JP2005174805A - Cell for fuel battery and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池用セル及び燃料電池用セルの製造方法に関し、さらに詳しくは、電解質膜とその両面に配置されるセパレータとの剥離防止技術に関する。 The present invention relates to a fuel cell and a method for manufacturing the fuel cell, and more particularly to a technique for preventing separation between an electrolyte membrane and separators disposed on both surfaces thereof.
燃料電池用セルは燃料電池の単位セルであり、複数の燃料電池用セルを積み重ねてスタック構造とすることにより燃料電池が構成されている。このような燃料電池用セルは、電解質膜の一方の表面に、燃料流路を形成したセパレータを接合させ、且つ電解質膜の他方の表面に、酸化剤流路を形成した板状のセパレータを接合させることにより構成されている。 The fuel cell is a unit cell of the fuel cell, and a fuel cell is configured by stacking a plurality of fuel cell cells to form a stack structure. In such a fuel cell, a separator having a fuel flow path is bonded to one surface of the electrolyte membrane, and a plate-shaped separator having an oxidant flow channel is bonded to the other surface of the electrolyte membrane. It is comprised by letting.
燃料電池用セルのスタッキング方法として、電解質膜とこれを挟むセパレータを順次積層して複数の燃料電池用セルを構成する積層体(単位ブロック)を構成し、さらに複数の積層体を積み上げた状態で保持、固定する方法が知られている(例えば、特許文献1など参照)。 As a fuel cell stacking method, an electrolyte membrane and a separator sandwiching the electrolyte membrane are sequentially stacked to form a stack (unit block) constituting a plurality of fuel cell cells, and a plurality of stacks are stacked. A method of holding and fixing is known (see, for example, Patent Document 1).
図6は、このスタッキング方法を示している。この方法で用いる電解質膜1やセパレータ2、3には、所定位置に位置決め用の貫通孔が形成されている。先ず、図6(a)では、電解質膜1やセパレータ2、3の貫通孔を中間アダプタ4に積層の順を考慮してはめ合わせ、図6(b)に示すような単位ブロック5を作製する。
FIG. 6 shows this stacking method. The electrolyte membrane 1 and the separators 2 and 3 used in this method are formed with positioning through holes at predetermined positions. First, in FIG. 6A, the through holes of the electrolyte membrane 1 and the separators 2 and 3 are fitted to the
次に、このように作製された複数の単位ブロック5を積み重ね、連通させた複数の中間アダプタ4の筒孔内にシャフト6を挿入する。
Next, the plurality of
その後、このシャフト6の両端側から固定部材で、これら複数の単位ブロック5が圧接するように締め付ける。このようにして、燃料電池スタックが製造される。
Thereafter, the plurality of
上述した中間アダプタ4は、積層された各層同士を繋ぎ止める機能とシール剤としての機能を有する。このような中間アダプタ4は、樹脂材料で形成されている。この樹脂材料としては、熱硬化性を有する樹脂やシリコーン樹脂等がある。また、単位ブロック5を作製するには、一般的には、加圧と加熱を施して樹脂を硬化させる手法が行われている。このようなスタッキング方法では、図7に示すように、単位ブロック5を載置する載置板7と、単位ブロック5を上から加圧する加圧板8とを備えた周知のホットプレス9が用いられている。なお、載置板7と加圧板8には、図示しない加熱用ヒータが内蔵されている。
しかしながら、上述した燃料電池用セルの製造方法にあっては、積層体をホットプレスにて加圧及び加熱した後に、加圧板8を積層体から離して圧力を解放したときに、加圧により生じていた反発力により戻りが発生して、中間アダプタ4と各層の内壁部分とのシールが剥がれ(分離し)易くなるという問題点があった。この問題は、積層体を冷却した後に、圧力を解放しても同様に発生するものであった。この理由は、中間アダプタ4が各層と貫通孔の内壁面だけの面接触でシールされており、各層が中間アダプタ4の軸方向へずれ易いためである。
However, in the fuel cell manufacturing method described above, the pressure is generated when the pressure is released after the
また、この従来方法では、このように中間アダプタ4と各層とのシールが剥がれることにより、電解質膜1とセパレータ2、3との間の接合も剥がれてしまうという問題点がある。
Further, in this conventional method, there is a problem in that the joint between the electrolyte membrane 1 and the separators 2 and 3 is also peeled off due to the seal between the
そこで、本発明は、燃料電池用セルを構成する層同士の剥がれを防止すると共に、作業工数の少ない燃料電池用セルの製造方法、及び耐久性の高い燃料電池用セルを提供すること目的としている。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing a fuel cell with a small number of work steps, and a highly durable fuel cell, while preventing the layers constituting the fuel cell from peeling off. .
