JP2005216733A - 燃料電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 接着剤のはみ出しを防止すると共に、接着剤によって流路溝を塞ぐことなく、且つ漏れ無く確実にシールすることのできる燃料電池の製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明の燃料電池の製造方法は、酸化剤ガス流路溝２１と連通する第１のシール溝２３を第１のセパレータ２２に形成すると共に、燃料ガス流路溝２４と連通する第２のシール溝２６を第２のセパレータ２５に形成する工程と、固体高分子電解質膜２７の両面に電極２８Ａ，２８Ｂを配置してなる膜電極接合体２９の両面に、第１のセパレータ２２と第２のセパレータ２５を配置する工程と、第１および第２のシール溝２３，２６内に設けた接着剤３２を流体圧によって、シール溝開口端縁における膜電極接合体２９と第１および第２のセパレータ２２，２５との接触部分に押し付ける工程と、接着剤３２を固化させる工程とを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池の製造方法に関し、詳細には、膜電極接合体とセパレータとを接着剤によって接着シールする接合技術に関する。

燃料電池を製造する方法の一つとして、例えば、次のような方法が開示されている（例えば、特許文献１など参照）。この方法は、セパレータの外周縁近傍部に形成した溝部に液状シールを塗布した後、高分子電解質膜の両面に電極を設けてなる膜電極構造体を挟み込むようにしてセパレータを配置する。セパレータを膜電極構造体に配置するに際しては、電極の端部より外方に突出した高分子電解質膜のはみ出し部に液状シールが塗布されるようにする。

次に、これら膜電極構造体及びセパレータを押さえ治具にて挟み込み、所望の圧力を掛けてこれらを仮組する。次いで、これら膜電極構造体及びセパレータを押さえ治具ごとオーブンなどに入れて加熱し、低荷重を作用させたままの状態で液状シールを硬化させる。その後、押さえ治具を外して放冷することによって単位燃料電池を得る。

そして、前記工程を経て製造された複数個の単位燃料電池を積層した後、その積層体の外側にエンドプレートを配置する。その後、ボルトにてこれら積層体を締め付けて燃料電池を完成する。
特開２００２−２４６０４４号公報（第５頁および第６頁、第５図〜第８図）

ところで、前記液状シールには、熱硬化型フッ素系または熱硬化型シリコンからなり、セパレータに形成した溝部に塗布した状態では断面形状が変化しない程度の粘度を有し、塗布後にある程度の弾性を保持して硬化するシール剤が使用されている。

しかしながら特許文献１に記載の方法では、液状シールのため、だれが発生し、当該液状シールが充分にシール面に密着し難い。そのため、セパレータと高分子電解質膜間のシール部分より酸素ガスまたは水素ガスが漏れ出てしまうことがある。また、液状シールは、流路側にはみ出て当該流路を塞いでしまうことがある。さらに、液状シールがはみ出てガス拡散層に浸透し、ガスの拡散を妨げる場合がある。

そこで、本発明は、接着剤のはみ出しを防止すると共に、接着剤によって流路溝を塞ぐことなく、且つ漏れ無く確実にシールすることのできる燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池の製造方法は、次の工程からなる。燃料ガスまたは酸化剤ガスが流通する流路溝と連通するシール溝をセパレータに形成する工程。シール溝内に接着剤を設ける工程。固体高分子電解質膜の両面に電極を配置してなる膜電極接合体の両面に、セパレータをそれぞれ配置する工程。シール溝内に設けた接着剤を流体圧によって、少なくとも前記シール溝開口端縁における前記膜電極接合体と前記セパレータとの接触部分に押し付ける工程。前記接着剤を固化させる工程。

本発明によれば、シール溝内に設けた接着剤を流体圧によって、シール溝開口端縁における膜電極接合体とセパレータとの接触部分に押し付けるようにしているので、液だれが発生することなくシール部に接着剤が密着し、当該シール部を隙間無く確実にシールすることができる。したがって、セパレータに形成した流路溝を流通する燃料ガスまたは酸化剤ガスは、シール部より外方へ漏れ出ることが阻止される。また、流路溝を介して導入した流体圧によって接着剤に圧力を加えて当該接着剤を押しやるため、セパレータに形成された流路溝内に接着剤が流れ込み、当該流路溝が接着剤で塞がれることが防止される。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
本発明に係る燃料電池の製造方法を説明する前に、簡単に燃料電池の構造について説明する。図１は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。

