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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren einer Einheitszelle von einer Brennstoffzelle.
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HINTERGRUND
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Eine Einheitszelle von einer Brennstoffzelle umfasst ein Rahmenelement, welches eine Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschichtanordnung trägt bzw. unterstützt, und ein Paar Separatoren, welche das Rahmenelement umschließen bzw. umgeben bzw. umfassen. Beim Verbinden des Rahmenelements und dem Paar an Separatoren wird eine thermoplastische adhäsive Bindung auf beiden Oberflächen des Rahmenelements bereitgestellt, und anschließend werden das Rahmenelement und das Paar an Separatoren erwärmt und in einem Zustand gedrückt bzw. gepresst bzw. komprimiert, in dem das Paar an Separatoren das Rahmenelement umschließt (siehe zum Beispiel die ungeprüfte japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2014-225335).
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Abhängig von der Anordnung der Einheitszelle kann einer der Separatoren mit lediglich einer Oberfläche des Rahmenelements verbunden sein. In diesem Fall wird die thermoplastische adhäsive Bindung nur auf einer Oberfläche des Rahmenelements bereitgestellt. Wenn diese Bauteile bzw. Elemente beim Verbinden des Rahmenelements und des Separators erwärmt werden, kann Verzug im Rahmenelement aufgrund eines Unterschiedes im linearen Ausdehnungskoeffizienten bzw. Expansionskoeffizienten zwischen dem Rahmenelement und der adhäsiven Bindung auftreten. Dies könnte die Versiegelungseigenschaft bzw. Dichtungseigenschaft zwischen dem Rahmenelement und dem Separator beeinflussen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren einer Einheitszelle von einer Brennstoffzelle, welche das Auftreten eines Verzugs bzw. eines Verziehens in einem Rahmenelement unterdrückt, bereitzustellen.
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Das vorstehende Ziel wird durch ein Herstellungsverfahren einer Einheitszelle von einer Brennstoffzelle erreicht, welches umfasst: Herstellen eines Rahmenelements aus Harz, erste adhäsive Bindungen, welche auf einer Oberfläche des Rahmenelements bereitgestellt sind und welche voneinander getrennt sind und wobei jedes Thermoplastizität aufweist; Herstellen eines Separators; und Verbinden des Rahmenelements und des Separators durch Erwärmen und Drücken bzw. Komprimieren des Rahmenelements und des Separators in einem Zustand, in welchem die eine Oberfläche des Rahmenelements dem Separator mittels der ersten adhäsiven Bindungen derart zugewandt ist, damit die ersten adhäsiven Bindungen schmelzen, um in Kontakt miteinander gebracht zu werden.
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Jede der ersten adhäsiven Bindungen dehnt sich beim Erwärmen aus, aber eine Aussparung zwischen den ersten adhäsiven Bindungen, welche voneinander getrennt sind, adsorbiert diese Ausdehnung. Dies unterdrückt das Auftreten eines Verzuges bzw. eines Verziehens im Rahmenelement aufgrund des Unterschiedes im linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der ersten adhäsiven Bindung und dem Rahmenelement.
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Das vorstehende Verfahren kann ferner umfassen: Herstellen einer Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschichtanordnung, welches umfasst: eine Elektrolytmembran; eine erste Katalysatorschicht, welche auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran derart ausgebildet ist, um einen peripheren Bereich der einen Oberfläche der Elektrolytmembran auszusetzen bzw. freizulegen; eine zweite Katalysatorschicht, welche auf einer weiteren bzw. anderen Oberfläche auf der Elektrolytmembran ausgebildet ist; eine erste Gasdiffusionsschicht, welche mit der ersten Katalysatorschicht derart verbunden ist, um den peripheren Bereich auszusetzen bzw. freizulegen; und eine zweite Gasdiffusionsschicht, welche mit der zweiten Katalysatorschicht verbunden ist; und Verbinden eines Teils der einen Oberfläche des Rahmenelements in einer inneren peripheren Kantenseite mit dem peripheren Bereich der Elektrolytmembran mit einer zweiten adhäsiven Bindung, vor dem Verbinden des Rahmenelements und des Separators.
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Beim Herstellen des Rahmenelements können Aussparungen zwischen den ersten adhäsiven Bindungen in einer vorbestimmten Richtung dieselbe Größe aufweisen.
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Beim Herstellen des Rahmenelements können die ersten adhäsiven Bindungen dieselbe Größe und dieselbe Form aufweisen.
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Beim Herstellen des Rahmenelements können die ersten adhäsiven Bindungen voneinander getrennt werden, sodass jede der ersten adhäsiven Bindungen von einem gedanklichen Quadrat mit einer Seitenlänge von 20 mm umgeben ist.
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Beim Herstellen des Rahmenelements können die ersten adhäsiven Bindungen voneinander getrennt werden, sodass jede der ersten adhäsiven Bindungen von einem gedanklichen Quadrat mit einer Seitenlänge von einem Zehntel einer Seitenlänge des Rahmenelements umgeben ist.
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Die erste adhäsive Bindung kann modifiziertes Polyolefin sein, welches mindestens ein Polyolefin mit einer funktionellen Gruppe umfasst.
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Das modifizierte Polyolefin kann umfassen: eines oder eine Kombination aus Silan-Kupplungsreagenz; Epoxidharz; Urethanharz; Säureanhydrid einschließlich Maleinsäureanhydrid; Carbonsäure einschließlich Acrylsäure und Methacrylsäure; und Alkohole einschließlich Vinylalkohol und Ethylhexylacrylat.