上記した課題を解決するために、本発明は、燃料電池用セルの製造方法において、電解質膜の一方の主面にアノードセパレータを積層し、この電解質膜の他方の主面にカソードセパレータを積層して積層体を構成する。そして、この積層体をホットプレスした後、積層体の厚み方向に貫通する貫通孔に、電気絶縁性を有する樹脂でなる積層体補強部材を挿入する。その後、この積層体補強部材を加熱して溶融させた後、冷却する。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a method for manufacturing a fuel cell, wherein an anode separator is stacked on one main surface of an electrolyte membrane, and a cathode separator is stacked on the other main surface of the electrolyte membrane. To form a laminate. And after this laminated body is hot-pressed, the laminated body reinforcement member which consists of resin which has electrical insulation is inserted in the through-hole penetrated in the thickness direction of a laminated body. Thereafter, the laminated body reinforcing member is heated and melted, and then cooled.
この発明によれば、燃料電池用セルを構成する電解質膜、アノードセパレータ及びカソードセパレータの各層同士が適切に接合した状態で確実に保持された燃料電池用セルを提供することができる。また、この発明によれば、燃料電池用セルを少ない工数で製造することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell that is reliably held in a state where the electrolyte membrane, anode separator, and cathode separator layers constituting the fuel cell are appropriately joined. Moreover, according to this invention, the cell for fuel cells can be manufactured with few man-hours.
以下、本発明を実施するための最良の形態に係る燃料電池用セルの製造方法及び燃料電池用セルについて説明する。 Hereinafter, a fuel cell manufacturing method and a fuel cell according to the best mode for carrying out the present invention will be described.
先ず、本発明を適用した燃料電池用セルの製造方法及び燃料電池用セルの構成について概略する。 First, the manufacturing method of the fuel cell to which the present invention is applied and the configuration of the fuel cell are outlined.
本実施の形態に係る燃料電池用セルを製造するに際しては、電解質膜、アノードセパレータ及びカソードセパレータとして、それぞれこれらを積層したときに相対応する位置に貫通孔が形成されたものを用いる。そして、電解質膜の一方の主面にアノードセパレータを接合するように積層し、この電解質膜の他方の主面にカソードセパレータを接合するように積層して積層体を作製する。なお、この積層体の積層方向両側の表面には、貫通孔と一体であり、貫通孔に連通する凹部を形成する。この凹部は、貫通孔の径よりも大きく形成する。 When manufacturing the fuel cell according to the present embodiment, as the electrolyte membrane, the anode separator, and the cathode separator, those in which through holes are formed at positions corresponding to the laminated layers are used. And it laminates | stacks so that an anode separator may be joined to one main surface of an electrolyte membrane, and it laminates | stacks so that a cathode separator may be joined to the other main surface of this electrolyte membrane, and a laminated body is produced. In addition, the recessed part which is integral with a through-hole and is connected to a through-hole is formed in the surface of the lamination direction both sides of this laminated body. The recess is formed larger than the diameter of the through hole.
次に、この積層体をホットプレスした後、冷間プレスにて冷却する。その後、冷間プレスした状態を保持しながら、連通している貫通孔に、電気絶縁性を有する樹脂でなる膨大頭部を有するビス形状の積層体補強部材を挿入する。このとき、積層体補強部材の膨大頭部は、積層体の積層方向の一方の最外層に形成された凹部に収納される。 Next, after hot pressing this laminate, it is cooled by cold pressing. After that, a screw-shaped laminated body reinforcing member having a huge head made of a resin having electrical insulation is inserted into the communicating through-hole while maintaining the cold-pressed state. At this time, the enormous head portion of the laminated body reinforcing member is accommodated in a recess formed in one outermost layer in the laminating direction of the laminated body.
次いで、貫通孔に挿入した状態で、積層体補強部材を加熱して溶融させた後、冷却する。このとき、積層体補強部材の他方の端部は、積層体の積層方向の他方の最外層に形成された凹部内に溶融して収納され、その状態で冷却して硬化される。 Next, in a state of being inserted into the through hole, the laminated body reinforcing member is heated and melted, and then cooled. At this time, the other end of the laminated body reinforcing member is melted and accommodated in a recess formed in the other outermost layer in the lamination direction of the laminated body, and is cooled and cured in this state.
