DE102016103699B4

DE102016103699B4 - Einzelbrennstoffzelle mit Stützrahmen und Verfahren zum Herstellen einer Einzelbrennstoffzelle

Info

Publication number: DE102016103699B4
Application number: DE102016103699.4A
Authority: DE
Inventors: Kotaro Ikeda; Akito Kawasumi
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: JP6237675B2; CN105938911A; JP2016162649A; US9831504B2; US20160260989A1; CN105938911B; DE102016103699A1

Abstract

Einzelbrennstoffzelle (1) mit:einer Membranelektrodenbaugruppe (5), mit einer Elektrolytmembran (5e) und elektrokatalytischen Schichten (5a, 5c), 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; undeinem Stützrahmen (2), der auf der Adhäsivschicht (10) befestigt ist,wobei der Stützrahmen (2) umfasst:einen aus Harz hergestellten Stützrahmenkörper (20); undBeschichtungsschichten (21, 22), die ausgebildet sind, um beide Seitenoberflächen des Stützrahmenkörpers (2) entsprechend zu bedecken;wobei der Stützrahmen (2) auf der Adhäsivschicht (10) so befestigt ist, dass der Stützrahmen (2) von der Gasdiffusionsschicht (3a, 3c) auf der einen Seitenoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe (5) beabstandet ist; unddie Einzelbrennstoffzelle (1) außerdem eine Schutzschicht (33) umfasst, die ausgebildet ist, ein Ende eines inneren Abschnitts des Stützrahmenkörpers (20) zu bedecken,dadurch gekennzeichnet, dassein Spalt G zwischen der Schutzschicht (33) und einem Ende (3ceg) eines äußeren Abschnitts (3ce) von einer der Gasdiffusionsschichten verbleibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einzelbrennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Herstellen einer Einzelbrennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6. Die Merkmale dieser Oberbegriffe sind aus der Druckschrift DE 11 2007 001 741 T5 bekannt. Weitere Einzellbrennstoffzellen mit Stützrahmen sind in den Schriften DE 10 2014 205 003 A1 , US 2007/0287056 A1 und WO 2014/111745 A2 beschrieben.
Bekannt ist eine Einzelbrennstoffzelle, die eine Membranelektrodenbaugruppe hat, die eine Elektrolytmembran aufweist, und elektrokatalytische Schichten, die an beiden Seitenoberflächen 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; eine Adhäsivschicht mit Thermoplastizität, die ausgebildet ist, um den äußeren Randkantenabschnitt zu bedecken; und einen Stützrahmen, wobei der Stützrahmen hat: einen aus Harz ausgebildeten Stützrahmenkörper; und Beschichtungsschichten, die zum Bedecken der beiden Seitenoberflächen des Stützrahmenkörpers ausgebildet sind; und der Stützrahmen angrenzend an die Gasdiffusionsschicht an der einen Seitenoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe liegt, oder angrenzend an die Gasdiffusionsschicht über ein elastisches adhäsives Material liegt (siehe z. B. die Druckschrift JP 2013-251253 A ).
Die voranstehend beschriebene Einzelbrennstoffzelle weist eine Struktur auf, in der der Stützrahmen im Wesentlichen angrenzend an die Gasdiffusionsschicht an der einen Seitenoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe liegt. In der Struktur, wenn der Stützrahmen so an der Adhäsivschicht befestigt ist, dass er angrenzend an die Gasdiffusionsschicht liegt, können sich der Stützrahmen und die Gasdiffusionsschicht teilweise gegenseitig aufgrund eines Abmessungsfehlers oder einer Positionsabweichung überlappen, und die Adhäsivschicht kann von dem Bereich zwischen dem Stützrahmen und der Gasdiffusionsschicht aufgrund eines Dickenfehlers vorragen. Als Kandidat für ein Verfahren zum Vermeiden von derartigen Situationen kann eine Struktur berücksichtigt werden, in der der Stützrahmen von der Gasdiffusionsschicht beabstandet ist. Durch das Beabstanden des Stützrahmens von der Gasdiffusionsschicht können der Abmessungsfehler, die Positionsabweichung und der Dickenfehler aufgrund eines zwischen dem Stützrahmen und der Gasdiffusionsschicht ausgebildeten Spalts absorbiert werden. In einem derartigen Fall ist ein Ende des Stützrahmenkörpers, das nicht mit den Beschichtungsschichten bedeckt ist, in dem Stützrahmen zu dem Spalt freigelegt. Jedoch sammelt sich Wasser, das in der Einzelbrennstoffzelle erzeugt wird, einfach in dem Spalt, das erzeugte Wasser ist stark säurehaltig, und deswegen ist das Ende des Stützrahmenkörpers dem stark säurehaltigen erzeugten Wasser ausgesetzt. Als Ergebnis kann eine Verschlechterung des Stützrahmenkörpers auftreten, wie z. B. eine Verringerung der Festigkeit aufgrund einer Hydrolyse eines Teils des Stützrahmenkörpers durch das erzeugte Wasser abhängig von dem Harz.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, zu verhindern, dass der Stützrahmenkörpers sich sogar in der Struktur verschlechtert, in der der Stützrahmen von der Gasdiffusionsschicht beabstandet ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Einzelbrennstoffzelle nach Anspruch 1 bzw. ein Verfahren nach Anspruch 6 gelöst.