燃料電池スタック１は、図１に示すように、起電力を生じる単位電池としての燃料電池単セル（以下、単にセル２という）を所定数だけ積層した積層体３とし、その積層体３の両端に集電板４、絶縁板５およびエンドプレート６を配置し、積層体３の内部に貫通した貫通孔（図示は省略する）にタイロッド７を貫通させ、そのタイロッド７の端部にナット（図示は省略する）を螺合させることで構成されている。

この燃料電池スタック１においては、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水をそれぞれ各セル２のセパレータに形成された流路溝に流通させるための燃料ガス導入口１５、燃料ガス排出口１６、酸化剤ガス導入口１７、酸化剤ガス排出口１８、冷却水導入口１９および冷却水排出口２０を、一方のエンドプレート６に形成している。

燃料ガスは、燃料ガス導入口１５より導入されてセパレータに形成された燃料ガス供給用の流路溝を流れ、燃料ガス排出口１６より排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口１７より導入されてセパレータに形成された酸化剤ガス供給用の流路溝を流れ、酸化剤ガス排出口１８より排出される。冷却水は、冷却水導入口１９より導入されてセパレータに形成された冷却水供給用の流路溝を流れ、冷却水排出口２０より排出される。

次に、本発明に係る燃料電池の製造方法を説明する。図２及び図３は、セルの製造工程を示す要部拡大断面図である。燃料電池を製造するには、先ず、例えば酸素などの酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路溝２１を一面に形成した第１のセパレータ２２に、該酸化剤ガス流路溝２１と連通する第１のシール溝２３を形成する。同様に、例えば水素などの燃料ガスが流通する燃料ガス流路溝２４を一面に形成した第２のセパレータ２５に、該燃料ガス流路溝２４と連通する第２のシール溝２６を形成する。これら第１のシール溝２３及び第２のシール溝２６は、それぞれ酸化剤ガス流路溝２１と燃料ガス流路溝２４を形成するのと同時に形成される。

第１のシール溝２３は、第１のセパレータ２２の外周縁近傍部であって、固体高分子電解質膜２７の両面に電極２８Ａ，２８Ｂを配置してなる膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly）２９のうち、該電極２８Ａ，２８Ｂの端部より外方に突出する固体高分子電解質膜２７と対応する位置に形成されている。この第１のシール溝２３は、底部が水平な底面２３ａと外周縁部へ向かって傾斜する傾斜面２３ｂとからなる。なお、電極２８Ａ，２８Ｂは、アノード触媒とガス拡散層、またはカソード触媒とガス拡散層の積層体からなる。

第１のシール溝２３は、第１のセパレータ２２に形成された第１の連絡溝３０によって連通されている。同様に、第２のシール溝２６は、第２のセパレータ２５に形成された第２の連絡溝３１によって連通されている。

次に、第１のシール溝２３と第２のシール溝２６に、膜電極接合体２９と第１のセパレータ２２及び第２のセパレータ２５とを接合させるための接着剤３２を設ける（塗布する）。かかる接着剤３２には、塗布した状態で断面形状が変化しない程度の粘度を有し、塗布後にある程度の弾性を保持して硬化（固化）する物性を有した接着剤が好ましい。例えば、好適な接着剤３２としては、熱硬化型フッ素系あるいは熱硬化型シリコンが使用できる。なお、この接着剤３２には、ゲル状のもの或いは液状のものの何れも使用できる。

次に、図２に示すように、膜電極接合体２９の両面に第１のセパレータ２２と第２のセパレータ２５をそれぞれ配置してセル２を形成する。第１のセパレータ２２と第２のセパレータ２５を膜電極接合体２９の両面に配置すると、第１のシール溝２３と第２のシール溝２６は、電極２８Ａ，２８Ｂの端部より外方へ突出した固体高分子電解質膜２７と対応する位置に設けられる。また、固体高分子電解質膜２７と第１のセパレータ２２および第２のセパレータ２５との対向部分には、後述する流体ガスＧが少しだけ流出可能であり、且つ接着剤３２は流出させない程度の隙間が設けられている。

そして、得られたセル２の複数個を重ね合わせて積層体３を形成する。次に、この積層体３の両面に、それぞれ集電板４、絶縁板５およびエンドプレート６を配置した後、これら積層体３にタイロッド７を挿入し、そのタイロッド７の端部にナットを螺合させる。