このような工程を経て製造された燃料電池用セルは、積層体を構成する電解質膜、アノードセパレータ及びカソードセパレータの各層が、積層方向に貫通して設けられた、いわゆるこれら各層の剥がれ防止用補強部材として機能する各積層体補強部材で保持される構造となる。特に、本実施の形態では、積層体補強部材の両端がいわゆるフランジ形状であるため、積層体は接合方向に圧接した状態で保持される。 The fuel cell produced through these steps is a so-called peeling prevention reinforcement in which each layer of the electrolyte membrane, anode separator and cathode separator constituting the laminate is provided so as to penetrate in the lamination direction. It becomes a structure hold | maintained by each laminated body reinforcement member which functions as a member. In particular, in the present embodiment, since both ends of the laminated body reinforcing member have a so-called flange shape, the laminated body is held in a state of being pressed in the joining direction.
次に、図面を参照して本発明の実施例に係る燃料電池用セル及び燃料電池用セルの製造方法について詳細に説明する。但し、図面は模式的なものであり、各部材の寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。 Next, a fuel cell and a method for manufacturing the fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, it should be noted that the drawings are schematic and ratios of dimensions of the members are different from actual ones. Therefore, specific dimensions should be determined in consideration of the following description.
本実施例に係る燃料電池用セルの製造方法では、図1に示すように、電解質膜11と、この電解質膜11の一方の主面に配置されるアノードセパレータ12と、電解質膜11の他方の主面に配置されるカソードセパレータ13とからなる積層体14を燃料電池用セルとする場合に、本発明を適用して説明する。なお、アノードセパレータ12には、図示しない燃料(水素リッチガス)流路が形成され、カソードセパレータ13には、図示しない、空気を流通させる酸化剤流路が形成されている。
In the method for manufacturing a fuel cell according to the present embodiment, as shown in FIG. 1, an
図1(a)に示すように、本実施例では、積層体14を構成する電解質膜11、アノードセパレータ12、カソードセパレータ13のそれぞれ対応する所定位置(電池機能領域以外の位置)に同形・同寸法の貫通孔11A、12A、13Aを形成する。なお、本実施例では、これら貫通孔11A、12A、13Aを、各電解質膜11、アノードセパレータ12及びカソードセパレータ13の四隅にそれぞれ形成する。また、アノードセパレータ12の積層方向と反対側(外側)の表面における貫通孔12Aの開口周縁部には、貫通孔12Aの径を広げるように円形状の凹部12Bが形成されている。同様に、カソードセパレータ13の積層方向と反対側(外側)の表面における貫通孔13Aの開口周縁部には、貫通孔13Aの径を広げるように円形状の凹部13Bが形成されている。
As shown in FIG. 1 (a), in this embodiment, the
本実施例では、図1(a)に示すように、順次、アノードセパレータ12、電解質膜11、カソードセパレータ13を互いの貫通孔12A、11A、13Aが合致するように積層して積層体14とする。
In this embodiment, as shown in FIG. 1 (a), the
次に、図1(a)に示すように、この積層体14をホットプレス装置15でホットプレスする。このホットプレス装置15は、積層体14を載置する載置板16と、積層体14を加圧する昇降可能な加圧板17を備えている。載置板16及び加圧板17は、ヒータ等の加熱手段と冷却手段とを備えている。また、これら載置板16及び加圧板17には、積層体14の連通する貫通孔11A、12A、13Aと対応する位置(例えば4箇所)に、後述する熱カシメ治具18、19を挿入させる治具挿入孔16A、17Aが開設されている。このような構成のプレス装置15に対して、積層体14を、連通する貫通孔11A、12A、13Aが載置板16の治具挿入孔16Aと相対応するようにして載置する。
Next, as shown in FIG. 1A, the
ホットプレス工程が終了したら積層体14をプレス装置15で加圧した状態にて、載置板16と加圧板17とを冷却手段で冷却して冷間プレスする。その後、冷間プレスを保持しないがら、図1(b)に示すように、積層体補強部材20をカソードセパレータ13側から挿入する。この積層体補強部材20は、例えばポリブチレン・テレフタレート(PBT)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)等の絶縁性樹脂をリベット形状に形成したものであり、一方の端部にフランジ形状の膨大頭部20Aが形成されている。
When the hot pressing step is completed, the mounting plate 16 and the