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WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Herstellungsverfahren einer Einheitszelle von einer Brennstoffzelle, welche das Auftreten eines Verzugs bzw. eines Verziehens in einem Rahmenelement unterdrückt, bereitzustellen.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Explosions-Perspektivansicht einer Einheitszelle von einer Brennstoffzelle;
- 2 ist eine teilweise Querschnittsansicht der Einheitszelle von der Brennstoffzelle;
- 3 ist ein Fließdiagramm, welches ein Herstellungsverfahren der Einheitszelle darstellt;
- 4A bis 4D sind erklärende Ansichten des Herstellungsverfahrens der Einheitszelle;
- 5A ist eine Querschnittsansicht eines Rahmenelements vor dem Binden an einen Separator, 5B ist eine Frontansicht einer Oberfläche des Rahmenelements, auf welchem adhäsive Bindungen ausgebildet werden, und 5C ist eine teilweise vergrößerte Ansicht von 5B;
- 6A und 6B sind erklärende Ansichten eines Vergleichsbeispiels eines Verfahrens zur Bindung bzw. Verbindung bzw. Vereinigung des Rahmenelements und des Separators; und
- 7A bis 7C sind erklärende Ansichten von Varianten unterschiedlicher Formen der adhäsiven Bindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1 ist eine Explosions-Perspektivansicht einer Einheitszelle 60 von einer Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle ist durch Stapeln der Einheitszellen 60 konfiguriert. Diese Brennstoffzelle ist eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, welche elektrische Energie durch Aufnahme eines Brenngases (zum Beispiel Wasserstoff) und eines Oxidationsgases (zum Beispiel Sauerstoff) als Reaktionsgase erzeugt. Die Einheitszelle 60 umfasst eine Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschichtanordnung 20 (nachstehend als MEGA (Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschichtanordnung) bezeichnet) und einen Anodenseiten-Separator 33a und einen Kathodenseiten-Separator 33c (nachstehend als ein Separator bezeichnet). Die MEGA 20 umfasst eine Anodenseite-Gasdiffusionsschicht 22a und eine Kathodenseiten-Gasdiffusionsschicht 22c (nachstehend als eine Diffusionsschicht bezeichnet).
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Ein Rahmenelement 40 aus Harz mit einer Isoliereigenschaft bzw. Dämmeigenschaft ist in einer im Wesentlichen Rahmenform ausgebildet. Die äußere periphere Kante des Rahmenelements 40 ist größer als die MEGA 20. Eine innere periphere Kante 40e ist kleiner als die Elektrolytmembran 11 der nachstehend beschriebenen MEGA 20. Die MEGA 20 ist mit der Seite der inneren peripheren Kante 40e des Rahmenelements 40 verbunden. Die Löcher s1 bis s3 sind entlang einer von zwei kurzen Seiten des Rahmenelements 40 ausgebildet, und die Löcher s4 bis s6 sind entlang der anderen Seite ausgebildet. In ähnlicher Weise sind die Löcher a1 bis a3 entlang einer von zwei kurzen Seiten des Separators 33a ausgebildet, und die Löcher a4 bis a6 sind entlang der anderen Seite ausgebildet. Die Löcher c1 bis c3 werden entlang einer von zwei kurzen Seiten des Separators 33c ausgebildet, und die Löcher c4 bis c6 werden entlang der anderen Seite ausgebildet. Die Löcher s1, a1, und c1 sind miteinander verbunden und definieren einen Kathoden-Einlasskrümmer. In gleicher Weise definieren die Löcher s2, a2, und c2 einen Kühlmittel-Auslasskrümmer. Die Löcher s3, a3, und c3 definieren einen Anoden-Auslasskrümmer. Die Löcher s4, a4, und c4 definieren einen Anoden-Einlasskrümmer. Die Löcher s5, a5, und c5 definieren einen Kühlmittel-Einlasskrümmer. Die Löcher s6, a6, und c6 definieren einen Kathodenauslasskrümmer.
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Eine Oberfläche des Separators 33a, welche der MEGA 20 zugewandt ist, ist mit Anoden-Strömungswegen 34a, wo das Brenngas entlang strömt, ausgebildet, und welche den Anoden-Einlasskrümmer und den Anoden-Auslasskrümmer verbinden. Eine Oberfläche des Separators 33a, gegenüber dem Anoden-Strömungsweg 34a, und eine Oberfläche des Separators 33c, welcher dem Separator 33a zugewandt ist, sind jeweils mit Kühlmittel-Strömungswege 35a und 35c versehen, wo das Kühlmittel entlang strömt und welche den Kühlmittel-Einlasskrümmer und den Kühlmittel-Auslasskrümmer verbinden. Eine Oberfläche des Separators 33c, gegenüber dem Kühlmittel-Strömungsweg 35c, ist mit Kathoden-Strömungswegen 34c ausgebildet, in welchen das Oxidationsgas entlang strömt und welche den Kathoden-Einlasskrümmer und den Kathoden-Auslasskrümmer verbinden. Außerdem sind die Separatoren 33a und 33c aus einem Material mit einer Gasbarriere-Eigenschaft und elektrischen Leitfähigkeit hergestellt, und kann aus einem gepressten Edelstahl, einem dünnen plattenförmigen Bauteil aus Metall wie Titan und einer Titan-Legierung, oder einem Kohlenstoff-Bauteil wie dichtem Carbon hergestellt sein.