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; und einem Stützrahmen, der an der Adhäsivschicht befestigt ist; wobei der Stützrahmen umfasst: einen aus einem Harz hergestellten Stützrahmenkörper; und Beschichtungsschichten, die ausgebildet sind, um beide Seitenoberflächen des Stützrahmenkörpers zu bedecken; wobei der Stützrahmen so an der Adhäsivschicht befestigt ist, dass der Stützrahmen von der Gasdiffusionsschicht an der einen Seitenoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe beabstandet ist; und die Einzelbrennstoffzelle außerdem eine Schutzschicht umfasst, die ausgebildet ist, ein Ende eines inneren Abschnitts des Stützrahmenkörpers zu bedecken.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer Einzelbrennstoffzelle bereitgestellt, wobei die Einzelbrennstoffzelle umfasst: eine Membranelektrodenbaugruppe mit einer Elektrolytmembran und elektrokatalytischen Schichten, die an beiden Seitenoberflächen der Elektrolytmembran entsprechend ausgebildet sind; Gasdiffusionsschichten, die an beiden Seitenoberflächen der Membranelektrodenbaugruppe entsprechend ausgebildet sind; und einen Stützrahmen, der die Membranelektrodenbaugruppe an einem Rand der Membranelektrodenbaugruppe stützt; wobei der Stützrahmen umfasst: einen aus einem Harz hergestellten Stützrahmenkörper; und Beschichtungsschichten, die ausgebildet sind, um beide Seitenoberflächen des Stützrahmenkörpers entsprechend zu bedecken; wobei das Verfahren zum Herstellen der Einzelbrennstoffzelle hat: Bereitstellen der Membranelektrodenbaugruppe, in der die Gasdiffusionsschichten so bereitgestellt sind, dass ein äußerer Randkantenabschnitt in einer Seitenoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe verbleibt; Ausbilden einer Adhäsivschicht auf dem äußeren Randkantenabschnitt; Platzieren des Stützrahmens, in dem ein Ende eines inneren Abschnitts des Stützrahmenkörpers freigelegt ist, auf der Adhäsivschicht derart, dass der Stützrahmen von der Gasdiffusionsschicht an der einen Seitenoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe beabstandet ist; Relativdrücken des Stützrahmens auf die Adhäsivschicht; und Aushärten der Adhäsivschicht, wobei in dem Schritt des relativen Drückens des Stützrahmens auf die Adhäsivschicht das Ende des inneren Abschnitts des Stützrahmenkörpers mit einem Teil der Adhäsivschicht bedeckt wird, wodurch eine Schutzschicht ausgebildet wird.
Es kann verhindert werden, dass ein Stützrahmenkörper sich sogar in einer Struktur verschlechtert, in der ein Stützrahmen von einer Gasdiffusionsschicht beabstandet ist.
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 Strömungsdurchtrittselements darstellt;
6 ist eine Teilquerschnittsansicht, 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 des Verfahrens zum Herstellen einer Einzelbrennstoffzelle darstellt;
13 ist eine Teilquerschnittsansicht, die die Schritte des Verfahrens zum Herstellen einer Einzelbrennstoffzelle darstellt;
14 ist eine Teilquerschnittsansicht, die die Schritte des Verfahrens zum Herstellen einer Einzelbrennstoffzelle darstellt;
15 ist eine Teilquerschnittsansicht, die die Schritte eines Verfahrens zum Herstellen einer Einzelbrennstoffzelle einer anderen Ausführungsform darstellt;
16 ist eine Teilquerschnittsansicht, die die Schritte des Verfahrens zum Herstellen einer Einzelbrennstoffzelle der anderen Ausführungsform darstellt; und
17 ist eine Teilquerschnittsansicht, die die Schritte des Verfahrens zum Herstellen einer Einzelbrennstoffzelle der anderen Ausführungsform darstellt.