この膨大頭部20Aは、カソードセパレータ13に形成された凹部13B内の空間形状と略同じか或いは若干小さくされている。また、積層体補強部材20の長さは、図1(b)に示すように、積層体14に挿入したときに、挿入した端部がアノードセパレータ12の外側面から突出するような長さに設定されている。さらに詳しくは、積層体補強部材20のアノードセパレータ12の凹部12Bの底面から突出する部分の体積は、この凹部12Bの容積と略同じに設定されている。
The
次に、図1(b)に示すように、載置板16及び加圧板17の治具挿入孔16A、17Aに熱カシメ治具18、19を挿入して積層体補強部材20の両端に押し当てて積層体補強部材20の端部に熱を加えて加締める。このとき、積層体補強部材20におけるアノードセパレータ12から突出する端部は、図1(c)に示すようなフランジ形状の膨大頭部20Bに加工され、凹部12Bに埋設された状態となる。その後、積層体14に冷間プレスを施す。このとき、加熱された積層体補強部材20を構成する絶縁性樹脂の冷却時の収縮により発生する圧縮力が積層体14に作用し、この収縮力によって積層体14が積層方向に強固に保持される。その後、プレス装置15から取り出すことにより、図1(c)に示すような積層体14の完成品(燃料電池用セル)の製造が終了する。
Next, as shown in FIG. 1 (b), the heat caulking jigs 18 and 19 are inserted into the jig insertion holes 16 A and 17 A of the mounting plate 16 and the
このように製造された複数の積層体(燃料電池用セル)14同士を重ねて燃料電池を製造するには、図2に示すように、積層体14(燃料電池用セル)同士の間に例えばゴムシール21を介在させて合わせればよい。
In order to manufacture a fuel cell by stacking a plurality of stacked bodies (fuel cell) 14 manufactured in this way, as shown in FIG. 2, between the stacked bodies 14 (fuel cell), for example, What is necessary is just to match | combine with the
本実施例に係る燃料電池用セルの製造方法では、積層体14をプレス装置15に載置した状態で燃料電池用セルを完成させることができるため、工数を減らすことができる。
In the method for manufacturing a fuel cell according to the present embodiment, the fuel cell can be completed in a state where the laminate 14 is placed on the
また、積層体14は、積層体補強部材20の両端の膨大頭部で接合状態が保持されるため、各層が剥がれることを防止できる。
Moreover, since the joining state is hold | maintained at the huge head of the both ends of the laminated
また、本発明によれば、電解質膜11をアノードセパレータ12とカソードセパレータ13で挟み込んでなる積層体14に形成した貫通孔に絶縁樹脂からなる積層体補強部材20を挿入し、その積層体補強部材20を熱かしめすることによって積層体14を積層方向に締め付けているので、積層体プレス加圧後の加圧力解放時に、該積層体補強部材20がその加圧より戻ろうとする力を押さえることになり、これら各層の剥がれを確実に防止することができる。
In addition, according to the present invention, the laminated
図3は、本発明の実施例2に係る燃料電池用セルの製造方法を示している。この実施例2では、電解質膜11、アノードセパレータ12、カソードセパレータ13の形状は、上述の実施例1と同様のものである。
FIG. 3 shows a method for manufacturing a fuel cell according to Example 2 of the present invention. In Example 2, the shapes of the
本実施例では、実施例1のような積層体補強部材20を用いずに、積層体14に形成されている連通する貫通孔11A、12A、13A及び凹部13B、12Bへ溶融した樹脂を注入して封止する手法を用いる。
In this embodiment, the molten resin is injected into the through
この樹脂は、図3に示すように、プレス装置15の加圧板23に形成した湯口23Aから注入するようになっている。なお、図示しないが、積層体14を載置する載置板22には、樹脂の充填に伴って空気を逃がす小孔が形成されている。
As shown in FIG. 3, the resin is poured from a
本実施例では、積層体14を載置板22と加圧板23で加圧している状態で、ホットプレス工程、冷却工程、樹脂の充填工程、及び樹脂の冷却工程を一貫して行うことができるため、円滑な製造を行うことができる。このようにして製造した積層体14は、前記実施例1と同様の作用効果を奏することはもちろんのことである。
[変形例]
In the present embodiment, the hot press step, the cooling step, the resin filling step, and the resin cooling step can be performed consistently while the laminate 14 is being pressed by the mounting
[Modification]
図4及び図5は、完成品としての積層体(燃料電池用セル)14の変形例の断面を示している。 4 and 5 show a cross section of a modified example of the laminate (fuel cell) 14 as a finished product.
