JP2005268146A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に係り、特に、燃料電池の小型化を図るとともに、プロトン交換膜(Proton Exchange Membrane、以下、単に、「PEM」と称する。)の優れた抵抗率を実現した燃料電池の製造技術に関する。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell that achieves an excellent resistivity of a proton exchange membrane (hereinafter simply referred to as “PEM”) while reducing the size of the fuel cell. It relates to manufacturing technology.
一般に、燃料電池は、平板状の電極構造体(Membrane Electrode Assembly、以下、単に、「MEA」と称する。)の両側にセパレータが積層された単セルが1ユニットとされ、複数のユニットが積層されて燃料電池スタックとして構成される。MEAは、正極(カソード)及び負極(アノード)を構成する一対のガス拡散電極の間にイオン交換樹脂層等からなる電解質膜が挟まれた三層構造である。ガス拡散電極は、電解質膜に接触する電極触媒層の外側にガス拡散層が形成されたものである。また、セパレータは、MEAのガス拡散電極に接触するように積層され、ガス拡散電極との間にガスを流通させるガス流路や冷媒流路が形成されている。上記構成の燃料電池によると、例えば、負極側のガス拡散電極に面するガス流路に燃料である水素ガスを流し、正極側のガス拡散電極に面するガス流路に酸素や空気等の酸化性ガスを流すと電気化学反応が起こり、電気が発生する。 In general, in a fuel cell, a single cell in which separators are stacked on both sides of a flat electrode structure (hereinafter simply referred to as “MEA”) is one unit, and a plurality of units are stacked. Configured as a fuel cell stack. The MEA has a three-layer structure in which an electrolyte membrane composed of an ion exchange resin layer or the like is sandwiched between a pair of gas diffusion electrodes constituting a positive electrode (cathode) and a negative electrode (anode). In the gas diffusion electrode, a gas diffusion layer is formed on the outside of the electrode catalyst layer in contact with the electrolyte membrane. The separator is laminated so as to be in contact with the gas diffusion electrode of the MEA, and a gas flow path and a refrigerant flow path for allowing gas to flow between the gas diffusion electrode and the separator are formed. According to the fuel cell having the above configuration, for example, hydrogen gas as a fuel is caused to flow in the gas flow channel facing the negative electrode side gas diffusion electrode, and oxygen, air, or the like is oxidized in the gas flow channel facing the gas diffusion electrode on the positive electrode side. When a sex gas is flowed, an electrochemical reaction occurs and electricity is generated.
このような燃料電池は、耐久性や気密性等の向上のため、MEAとセパレータとからなる単セルを形成する際、又は上記単セル同士を積層する際に、優れた位置合わせ等を実現せねばならず、この位置合わせ等の精度を高いレベルで得るために、種々の技術が提案されている。 Such a fuel cell realizes excellent alignment or the like when forming a single cell composed of an MEA and a separator or stacking the single cells to improve durability and airtightness. Various techniques have been proposed in order to obtain a high level of accuracy such as alignment.
即ち、例えば、上記位置合わせに関する技術には、保持ピン挿入側保持孔と止め輪挿入側保持孔に挿入して止め輪と組み合わせて単電池を保持する保持ピンの先端ピンをセパレータの外面より突出させ、隣接する単電池の保持ピンの一端に備えたピン先端挿入穴に嵌め合わせて単電池を積層した燃料電池が開示されている(特許文献1参照)。また、燃料電池の耐食性と気密性を向上させる技術には、金属板が、燃料電池の燃料ガス、酸化ガス、又は冷媒の各流路を有するとともに、樹脂層部が、燃料ガス、酸化ガス、又は冷媒を流通するための各連通口を有して構成された燃料電池用金属セパレータとして構成し、射出成形によって金属板と樹脂層部と一体に形成して製造したセパレータが開示されている(特許文献2参照)。さらに、部材間の接合の容易化と意匠効果の向上等を目的とした樹脂層の接合技術には、異種の合成樹脂層材料を重ね合わせて両者を接合するにあたり、一方の樹脂層材料をレーザー透過性とするとともに、他方の樹脂層材料をレーザー吸収性とし、これらを重ね合わせた後に、レーザー透過性樹脂層側からレーザーを照射する異種合成樹脂層材料の接合方法が開示されている(特許文献3参照)。 That is, for example, in the technique related to the alignment, the tip pin of the holding pin that holds the unit cell in combination with the retaining ring inserted into the retaining pin insertion side holding hole and the retaining ring insertion side holding hole protrudes from the outer surface of the separator. In addition, a fuel cell is disclosed in which unit cells are stacked by fitting into a pin tip insertion hole provided at one end of a holding pin of an adjacent unit cell (see Patent Document 1). Further, in the technology for improving the corrosion resistance and air tightness of the fuel cell, the metal plate has each flow path of fuel gas, oxidizing gas, or refrigerant of the fuel cell, and the resin layer portion has fuel gas, oxidizing gas, Alternatively, there is disclosed a separator manufactured as a fuel cell metal separator configured to have each communication port for circulating a refrigerant, and formed integrally with a metal plate and a resin layer portion by injection molding ( Patent Document 2). Furthermore, in the resin layer bonding technology for the purpose of facilitating the bonding between members and improving the design effect, etc., when overlapping different types of synthetic resin layer materials and bonding them together, A method for joining different types of synthetic resin layer materials is disclosed in which the other resin layer material is made to be laser-absorbing while being made to be transparent, and these are superposed and then irradiated with laser from the laser-permeable resin layer side (patent) Reference 3).
上記特許文献1に記載された技術は、固体高分子型燃料電池の組立てにおいて、高分子樹脂層に飽和に含水させることにより、抵抗率の低いPEMが形成される。しかしながら、この優れた抵抗率は膜の乾燥によりその効果が希薄化するという問題がある。また、この技術においては、シールを有するセパレータによってMEAを挟持して単セルを形成し、この段階でPEMの乾燥を防止した後に、それらの単セルを積層して燃料電池の組立体を形成する。この場合には、単セルを形成する際に、一対のセパレータ及び高分子膜に穴を開け、これらをピン等で締結する構造が採用されていることから、このピン締結部が大きな面積を占めており、燃料電池の小型化が困難であるという問題もある。
In the technique described in
また、上記特許文献2に記載の技術は、単セルを形成するセパレータの構造において、電極対応部に金属を、流体を連通させる連通口部を樹脂層から製造するものであり、単セルを組立てるためのピン締結部が省略されたものである。このため、この技術は、上記特許文献1に記載の技術に比して製造工程の簡略化が図られているといえる。しかしながら、上記膜の乾燥に対しては、シール材を使用しているため、完全に乾燥を防止することが困難であるという問題がある。
Further, the technique described in Patent Document 2 is to manufacture a single cell by connecting a metal to an electrode-corresponding portion and a communication port portion for communicating a fluid from a resin layer in the structure of a separator that forms a single cell. Therefore, the pin fastening portion is omitted. For this reason, it can be said that this technique simplifies the manufacturing process as compared with the technique described in
さらに、特許文献3に記載技術は、異種の合成樹脂層材料を、両合成樹脂層材料の強度を低下させることなく、レーザーによって容易に接合する方法であるが、この技術文献には、当該技術が燃料電池に応用できるという記載はなく、その検討についてもなされていないのが現状である。
Furthermore, the technique described in
このような事情に鑑み、近年においては、一対のセパレータ及び高分子膜に穴を開けず、これらをピン等による機械的締結手段を用いずに接合し、燃料電池の小型化を実現する技術の開発が要請されている。また、PEMの優れた抵抗率を実現するために、PEMの乾燥を防止する技術の開発も要請されている。さらに、特許文献3に記載の異種の合成樹脂層材料の接合技術が燃料電池に応用できるのであれば、今後の燃料電池分野においては、目覚ましい技術進歩が期待できる。
In view of such circumstances, in recent years, a technology for realizing a miniaturization of a fuel cell by joining a pair of separators and a polymer membrane without using a hole and using a mechanical fastening means such as a pin. Development is required. In addition, in order to realize an excellent resistivity of PEM, development of a technique for preventing PEM from drying is also required. Furthermore, if the joining technique of different types of synthetic resin layer materials described in
本発明は、上記種々の要請に鑑みてなされたものであり、特に、異種の合成樹脂層材料の接合技術を燃料電池に応用して、燃料電池を一対のセパレータ及び高分子膜をピン等による機械的締結手段を用いずに接合して小型化を実現するとともに、PEMの優れた抵抗率を実現するために、PEMの乾燥を防止した、燃料電池を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above various demands, and in particular, by applying a joining technique of different types of synthetic resin layer materials to a fuel cell, the fuel cell is composed of a pair of separators and a polymer membrane is composed of pins or the like. It aims at providing the fuel cell which prevented drying of PEM, in order to implement | achieve size reduction by joining without using a mechanical fastening means, and to implement | achieve the outstanding resistivity of PEM.