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Dichtungen 46 bis 48 werden auf dem Rahmenelement 40 bereitgestellt. Die Dichtung 46 weist eine Rahmenform entlang der äußeren peripheren Kante des Rahmenelements 40 auf. Die Dichtungen 47, wobei jede eine Rahmenform aufweist, sind entlang den jeweiligen Löchern s1 bis s6 versehen und umgeben die jeweiligen Löcher s1 bis s6. Die Dichtung 48 weist eine Rahmenform auf, welche die MEGA 20 umgibt. Die Dichtungen 46 bis 48 sind aus elastischem Gummi. Die Dichtungen sind nicht auf die vorstehende Konfiguration bzw. Anordnung beschränkt. Zum Beispiel muss die Dichtung 47 nicht um die Löcher s3 und s4 ausgebildet sein, welche jeweils den Kathoden-Einlasskrümmer und den Kathoden-Auslasskrümmer bilden, und die Dichtung 48 muss nicht bereitgestellt werden. In einer anderen bzw. weiteren Konfiguration bzw. Anordnung kann eine Dichtung 49 bereitgestellt sein, welche die MEGA 20 und die Löcher s3 und s4, welche jeweils den Kathoden-Einlasskrümmer und den Kathoden-Auslasskrümmer bilden, vollständig umgibt, und die Dichtungen 46 und 48 müssen nicht bereitgestellt sein. Mit diesen Anordnungen bzw. Konfigurationen können die Dichtungen 47 den Anoden-Einlasskrümmer, den Anoden-Auslasskrümmer, den Kühlmittel-Einlasskrümmer, und den Kühlmittel-Auslasskrümmer umgeben und abdichten, und die Dichtungen 46 und 47 oder die Dichtung 49 können den Kathoden-Einlasskrümmer, den Kathoden-Auslasskrümmer, und den Kathoden-Strömungsweg, welcher von dem Anoden-Einlasskrümmer getrennt ist, den Anoden-Auslasskrümmer, den Kühlmittel-Einlasskrümmer, und den Kühlmittel-Auslasskrümmer abdichten bzw. versiegeln. Die Dichtungen 46 bis 48 sind getrennt ausgebildet und am Rahmenelement 40 gebunden, aber nicht darauf beschränkt. Das Rahmenelement 40 und mindestens eine der Dichtungen 46 bis 48 können ganz ausgebildet sein und aus demselben Material oder aus verschiedenen Materialien hergestellt sein.
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2 ist eine teilweise Querschnittsansicht der Einheitszelle 60. Insbesondere stellt 2 einen Teil eines Querschnitts senkrecht zur longitudinalen bzw. längsverlaufenden Richtung bzw. Längsrichtung der Einheitszelle 60 dar. Die MEGA 20 umfasst die vorstehend beschriebenen Diffusionsschichten 22c und 22a und eine Membran-Elektrodeneinheit (nachstehend als MEA bezeichnet) 10. Die MEA 10 umfasst eine Elektrolytmembran 11 mit einer im Wesentlichen rechteckigen Form, und einen Kathodenseiten-Katalysator 12c und einen Anodenseiten-Katalysator 12a (nachstehend als eine Katalysatorschicht bezeichnet), jeweils auf einer oberen Oberfläche und einer unteren Oberfläche der Elektrolytmembran 11 in 2 ausgebildet. Die Elektrolytmembran 11 ist ein dünner Film eines festen Polymers, wie eine Fluor-basierten Ionenaustauschmembran mit hoher Protonenleitfähigkeit in einem feuchten Zustand. Die Elektrolytmembran 11 weist einen peripheren Bereich 11e und einen zentralen Bereich 11c auf, welcher von dem peripheren Bereich 11e umgeben ist.
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Die Katalysatorschicht 12c ist im zentralen Bereich 11c auf der oberen Oberfläche der Elektrolytmembran 11 ausgebildet, aber nicht in dem peripheren Bereich 11e. Die Katalysatorschicht 12a ist derart ausgebildet, um im Wesentlichen seine Enden mit dem Ende der Elektrolytmembran 11 auszurichten. Das heißt, die Katalysatorschicht 12a ist im Wesentlichen über die gesamte untere Oberfläche der Elektrolytmembran 11 einschließlich des peripheren Bereichs 11e und dem zentralen Bereich 11c der Elektrolytmembran 11 ausgebildet. Die Katalysatorschicht 12c ist ein Beispiel einer ersten Katalysatorschicht, welche auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran 11 derart ausgebildet ist, um den peripheren Bereich 11e der oberen Oberfläche der Elektrolytmembran 11 auszusetzen bzw. freizulegen. Die Katalysatorschicht 12a ist ein Beispiel einer zweiten Katalysatorschicht, welche auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran 11 ausgebildet ist. Die Katalysatorschichten 12a und 12c sind durch Beschichtung einer Katalysatortinte, welche einen Kohlenstoffträger, der Platin (Pt) oder ähnliches trägt, und ein Ionomer mit Protonenleitfähigkeit enthält, auf die Elektrolytmembran 11 hergestellt.
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Die Diffusionsschichten 22c und 22a sind jeweils an die Katalysatorschichten 12c und 12a gebunden. Die Diffusionsschichten 22c und 22a sind aus einem Material mit Gasdurchlässigkeit bzw. Gaspermeabilität und elektrischer Leitfähigkeit, zum Beispiel einem porösen Faser-Basismaterial wie Kohlenstofffaser oder Graphitfaser. Die Diffusionsschicht 22c ist derart versehen, um ein Ende desselben leicht nach innen vom Ende der Katalysatorschicht 12c anzuordnen, oder im Wesentlichen das Ende der Diffusionsschicht 22c damit auszurichten. Deshalb ist die Diffusionsschicht 22c derart bereitgestellt, um den zentralen Bereich 11c der Elektrolytmembran 11 mittels der Katalysatorschicht 12c zu überlappen, aber nicht den peripheren Bereich 11e zu überlappen. Dementsprechend ist die Diffusionsschicht 22c derart bereitgestellt, um den peripheren Bereich 11e auszusetzen. Die Diffusionsschicht 22c ist ein Beispiel einer ersten Gasdiffusionsschicht, welche an der Katalysatorschicht 12c derart gebunden ist, um den peripheren Bereich 11e auszusetzen. Die Diffusionsschicht 22a ist ein Beispiel einer zweiten Gasdiffusionsschicht, welche an der Katalysatorschicht 12a gebunden ist.
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In gleicher Weise ist die Diffusionsschicht 22a derart versehen, um im Wesentlichen sein Ende mit einem Ende der Katalysatorschicht 12a auszurichten, und die Katalysatorschicht 12a ist im Wesentlichen über die gesamte untere Oberfläche der Elektrolytmembran 11 ausgebildet, wie vorstehend beschrieben. Deshalb wird die Diffusionsschicht 22a derart versehen, um nicht nur mit dem zentralen Bereich 11c, sondern auch mit dem peripheren Bereich 11e mittels der Katalysatorschicht 12a zu überlappen. Da die Diffusionsschicht 22a derart versehen ist, um auch mit dem peripheren Bereich 11e in einer derartigen Weise zu überlappen, wird die MEA 10 stabil getragen bzw. unterstützt.