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 den 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 die Längsrichtung L1 bzw. die 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. Strömungsdurchtrittelemente 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 Strömungsdurchtrittelemente 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. Strömungsdurchtrittelemente 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 Strömungsdurchtrittelemente 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 A 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 A platziert sind, zu dem Äußeren des Brennstoffzellenstapels A genommen. Die von dem Brennstoffzellenstapel A 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 Fluor basierte 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 einen Seitenoberfläche 52 der Membranelektrodenbaugruppe 5 platziert ist, ist ein äußerer Randkantenabschnitt 52e in Form eines Rahmens auf der einen 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 anderen 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 Polyisobutylen-Harz, UV-härtbares Epoxidharz, und UV-härtbares Acrylharz verwendet werden; und UV-härtbare Adhäsive, in denen kationische polymerisierbare Harze verwendet werden. In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist ein UV-härtbares Adhäsiv, in dem ein UV-härtbares Polyisobutylen-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, der eine Seitenoberfläche des Stützrahmens 2 ist, 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 Stützrahmen 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. Die Adhäsivbeschichtungsschichten 21 und 22 können als Beschichtungsschichten berücksichtigt werden, die beide Seitenoberflächen des Stützrahmenkörpers 20 bedecken.
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. Beispiele der Konstruktionskunststoffe sind Polyethylen-Naphthalat-Harz (PEN), Polyethylen-Terephthalat-Harz (PET). In der in 3 dargestellten Ausführungsform ist ein Polyethylen-Terephthalat-Harz verwendet, das ultraviolette Strahlung mit vorbestimmten Wellenlängen (z. B. 365 nm) übertragen kann, die zum Härten der Adhäsivschicht 10 verwendet wird, als Material des Stützrahmenkörpers 20 verwendet.
Die Adhäsivbeschichtungsschichten 21 und 22 können an dem Stützrahmenkörper 20, einem Kathodenseparator 4c, einem Anodenseparator 4a und der Adhäsivschicht 10 angehaftet sein, und sind mit einem eine Thermoplastizität aufweisenden Adhäsiv 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 eine Struktur aufgenommen, in der der Stützrahmen 2 von der Kathodengasdiffusionsschicht 3c beabstandet ist, um den Spalt G auszubilden. Da der Spalt G eine ausgesparte Form aufweist, sammelt sich in der Einzelbrennstoffzelle 1 erzeugtes Wasser einfach in dem Spalt G.
Das erzeugte Wasser wird aufgrund von einer Schwefelsäure und/oder Ähnlichem säurehaltig, das von der Elektrolytmembran 5e abgegeben wird, und kann konzentriert werden, um stark säurehaltig zu werden, da es in dem Spalt G für eine lange Zeit verbleibt. Wenn das Ende 20eg des inneren Abschnitts 20e des Stützrahmenkörpers 20, das mit keiner der Adhäsivbeschichtungsschichten 21 und 22 beschichtet ist, dem Spalt G ausgesetzt ist, ist das Ende 20eg somit dem stark säurehaltigen erzeugten Wasser ausgesetzt. In einem derartigen Fall, wenn ein Material, das einer stark säurehaltigen Umgebung wie z. B. einer Umgebung, in der das voranstehend beschriebene erzeugte Wasser vorhanden ist, stark anfällig ist, wie z. B. Polyethylen-Terephthalat-Harz oder Polyethylen-Naphthalat-Harz, als das Material des Stützrahmenkörpers 20 verwendet wird, kann die Festigkeit des Stützrahmenkörpers 20 verringert werden, z. B. aufgrund einer Hydrolyse eines Teils des Stützrahmenkörpers 20.
Somit ist in der in 3 dargestellten Ausführungsform eine Schutzschicht, die das Ende 20eg von einer stark säurehaltigen Umgebung schützt, d. h., eine Adhäsivschutzschicht 33 auf dem Ende 20eg des Stützrahmenkörpers 20 ausgebildet, während ein Polyethylen-Terephthalat-Harz-Material, das gegenüber einer stark säurehaltigen Umgebung anfällig ist, als das Material des Stützrahmenkörpers 20 verwendet wird. Das Material der Adhäsivschutzschicht 33 ist nicht besonders begrenzt, solange es ein Material ist, das das Ende 20e vor der stark säurehaltigen Umgebung schützen kann. Beispiele des Materials sind die gleichen Materialien wie die der Adhäsivschicht 10 und das gleiche Material wie das der Adhäsivbeschichtungsschichten 21 und 22. Somit ist verhindert, dass der Stützrahmenkörper 20 einer stark säurehaltigen Umgebung ausgesetzt ist, und es kann verhindert werden, dass die Festigkeit des Stützrahmenkörpers 20 sich verringert. Beide 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. Die Adhäsivschutzschicht 33 bedeckt den Spalt G nicht vollständig, und der Stützrahmen 2 und die Kathodengasdiffusionsschicht 3c liegen nicht angrenzend aneinander über die Adhäsivschutzschicht 33. Mit anderen Worten, der Spalt G verbleibt zwischen der Adhäsivschutzschicht 33 und einem Ende 3ceg des äußeren Abschnitts 3ce der Kathodengasdiffusionsschicht 3c. Deswegen kann von einer Seite des Spalts G geprüft werden, ob die Adhäsivschutzschicht 33 das Ende 20eg des Stützrahmenkörpers 20 geeignet bedeckt.