即ち、本発明の燃料電池(第1発明)は、電解質膜の両面に触媒層と拡散層とを備えるMEAを一対のセパレータで挟持して構成された単セルを、複数層積層してなり、上記セパレータは、金属製内側部材と上記金属製内側部材の外周部に設けられた熱可塑性樹脂層とを備え、隣接するセパレータのうち、一のセパレータを構成する熱可塑性樹脂層がレーザー透過性樹脂層であり、他のセパレータを構成する熱可塑性樹脂層がレーザー吸収性樹脂層であり、上記一対のセパレータを積層した状態で、上記レーザー透過性樹脂層側からレーザーを照射して、上記レーザー吸収性樹脂層を溶融することにより隣接する樹脂層同士を接合したことを特徴としている。 That is, the fuel cell of the present invention (first invention) is formed by laminating a plurality of single cells each configured by sandwiching an MEA having a catalyst layer and a diffusion layer on both sides of an electrolyte membrane with a pair of separators, The separator includes a metal inner member and a thermoplastic resin layer provided on an outer peripheral portion of the metal inner member, and among the adjacent separators, the thermoplastic resin layer constituting one separator is a laser transmissive resin. The thermoplastic resin layer constituting the other separator is a laser-absorbing resin layer, and the laser absorption is performed by irradiating a laser from the laser-transmitting resin layer side in a state where the pair of separators are laminated. It is characterized in that adjacent resin layers are joined together by melting the conductive resin layer.
上記第1発明においては、隣接する各セパレータの平面視において、レーザー照射部が環状体を形成し、MEAが前記環状体の内部に位置すること(第2発明)が望ましい。 In the first invention, it is desirable that the laser irradiation part forms an annular body and the MEA is positioned inside the annular body (second invention) in a plan view of adjacent separators.
また、上記第1,2発明においては、上記レーザー透過性樹脂層を備えるセパレータと、上記レーザー吸収性樹脂層を備えるセパレータとの接合時に、これらの隣接するセパレータによってMEAを挟持しながらレーザーを照射したこと(第3発明)が望ましい。 In the first and second aspects of the invention, when the separator having the laser transmissive resin layer is joined to the separator having the laser absorbing resin layer, the laser is irradiated while the MEA is sandwiched between the adjacent separators. (3rd invention) is desirable.
さらに、上記第1〜3発明においては、隣接しない2枚のセパレータを構成するレーザー透過性樹脂層の各々によって、これらのセパレータの双方に隣接するセパレータを構成するレーザー吸収性樹脂層を挟持し、これら3つの樹脂層によって形成された2つの界面を同時に接合したこと(第4発明)や、2枚のセパレータを構成する各レーザー透過性樹脂層が突起状部を有し、これら2つのレーザー透過性樹脂層が隣接するとともに、これらのレーザー透過性樹脂層によって、上記2枚のセパレータの双方に隣接するセパレータを構成するレーザー吸収性樹脂層を挟持し、これら3つの樹脂層によって形成された3つの界面を同時に接合したこと(第5発明)や、隣接する2枚のセパレータが、それぞれレーザー吸収性樹脂層を備えるとともに、それらの外周部にレーザー透過性樹脂層を備え、上記2枚のセパレータを積層して、これら4つの樹脂層によって形成された4つの界面を同時に接合したこと(第6発明)が望ましい。なお、上記第6発明においては、上記4つ界面を同時に接合してなる単セルを複数層積層し、さらに、単セル同士の接点付近に形成された4つの界面をレーザー照射によって同時に接合したこと(第7発明)が望ましい。 Furthermore, in the first to third inventions, the laser-absorbing resin layers constituting the separators adjacent to both of these separators are sandwiched by each of the laser-permeable resin layers constituting the two non-adjacent separators, The two interfaces formed by these three resin layers are simultaneously bonded (fourth invention), and each laser-transmissible resin layer constituting the two separators has a protrusion, and these two lasers are transmitted. The laser-absorbing resin layers adjacent to each other, the laser-absorbing resin layers constituting the separators adjacent to both of the two separators are sandwiched by these laser-transmitting resin layers, and 3 formed by these three resin layers When two interfaces are joined simultaneously (fifth invention), and two adjacent separators each have a laser-absorbing resin layer. To, with the laser-transparent resin layer on their outer periphery, and laminating the two separators, it has joined four interface formed by these four resin layers simultaneously (sixth invention) is preferable. In the sixth invention, a plurality of single cells formed by simultaneously bonding the four interfaces are stacked, and the four interfaces formed in the vicinity of the contact points between the single cells are simultaneously bonded by laser irradiation. (Seventh invention) is desirable.
加えて、上記第1〜7発明においては、隣接する2枚のセパレータを構成する2つのレーザー透過性樹脂層を積層する際に、これら2つのレーザー透過性樹脂層間にレーザー吸収性樹脂層を配置して、これら3つの樹脂層により2つの界面を形成し、上記2枚のセパレータによってMEAを挟持しながらレーザーを照射して、上記2つの界面を同時に接合したこと(第8発明)が望ましい。なお、上記第8発明においては、上記2つの界面を同時に接合してなる単セルを複数層積層し、さらに、単セル同士の間にレーザー吸収性樹脂層を配置して、2つの界面を形成し、この2つの界面をレーザーを照射して同時に接合したこと(第9発明)が望ましい。 In addition, in the above first to seventh inventions, when two laser transmissive resin layers constituting two adjacent separators are laminated, a laser absorbing resin layer is disposed between the two laser transmissive resin layers. Then, it is desirable that two interfaces are formed by these three resin layers, and the two interfaces are simultaneously bonded by irradiating a laser while sandwiching the MEA between the two separators (the eighth invention). In the eighth invention, a plurality of single cells formed by simultaneously bonding the two interfaces are stacked, and a laser-absorbing resin layer is disposed between the single cells to form two interfaces. It is desirable that the two interfaces be simultaneously irradiated with a laser (the ninth invention).
最後に、上記第1〜9発明においては、セパレータを構成するレーザー透過性樹脂層と、レーザー吸収性部材を有するMEAとを積層するとともに、上記レーザー透過性樹脂層側からレーザーを照射して、前記MEAのレーザー吸収性部材を溶融することにより、上記セパレータと前記MEAとを接合したこと(第10発明)や、セパレータを構成するレーザー透過性樹脂層とMEAとにより熱吸収材を挟持して、2つの界面を形成し、上記レーザー透過性樹脂層側からレーザーを照射して、上記熱吸収材を溶融することにより、上記2つの界面を同時に接合したこと(第11発明)が望ましい。 Finally, in the first to ninth inventions, the laser transmissive resin layer constituting the separator and the MEA having the laser absorbing member are laminated, and the laser is irradiated from the laser transmissive resin layer side, By melting the MEA laser-absorbing member, the separator and the MEA are joined (tenth invention), and the heat-absorbing material is sandwiched between the laser-permeable resin layer and the MEA constituting the separator. It is desirable that the two interfaces be formed simultaneously by forming two interfaces and irradiating a laser from the laser-transmitting resin layer side to melt the heat absorbing material (the eleventh invention).