図4に示す変形例は、積層体補強部材20の膨大頭部20Aと挿入した端部の膨大頭部がカソードセパレータ13やアノードセパレータ12の外側面に当接するようにしたものである。これに伴い、アノードセパレータ12とカソードセパレータ13の表面には、凹部12B、13Bを形成する必要がない。
In the modification shown in FIG. 4, the
この変形例では、カソードセパレータ13やアノードセパレータ12の外側面から積層体補強部材20の端部が突出する構造となるが、積層体14同士を重ねる際に介在されるゴムシール材の厚みでこの突出部を吸収させることができるため燃料電池の製造には差し支えない。なお、この変形例は、上述した実施例1の方法で製造することができる。
In this modification, the end portion of the laminated
また、図5に示す変形例は、積層体補強部材20の一端の膨大頭部20Cと他端の膨大頭部20Dが端面から積層体補強部材20の中間部へ向けて漸次細くなる形状である。また、この膨大頭部20Cと膨大頭部20Dは、カソードセパレータ13及びアノードセパレータ12に形成された凹部に埋設されてこれらのセパレータ13、12の表面から突出しないようになっている。なお、これら凹部は、すり鉢状のテーパ面を有している。この変形例は、上述した実施例1及び実施例2の方法で製造することができる。
5 is a shape in which the enormous head 20C at one end and the
(その他の実施例)
以上、実施例について説明したが、この実施例の開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではなく、構成の要旨に付随する様々な変更が可能である。
(Other examples)
Although the embodiment has been described above, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of the disclosure of the embodiment limit the present invention, and various modifications accompanying the gist of the configuration are possible. is there.
例えば、上述した実施例1及び実施例2では、1組の燃料電池用セルを構成する、アノードセパレータ12、電解質膜11、及びカソードセパレータ13の3枚をホットプレスしたが、複数組の燃料電池用セルを構成する枚数を一度にホットプレスしてもよい。
For example, in Example 1 and Example 2 described above, three sheets of the
11……電解質膜、12……アノードセパレータ、13……カソードセパレータ、14……積層体、15……プレス装置、20……積層体補強部材、20A……膨大頭部、20B……膨大頭部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記積層体の厚み方向に貫通する貫通孔に、電気絶縁性を有する樹脂でなる積層体補強部材を挿入する工程と、
前記積層体補強部材を加熱して溶融させた後、冷却する工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池用セルの製造方法。 Laminating an anode separator on one principal surface of the electrolyte membrane, laminating a cathode separator on the other principal surface of the electrolyte membrane to form a laminate, and hot pressing the laminate;
Inserting a laminate reinforcing member made of a resin having electrical insulation into a through-hole penetrating in the thickness direction of the laminate; and
Cooling the laminate reinforcing member after heating and melting;
A method for producing a cell for a fuel cell, comprising:
前記積層体の厚み方向に貫通する貫通孔に、電気絶縁性を有する樹脂を溶融した状態で充填する工程と、
前記樹脂を冷却して積層体補強部材を形成する工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池用セルの製造方法。 Laminating an anode separator on one principal surface of the electrolyte membrane, laminating a cathode separator on the other principal surface of the electrolyte membrane to form a laminate, and hot pressing the laminate;
Filling a through-hole penetrating in the thickness direction of the laminate in a molten state with a resin having electrical insulation;
Cooling the resin to form a laminate reinforcing member;
A method for producing a cell for a fuel cell, comprising:
前記積層体補強部材の両端部に中間部より径寸法の大きい膨大頭部を形成することを特徴とする燃料電池用セルの製造方法。 A method for manufacturing a fuel cell according to claim 1 or 2, wherein
A method for manufacturing a cell for a fuel cell, characterized in that enormous heads having a diameter larger than that of an intermediate portion are formed at both ends of the laminate reinforcing member.
前記積層体の積層方向両側の最外層の表面に、前記膨大頭部を埋設する凹部を形成することを特徴とする燃料電池用セルの製造方法。 A method for producing a fuel cell according to claim 3,
A method for manufacturing a fuel cell, comprising: forming a recess for embedding the enormous head on the surface of the outermost layer on both sides in the stacking direction of the stack.
前記貫通孔の両端は、前記積層体補強部材の前記膨大頭部を収納する凹部形状とされていることを特徴とする燃料電池用セル。 A fuel cell according to claim 5, wherein
Both ends of the through hole have a recessed shape for accommodating the enormous head portion of the laminated body reinforcing member.
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