Der Randabschnitt 4ce in einer Seitenoberfläche des Kathodenseparators 4c ist an der anderen Seitenoberfläche des Stützrahmens 2 mit der Adhäsivbeschichtungsschicht 21 angehaftet und befestigt. Der 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 der Randabschnitt 4ae in einer Seitenoberfläche des Anodenseparators 4a an einer Seitenoberfläche des Stützrahmens 2 mit der Adhäsivbeschichtungsschicht 22 angehaftet und befestigt. Der 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 Sauerstoffgas, Brennstoffgas oder 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.
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 zirkuliert wird, zwischen dem Stützrahmen 2 und dem Kathodenseparator 4c platziert. Das Strömungsdurchtrittelement 4cs1 bildet Strömungsdurchtritte für Sauerstoffgas zwischen einem Sauerstoffgaskrümmer 6cm, der durch Ausrichten von Durchdringungsanschlüssen 6c1, 6c5 und 6c3 für Sauerstoffgaskrümmer in einer Richtung S der Dicke nach und mehrere Sauerstoffgaszufuhrdurchtritte 8 in dem Mittelabschnitt 4cm des Kathodenseparators 4c ausgebildet ist. Ähnlich ist das Strömungsdurchtrittelement 4cs2, durch das ein Sauerstoffgas zirkuliert wird (siehe 1), zwischen dem Stützrahmen 2 und dem Kathodenseparator 4c platziert. Das Strömungsdurchtrittelement 4cs2 bildet Strömungsdurchtritte für Sauerstoffgas zwischen einem anderen Sauerstoffgaskrümmer, der durch Ausrichten von Durchdringungsanschlüssen 6c2, 6c6 und 6c4 für 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 Strömungsdurchtrittelements 4cs1 in einer Strömungsdurchtrittrichtung eine Form auf, die eine Mehrzahl Nuten parallel zu der Strömungsdurchtrittrichtung aufweist, ähnlich mit den Sauerstoffgaszufuhrdurchtritten 8. In der in 1 dargestellten Ausführungsform sind die Formen der Strömungsdurchtrittelemente 4cs2, 4as1 und 4as2 ähnlich zu der Form des Strömungsdurchtrittelements 4cs1.
Der Spalt G ist an dem Rand der Kathodengasdiffusionsschicht 3c vorhanden. Wie in 4 dargestellt ist, befindet sich der Spalt G zwischen dem Strömungsdurchtrittelement 4cs1 und dem Sauerstoffgaszufuhrdurchtritt 8 in einem Strömungsdurchtritt für Sauerstoffgas, und deswegen sammelt sich in der Einzelbrennstoffzelle 1 erzeugtes Wasser einfach in dem Spalt G. Ähnlich, obwohl die Darstellung weggelassen ist, sammelt sich in der Einzelbrennstoffzelle 1 erzeugtes Wasser einfach in einem Spalt G zwischen dem Sauerstoffgaszufuhrdurchtritt 8 und dem Strömungsdurchtrittelement 4cs2, das an der gegenüberliegenden Seite der Kathodengasdiffusionsschicht 3c platziert ist. Derartige Arten von erzeugtem Wasser, die säurehaltig sind, können konzentriert werden und können stark säurehaltig werden, wenn sie in jedem Spalt G für eine lange Zeit verbleiben. Da jedoch die Adhäsivschutzschicht 33 auf dem Ende 20eg des Stützrahmenkörpers 20 ausgebildet ist, ist das Ende 20eg vor stark säurehaltigem erzeugten Wasser und/oder Ähnlichem geschützt.
Als Nächstes wird ein Verfahren zum Herstellen einer Einzelbrennstoffzelle beschrieben. 6 bis 13 sind Teilquerschnittsansichten, die jeden Schritt des Verfahrens zum Herstellen der Einzelbrennstoffzelle 1 darstellen.
Zuerst, wie in 6 dargestellt ist, ist ein Blatt 2s für einen Stützrahmen als das Material des Stützrahmens 2 bereitgestellt. Das Blatt 2s für einen Stützrahmen hat: einen Stützrahmenkörpers 20s; und Adhäsivbeschichtungsschichten 21s und 22s entsprechend an beiden Seitenoberflächen des Stützrahmenkörpers 20s. In der in 6 dargestellten Ausführungsform wird Polyethylen-Terephthalat-Harz als das Material des Stützrahmenkörpers 20s verwendet, d. h., als das Material des Stützrahmenkörpers 20. Der Stützrahmenkörper 20 ist im Voraus axial in rechtwinklig zueinander liegende Streckrichtungen gestreckt.