以上に記載した第1〜11発明は、燃料電池の各構成部材の接合態様に関する本発明の根幹部分である。以下に、燃料電池の各構成部材の材料選択等に関する、さらに好適な本発明を記載する。
上記第1〜11発明においては、上記レーザー透過性樹脂層として、熱可塑性樹脂層(PPS,LCP,PEEK,若しくはPC)、又はシリコーンゴム被覆がなされた熱可塑性樹脂層(PPS,LCP,PEEK,若しくはPC)を用いたこと(第12発明)が望ましく、また、上記レーザー吸収性樹脂層として、カーボン又は色素を含浸させた熱可塑性樹脂層(PPS,LCP,PEEK,若しくはPC)を用いたこと(第13発明)が望ましい。
The first to eleventh inventions described above are the fundamental part of the present invention relating to the joining mode of each component of the fuel cell. In the following, further preferred embodiments of the present invention relating to the material selection of each component of the fuel cell will be described.
In the first to eleventh inventions, as the laser transmissive resin layer, a thermoplastic resin layer (PPS, LCP, PEEK, or PC) or a thermoplastic resin layer (PPS, LCP, PEEK, coated with silicone rubber) is used. Or PC) (the twelfth invention) is desirable, and a thermoplastic resin layer (PPS, LCP, PEEK, or PC) impregnated with carbon or a dye is used as the laser-absorbing resin layer. (13th invention) is desirable.
また、上記第10発明においては、上記MEAのレーザー吸収性部材として、気体透過性の金属材料(発泡金属若しくは細線金属フェルト)、又はカーボン材料を用いたこと(第14発明)が望ましく、上記第11発明においては、上記熱吸収材として、熱可塑性樹脂層(PPS,LCP,PEEK,若しくはPC)、又はカーボン若しくは色素を含浸させた熱可塑性樹脂層(PPS,LCP,PEEK,若しくはPC)を用いたこと(第15発明)が望ましい。 In the tenth aspect of the invention, it is desirable that a gas permeable metal material (foam metal or fine wire metal felt) or a carbon material (fourteenth aspect) is used as the laser absorbing member of the MEA. In the invention, as the heat absorbing material, a thermoplastic resin layer (PPS, LCP, PEEK, or PC) or a thermoplastic resin layer impregnated with carbon or a dye (PPS, LCP, PEEK, or PC) is used. (15th invention) is desirable.
さらに、上記第8発明においては、上記レーザー吸収性樹脂層を、上記レーザー透過性樹脂層成形後に射出成形又は接着してレーザー透過性樹脂層と一体化したこと(第16発明)が望ましく、上記第6発明においては、上記レーザー透過性樹脂層を、上記レーザー吸収性樹脂層成形後に射出成形又は接着してレーザー吸収性樹脂層と一体化したこと(第17発明)が望ましい。 Further, in the eighth invention, it is desirable that the laser-absorbing resin layer is integrated with the laser-transmitting resin layer by injection molding or bonding after the laser-transmitting resin layer is formed (the sixteenth invention). In the sixth invention, it is desirable that the laser-transmitting resin layer is integrated with the laser-absorbing resin layer by injection molding or bonding after the laser-absorbing resin layer is formed (17th invention).
加えて、上記第10発明においては、上記MEAのレーザー吸収性部材が、PEMと、上記PEMの一の側に位置し、表面積が比較的大きな大型拡散層と、上記PEMの他の側に位置し、上記大型拡散層よりも表面積が小さい小型拡散層とからなるとともに、上記大型拡散層が気体透過性の金属材料又はカーボン材料からなり、上記大型拡散層が、隣接するセパレータの樹脂層と一体成形されたこと(第18発明)が望ましく、上記第10,18発明においては、上記MEAのレーザー吸収性部材の外周部及び連通口内周部の少なくとも一方に、補強リブを設けたこと(第19発明)が望ましい。 In addition, in the tenth aspect of the invention, the MEA laser-absorbing member is located on one side of the PEM, the PEM, the large diffusion layer having a relatively large surface area, and the other side of the PEM. And a small diffusion layer having a smaller surface area than the large diffusion layer, the large diffusion layer is made of a gas-permeable metal material or carbon material, and the large diffusion layer is integrated with a resin layer of an adjacent separator. Preferably, the reinforcing ribs are provided on at least one of the outer peripheral portion of the laser absorbing member of the MEA and the inner peripheral portion of the communication port in the tenth and eighteenth inventions (the nineteenth invention). Invention) is desirable.
最後に、上記第10,18,又は19発明においては、上記MEAのレーザー吸収性部材の外周部に、組み付け用ガイド孔を設けたこと(第20発明)が望ましく、上記第6又は8発明においては、上記MEAのPEMの露出部界面に接着剤を塗布してシールを形成したこと(第21発明)が望ましい。 Finally, in the tenth, eighteenth, or nineteenth invention, it is desirable that an assembly guide hole is provided in the outer periphery of the MEA laser absorbing member (twentieth invention). In the sixth or eighth invention, It is desirable that a seal be formed by applying an adhesive to the exposed part interface of the PEM of the MEA (21st invention).
以上に示した種々の本発明(上記第1〜21発明)によれば、異種の合成樹脂層材料の接合技術を応用し、一対のセパレータ及び高分子膜をピン等による機械的締結手段を用いずに接合して小型化を実現するとともに、PEMの優れた抵抗率を実現するために、PEMの乾燥を防止した、燃料電池を提供することができる。具体的には、第1発明において、異種の合成樹脂層材料の接合技術を応用し、一対のセパレータ及び高分子膜をピン等による機械的締結手段を用いずに接合して小型化を実現することができ、上記第2発明において、PEMの乾燥を防止して、PEMの優れた抵抗率を実現することができる。なお、上記第3〜21発明は、上記第1,2発明を前提とした、種々のバリエーションの発明である。 According to the various inventions described above (the first to 21st inventions) described above, the joining technique of different kinds of synthetic resin layer materials is applied, and a pair of separators and a polymer film are used as mechanical fastening means such as pins. Therefore, it is possible to provide a fuel cell in which the PEM is prevented from being dried in order to achieve miniaturization by bonding without reducing the PEM and to realize the excellent resistivity of the PEM. Specifically, in the first invention, by applying a joining technique of different types of synthetic resin layer materials, a pair of separators and a polymer film are joined without using mechanical fastening means such as pins to achieve miniaturization. In the second aspect of the invention, the PEM can be prevented from drying, and an excellent resistivity of the PEM can be realized. The third to twenty-first inventions are various variations of the invention based on the first and second inventions.
なお、本発明の従来技術との比較における他の効果を以下に列挙する。即ち、シールの信頼性が高いレベルで要求されるセルスタック構造においては、従来は、シリコーン材リブシール部の高さ精度やシール面の面粗度のばらつき、積層時の面圧のばらつき、熱劣化によるシール性低下、圧力異常時のバースト耐圧の低下、及びガス透過等の不具合があった。しかしながら、本発明によれば、上記種々の構成により、これらの不具合が全て解消された。また、本発明では、レーザー照射による接合を採用を採用しているため、従来使用されていたシールが必要ない。このため、樹脂枠面の積層荷重が不要となり、従来必要であった、シール面圧と電極面圧とのバランス管理も不要である。また、このようなことから、発明のバリエーション(下記に示す好適な実施形態のうちの少なくとも1つ)によっては、電極部のみの荷重による面圧管理を容易にすることができる。 Other effects in comparison with the prior art of the present invention are listed below. In other words, in cell stack structures that require a high level of seal reliability, conventionally, the height accuracy of the silicone rib seal part, the surface roughness of the seal surface, the surface pressure during stacking, and thermal degradation There were problems such as a decrease in sealing performance due to pressure, a decrease in burst pressure resistance when pressure was abnormal, and gas permeation. However, according to the present invention, all of these problems are eliminated by the various configurations described above. In addition, since the present invention employs bonding by laser irradiation, a conventionally used seal is not necessary. For this reason, the lamination load of the resin frame surface becomes unnecessary, and the balance management between the seal surface pressure and the electrode surface pressure, which has been conventionally required, is also unnecessary. Moreover, from such a thing, the surface pressure management by the load only of an electrode part can be made easy by the variation (at least 1 of the suitable embodiment shown below) of invention.