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Das Rahmenelement 40 ist ein Element zur Vermeidung von Querlecken und eines elektrischen Kurzschlusses zwischen Katalysatorelektroden. Das Rahmenelement 40 ist mit dem Separator 33a verbunden. Der Separator 33c ist an der anderen Seite des Separators 33a gebunden, gegenüber einer Seite desselben, an welchem das Rahmenelement 40 gebunden ist.
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In 2 ist die untere Oberfläche des Rahmenelements 40 an den Separator 33a mittels einer adhäsiven Bindung 100 gebunden. Die adhäsive Bindung 100 ist ein thermoplastisches Harz. Die untere Oberfläche des Rahmenelements 40 in der Seite der inneren peripheren Kante 40e ist an den peripheren Bereich 11e der Elektrolytmembran 11 mittels adhäsiven Bindungen 50 und adhäsiven Bindungen 100a, welche eine vor dem Schmelzen der adhäsiven Bindung 110 beibehaltene Punktform aufweisen, verbunden.
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Die Einheitszellen 60 werden gestapelt, um die Brennstoffzelle zu konfigurieren. Deshalb werden in der Brennstoffzelle die MEGA 20 und das in 2 dargestellte Rahmenelement 40 zwischen dem dargestellten Separator 33a und einem Kathodenseparator der nicht-dargestellten, weiteren bzw. anderen Einheitszelle neben der oberen Seite der Einheitszelle 60 von 2 umschlossen bzw. umgeben. Ferner werden eine MEGA und ein Rahmenelement einer weiteren bzw. anderen nicht-dargestellten Einheitszelle neben der unteren Seite der Einheitszelle 60 von 2 zwischen dem Anoden-Separator dieser nicht-dargestellten Einheitszelle und dem Separator 33c von 2 umgeben. Ferner werden die Dichtungen 46 bis 48 durch einen Kathoden-Separator der anderen bzw. weiteren nicht-dargestellten Einheitszelle neben der oberen Seite der Einheitszelle 60 gedrückt bzw. gepresst bzw. komprimiert.
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Als nächstes wird ein Herstellungsverfahren der Einheitszelle 60 beschrieben. 3 ist ein Flussdiagramm, welches das Herstellungsverfahren der Einheitszelle 60 darstellt. Die 4A bis 4D sind erklärende Ansichten des Herstellungsverfahrens der Einheitszelle 60. Zuerst werden die MEGA 20, das Rahmenelement 40, und die Separatoren 33a und 33c hergestellt (Schritt S10). Wie in 4A dargestellt werden hier die voneinander getrennten adhäsiven Bindungen 100a über im Wesentlichen die gesamte untere Oberfläche des Rahmenelements 40 ausgebildet. Insbesondere sind die adhäsiven Bindungen 100a in einer Punktform ausgebildet, und sind in einem Gittermuster als ein Ganzes angeordnet. Die adhäsiven Bindungen 100a sind in einem Zustand bevor die vorstehend beschriebene adhäsive Bindung 100 schmilzt. Die adhäsive Bindung 100 ist ein thermoplastisches Harz, wie vorstehend beschrieben, und jede Form der adhäsiven Bindungen 100a wird beibehalten, bevor die adhäsive Bindung 100 schmilzt. Schritt S10 ist ein Beispiel zur Herstellung des Rahmenelements 40 aus Harz, die adhäsiven Bindungen 100 werden auf einer Oberfläche des Rahmenelements 40 bereitgestellt bzw. versehen und werden voneinander getrennt und jede weist Thermoplastizität auf, ein Beispiel zur Herstellung des Separators 33a, und ein Beispiel zur Herstellung der MEGA 20.
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Als nächstes werden der periphere Bereich 11e der Elektrolytmembran 11 der MEGA 20 und die untere Oberfläche der Seite der inneren peripheren Kante 40e des Rahmenelements 40 mit den adhäsiven Bindungen 50, welche Harze sind, welche bei ultravioletter Strahlung aushärten, verbunden (Schritt S20). Insbesondere wird die untere Oberfläche des Rahmenelements 40 in der Seite der inneren peripheren Kante 40e in Kontakt mit der adhäsiven Bindung 50 gebracht, welche auf dem peripheren Bereich 11e durch einen Spender bzw. Verteiler oder ähnlichem aufgebracht wird, und anschließend härten ultraviolette Strahlen, welche von der oberen Seite des Rahmenelements 40 auf den peripheren Bereich 11e ausgesendet werden, wie in 4B dargestellt, dabei die adhäsiven Bindungen 50 und verbinden das Rahmenelement 40 mit der MEGA 20. Hier ist das Rahmenelement 40 aus einem Material hergestellt, welches Transparenz für ultraviolette Strahlung aufweist. Ferner werden die adhäsiven Bindungen 50, welche durch die Aussparungen zwischen den adhäsiven Bindungen 100a treten, auf der Seite der inneren peripheren Kante 40e der Basisschicht 40 gehärtet.