Dann, wie aus 7 ersichtlich ist, wird das Blatt 2s für einen Stützrahmen in eine Rahmenform geschnitten, um den Stützrahmen 2 auszubilden. In einem derartigen Fall wird das Blatt 2s für einen Stützrahmen so geschnitten, dass die biaxialen Streckrichtungen des Stützrahmenkörpers 20 in der Längsrichtung L1 und der Querrichtung L2 des Stützrahmens 2 entsprechend ausgerichtet sind. Der Stützrahmenkörper 20s und die Adhäsivbeschichtungsschichten 21s und 22s werden der Stützrahmenkörper 20 und die Adhäsivbeschichtungsschichten 21 und 22. In einer anderen Ausführungsform, die nicht dargestellt ist, wird das Blatt 2s für einen Stützrahmen so geschnitten, dass die biaxialen Streckrichtungen des Stützrahmenkörpers 20s sich mit der Längsrichtung L1 und der Querrichtung L2 des Stützrahmens 2 entsprechend schneiden.
Darauffolgend, wie in 8 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 als Nächstes in 9 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 als Nächstes in 10 dargestellt ist, wird die Adhäsivschicht 10 mit Ultraviolett-Härtbarkeit auf dem äußeren Randkantenabschnitt 52e ausgebildet. In der in 10 dargestellten Ausführungsform ist ein UV-härtbares Adhäsiv, in dem ein radikal-polymerisierbares 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 der in dem Schritt der 7 erhaltene Stützrahmen 2 bereitgestellt, wie in 11 dargestellt ist. Der Stützrahmenkörper 20 wird aus Polyethylen-Terephthalat-Harz ausgebildet, das biaxial gestreckt ist, wie voranstehend beschrieben wurde, und die biaxialen Streckrichtungen des Stützrahmenkörpers 20 sind in der Längsrichtung L1 und der Querrichtung L2 des Stützrahmens 2 entsprechend ausgerichtet. Darauffolgend wird der Stützrahmen 2 auf der Adhäsivschicht 10 platziert. In der in 11 dargestellten Ausführungsform ist der Stützrahmen 2 an einer geeigneten Position auf der Adhäsivschicht 10 so platziert, dass ein innerer Abschnitt 2e des Stützrahmens 2 mit einem äußeren Abschnitt 32 der Adhäsivschicht 10 in Berührung gerät, und die Adhäsivschicht 10 teilweise freigelegt ist. Mit anderen Worten, der Stützrahmen 2 ist so auf der Adhäsivschicht 10 platziert, dass der Stützrahmen 2 von der Kathodengasdiffusionsschicht 3c beabstandet ist. Dann wird der Stützrahmen 2 an der Adhäsivschicht 10 angehaftet, da die Adhäsivschicht 10 eine Adhäsivität aufweist. In der anderen Ausführungsform, die nicht dargestellt ist, in der das Blatt 2s für einen Stützrahmen so geschnitten ist, dass die biaxialen Streckrichtungen sich mit der Längsrichtung L1 und der Querrichtung L2 schneiden, ist es den biaxialen Streckrichtungen gestattet, sich mit der Längsrichtung L1 und der Querrichtung L2 des Stützrahmens 2 entsprechend zu schneiden, wenn biaxial gestrecktes Polyethylen-Naphthalat-Harz platziert wird.
Dann werden der Stützrahmen 2 und die Membranelektrodenbaugruppe 5 mit Druck beaufschlagt, um einander relativ zu drücken, wie in 12 dargestellt ist. 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 des Stützrahmens 2 verformt, ein Teil davon bewegt sich zu dem Spalt G, und die Adhäsivschutzschicht 33, die das Ende 20eg des Stützrahmenkörpers 20 bedeckt, wird ausgebildet. Die Adhäsivschutzschicht 33 kann z. B. durch Anpassen der Dicke und des Drucks P der Adhäsivschicht 10 ausgebildet werden. In einer anderen Ausführungsform, die nicht dargestellt ist, wird die Adhäsivschutzschicht 33 im Voraus auf dem Ende 20eg des Stützrahmenkörpers 20 unter Verwendung eines identischen oder 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 vorbestimmte Wellenlängen (z. B. 365 nm) aufweisen, während die Druckbeaufschlagung mit dem Druck P fortgeführt wird, wie in 13 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 vorbestimmte Wellenlängen aufweisen, und das Polyethylen-Terephthalat-Harz des Stützrahmenkörpers 20 kann ebenfalls die ultravioletten Strahlen UV übertragen, die vorbestimmte Wellenlängen 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 mit ultravioletten Strahlen bestrahlt.
Dann, wie in 14 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 und der äußere Abschnitt 21f in der Adhäsivbeschichtungsschicht 22 und 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.
Die Einzelbrennstoffzelle 1 wird in den voranstehend beschriebenen Schritten ausgebildet.
In dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Ausführungsform ist das Ende 20eg des Stützrahmenkörpers 20 durch die Adhäsivschutzschicht 33 geschützt. Wie in 4 dargestellt ist, ist das Ende 20eg des Stützrahmenkörpers 20 einer stark sauerstoffhaltigen Umgebung in der Seite der elektrokatalytischen Kathodenschicht 5c der Einzelbrennstoffzelle 1 ausgesetzt. Insbesondere ist der Spalt G zwischen dem Stützrahmen 2 und der Kathodengasdiffusionsschicht 3c vorhanden, und daher kann sich eine stark säurehaltige wässrige Lösung in dem Spalt G sammeln und das Ende 20eg stark beschädigen. Da jedoch das Ende 20eg durch die Adhäsivschutzschicht 33 geschützt ist, ist verhindert, dass der Stützrahmenkörper 20 einer oxidierenden Umgebung ausgesetzt ist, um zu ermöglichen, dass verhindert wird, dass der Stützrahmenkörper 20 sich sogar verschlechtert, wenn das Material des Stützrahmenkörpers 20 ein Material ist, das einer oxidierenden Umgebung in der Seite der elektrokatalytischen Kathodenschicht 5c gegenüber anfällig ist.
In dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Ausführungsform wird ein biaxial gestrecktes kristallines Polymer als Material des Stützrahmenkörpers 20 verwendet, und die biaxialen Streckrichtungen sind in der Längsrichtung L1 bzw. der Querrichtung L2 des Stützrahmens 2 ausgerichtet. Somit kann den linearen Ausdehnungskoeffizienten des Stützrahmens 2 in der Längsrichtung L1 und der Querrichtung L2 gestattet werden, gleichwertig zu je dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des Kathodenseparators 4c und des Anodenseparators 4a zu sein. Somit kann dem Schrumpfen des Stützrahmens 2 und dem Schrumpfen von beiden Sparatoren 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, 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.
Ein Adhäsiv, das nur ein geringes Erwärmen oder gar kein Erwärmen erfordert, kann eher als ein thermoplastisches Adhäsiv, das sich mit einer hohen Temperatur anhaftet, als Kandidat für jedes Material der Adhäsivbeschichtungsschichten 21 und 22 berücksichtigt werden, mit denen der Stützrahmen 2 und beide Separatoren 4a und 4c angehaftet werden. Dies ist deswegen der Fall, da der Bedarf zum Berücksichtigen des linearen Ausdehnungskoeffizienten eines Anhaftungsmittels nicht notwendig ist, falls ein Erwärmen nicht durchgeführt wird. Zum Beispiel können ein thermoplastisches Adhäsiv, das sich mit einer geringen Temperatur von einigen zehn Grad, die geringfügig höher als die Umgebungstemperatur ist (z. B. ein Adhäsiv-Polyethylen-Harz), oder ein warmhärtendes Adhäsiv (z. B. ein acrylisches Harz, Epoxidharz oder ein Polyisobutylen-Harz) als Kandidat für das Adhäsiv berücksichtigt werden, das ein Erwärmen kaum benötigt. Da jedoch die Adhäsivfestigkeit des thermoplastischen Adhäsivs, das sich an niedrigen Temperaturen anhaftet, bei einer höheren Temperatur als der Adhäsionstemperatur verringert, ist es schwierig, das thermoplastische Adhäsiv in einer Einzelbrennstoffzelle für ein Fahrzeug zu verwenden, die einen Hochtemperaturbetrieb benötigt. Das warmhärtende Adhäsiv, das sich mit einer niedrigen Temperatur aushärtet, weist ein Problem auf wie z. B. eine schlechte Handhabbarkeit, die bedeutet, dass es unmöglich ist, das warmhärtende Adhäsiv bei einer gewöhnlichen Temperatur handzuhaben; eine niedrige Produktivität aufgrund einer langen Aushärtzeit; einen geringen Säurewiderstand in dem Fall eines acrylischen Harzes; Induktion einer Verringerung der Festigkeit einer Elektrolytmembran in dem Fall eines Epoxidharzes; oder eine hohe Viskosität in dem Fall eines Polyisobuthylen-Harzes. Somit ist es schwierig, das warmhärtende Adhäsiv in einer einzelnen Brennstoffzelle für ein Fahrzeug zu verwenden. Ein Adhäsiv, das eine Ultraviolett-Härtbarkeit aufweist, kann als Kandidat für das Adhäsiv berücksichtigt werden, das ein Erwärmen nicht benötigt. Jedoch ist es schwierig, das ultraviolett härtbare Adhäsiv zu verwenden, da beide Separatoren 4a und 4c ultraviolette Strahlen nicht übertragen. Ausgehen von solchen Gründen wird in der Einzelbrennstoffzelle für ein Fahrzeug ein thermoplastisches Adhäsiv verwendet, dass sich mit einer hohen Temperatur anhaftet, als Material der Adhäsivbeschichtungsschichten 21 und 22, mit denen der Stützrahmen 2 und beide Separatoren 4a und 4c angehaftet werden. Somit werden Materialien, deren lineare Expansionskoeffizienten gleichwertig zueinander sind, als Materialien des Stützrahmens 2 und der beiden Separatoren 4a und 4c verwendet, wie voranstehend beschrieben wurde.