さらに、従来、薄肉成形された樹脂枠及び電極部のプレスセパレータは、成形後に反りやうねりが発生し易く、液状シールなどの塗布は非常に生産性が低く、セルの形成が困難であった。しかしながら、本発明では、接合工程時にセパレータに反りやうねりがあっても、レーザー接合時に矯正可能なガラスやアクリル、PC等の透明な押え治具によって、接合界面を密着させて容易にレーザー接合可能なため、高い生産性を実現することができる。 Furthermore, conventionally, a thin-walled resin frame and a press separator for an electrode part are liable to be warped or undulated after molding, and application of a liquid seal or the like is very low in productivity, and it is difficult to form cells. However, in the present invention, even if there is warping or waviness in the separator during the joining process, laser joining can be easily performed by using a transparent pressing jig such as glass, acrylic or PC that can be corrected during laser joining. Therefore, high productivity can be realized.
以下、本発明の燃料電池の好適な実施形態を、図面を参照して説明する。
(実施形態1−1:請求項1〜3,5,12,13に対応)
図1は、本発明の燃料電池の好適な一の実施形態を示す部分断面図である。図1(a)は、2枚のセパレータ1,2を積層する際にMEA3を挟持し、これらを一体化する場合の、各構成部材について示す。図1(a)に示すように、2枚のセパレータ1,2は、それぞれ、金属製部材1a,2a、レーザー透過性樹脂層1b、レーザー吸収性樹脂層2b、及び金属製部材1a,2aと樹脂層1b,2bとを連結する連結部1c,2cとからなり、樹脂層1b,2bには、各種流体が流通する連通口1d,2dがそれぞれ形成されている。また、MEA3は、PEM3aと、PEM3aの一の側に位置し、表面積が比較的大きな大型拡散層3bと、PEM3aの他の側に位置し、大型拡散層3bよりも表面積が小さい小型拡散層3cとからなる。
Hereinafter, preferred embodiments of a fuel cell of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1-1: corresponding to claims 1-3, 5, 12, 13)
FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing a preferred embodiment of the fuel cell of the present invention. Fig.1 (a) shows about each structural member in the case of pinching MEA3 when laminating | stacking two
これら2枚のセパレータ1,2を接合する場合には、図1(b)に示すように、セパレータ1,2の間にMEA3を挟持して積層する。次いで、樹脂層1b,2bの界面の所定箇所4〜7を目標に、レーザー透過性樹脂層1b側から矢印8の方向にレーザーを照射し、レーザーが樹脂層2bに吸収されることによる発熱によって界面を溶融、接合して、単セルを形成する。なお、上記レーザー照射時には、溶融界面に隙間ができないように、レーザーを透過する加圧治具を用いて、2枚のセパレータ1,2に適度な面圧を加えることが好ましい。また、レーザーの焦点を界面に合わせ、照射溶融させながら、セパレータ1の面方向に照射位置を移動して任意のラインを描き、所望の接合ラインを形成して、優れた溶融接合性を実現することができる。なお、従来のシール手段をさらに採用する場合には、溶融接合性とシール性とを兼備する単セルを形成することができる。
When these two
次に、図1(c)に示すように、図1(b)に示す単セルを複数個、図1(c)では2個の単セル9,10を積層するとともに、最下部にさらにセパレータ11を積層して、各界面の所定箇所12,13を目標に、同図の右側から矢印14の方向にレーザーを照射し、レーザーが樹脂層2bに吸収されることによる発熱によって、界面を融解、接合して燃料電池を得る。
Next, as shown in FIG. 1 (c), a plurality of single cells shown in FIG. 1 (b) are stacked, and in FIG. 1 (c), two
(実施形態1−2:請求項1〜4,12,13に対応)
図2は、本発明の燃料電池の好適な他の実施形態を示す部分断面図である。図2(a)は単セルを構成するセパレータ21,22、及びMEA23をそれぞれ示し、図2(b)は図2(a)に示す各構成部材の接合により得られた単セルを示し、図2(c)は図2(b)に示す単セルの積層により得られた燃料電池を示す。これら図(a)〜(c)に示す実施形態は、図1(a)〜(c)に示す実施形態と基本的には同じであるが、図2(a)に示すように、セパレータ21のレーザー透過性樹脂層21b、及びセパレータ22のレーザー吸収性樹脂層22bの形状が、図1(a)に示すセパレータ1のレーザー透過性樹脂層1b、及びセパレータ2のレーザー吸収性樹脂層2bの形状と異なる。これらの差異により、図2に示す実施形態では、図2(c)の単セルの積層、接合態様が図1(c)の単セルの積層、接合態様と異なる。即ち、図1(c)では、レーザー透過性樹脂層1bとレーザー吸収性樹脂層2bとにより形成された3つの界面を、同時に図1(c)の右方向からレーザーを照射して、接合している。これに対し、図2(c)では、レーザー透過性樹脂層21bとレーザー吸収性樹脂層22bとにより形成された2つの界面からなる所定箇所24,25を、同時にレーザー透過性樹脂層21b側から、矢印26の方向に照射することで、接合を実現している。なお、図2(c)に示す例では、同図の上方からレーザーを照射して、2つの界面を同時に接合するため、一の単セルに他の単セルを積層して、同図の上方からレーザーを照射し、次いで、他の単セルをさらに積層して、同図の上方からレーザーを照射し、このような操作を繰り返して燃料電池を形成することが好ましい。また、多数の単セルを予め積層しておいて、その後に、一度に同図の上方から、レーザーを照射することも可能であるが、この場合には、レーザーを最下方の照射位置まで到達させるため、レーザー吸収性樹脂層22bの最外部の厚みを小さくすることが好ましい。
(Embodiment 1-2: corresponding to claims 1-4, 12, 13)
FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing another preferred embodiment of the fuel cell of the present invention. 2A shows the
(実施形態1−3:請求項1〜4,12〜14に対応)
図3は、本発明の燃料電池の好適な他の実施形態を示す部分断面図である。図3に示す実施形態1−3は、上記実施形態1−1,1−2に対して、MEAを予めセパレータに仮組みしたことを異にする例である。即ち、図3(a)に示すように、セパレータ31は、金属製部材31aとレーザー透過性樹脂層31bとを備え、MEA32は、PEM32aと、PEM32aの一の側に位置し、表面積が比較的大きな大型拡散層32bと、PEM32aの他の側に位置し、大型拡散層32bよりも表面積が小さい小型拡散層32cとからなる。セパレータ31とMEA32とを仮り組みする場合には、図3(b)に示すように、MEA32の大型拡散層32bをセパレータ31のレーザー透過性樹脂層31bに密着加圧させた状態で、それらの界面の所定箇所33を目標に、レーザー透過性樹脂層31b側から矢印34の方向にレーザーを照射し、発熱する大型拡散層32bの空孔に溶融した樹脂層を溶け絡ませて、接合を実現し、セパレータ31とMEA32とを仮組みする。このように、仮組みを行った後に、上記実施形態1−1,1−2と同様の方法で、単セルを形成するとともに、単セル同士をさらに接合して燃料電池を形成することができる。
(Embodiment 1-3: corresponding to claims 1-4 and 12-14)
FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing another preferred embodiment of the fuel cell of the present invention. Embodiment 1-3 shown in FIG. 3 is an example different from Embodiments 1-1 and 1-2 in that the MEA is preliminarily assembled in a separator. That is, as shown in FIG. 3A, the
以上は、一連の燃料電池の製造工程であるが、このように燃料電池を製造する場合には、燃料電池の各所に、接合部分が出現する。
図4は、図1に示す燃料電池の各部を図3に示す仮組み工程を経て形成した、燃料電池の各部の接着状況を示す部分断面図であり、図4(a)は冷媒流路付近、図4(b)は酸化性ガス流路付近、及び図4(c)は燃料ガス流路付近をそれぞれ示す。図4(a)〜(c)中、符号41はMEA、42は冷媒流路、43は冷媒連通口、44は酸化性ガス流路、45は酸化性ガス連通口、46は燃料ガス流路、47は燃料ガス連通口である。図4(a)〜(c)に示すように、各流路付近での部分断面においては、いずれも、樹脂層同士の界面の所定箇所48〜77に、接着箇所が良好に設けられており、これにより、優れた接合態様を実現することができる。
The above is a series of fuel cell manufacturing processes. When a fuel cell is manufactured in this way, joints appear at various locations in the fuel cell.
