranstehend beschriebenen Schritten ausgebildet.
In dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Ausführungsform ist ein Verfahren angenommen, das ultraviolett härtbare Adhäsiv der Adhäsivschicht 10 mit einer warmhärtenden Eigenschaft zu versehen, und dem Stützrahmen 2 zu gestatten, die ultravioletten Strahlen zu absorbieren, um eine Wärme als Wärmequelle für das Warmhärten zu erzeugen. Somit kann die Adhäsion zwischen der Adhäsivschicht 10 und der Membranelektrodenbaugruppe 5 durch Aushärten der Adhäsivschicht 10 hauptsächlich aufgrund der ultravioletten Bestrahlung erlangt werden, wie in dem Schritt der 12 dargestellt ist. Im Gegensatz kann die Adhäsion zwischen der Adhäsivschicht 10 und dem Stützrahmen 2 durch Warmhärten hauptsächlich aufgrund des lokalen Erwärmens erlangt werden, wie in dem Schritt der 14 dargestellt ist. Mit anderen Worten, der innere Abschnitt 2e kann lokal erwärmt werden, um die Adhäsivschicht 10 durch Bestrahlen des inneren Abschnitts 2e, der mit der Adhäsivschicht 10 in dem Stützrahmen 2 in Berührung gerät, mit ultravioletten Strahlen zu härten, mit der vorteilhaften Verwendung des Materials, das ultraviolette Strahlen nicht überträgt, als das Material des Stützrahmens 2. Mit anderen Worten, die Adhäsivschicht 10, die erwärmt werden muss, kann lokal erwärmt werden, ohne einen breiten Bereich mit der Membranelektrodenbaugruppe 5 und dem Stützrahmen 2 in der Nähe der Adhäsivschicht 10 zu erwärmen. Somit kann die Adhäsion eines Abschnitts, der nicht durch die ultravioletten Strahlen erreicht wird, ermöglicht werden, während Verwendung des Vorteils der Verwendung des ultraviolett härtbaren Adhäsivs gemacht wird, die voranstehend beschrieben wurde.
Zusätzlich zu dem ultraviolett härtbaren Adhäsiv kann auch ein Adhäsiv mit Thermoplastizität, das an einer niedrigen Temperatur von einigen zehn Grad, die geringfügig höher als die Raumtemperatur ist (z. B. Adhäsiv-Polyethylen-Harz) oder ein Adhäsiv mit einer warmhärtenden Eigenschaft, das mit einer niedrigen Temperatur gehärtet wird (z. B. Acryl-Harz, Epoxid-Harz oder Polyisobutylen-Harz) auch als Kandidat für das Material der Adhäsivschicht 10 berücksichtigt werden. Jedoch ist es schwierig, jedes Adhäsiv in einer Einzelbrennstoffzelle für ein Fahrzeug unter Betrachtung der Probleme der Adhäsivfestigkeit und der Herstellung zu verwenden, wie voranstehend beschrieben wurde. Ausgehend von dem voranstehend Beschriebenen wird das ultraviolett härtbare Adhäsiv, das mit einer warmhärtenden Eigenschaft versehen ist, als Material der Adhäsivschicht 10 in der Einzelbrennstoffzelle eines Fahrzeugs verwendet.
Sogar in einem solchen Fall kann eine Wirkung ähnlich zu der der Einzelbrennstoffzelle 1 erhalten werden, die durch das Herstellungsverfahren der voranstehend beschriebenen Ausführungsform erhalten wird, die in 6 bis 11 dargestellt ist.
In der voranstehend beschrieben Ausführungsform ist die eine Seitenoberfläche 52 (die Seitenoberfläche näher an der Kathodengasdiffusionsschicht 3c) der Membranelektrodenbaugruppe 5 eine Kathodenelektrodenseitenoberfläche, während die andere Seitenoberfläche (die Seitenoberfläche näher an der Anodengasdiffusionsschicht 3a) der Membranelektrodenbaugruppe 5 eine Anodenelektrodenseitenoberfläche ist. In noch einer anderen Ausführungsform, die nicht dargestellt ist, ist die eine Seitenoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe 5 eine Anodenelektrodenseitenoberfläche, während die andere Seitenoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe 5 eine Kathodenelektrodenseitenoberfläche ist.
Bezugszeichenliste

1: Einzelbrennstoffzelle
2: Stützrahmen
3a: Anodengasdiffusionsschicht
3c: Kathodengasdiffusionsschicht
5: Membranelektrodenbaugruppe
10: Adhäsivschicht
20: Stützrahmenkörper
21, 22: Adhäsivbeschichtungsschicht
52e: äußerer Randkantenabschnitt