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 ein Bedarf einer Aufwärmzeit ausgeschlossen, 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. Wenn das Erwärmen des Adhäsivs erforderlich ist, 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 der Bedarf für das Erwärmen ausgeschlossen ist. Außerdem, wenn das Erwärmen des Adhäsivs erforderlich ist, wird 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 können auftreten. Jedoch kann das Verziehen unterdrückt werden, da der Bedarf für das Erwärmen ausgeschlossen ist.
In dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Ausführungsform kann eine Situation verhindert werden, in der der äußere Randkantenabschnitts 52e der Membranelektrodenbaugruppe 5 aufgrund einer Verschlechterung oder Ähnlichem zerrissen wird, da der äußere Randkantenabschnitt 52e in dem Spalt G zwischen dem Stützrahmen 2 und der Kathodengasdiffusionsschicht 3c durch einen inneren Abschnitt 31 der Adhäsivschicht 10 geschützt ist, und verhindert es, dass er zu dem äußeren freigelegt ist.
Als Nächstes wird mit Bezug auf 15 bis 17 eine andere Ausführungsform beschrieben. Ein Herstellungsverfahren dieser anderen Ausführungsform unterscheidet sich von dem voranstehend beschriebenen Herstellungsverfahren, das in 6 bis 14 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 eines gestreckten kristallinen Polymers. Das Polyethylen-Naphthalat-Harz überträgt kaum ultraviolette Strahlen mit 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 vorbestimmten Wellenlängen überträgt, die zum Aushärten der Adhäsivschicht 10 verwendet werden. 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 kathionisches 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 der Stützrahmen 2 mit dem Stützrahmenkörper 20 mit biaxial gestrecktem Polyethylen-Naphthalat-Harz im Voraus ausgebildet, wie in 6 und 7 dargestellt ist. Dann wird, wie in 8 und 9 dargestellt ist, die Membranelektrodenbaugruppe 5 bereitgestellt und die Kathodengasdiffusionsschicht 3c auf der einen Seitenoberfläche 52 der Membranelektrodenbaugruppe 5 platziert.
Dann wird die Adhäsivschicht 10 auf dem anderen Randkantenabschnitt 52e unter Verwendung eines UV-härtbaren Adhäsivs unter Verwendung eines radikal-polymerisierbaren Harzes ausgebildet, das mit einer warmhärtenden Eigenschaft versehen ist, wie in 15 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. Die Adhäsivschicht 10 ist an der Membranelektrodenbaugruppe 5 aufgrund des ultravioletten Aushärtens angehaftet, was hauptsächlich durch ultraviolette Strahlen verursacht ist, und schützt den äußeren Randkantenabschnitt 52e. In der Ausführungsform, die in 15 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 16 dargestellt ist. In der in 16 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 16 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. Obwohl die Adhäsivschicht 10 in einem derartigen Grad ausgehärtet ist, dass die Form der Adhäsivschicht 10 beibehalten werden kann, kann die Adhäsivschicht 10 zu einem gewissen Ausmaß durch das Aufbringen einer relativ starken Kraft auf die Adhäsivschicht 10 verformt werden. Deswegen ergibt eine Druckbeaufschlagung eine Verformung der Adhäsivschicht 10 und gestattet, dass sich ein Teil der Adhäsivschicht 10 zu dem Spalt G bewegt, um die Adhäsivschutzschicht 33 auszubilden, die das Ende 20eg des Stützrahmenkörpers 20 bedeckt.
Darauffolgend wird der Stützrahmen 2 erwärmt, während die Druckbeaufschlagung mit einem Druck P fortgeführt wird, wie in 17 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 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. 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 ein Abschnitt, der mit dem Stützrahmen 2 in der Adhäsivschutzschicht 33 in Berührung gerät, thermisch ausgehärtet, während ein 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 14 ersichtlich ist, werden der Kathodenseparator 4c und der Anodenseparator 4a an den beiden Seiten 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 17 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 angeboten werden, die durch das Herstellungsverfahren der voranstehend beschriebenen Ausführungsform erhalten wird, die in 6 bis 14 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: Adhäsivbeschichtungsschicht
22: Adhäsivbeschichtungsschicht
52e: äußerer Randkantenabschnitt

Claims

Einzelbrennstoffzelle (1) mit: einer Membranelektrodenbaugruppe (5), mit einer Elektrolytmembran (5e) und elektrokatalytischen Schichten (5a, 5c), 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; und einem Stützrahmen (2), der auf der Adhäsivschicht (10) befestigt ist, wobei der Stützrahmen (2) umfasst: einen aus Harz hergestellten Stützrahmenkörper (20); und Beschichtungsschichten (21, 22), die ausgebildet sind, um beide Seitenoberflächen des Stützrahmenkörpers (2) entsprechend zu bedecken; wobei der Stützrahmen (2) auf der Adhäsivschicht (10) so befestigt ist, dass der Stützrahmen (2) von der Gasdiffusionsschicht (3a, 3c) auf der einen Seitenoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe (5) beabstandet ist; und die Einzelbrennstoffzelle (1) außerdem eine Schutzschicht (33) umfasst, die ausgebildet ist, ein Ende eines inneren Abschnitts des Stützrahmenkörpers (20) zu bedecken, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spalt G zwischen der Schutzschicht (33) und einem Ende (3ceg) eines äußeren Abschnitts (3ce) von einer der Gasdiffusionsschichten verbleibt.