次に、燃料ガス排出口１６と酸化剤ガス排出口１８を塞いだ後、燃料ガス導入口１５と酸化剤ガス導入口１７より流体ガスＧを流す。流体ガスＧには、圧縮空気を使用する。この流体ガスＧを導入するに際しては、熱風を吹き付けるか、或いは加熱しながら圧縮空気をそれぞれの燃料ガス導入口１５と酸化剤ガス導入口１７に導入させる。加圧力としては、通常、燃料ガスまたは酸化剤ガスを導入するときの加圧力に０．１ＭＰａ〜０．３ＭＰａプラスした圧力とすることが好ましい。これらの範囲を超えてしまうと充分に接着剤３２をシール部分に押しやることができなかったり、押しやる力が強すぎてしまいシール部分から接着剤３２がはみ出てしまうことがある。

加熱した圧縮空気が燃料ガス導入口１５と酸化剤ガス導入口１７にそれぞれ導入されると、圧縮空気は、酸化剤ガス流路溝２１または燃料ガス流路溝２４を流れた後、第１の連絡溝３０または第２の連絡溝３１を介してそれぞれ第１のシール溝２３と第２のシール溝２６に到達する。この第１のシール溝２３と第２のシール溝２６内では、加圧された流体ガスＧによって接着剤３２が、第１のセパレータ２２または第２のセパレータ２５の外側に向かって押し出される。このとき、第１のシール溝２３と第２のシール溝２６にはセパレータの外側に向かって傾斜する傾斜面２３ｂ、２６ｂが形成されていることから、この傾斜面２３ｂ、２６ｂに沿って接着剤３２がスムーズにシール部分へと押し出される。

押し出された接着剤３２は、図３に示すように、シール溝開口端縁における膜電極接合体２９（具体的には固体高分子電解質膜２７）と第１のセパレータ２２及び第２のセパレータ２５との接触部分（シール部分）を隙間無く埋め尽くす。また、接着剤３２は、固体高分子電解質膜２７と第１のセパレータ２２および第２のセパレータ２５との対向部分に形成された微細な隙間にも流れ込む。

このように、流体圧を掛けて接着剤３２をシール部分に押し出すようにしたことから、液だれの発生が防止されると共にシール部分に確実に接着剤３２が密着する。つまり、接着剤３２は、流体圧にてシール部分へと押し出されるため、液だれが発生することなくシール部分に押し付けられることになる。その結果、シール部分からの酸化剤ガスおよび燃料ガスの流出が阻止される。

また、接着剤３２をセパレータ外側へ押し出しているため、該接着剤３２によって酸化剤ガス流路溝２１および燃料ガス流路溝２４を塞いでしまうことはない。また、接着剤３２のはみ出しを防止できることから、電極２８Ａ，２８Ｂを構成するガス拡散層に接着剤３２が浸透しガスの拡散を妨げるようなことを防止できる。また、流体圧によって接着剤３２をシール部分に押し出す構造をとっているので、僅かな量でシール部分をシールすることができる。

次に、接着剤３２を常温において固化させる。そして、接着剤３２を固化させた後、燃料ガス排出口１６と酸化剤ガス排出口１８の閉塞状態を開放させて燃料電池スタック１を完成させる。

第１の実施の形態によれば、接着剤３２のはみ出しを防止することができると共に、接着剤３２によって酸化剤ガス流路溝２１および燃料ガス流路溝２４を塞ぐことなく確実にシール部分をシールすることができる燃料電池スタック１を製造することができる。

［第２の実施の形態］
第２の実施の形態は、電極２８Ａ，２８Ｂの外周囲にガス拡散層の圧縮を適度に行うためのフレーム３３を取り付けた膜電極接合体２９を、第１のセパレータ２２および第２のセパレータ２５で挟み込み、これらを接着剤３２によってシールした例である。図４および図５は、フレームが取り付けられた膜電極接合体の両面にセパレータを配置し接着剤によってシールして製造されるセルの製造工程を示す要部拡大断面図である。

この例では、第１のシール溝２３および第２のシール溝２６の開口端縁である傾斜面２３ｂ、２６ｂの先端部（シール部分）に、接着剤３２が流体圧によって押し出される。接着剤３２は、このシール部分を隙間無く覆うと共に、固体高分子電解質膜２７とフレーム３３間の微細な隙間、および第１のセパレータ２２または第２のセパレータ２５とフレーム３３間の微細な隙間に充填される。なお、微細な隙間は、接着剤３２が漏れ出ないような隙間とされている。

［第３の実施の形態］
第３の実施の形態は、図６および図７に示すように、酸化剤ガス流路溝２１と第１のシール溝２３間を結ぶ第１の連絡通路３４、および燃料ガス流路溝２４と第２のシール溝２６間を結ぶ第２の連絡通路３５を設け、これら第１の連絡通路３４と第２の連絡通路３５を介して圧縮空気を第１のシール溝２３および第２のシール溝２６に供給して流体圧により接着剤３２を押し出してシール部分をシールする例である。