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Als nächstes werden die Separatoren 33c und 33a durch Adhäsion oder Schweißen verbunden (Schritt S30). Als nächstes werden das Rahmenelement 40 und der Separator 33a zusammen mit den adhäsiven Bindungen 100a verbunden (Schritt S40). Insbesondere werden, wie in 4C dargestellt, in einem Zustand, in welchem das Rahmenelement 40 und der Separator 33a in Kontakt miteinander über die adhäsiven Bindungen 100a in Kontakt miteinander sind, das Rahmenelement 40 und die Separatoren 33a und 33c erwärmt und mittels Heißpress-Gussformen gedrückt bzw. gepresst bzw. komprimiert. Dementsprechend schmelzen die adhäsiven Bindungen 100a und verteilen sich auf dem Rahmenelement 40 in der ebenen bzw. flachen Richtung. Deshalb kommen, wie in 4D dargestellt, die benachbarten adhäsiven Bindungen 100a in Kontakt miteinander, um die Aussparungen zwischen den adhäsiven Bindungen 100a auszufüllen, was die adhäsive Bindung 100 kontinuierlich auf dem Rahmenelement 40 in der flachen Richtung ausbildet. Danach wird die Erwärmung angehalten und die adhäsive Bindung 100 wird gekühlt und gehärtet, und anschließend wird der Druck abgelassen, sodass das Rahmenelement 40 und der Separator 33a miteinander verbunden werden. Dies stellt die Dichtungseigenschaft zwischen dem Rahmenelement 40 und dem Separator 33a sicher. Außerdem kann die Reihenfolge der Schritte S30 und S40 umgekehrt sein. In einem Fall der Ausführung des Schrittes S30 nach dem Schritt S40 sind die Separatoren 33c und 33a durch Adhäsion oder Schweißen bei einer Temperatur gleich oder niedriger als die Schmelztemperatur der adhäsiven Bindungen 100a in Schritt S30 miteinander verbunden.
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Da die adhäsive Bindung 50 bereits in den Aussparungen zwischen den adhäsiven Bindungen 100a in der Seite der inneren peripheren Kante 40e einer Oberfläche des Rahmenelements 40 ausgehärtet ist, kommen die adhäsiven Bindungen 100a, welche in der Seite der inneren peripheren Kante 40e des Rahmenelements 40 versehen sind, nicht in Kontakt miteinander und verbinden die Seite der inneren peripheren Kante 40e des Rahmenelements 40 und des peripheren Bereiches 11e der Elektrolytmembran 11. Der Schritt S40 ist ein Beispiel des Verbindens des Rahmenelements 40 und des Separators 33a durch Erwärmen und Drücken des Rahmenelements 40 und des Separators 33a in einem Zustand, in welchem eine Oberfläche des Rahmenelements 40 dem Separator 33a mittels der adhäsiven Bindungen 110a zugewandt ist, um die adhäsiven Bindungen 100a zu schmelzen, um diese miteinander in Kontakt zu bringen. Der Schritt S20 ist ein Beispiel des Verbindens einer Oberfläche der Seite der inneren peripheren Kante 40e des Rahmenelements 40 und des peripheren Bereichs 11e der Elektrolytmembran 11 mit der adhäsiven Bindung 50, vor dem Verbinden des Rahmenelements 40 und des Separators 33a.
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Als nächstes werden die adhäsiven Bindungen 100a im Detail beschrieben. Die 5A ist eine Querschnittsansicht des Rahmenelements 40, bevor diese mit dem Separator 33a verbunden wird. Die 5B ist eine Frontansicht der Oberfläche des Rahmenelements 40, auf welcher die adhäsiven Bindungen 100a ausgebildet sind bzw. werden. Die 5C ist eine teilweise vergrößerte Ansicht der 5B. In den 5B und 5C wird die Longitudinalrichtung bzw. Längsrichtung des Rahmenelements 40 als eine X-Richtung bezeichnet, und die kurze Richtung ist als eine Y-Richtung bezeichnet. Die adhäsiven Bindungen 100a werden auf einer Oberfläche des Rahmenelements 40, zum Beispiel durch Transfer- oder Siebdruck versehen. Ferner kann eine adhäsive Bindung mit einer Blattform auf eine Oberfläche des Rahmenelements 40 mittels Siebdruck oder ähnlichem bestrichen werden, und anschließend kann eine Gussform auf die adhäsive Bindung in einem Zustand gedrückt werden, in welchem die adhäsive Bindung erwärmt wird, um Fluidität aufzuweisen, welche die adhäsiven Bindungen 100a mit einer Punktform ausbilden kann. Wie in 5C dargestellt, weist jede der adhäsiven Bindungen 100a eine im Wesentlichen quadratische Form bzw. Quadratform auf, und die adhäsiven Bindungen 100a sind in einem Gittermuster angeordnet. Ferner sind die Aussparungen C1 zwischen den adhäsiven Bindungen 100a daneben in der X-Richtung im Wesentlichen konstant, und die Aussparungen C2 zwischen den adhäsiven Bindungen 100a daneben in der Y-Richtung sind im Wesentlichen konstant. Die Aussparungen C1 und C2 weisen hier im Wesentlichen dieselbe Größe auf. Jede der Aussparungen C1 und C2 ist kürzer als jede Länge einer Seite der einzelnen adhäsiven Bindung 100a, welche sich in der X-Richtung erstreckt, und eine Seite derselben, welche in der Y-Richtung ausläuft.
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Das Rahmenelement 40 wird aus einem Material mit einem relativ niedrigen linearen Ausdehnungskoeffizienten hergestellt, um die thermische Ausdehnung im vorstehend beschriebenen Erwärmungsschritt zu unterdrücken. Zum Beispiel ist das Material des Rahmenelements 40 Polyethylennaphthalat, Polyphenylensulfid, oder syndiotaktisches Polystyrol. Im Gegensatz dazu ist das Material der adhäsiven Bindung 100a aus einem Material hergestellt, welches einen größeren linearen Ausdehnungskoeffizienten als jener des Rahmenelements 40 aufweist. Insbesondere ist die adhäsive Bindung 100a modifiziertes Polyolefin einschließlich mindestens einem Polyolefin mit einer funktionellen Gruppe. Insbesondere umfasst das modifizierte Polyolefin vorzugsweise: eines oder eine Kombination aus Silan-Kupplungsreagenz; Epoxidharz; Urethanharz; Säureanhydrid einschließlich Maleinsäureanhydrid; Carbonsäure einschließlich Acrylsaäure und Methacrylsäure; und Alkohole einschließlich Vinylalkohol und Ethylhexylacrylat. Zum Beispiel kann Maleinsäure-modifiziertes Polypropylen verwendet werden. Polyolefin ist gewöhnlich unpolar und schwierig an ein Metall zu binden. Polyolefin ist durch Einsetzen des vorstehenden Additives darin jedoch polar, und es wird die Adhäsion an ein Metall verbessert.