Einzelbrennstoffzelle (1) nach Anspruch 1, wobei die Schutzschicht (33) aus einem Material identisch zu dem der Adhäsivschicht (10) ausgebildet ist.
Einzelbrennstoffzelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Stützrahmenkörper (20) aus einem Polyethylen-Terephthalat-Harz oder einem Polyethylen-Naphthalat-Harz ausgebildet ist.
Einzelbrennstoffzelle (1) nach Anspruch 3, wobei die Adhäsivschicht (30) aus einem Adhäsiv mit Ultraviolett-Härtbarkeit ausgebildet ist; und der Stützrahmenkörper (20) aus einem Polyethylen-Terephthalat-Harz ausgebildet ist.
Einzelbrennstoffzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die eine Seitenoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe eine Kathodenelektrodenseitenoberfläche ist.
Verfahren zum Herstellen einer Einzelbrennstoffzelle (1), wobei die Einzelbrennstoffzelle (1) umfasst: eine Membranelektrodenbaugruppe (5) mit einer Elektrolytmembran (5e) und elektrokatalytischen Schichten (5a, 5c), die an beiden Seitenoberflächen der Elektrolytmembran (5e) entsprechend ausgebildet sind; Gasdiffusionsschichten (3a, 3c), die an beiden Seitenoberflächen der Membranelektrodenbaugruppe (5) entsprechend platziert sind; und einen Stützrahmen (2), der die Membranelektrodenbaugruppe (5) an einem Rand der Membranelektrodenbaugruppe (5) stützt, wobei der Stützrahmen (2) umfasst: einen aus einem Harz hergestellten Stützrahmenkörper (20); und Beschichtungsschichten (21, 22), die ausgebildet sind, beide Seitenoberflächen des Stützrahmenkörpers (20) entsprechend zu bedecken; wobei das Verfahren zum Herstellen der Einzelbrennstoffzelle (1) umfasst: Bereitstellen der Membranelektrodenbaugruppe (5), in der die Gasdiffusionsschichten (3a, 3e) so platziert sind, dass ein äußerer Randkantenabschnitt (52e) in einer Seitenoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe (5) verbleibt; Ausbilden einer Adhäsivschicht (10) auf dem äußeren Randkantenabschnitt (52e); Platzieren des Stützrahmens (2), in dem ein Ende (20eg) eines inneren Abschnitts des Stützrahmenkörpers (20) freigelegt ist, so auf der Adhäsivschicht (10), dass der Stützrahmen (2) von der Gasdiffusionsschicht (3c) auf der einen Seitenoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe (5) beabstandet ist; Relativ Drücken des Stützrahmens (2) auf der Adhäsivschicht (10); und Aushärten der Adhäsivschicht (10), wobei in dem Schritt des relativ Drückens des Stützrahmens (2) auf die Adhäsivschicht (10) das Ende (20eg) des inneren Abschnitts (20e) des Stützrahmenkörpers mit einem Teil der Adhäsivschicht (10) bedeckt ist, wodurch eine Schutzschicht (33) ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spalt G zwischen der Schutzschicht (33) und einem Ende (3ceg) eines äußeren Abschnitts (3ce) von einer der Gasdiffusionsschichten verbleibt.
Verfahren zum Herstellen einer Einzelbrennstoffzelle (1) nach Anspruch 6, wobei der Stützrahmenkörper (20) aus einem Polyethylen-Terephthalat-Harz oder einem Polyethylen-Naphthalat-Harz ausgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen einer Einzelbrennstoffzelle (1) nach Anspruch 7, wobei in dem Schritt des Ausbildens der Adhäsivschicht (10) die Adhäsivschicht (10) aus einem Adhäsiv mit Ultraviolett-Härtbarkeit ausgebildet wird, und der Stützrahmenkörper (20) aus Polyethylen-Terephthalat-Harz ausgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen einer Einzelbrennstoffzelle (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die eine Seitenoberfläche der Membranelektrodenbaugruppe (5) eine Kathodenelektrodenseitenoberfläche ist.