Claims

Einzelbrennstoffzelle (1) mit: einer Membranelektrodenbaugruppe (5) mit einer Elektrolytmembran (5e) und elektrokatalytischen Schichten, die an beiden Seitenoberflächen der Elektrolytmembran (5e) entsprechend ausgebildet sind; Gasdiffusionsschichten (3a, 3c), die an beiden Seitenoberflächen der Membranelektrodenbaugruppe (5) entsprechend platziert sind, so dass ein äußerer Randkantenabschnitt (52e) in einer Seitenoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe (5) verbleibt; einer Adhäsivschicht (10), die ausgebildet ist, den äußeren Randkantenabschnitt (52e) zu bedecken; einem Stützrahmen (2), der an der Adhäsivschicht (10) befestigt ist; und Separatoren (4a, 4c), die an beiden Seitenoberflächen des Stützrahmens (2) bzw. der Gasdiffusionsschichten (3a, 3c) platziert sind, so dass Randabschnitte der Separatoren (4a, 4c) an dem Stützrahmen (2) befestigt sind und Mittelabschnitte der Separatoren (4a, 4c) mit den Gasdiffusionsschichten (3a, 3c) in Anlage sind, wobei der Stützrahmen (2) umfasst: einen Stützrahmenkörper (20); und eine Adhäsivbeschichtungsschicht, die aus einem Adhäsiv mit Thermoplastizität an zumindest einer von beiden Seitenoberflächen des Stützrahmenkörpers (20) ausgebildet ist, die Separatoren (4a, 4c) aus einem Metall ausgebildet sind; und der Stützrahmenkörper (20) aus einem gestreckten kristallinen Polymer ausgebildet ist, wobei die Adhäsivschicht (10) aus einem Adhäsiv mit Ultraviolett-Härtbarkeit ausgebildet ist; und der Stützrahmenkörper (20) aus einem gestreckten kristallinen Polymer ausgebildet ist, das einen ultravioletten Strahl mit einer vorbestimmten Wellenlänge überträgt, der das Adhäsiv aushärtet.
Einzelbrennstoffzelle (1) nach Anspruch 1, wobei der Stützrahmenkörper (20) aus einem multiaxial-gestreckten kristallinen Polymer ausgebildet ist.
Einzelbrennstoffzelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine der Streckrichtungen des kristallinen Polymers parallel zu einer Längsrichtung des Stützrahmenkörpers (20) ist.
Einzelbrennstoffzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das kristalline Polymer zumindest eines aus einem Polyethylen-Terephthalat-Harz, syndiotaktischem Polystyren-Harz und Polypropylen-Harz hat.
Einzelbrennstoffzelle (1) mit: einer Membranelektrodenbaugruppe (5) mit einer Elektrolytmembran (5e) und elektrokatalytischen Schichten, die an beiden Seitenoberflächen der Elektrolytmembran (5e) entsprechend ausgebildet sind; Gasdiffusionsschichten (3a, 3c), die an beiden Seitenoberflächen der Membranelektrodenbaugruppe (5) entsprechend platziert sind, so dass ein äußerer Randkantenabschnitt (52e) in einer Seitenoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe (5) verbleibt; einer Adhäsivschicht (10), die ausgebildet ist, den äußeren Randkantenabschnitt (52e) zu bedecken; einem Stützrahmen (2), der an der Adhäsivschicht (10) befestigt ist; und Separatoren (4a, 4c), die an beiden Seitenoberflächen des Stützrahmens (2) bzw. der Gasdiffusionsschichten (3a, 3c) platziert sind, so dass Randabschnitte der Separatoren (4a, 4c) an dem Stützrahmen (2) befestigt sind und Mittelabschnitte der Separatoren (4a, 4c) mit den Gasdiffusionsschichten (3a, 3c) in Anlage sind, wobei der Stützrahmen (2) umfasst: einen Stützrahmenkörper (20); und eine Adhäsivbeschichtungsschicht, die aus einem Adhäsiv mit Thermoplastizität an zumindest einer von beiden Seitenoberflächen des Stützrahmenkörpers (20) ausgebildet ist, die Separatoren (4a, 4c) aus einem Metall ausgebildet sind; und der Stützrahmenkörper (20) aus einem gestreckten kristallinen Polymer ausgebildet ist, wobei die Adhäsivschicht (10) aus einem Adhäsiv mit Ultraviolett-Härtbarkeit und einer Warmhärteigenschaft ausgebildet ist; und der Stützrahmenkörper (20) aus einem gestreckten kristallinen Polymer ausgebildet ist, das einen ultravioletten Strahl mit einer vorbestimmten Wellenlänge, der das Adhäsiv aushärtet, weniger gut als das Adhäsiv überträgt.
Einzelbrennstoffzelle (1) nach Anspruch 5, wobei der Stützrahmenkörper (20) aus einem multiaxial-gestreckten kristallinen Polymer ausgebildet ist.
Einzelbrennstoffzelle (1) nach Anspruch 5 oder 6, wobei eine der Streckrichtungen des kristallinen Polymers parallel zu einer Längsrichtung des Stützrahmenkörpers (20) ist.
Einzelbrennstoffzelle (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das kristalline Polymer zumindest eines aus Polyethylen-Naphthalat-Harz und Polyphenylen-Sulfit-Harz hat.
Einzelbrennstoffzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Separatoren (4a, 4c) aus rostfreiem Stahl oder Titan ausgebildet sind.
Einzelbrennstoffzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die eine Seitenoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe (5) eine Kathodenelektrodenseitenoberfläche ist.