4 is a partial cross-sectional view showing the state of adhesion of each part of the fuel cell formed by performing the temporary assembly process shown in FIG. 3 in which each part of the fuel cell shown in FIG. 1 is formed. FIG. 4B shows the vicinity of the oxidizing gas flow path, and FIG. 4C shows the vicinity of the fuel gas flow path. 4A to 4C,
図5は、図4に部分的に示す燃料電池の各構成部材の平面図であり、図5(a)はMEAカソード面、図5(b)はシール部枠を設けたMEAアノード面、図5(c)はカソードセパレータの冷却面、図5(d)はカソードセパレータの発電面、図5(e)はアノードセパレータの冷却面、図5(f)はアノードセパレータの発電面をそれぞれ示す。ここで、カソード(アノード)セパレータとは、MEAのカソード(アノード)面と対向するセパレータをそれぞれいう。また、冷却面(発電面)とは、MEAと対向しない(対向する)面をそれぞれいう。図5(a)〜(f)中、符号81はMEA、82は冷媒流路、83は冷媒連通口、84は酸化性ガス流路、85は酸化性ガス連通口、86は燃料ガス流路、87は燃料ガス連通口である。図5(a),(c)〜(f)に示すように、樹脂層同士の界面、又は樹脂層とMEAとの界面等の所定箇所90,92に、点線で示すように、接着箇所が良好に設けられており、これにより、優れた接合態様を実現することができる。
5 is a plan view of each component of the fuel cell partially shown in FIG. 4, FIG. 5 (a) is an MEA cathode surface, FIG. 5 (b) is an MEA anode surface provided with a seal portion frame, and FIG. 5C shows the cooling surface of the cathode separator, FIG. 5D shows the power generation surface of the cathode separator, FIG. 5E shows the cooling surface of the anode separator, and FIG. 5F shows the power generation surface of the anode separator. Here, the cathode (anode) separator refers to a separator facing the cathode (anode) surface of the MEA. The cooling surface (power generation surface) refers to a surface that does not face (oppose) the MEA. 5A to 5F,
(実施形態1−4:請求項1〜3,5,12,13に対応)
図6は、本発明の燃料電池の好適な他の実施形態のうち、燃料電池の外周部を示す部分断面図である。図6に示す燃料電池は、5枚のセパレータ101〜105を図示しないMEAを所定位置に挟持して積層したものであり、上記実施形態1−1(図1(c)参照)に対して、セパレータ101,103,105の最外周部のレーザー透過性樹脂層101a,103a,105aの形状を異にするものである。レーザー透過性樹脂層101a,103a,105aがこのような形状であっても、レーザー透過性樹脂層101a,103a,105aと、レーザー吸収性樹脂層102a,104aとによって、所定箇所106,107に3つの界面が形成される。この場合においても、これらの所定箇所106,107を目標に、同図の右側から矢印108の方向にレーザーを照射し、レーザーがレーザー吸収性樹脂層102a,104aに吸収されることによる発熱によって、界面を融解、接合して燃料電池を得ることができる。
(Embodiment 1-4: corresponding to claims 1-3, 5, 12, 13)
FIG. 6 is a partial cross-sectional view showing the outer periphery of the fuel cell in another preferred embodiment of the fuel cell of the present invention. The fuel cell shown in FIG. 6 is obtained by laminating five
(実施形態2−1:請求項1〜3,5,12,13に対応)
図7は、本発明の燃料電池の好適な他の実施形態を示す断面図である。図7(a)は、燃料電池の構成部材である2枚のセパレータ111,112を示す。同図に示すように、2枚のセパレータ111,112は、それぞれ、金属製部材111a,112aと、レーザー吸収性樹脂層111b又はレーザー透過性樹脂層112bと、金属製部材111a,112a及び樹脂層111b,112bを連結する連結部111c,112cとからなり、樹脂層111b,112bには、各種流体が流通する連通口111d,112dがそれぞれ形成されている。
(Embodiment 2-1: corresponding to claims 1-3, 5, 12, 13)
FIG. 7 is a cross-sectional view showing another preferred embodiment of the fuel cell of the present invention. FIG. 7A shows two
これらのセパレータ111,112を用いて、燃料電池を得るには、先ず、図7(b)に示すように、2枚のセパレータ111,112同士を積層し、樹脂層111b,112bの界面の所定箇所114〜116を目標に、レーザー透過性樹脂層112b側から矢印117の方向にレーザーを照射し、レーザーが樹脂層111bに吸収されることによる発熱により、界面を融解、接合して、単セルを形成する。なお、上記レーザー照射時には、実施形態1−1の場合と同様に、2枚のセパレータ111,112に適度な面圧を加え、またレーザーの焦点を界面に合わせて照射溶融させながら、セパレータ111の面方向に照射位置を移動して任意のラインを描く。本例によっても、所望の接合ラインを形成することができ、優れた溶融接合性を備える単セルを形成することができる。
In order to obtain a fuel cell using these
次に、図7(c)に示すように、図7(b)に示す単セルを複数個、図7(c)では2個の単セル118,119を積層するとともに、最下部に、さらに所定箇所120〜122で接合されたセパレータ123,124を積層して、各界面の所定箇所125,126を目標に、同図の右側から矢印127の方向にレーザーを照射し、レーザーが樹脂層111bに吸収されることによる発熱によって、上記所定箇所125,126の3つの界面を同時に融解、接合して燃料電池を得る。
Next, as shown in FIG. 7 (c), a plurality of single cells shown in FIG. 7 (b) are stacked, and in FIG. 7 (c), two
以上は、一連の燃料電池の製造工程であるが、このように燃料電池を製造する場合には、燃料電池の各所に、接合部分が出現する。
図8は、図7に示す燃料電池の各部の接着状況を示す部分断面図であり、図8(a)は冷媒流路付近、図8(b)は酸化性ガス流路付近、及び図8(c)は燃料ガス流路付近をそれぞれ示す。図8(a)〜(c)中、符号131はMEA、132は冷媒流路、133は冷媒連通口、134は酸化性ガス流路、135は酸化性ガス連通口、136は燃料ガス流路、137は燃料ガス連通口である。図8(a)〜(c)に示すように、各流路付近での部分断面においては、いずれも、樹脂層同士の界面の所定箇所138〜152に、接着箇所が良好に設けられており、これにより、優れた接合態様を実現することができる。
The above is a series of fuel cell manufacturing processes. When a fuel cell is manufactured in this way, joints appear at various locations in the fuel cell.