第１の連絡通路３４は、酸化剤ガス流路溝２１と連通する第１縦通路３４ａと、厚み方向に凹溝として形成された第１のシール溝２３と連通する第２縦通路３４ｂと、これら第１縦通路３４ａと第２縦通路３４ｂを連通させる横通路３４ｃとから構成される。第２の連絡通路３５も同様に、燃料ガス流路溝２４と連通する第１縦通路３５ａと、厚み方向に凹溝として形成された第２のシール溝２６と連通する第２縦通路３５ｂと、これら第１縦通路３５ａと第２縦通路３５ｂを連通させる横通路３５ｃとから構成される。

この実施の形態では、酸化剤ガス流路溝２１からバイパスである第１の連絡通路３４を介して第１のシール溝２３内に圧縮空気が流れ込みと共に、燃料ガス流路溝２４から同じくバイパスである第２の連絡通路３５を介して第２のシール溝２６内に圧縮空気が流れ込む。第１のシール溝２３および第２のシール溝２６内へと吹き出された圧縮空気は、それぞれ第１のシール溝２３および第２のシール溝２６の底部に設けられた（塗布された）接着剤３２を、加圧力を持って固体高分子電解質膜２７へと押し付ける。

接着剤３２は、この圧縮空気によって固体高分子電解質膜２７に押し付けられると共に、固体高分子電解質膜２７と第１のセパレータ２２および第２のセパレータ２５間の微細な隙間に充填される。その結果、シール部分は、接着剤３２によって隙間無く充填され確実にシールされることになる。これにより、シール部分からの酸化剤ガスおよび燃料ガスの流出が阻止される。

燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。 第１の実施の形態におけるセルの製造工程を示し、圧縮空気導入工程を示す要部拡大断面図である。 第１の実施の形態におけるセルの製造工程を示し、接着剤によるシール工程を示す要部拡大断面図である。 第２の実施の形態におけるセルの製造工程を示し、圧縮空気導入工程を示す要部拡大断面図である。 第２の実施の形態におけるセルの製造工程を示し、接着剤によるシール工程を示す要部拡大断面図である。 第３の実施の形態におけるセルの製造工程を示し、圧縮空気導入工程を示す要部拡大断面図である。 第３の実施の形態におけるセルの製造工程を示し、接着剤によるシール工程を示す要部拡大断面図である。

符号の説明

１…燃料電池スタック（燃料電池）
２…セル
１５…燃料ガス導入口
１７…酸化剤ガス導入口
２１…酸化剤ガス流路溝（流路溝）
２２…第１のセパレータ
２３…第１のシール溝（シール溝）
２４…燃料ガス流路溝（流路溝）
２５…第２のセパレータ
２６…第２のシール溝（シール溝）
２７…固体高分子電解質膜
２８Ａ，２８Ｂ…電極
３０…第１の連絡溝
３１…第２の連絡溝
３２…接着剤
３４…第１の連絡通路
３５…第２の連絡通路

Claims (5)

1. 燃料ガスまたは酸化剤ガスが流通する流路溝と連通するシール溝をセパレータに形成する工程と、
   前記シール溝内に接着剤を設ける工程と、
   固体高分子電解質膜の両面に電極を配置してなる膜電極接合体の両面に、前記セパレータをそれぞれ配置する工程と、
   前記シール溝内に設けた接着剤を流体圧によって、少なくとも前記シール溝開口端縁における前記膜電極接合体と前記セパレータとの接触部分に押し付ける工程と、
   前記接着剤を固化させる工程とを備えた
   ことを特徴とする燃料電池の製造方法。
2. 請求項１に記載の燃料電池の製造方法であって、
   前記流路溝に流体ガスを流し、その流体ガスを該流路溝を介して前記シール溝内へと送り込むことにより前記流体圧を発生させる
   ことを特徴とする燃料電池の製造方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池の製造方法であって、
   前記セパレータの外側へ向かって前記接着剤を押し出す
   ことを特徴とする燃料電池の製造方法。
4. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池の製造方法であって、
   前記流路溝と前記シール溝間を結ぶ連絡通路を設けた
   ことを特徴とする燃料電池の製造方法。
5. 少なくとも請求項２から請求項４の何れか一つに記載の燃料電池の製造方法であって、
   前記流体ガスを圧縮空気とした
   ことを特徴とする燃料電池の製造方法。

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