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Als nächstes wird eine Beschreibung von einem Vergleichsbeispiel eines Verbindungsverfahrens des Rahmenelements 40 und des Separators 33a angegeben. Die 6A und 6B sind erklärende Ansichten von dem Vergleichsbeispiel des Verbindungsverfahrens des Rahmenelements 40 und des Separators 33a. Im Vergleichsbeispiel werden das Rahmenelement 40 und der Separator 33a mit einer adhäsiven Bindung 110x, welche kontinuierlich auf einer Oberfläche des Rahmenelements 40 ausgebildet wurde, verbunden. Beim Erwärmen des Rahmenelements 40 und des Separators 33a, welche mittels der adhäsiven Bindung 100x in Kontakt miteinander gebracht wurden, bevor die adhäsive Bindung 100x schmilzt, kann ein Verzug bzw. ein Verziehen im Rahmenelement 40 aufgrund des Unterschiedes im linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Rahmenelement 40 und der adhäsiven Bindung 100x auftreten.
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6B ist eine erklärende Ansicht eines im Rahmenelement 40 auftretenden Verzugs. Zum Beispiel ist in einem Fall, in dem der lineare Ausdehnungskoeffizient der adhäsiven Bindung 100x größer ist als jener des Rahmenelements 40, der Ausdehnungskoeffizient der adhäsiven Bindung 100x größer als jener des Rahmenelements 40. Deshalb ist die Ausdehnung des Rahmenelements 40 in der ebenen bzw. flachen Richtung kleiner als jener der adhäsiven Bindung 100x in der ebenen Richtung, und das Rahmenelement 40 ist derart gebogen, um konvex gegenüber der adhäsiven Bindung 100x, wie in 6B dargestellt, zu sein. Wenn die adhäsive Bindung 100x in einem derartigen Zustand schmilz und dann das Rahmenelement 40 und den Separator 33a verbindet, kann das Rahmenelement 40, in welchem Verzug auftritt, mit bzw. an den Separator 33a verbunden werden. Ferner könnte die innere Spannung im Rahmenelement 40 oder der adhäsiven Bindung 100x verbleiben, nachdem das Rahmenelement 40 und der Separator 33a miteinander verbunden werden. Dies könnte die Dichtungseigenschaft zwischen dem Rahmenelement 40 und dem Separator 33a nicht in geeigneter Weise sicherstellen.
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Ferner wird, um das Auftreten eines vorstehend beschriebenen Verzugs zu unterdrücken, in Betracht gezogen, die adhäsive Bindung 100x auf beiden Oberflächen des Rahmenelements 40 auszubilden. In diesem Fall jedoch könnte die adhäsive Bindung 100x, welche auf der oberen Oberfläche des Rahmenelements 40 bereitgestellt ist, an der heißen Gussform während des Verbindens des Rahmenelements 40 und des Separators 33a kleben, was es schwierig machen könnte, das Rahmenelement 40 von der heißen Gussform abzuziehen und dann könnte die Produktivität sinken.
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Da die adhäsiven Bindungen 100a diskontinuierlich durch die Aussparungen C1 und C2, wie vorstehend beschrieben, in der vorliegenden Ausführungsform sind, selbst wenn jede der adhäsiven Bindungen 100a sich beim Erwärmen ausdehnt, wird die Menge bzw. das Ausmaß der Ausdehnung durch die Aussparungen C1 und C2 adsorbiert. Dies unterdrückt das Auftreten eines Verzugs im Rahmenelement 40. In der vorliegenden Ausführungsform ist es deshalb möglich, das Rahmenelement 40 an den Separator 33a zu binden, während das Auftreten eines Verzuges im Rahmenelement 40 unterdrückt wird, dabei wird die Dichtungseigenschaft zwischen dem Rahmenelement 40 und dem Separator 33a sichergestellt. Ferner wird, da die adhäsiven Bindungen 100a nicht auf der oberen Oberfläche des Rahmenelements 40 bereitgestellt werden, das Rahmenelement 40 leicht von der heißen Gussform abgezogen bzw. ablöst, und eine Verringerung der Produktivität wird ebenso unterdrückt.
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Außerdem weisen die Aussparungen C1 im Wesentlichen dieselbe Größe auf, die Aussparungen C2 weisen im Wesentlichen dieselbe Größe auf, und ebenso weisen die Aussparungen C1 und C2 im Wesentlichen dieselbe Größe auf. Dies bewahrt die benachbarten adhäsiven Bindungen 100a davor, einander teilweise nicht zu berühren. Dies stellt ebenso die Dichtungseigenschaft sicher.
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Ferner weisen die adhäsiven Bindungen 100a im Wesentlichen dieselbe Größe und dieselbe Form auf. Die Größe umfasst ebenso die Dicke. Deshalb weisen die geschmolzenen und verteilten adhäsiven Bindungen 100a ebenso im Wesentlichen dieselbe Form auf. Deshalb kann die einheitliche Verbindungskraft auf jeglichen Bereich zwischen dem Rahmenelement 40 und dem Separator 33a ausgeführt bzw. ausgeübt werden. Ferner ist es, da die adhäsiven Bindungen 100a dieselbe Form und dieselbe Größe aufweisen, leicht, die adhäsiven Bindungen 100a auf dem Rahmenelement 40 auszubilden, verglichen mit dem Fall, in dem die adhäsiven Bindungen eine unterschiedliche Form und eine unterschiedliche Größe aufweisen. Ferner ist es leicht, da die adhäsiven Bindungen 100a dieselbe Form und dieselbe Größe aufweisen, jeden Bereich der adhäsiven Bindungen 100a in der ebenen bzw. flachen Richtung, wie nachstehend beschrieben, zu verringern.