8 is a partial cross-sectional view showing the adhesion state of each part of the fuel cell shown in FIG. 7. FIG. 8 (a) shows the vicinity of the refrigerant flow path, FIG. 8 (b) shows the vicinity of the oxidizing gas flow path, and FIG. (C) shows the vicinity of the fuel gas flow path. 8A to 8C,
図9は、図8に部分的に示す燃料電池の各構成部材の平面図であり、図9(a)はMEAカソード面、図9(b)はシール部枠を設けたMEAアノード面、図9(c)はカソードセパレータの冷却面、図9(d)はカソードセパレータの発電面、図9(e)はアノードセパレータの冷却面、図9(f)はアノードセパレータの発電面をそれぞれ示す。図9(a)〜(f)中、符号161はMEA、162は冷媒流路、163は冷媒連通口、164は酸化性ガス流路、165は酸化性ガス連通口、166は燃料ガス流路、167は燃料ガス連通口である。図9(a),(c)〜(f)に示すように、樹脂層同士の界面、又は樹脂層とMEAとの界面の所定箇所169〜171に、点線で示すように、接着箇所が良好に設けられており、これにより、優れた接合態様を実現することができる。
9 is a plan view of each component of the fuel cell partially shown in FIG. 8, FIG. 9 (a) is an MEA cathode surface, FIG. 9 (b) is an MEA anode surface provided with a seal portion frame, FIG. 9C shows a cooling surface of the cathode separator, FIG. 9D shows a power generation surface of the cathode separator, FIG. 9E shows a cooling surface of the anode separator, and FIG. 9F shows a power generation surface of the anode separator. 9A to 9F,
(実施形態2−2:請求項1〜4,12,13に対応)
図10は、本発明の燃料電池の好適な他の実施形態を示す部分断面図である。図10(a)〜(c)に示す実施形態2−2は、図7〜9に示す実施形態2−1と基本的には同じであるが、図10(a),(b)に示すように、2枚のセパレータ181,182のレーザー吸収性樹脂層181a、及びレーザー透過性樹脂層182aの形状が実施形態2−1の場合と異なる。このような構成の下、単セルを積層して燃料電池を得る場合には、図10(c)に示すように、樹脂層181a,182aにより形成された2つの界面からなる所定箇所183,184を目標に、同図の矢印185の方向にレーザーを照射して、レーザー吸収性樹脂層181aの発熱による界面の溶融により、接合を実現する。この場合にも、図2に示した場合と同様に、単セルの積層とレーザーの照射とを交互に行なうことが好ましいが、多数の単セルを予め積層しておいて、その後に、一度に同図の上方から、レーザーを照射することも可能である。なお、レーザーの照射を一度に行なう場合には、レーザーを最下方の照射位置まで到達させるため、レーザー吸収性樹脂層181aの最外部の厚みを小さくすることが好ましい。
(Embodiment 2-2: corresponding to claims 1-4, 12, 13)
FIG. 10 is a partial cross-sectional view showing another preferred embodiment of the fuel cell of the present invention. The embodiment 2-2 shown in FIGS. 10 (a) to 10 (c) is basically the same as the embodiment 2-1 shown in FIGS. 7 to 9, but shown in FIGS. 10 (a) and 10 (b). As described above, the shapes of the laser-absorbing
(実施形態3−1:請求項1〜4,12,13に対応)
図11は、本発明の燃料電池の好適な他の実施形態を示す部分断面図である。図11(a)〜(c)に示す実施形態3−1は、図2(a)〜(c)に示す実施形態1−2と基本的には同じであるが、図11(a)に示すように、セパレータ191のレーザー透過性樹脂層191a、及びセパレータ192のレーザー吸収性樹脂層192aの形状が、図2(a)に示すセパレータ21のレーザー透過性樹脂層21b、及びセパレータ22のレーザー吸収性樹脂層22bの形状と異なる。このような差異により、図11に示す実施形態では、図11(c)の単セル同士の接合態様が図2(c)の単セルの積層、接合態様と異なる。即ち、図2(c)では、レーザー透過性樹脂層21bとレーザー吸収性樹脂層22bとにより形成された2つの界面からなる所定箇所24,25が燃料電池の最外周部に設けられている。これに対し、図11(c)では、レーザー透過性樹脂層191aとレーザー吸収性樹脂層192aとにより形成された2つの界面からなる所定箇所193〜196が燃料電池の連通口197の周囲に設けられている。
(Embodiment 3-1: corresponding to claims 1-4, 12, 13)
FIG. 11 is a partial cross-sectional view showing another preferred embodiment of the fuel cell of the present invention. The embodiment 3-1 shown in FIGS. 11A to 11C is basically the same as the embodiment 1-2 shown in FIGS. 2A to 2C, but the embodiment 3-1 shown in FIG. As shown, the shape of the laser
(実施形態3−2:請求項1〜4,11〜15に対応)
図12は、本発明の燃料電池の好適な他の実施形態を示す部分断面図である。図12(a)〜(c)に示す実施形態3−2は、図11(a)〜(c)に示す実施形態3−1と基本的には同じであるが、図12(a)に示すように、セパレータ201,202によって挟持されるMEA203の構造が、図11(a)〜(c)に示すMEA198の構造と異なる。即ち、図11(a)に示すMEA198は、PEM198aと、PEM198aの一の側に位置し、表面積がPEMと同じ大型拡散層198bと、PEM198aの他の側に位置し、大型拡散層198bよりも表面積が小さい小型拡散層198cとからなる。一方、図12(a)に示すMEA203は、PEM203aと、PEM203aの一の側に位置し、表面積がPEMよりも大きな大型拡散層203bと、PEM203aの他の側に位置し、大型拡散層203bよりも表面積が小さい小型拡散層203cとからなる。このような差異により、図12に示す実施形態では、図12(b)の単セル形成態様が図11(b)の単セル形成態様と異なる。即ち、図11(b)では、レーザー透過性樹脂層191aとレーザー吸収性樹脂層192aとにより形成された界面からなる所定箇所199を目標に、同図の矢印200の方向からレーザーを照射して単セルを形成している。これに対し、図12(b)では、レーザー透過性樹脂層201aとレーザー吸収性樹脂層202aとにより形成された界面からなる所定箇所204を目標に、同図の矢印205の方向からレーザーを照射するのみならず、これらの樹脂層201a,202a,及びMEA203の大型拡散層203bにより形成された2つの界面からなる所定箇所206をも目標に、同図の上方から矢印205の方向にレーザーを照射して単セルを形成している。このような単セル形成態様によれば、図11に示す実施形態3−1に比して、より強固な単セル接合を実現することができる。なお、図12(c)は、図12(a),(b)に示すMEA203の各部の拡大図である。
(Embodiment 3-2: corresponding to claims 1-4 and 11-15)
FIG. 12 is a partial cross-sectional view showing another preferred embodiment of the fuel cell of the present invention. The embodiment 3-2 shown in FIGS. 12A to 12C is basically the same as the embodiment 3-1 shown in FIGS. 11A to 11C, but the embodiment 3-2 shown in FIG. As shown, the structure of the
以上は、一連の燃料電池の製造工程であるが、このように燃料電池を製造する場合には、燃料電池の各所に、接合部分が出現する。
図13は、図12に示す燃料電池の各部の接着状況を示す部分断面図であり、図13(a)は冷媒流路付近、図13(b)は酸化性ガス流路付近、及び図13(c)は燃料ガス流路付近をそれぞれ示す。図13(a)〜(c)中、符号211はMEA、212は冷媒流路、213は冷媒連通口、214は酸化性ガス流路、215は酸化性ガス連通口、216は燃料ガス流路、217は燃料ガス連通口である。図13(a)〜(c)に示すように、各流路付近での部分断面においては、いずれも、樹脂層同士の界面、又は樹脂層とMEAとの界面からなる所定箇所218〜247に、接着箇所が良好に設けられており、これにより、優れた接合態様を実現することができる。
The above is a series of fuel cell manufacturing processes. When a fuel cell is manufactured in this way, joints appear at various locations in the fuel cell.
13 is a partial cross-sectional view showing the adhesion state of each part of the fuel cell shown in FIG. 12, FIG. 13 (a) is in the vicinity of the refrigerant flow path, FIG. 13 (b) is in the vicinity of the oxidizing gas flow path, and FIG. (C) shows the vicinity of the fuel gas flow path. 13A to 13C,
図14は、図13に部分的に示した燃料電池の各構成部材の平面図であり、図14(a)はMEAカソード面、図14(b)はシール部枠を設けたMEAアノード面、図14(c)はカソードセパレータの冷却面、図14(d)はカソードセパレータの発電面、図14(e)はアノードセパレータの冷却面、図14(f)はアノードセパレータの発電面をそれぞれ示す。図14(a)〜(f)中、符号251はMEA、252は冷媒流路、253は冷媒連通口、254は酸化性ガス流路、255は酸化性ガス連通口、256は燃料ガス流路、257は燃料ガス連通口である。図14(a),(c)〜(f)に示すように、樹脂層同士の界面、又は樹脂層とMEAとの界面の所定箇所259〜262に、点線で示すように、接着箇所が良好に設けられており、これにより、優れた接合態様を実現することができる。
14 is a plan view of each component of the fuel cell partially shown in FIG. 13, where FIG. 14 (a) is an MEA cathode surface, FIG. 14 (b) is an MEA anode surface provided with a seal part frame, 14C shows the cooling surface of the cathode separator, FIG. 14D shows the power generation surface of the cathode separator, FIG. 14E shows the cooling surface of the anode separator, and FIG. 14F shows the power generation surface of the anode separator. . 14A to 14F,
(実施形態4−1:請求項1,2,4,8,12,13,16,21に対応)
図15は、本発明の燃料電池の好適な他の実施形態を示す部分断面図である。図15(a)〜(c)に示す実施形態4−1は、図3(a),(b)に示す実施形態1−3と基本的には同じであるが、図15(a),(b)に示すように、セパレータ271にMEA272を予め仮組みする態様が、図3(a),(b)に示す仮り組み態様と異なる。即ち、図3(a),(b)に示す仮組み態様は、図3(b)に示すように、MEA32の大型拡散層32bをセパレータ31のレーザー透過性樹脂層31bに密着加圧させた状態で、それらの界面の所定箇所33を目標に、レーザー透過性樹脂層31b側から矢印34の方向にレーザーを照射し、発熱する大型拡散層32bの空孔に溶融した樹脂層を溶け絡ませて、接合を実現するものである。これに対し、図15(a),(b)に示す仮組み態様は、図15(b)に示すように、MEA272をセパレータ271とフレーム273とにより挟持し、レーザー透過性樹脂層271a,273aとレーザー吸収性樹脂層271bとにより形成された2つの界面からなる所定箇所274,275を目標に、例えば、同図の矢印276の方向にレーザーを照射して、レーザー吸収性樹脂層271bの発熱による界面の溶融により、接合を実現するものである。このような仮組み態様においても、図15(b)に示すように、さらに、下方からセパレータ277を積層することにより、単セルを形成することができる。次いで、図15(c)に示すように、図15(b)に示す単セルを複数層、同図においては、3層の単セル278〜280を積層し、それらの界面からなる所定箇所281〜284を目標に、レーザーを矢印285の方向に照射して、本発明の燃料電池を形成することができる。なお、単セル同士の接合に際しては、単セルの積層とレーザー照射とを交互に行なう方法を採用することもできる。
(Embodiment 4-1: corresponding to
FIG. 15 is a partial cross-sectional view showing another preferred embodiment of the fuel cell of the present invention. The embodiment 4-1 shown in FIGS. 15 (a) to 15 (c) is basically the same as the embodiment 1-3 shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), but FIG. As shown in (b), the mode of temporarily assembling the
以上は、一連の燃料電池の製造工程であるが、このように燃料電池を製造する場合には、燃料電池の各所に、接合部分が出現する。
図16は、図15に示す燃料電池の各部の接着状況を示す部分断面図であり、図16(a)は冷媒流路付近、図16(b)は酸化性ガス流路付近、及び図16(c)は燃料ガス流路付近をそれぞれ示す。図16(a)〜(c)中、符号291はMEA、292は冷媒流路、293は冷媒連通口、294は酸化性ガス流路、295は酸化性ガス連通口、296は燃料ガス流路、297は燃料ガス連通口である。図16(a)〜(c)に示すように、各流路付近での部分断面においては、樹脂層同士の界面の所定箇所298〜324に、接着箇所が良好に設けられており、これにより、優れた接合態様を実現することができる。
The above is a series of fuel cell manufacturing processes. When a fuel cell is manufactured in this way, joints appear at various locations in the fuel cell.
16 is a partial cross-sectional view showing the adhesion state of each part of the fuel cell shown in FIG. 15. FIG. 16 (a) is in the vicinity of the refrigerant flow path, FIG. 16 (b) is in the vicinity of the oxidizing gas flow path, and FIG. (C) shows the vicinity of the fuel gas flow path. 16A to 16C,
図17は、図15(a)に示すセパレータ271、MEA272、及びフレーム273を仮組みした場合の、各構成部材の平面図であり、図17(a)はセパレータのフレーム側面、図17(b)はセパレータのMEA側面、図17(c)はMEAカソード面、図17(d)はシール部枠を設けたMEAアノード面、図17(e)はフレームのMEA側面、図17(f)はフレームのセパレータ側面をそれぞれ示す。図17(a)〜(f)中、符号331はMEA、332は冷媒流路、333は冷媒連通口、334は酸化性ガス流路、335は酸化性ガス連通口、336は燃料ガス流路、337は燃料ガス連通口である。図17(a),(b),(e)に示すように、樹脂層同士の界面の所定箇所339に、点線で示すように、接着箇所が良好に設けられており、これにより、優れた接合態様を実現することができる。
FIG. 17 is a plan view of each component when the
図18は、図16に部分的に示す燃料電池の各セパレータの平面図であり、図18(a)はカソードセパレータの冷却面、図18(b)はカソードセパレータの発電面、図18(c)はアノードセパレータの冷却面、図18(d)はアノードセパレータの発電面をそれぞれ示す。図18(a)〜(d)中、符号341は冷媒流路、342は冷媒連通口、343は酸化性ガス連通口、344は燃料ガス流路、345は燃料ガス連通口である。図18(a)〜(d)に示すように、樹脂層同士の界面の所定箇所348,349に、点線で示すように、接着箇所が良好に設けられており、これにより、優れた接合態様を実現することができる。
18 is a plan view of each separator of the fuel cell partially shown in FIG. 16. FIG. 18 (a) is a cooling surface of the cathode separator, FIG. 18 (b) is a power generation surface of the cathode separator, and FIG. ) Shows the cooling surface of the anode separator, and FIG. 18D shows the power generation surface of the anode separator. 18A to 18D,
(実施形態4−2:請求項1,2,4,8,12,13,15,17,18,に対応)
図19は、本発明の燃料電池の好適な他の実施形態を示す部分断面図である。図19(a)〜(c)に示す実施形態4−2は、図15〜18に示す実施形態3−1と基本的には同じであるが、図19(a),(b)に示すように、セパレータ351にMEA352を予め仮組みする態様が、図15(a),(b)に示す仮組み態様と異なる。即ち、図15(a),(b)に示す仮り組み態様は、図15(b)に示すように、MEA272をセパレータ271とフレーム273とにより挟持し、レーザー透過性樹脂層271a,273aとレーザー吸収性樹脂層271bとにより形成された2つの界面からなる所定箇所274,275を目標に、同図の矢印276の方向にレーザーを照射して、レーザー吸収性樹脂層271bの発熱による界面の溶融により、接合を実現するものである。これに対し、図19(a),(b)に示す仮組み態様は、図19(b)に示すように、MEA352の大型拡散層352aをレーザー吸収性樹脂層とし、セパレータ351のレーザー透過性樹脂層351aと、MEA352の大型拡散層352aと、フレーム353のレーザー透過性樹脂層353aとにより形成される2つの界面からなる所定箇所354,355を目標に、レーザー透過性樹脂層351a側から矢印356の方向にレーザーを照射し、発熱する大型拡散層352aの空孔に溶融した樹脂層を溶け絡ませて、接合を実現するものである。このような仮組み態様においても、図19(b)に示す単セルを複数層積層することにより、本発明の燃料電池が好適に得られる。なお、図19(c)は、図19(a),(b)に示すセパレータ351のMEA352側平面図であり、同図中、点線357で示すように、各所に接合部分が得られ、好適な接合態様を実現することができる。
(Embodiment 4-2: corresponding to
FIG. 19 is a partial cross-sectional view showing another preferred embodiment of the fuel cell of the present invention. The embodiment 4-2 shown in FIGS. 19 (a) to 19 (c) is basically the same as the embodiment 3-1 shown in FIGS. 15 to 18, but shown in FIGS. 19 (a) and 19 (b). As described above, the mode of temporarily assembling the
(実施形態5−1:請求項1,2,6,7,12,13,16に対応)
図20は、本発明の燃料電池の好適な他の実施形態を示す部分断面図である。図20(a),(b)に示す実施形態5−1では、先ず、単セルの形成の際に、2枚のセパレータ361,362を、MEA363を挟持した状態で積層する。次いで、セパレータ361,362を構成するレーザー吸収性樹脂層361a,362a、及びレーザー透過性樹脂層361b,362bにより単セルの最外周部に形成された4つの界面からなる所定箇所364を接合する。この場合には、図20(b)に示すように、積層されたセパレータ361,362のレーザー透過性樹脂層361b,362b側から矢印365の方向にレーザーを照射して、レーザーが樹脂層361a,362aに吸収されることによる発熱によって、上記所定箇所364の4つの界面を同時に融解し、接合を実現して単セルを形成する。
(Embodiment 5-1: corresponding to
FIG. 20 is a partial cross-sectional view showing another preferred embodiment of the fuel cell of the present invention. In the embodiment 5-1 shown in FIGS. 20A and 20B, first, when forming a single cell, two
さらに、図示していないが、このようにして得られた単セルを複数層積層して、単セル同士の接合面に上記と同様に生じた4つの界面からなる所定箇所を、レーザー照射により接合することで、本発明の燃料電池を形成することができる。 Further, although not shown in the drawing, a plurality of single cells obtained in this way are stacked, and a predetermined portion consisting of four interfaces generated in the same manner as described above is bonded to the bonding surface between the single cells by laser irradiation. By doing so, the fuel cell of the present invention can be formed.