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Ebenso weisen die Aussparungen C1 im Wesentlichen dieselbe Größe auf, die Aussparungen C2 weisen im Wesentlichen dieselbe Größe auf, und ebenso weisen die Aussparungen C1 und C2 im Wesentlichen dieselbe Größe und dieselbe Form auf. Dies kann Abweichungen in der Dicke der adhäsiven Bindung 100 unterdrücken, nachdem die adhäsiven Bindungen 100a schmelzen, um in Kontakt miteinander zu kommen. Es ist außerdem möglich, die Dichtungseigenschaft sicherzustellen.
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Jeder Bereich der adhäsiven Bindungen 100a in der flachen bzw. ebenen Richtung ist vorzugweise klein. Wenn jede adhäsive Bindung 100a klein ist, ist der Ausdehnungskoeffizient in der ebenen Richtung beim Erwärmen klein, und die kleine Spannung wird auf das Rahmenelement 40 von jeder adhäsiven Bindung 100a ausgeübt. Dies kann das Auftreten eines Verzuges im Rahmenelement 40 unterdrücken.
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In der vorliegenden Ausführungsform wird jede adhäsive Bindung 100a in einer quadratischen Form bzw. Quadratform mit einer Seitenlänge von 5 mm ausgebildet. Obwohl die Größe der adhäsiven Bindung 100a nicht darauf beschränkt ist, ist die adhäsive Bindung 100a vorzugsweise von einem gedanklichen Quadrat mit einer Seitenlänge von 20 mm, bevorzugter 10 mm, umgeben. Im Rahmenelement mit langen Seiten und kurzen Seiten ist die Größe der adhäsiven Bindung 100a nicht beschränkt, aber die adhäsive Bindung 100a ist vorzugsweise von einem gedanklichen Quadrat mit einer Seite von einem Zehntel, bevorzugter einem Zwanzigstel der langen Seitenlänge des Rahmenelements umgeben. In der vorliegenden Ausführungsform ist hier die lange Seitenlänge des Rahmenelements 40 ungefähr 300 mm, und die kurze Seitenlänge desselben ist ungefähr 150 mm. Eine Seitenlänge der adhäsiven Bindung 100a ist ein Sechzehntel der langen Seitenlänge des Rahmenelements 40, und ist ein Dreißigstel der kurzen Seitenlänge derselben. In der vorliegenden Ausführungsform ist eine Seite der adhäsiven Bindung 100a von einem gedanklichen Quadrat mit einer Seitenlänge von einem Zwanzigstel einer Länge der langen und der kurzen Seiten des Rahmenelements 40 umgeben. Eine Seite der adhäsiven Bindung 100a ist von einem gedanklichen Quadrat mit einer Seitenlänge von einem Zehntel der langen Seitenlänge des Rahmenelements 40 umgeben, aber muss nicht von einem gedanklichen Quadrat mit einer Seitenlänge von einem Zehntel der kurzen Seitenlänge des Rahmenelements 40 umgeben sein. Außerdem ist, in einem Fall eines Rahmenelements mit vier Seiten, welche dieselbe Länge aufweisen, eine Seite der adhäsiven Bindung 100a vorzugsweise von einem gedanklichen Quadrat mit einer Seitenlänge von einem Zehntel, bevorzugter einem Zwanzigstel von jeglicher Seitenlänge des Rahmenelements umgeben.
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Wie vorstehend beschrieben gibt es, in dem Fall, in welchem die adhäsiven Bindungen 100a über die gesamte Oberfläche des Rahmenelements 40 ausgebildet sind, selbst in der vollständigen Einheitszelle 60, die adhäsiven Bindungen 50 und die adhäsiven Bindungen 100a, welche eine Punktform aufweisen und voneinander getrennt sind, zwischen der Seiten der inneren peripheren Kante 40e des Rahmenelements 40 und des peripheren Bereichs 11e. Deshalb ist die Existenz der voneinander getrennten adhäsiven Bindungen in diesem Bereich ein Beweis, dass die Einheitszelle durch dasselbe Herstellungsverfahren wie in der vorliegenden Ausführungsform hergestellt ist.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist die adhäsive Bindung 50 ein Harz, welches bei ultravioletter Strahlung aushärtet, aber nicht darauf beschränkt, und es kann ein thermoplastisches Harz sein. In diesem Fall, ohne die Verwendung einer adhäsiven Bindung eines von den adhäsiven Bindungen 100a verschiedenen Typs, kann nur die innere periphere Kantenseite der adhäsiven Bindungen 100a durch Erwärmen lediglich der Seite der inneren peripheren Kante 40e des Rahmenelements 40, welche dem peripheren Bereich der MEGA 20 zugewandt ist, welche die MEGA20 und das Rahmenelement 40 miteinander verbindet, geschmolzen werden. Zu diesem Zeitpunkt kann das Verbinden, während der äußere periphere Bereich gekühlt wird, ausgeführt werden, um nicht den äußeren peripheren Bereich, welcher die Seite der inneren peripheren Kante 40e des Rahmenelements 40 ausschließt, zu erwärmen. Ferner kann die adhäsive Bindung 50 ein duroplastisches Harz sein. Ebenso wird in diesem Fall das duroplastische Harz, welches eine niedrigere Aushärtetemperatur als der Schmelzpunkt der adhäsiven Bindung 100a aufweist, als die adhäsive Bindung 50 verwendet, damit die adhäsiven Bindungen 100a beim Erwärmen und Verbinden der MEGA 20 und des Rahmenelements 40 nicht schmelzen.
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Als nächstes wird eine Beschreibung von Variationen unterschiedlicher Form der adhäsiven Bindung angegeben. Die 7A bis 7C sind erklärende Ansichten der Variationen unterschiedlicher Form der adhäsiven Bindung. In den Variationen der Form der adhäsiven Bindung werden gleiche Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen dargestellt, und eine doppelte bzw. duplizierte Erklärung wird ausgelassen. 7A stellt ein Beispiel dar, in welchem adhäsive Bindungen 100b jeweils mit einer im Wesentlichen perfekten Kreisform in einer Zickzack-Weise angeordnet sind. Eine Aussparung C1b zwischen den zueinander benachbarten adhäsiven Bindungen 100b in der X-Richtung ist im Wesentlichen konstant. In ähnlicher Weise ist eine Aussparung C2b zwischen den zueinander benachbarten adhäsiven Bindungen 100b in der Y-Richtung im Wesentlichen konstant. Eine Aussparung C3b zwischen den zueinander benachbarten adhäsiven Bindungen 100b in der zu 45-Grad geneigten Richtung bezogen auf jede der X-Richtung und der Y-Richtung ist ebenso im Wesentlichen konstant. Die Aussparungen C1b und C2b weisen im Wesentlichen dieselbe Größe auf. Die Aussparung C3b ist kleiner als jede der Aussparungen C1b und C2b. Die adhäsiven Bindungen 100b mit einer derartigen Form können ebenso das Auftreten eines Verzuges im Rahmenelement 40 unterdrücken.
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Die 7B stellt ein Beispiel dar, in welchem adhäsive Bindungen 100c jeweils mit einer im Wesentlichen gleichseitigen dreieckigen Form bzw. Dreieckform in einer Zickzack-Weise angeordnet sind. Die zueinander benachbarten adhäsiven Bindungen 100c in der X-Richtung sind derartig angeordnet, dass sich eine Seite von einer derselben und eine Seite der anderen, welche sich zugewandt sind, parallel zueinander sind. Außerdem sind die adhäsiven Bindungen 100c derart angeordnet, dass eine Seite der adhäsiven Bindung 100c parallel zur X-Richtung ist. Eine Aussparung C3c zwischen den zugewandten Seiten dieser adhäsiven Bindungen 100c ist im Wesentlichen konstant. 7C stellt ein Beispiel dar, in welchem die adhäsiven Bindungen 100d jeweils mit einer im Wesentlichen regulären hexagonalen Form bzw. Sechseckform in einer Zickzack-Weise angeordnet sind. Die adhäsiven Bindungen 100d sind derart angeordnet, dass eine Seite der einen derselben und eine Seite der anderen sich zugewandt sind. Eine Aussparung C3d zwischen den zugewandten Seiten dieser adhäsiven Bindungen 100d ist im Wesentlichen konstant.
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Eine adhäsive Bindung zum Verbinden des Rahmenelements 40 und des Separators 33a ist nicht auf die vorstehend beschriebene Form beschränkt und kann, zum Beispiel, eine polygonale Form wie eine rechteckige Form, eine im Wesentlichen elliptische Form, oder eine im Wesentlichen ringartige Form aufweisen. Ebenso müssen die vorstehend beschriebenen Bindungen 100a bis 100d nicht immer in der X-Richtung oder der Y-Richtung in der vorstehenden Weise angeordnet sein. Ferner ist, in den vorstehenden Variationen jegliche Größe der adhäsiven Bindungen 100b, 100c, und 100d nicht beschränkt, aber jegliche Seite derselben ist vorzugsweise von einem gedanklichen Quadrat mit einer Seitenlänge von zum Beispiel 20 mm, bevorzugter 10 mm, umgeben. Ferner ist, für ein Rahmenelement mit langen Seiten und kurzen Seiten, jegliche Größe der adhäsiven Bindungen 100b, 100c, und 100d nicht beschränkt, aber jegliche Seite derselben ist vorzugsweise von einem gedanklichen Quadrat mit einer Seitenlänge von einem Zehntel, bevorzugter einem Zwanzigstel der langen Seitenlänge des Rahmenelements umgeben. Ferner ist jegliche Seite der adhäsiven Bindungen 100b, 100c, und 100d von einem gedanklichen Quadrat mit einer Seitenlänge von einem Zehntel der langen Seitenlänge des Rahmenelements umgeben, aber muss nicht von einem gedanklichen Quadrat mit einer Seitenlänge von einem Zehntel der kurzen Seitenlänge des Rahmenelements umgeben sein. In einem Fall eines Rahmenelements mit derselben Länge von vier Seiten, ist jegliche Seitenlänge der adhäsiven Bindungen 100b, 100c, und 100d vorzugsweise von einem gedanklichen Quadrat mit einer Seitenlänge von einem Zehntel, bevorzugter einem Zwanzigstel von jeglicher Seitenlänge des Rahmenelements umgeben.
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Ferner kann in der vorliegenden Ausführungsform und den Variationen eine Aussparung bei einem Teil der adhäsiven Bindung 100 ausgebildet sein, welcher gebildet wird, nachdem die jeweiligen adhäsiven Bindungen 100a bis 100d schmelzen und das Rahmenelement 40 und den Separator 33a verbinden. Eine derartige Aussparung kann teilweise ausgebildet sein, so lange die Aussparung nicht in der Nähe der äußeren peripheren Kante des Rahmenelements 40 und der inneren peripheren Kante 40e auf Linien um die Löcher s1 bis s6, welche die Krümmer definieren, angeordnet ist. Dies liegt daran, dass die Dichtungseigenschaft sichergestellt werden kann.
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Da die adhäsiven Bindungen 100a über die gesamte Oberfläche einer Oberfläche des Rahmenelements 40 in der vorstehenden Ausführungsform ausgebildet sind, durchdringt die adhäsive Bindung 50 die Aussparung der adhäsiven Bindungen 100a in der Seite der inneren peripheren Kante 40e einer Oberfläche des Rahmenelements 40, wie in den 4B und 4C dargestellt, ist aber nicht darauf beschränkt. Das heißt, in der Seite der inneren peripheren Kante 40e des Rahmenelements 40, müssen die adhäsiven Bindungen 100a nicht durch Maskenbearbeitung oder ähnlichem ausgebildet werden.
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Obwohl einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die spezifischen Ausführungsformen beschränkt, aber kann innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung wie beansprucht variiert oder geändert werden.