以上は、一連の燃料電池の製造工程であるが、このように燃料電池を製造する場合には、燃料電池の各所に、接合部分が出現する。
図21は、図20に示す燃料電池の各部の接着状況を示す部分断面図であり、図21(a)は冷媒流路付近、図21(b)は酸化性ガス流路付近、及び図21(c)は燃料ガス流路付近をそれぞれ示す。図21(a)〜(c)中、符号371はMEA、372は冷媒流路、373は冷媒連通口、374は酸化性ガス流路、375は酸化性ガス連通口、376は燃料ガス流路、377は燃料ガス連通口である。図21(a)〜(c)に示すように、各流路付近での部分断面においては、樹脂層同士の界面の所定箇所378〜388に、接着箇所が良好に設けられており、これにより、優れた接合態様を実現することができる。
The above is a series of fuel cell manufacturing processes. When a fuel cell is manufactured in this way, joints appear at various locations in the fuel cell.
21 is a partial cross-sectional view showing the adhesion state of each part of the fuel cell shown in FIG. 20, FIG. 21 (a) is in the vicinity of the refrigerant flow path, FIG. 21 (b) is in the vicinity of the oxidizing gas flow path, and FIG. (C) shows the vicinity of the fuel gas flow path. 21A to 21C,
図22は、図21に部分的に示す燃料電池の各セパレータの平面図であり、図22(a)はカソードセパレータの冷却面、図22(b)はカソードセパレータの発電面、図22(c)はアノードセパレータの冷却面、図22(d)はアノードセパレータの発電面をそれぞれ示す。図22(a)〜(d)中、符号391は冷媒流路、392は冷媒連通口、393は酸化性ガス流路、394は酸化性ガス連通口、395は燃料ガス流路、396は燃料ガス連通口である。図22(a)〜(d)に示すように、樹脂層同士の界面の所定箇所397〜400に、点線で示すように、接着箇所が良好に設けられており、これにより、優れた接合態様を実現することができる。
22 is a plan view of each separator of the fuel cell partially shown in FIG. 21, FIG. 22 (a) is a cooling surface of the cathode separator, FIG. 22 (b) is a power generation surface of the cathode separator, and FIG. ) Shows the cooling surface of the anode separator, and FIG. 22D shows the power generation surface of the anode separator. 22A to 22D,
(実施形態6−1:請求項1,2,8,9,12,13,21に対応)
図23は、本発明の燃料電池の好適な他の実施形態を示す部分断面図である。図23(a)〜(d)に示す実施形態6−1は、単セルを形成する2枚のセパレータの双方の外周部分に、レーザー透過性樹脂層とレーザー吸収性樹脂層とを配置するとともに、一枚のセパレータに予めフレームを取り付け、このセパレータとフレームとの間にアノードのトンネル通路を形成した実施形態である。
即ち、図23(a)は、単セルを構成する各構成部材を示し、図中、符号401はフレーム、402はフレーム401に予め接合される一のセパレータ、403はセパレータ401と一対をなして単セルを構成する他のセパレータ、404はMEAである。同図に示すように、フレーム401は、レーザー透過性樹脂層401aからなり、この樹脂層401aには各種流体が流通する連通口401bが形成されている。セパレータ402は、金属製部材402a、レーザー透過性樹脂層402b、レーザー吸収性樹脂層402c、及び金属製部材402aと樹脂層402bとを連結する連結部402dとからなり、樹脂層402b,402cには、各種流体が流通する連通口402eが形成されている。セパレータ403は、金属製部材403a、レーザー透過性樹脂層403b、レーザー吸収性樹脂層403c、及び金属製部材403aと樹脂層403bとを連結する連結部403dとからなり、樹脂層403bには、各種流体が流通する連通口403eが形成されている。MEA404は、PEM404aと、PEM404aの一の側に位置し、表面積がPEM404aと同じ大型拡散層404bと、PEM404aの他の側に位置し、大型拡散層404bよりも表面積が小さい小型拡散層404cとからなる。
(Embodiment 6-1: corresponding to
FIG. 23 is a partial cross-sectional view showing another preferred embodiment of the fuel cell of the present invention. In Embodiment 6-1 shown in FIGS. 23A to 23D, a laser-transmitting resin layer and a laser-absorbing resin layer are arranged on the outer peripheral portions of both separators forming a single cell. This is an embodiment in which a frame is attached to one separator in advance, and an anode tunnel passage is formed between the separator and the frame.
That is, FIG. 23A shows each constituent member constituting a single cell. In FIG. 23,
このような構成の下、単セルを形成する場合には、図23(b)に示すように、フレーム401とセパレータ402とを積層し、この状態で、樹脂層401a,402b,402cにより形成された2つの界面からなる所定箇所405,406を目標に、レーザー透過性樹脂401a側から矢印407の方向にレーザーを照射し、レーザーが樹脂層402cに吸収されることによる発熱により、界面を融解、接合して、フレーム401とセパレータ402とを予め接合する。次に、図23(c)に示すように、予め接合されたフレーム401及びセパレータ402の上に、MEA404及びセパレータ403を積層し、樹脂層401a,403b,403cにより形成された2つの界面からなる所定箇所408,409を目標に、レーザー透過性樹脂403b側から矢印410の方向にレーザーを照射し、レーザーが樹脂層403cに吸収されることによる発熱により、界面を融解、接合して、単セルを形成する。
In the case of forming a single cell under such a configuration, as shown in FIG. 23B, a
最後に、図23(d)に示すように、図23(c)で形成した単セルを複数個、図23(d)では2個の単セル411,412を積層するとともに、最下部にさらにセパレータ413を積層して、各界面の所定箇所414〜423を目標に、樹脂層403b側から矢印424の方向にレーザーを照射し、レーザーが樹脂層402cに吸収されることによる発熱によって、界面を融解、接合して燃料電池を形成する。
Finally, as shown in FIG. 23 (d), a plurality of the single cells formed in FIG. 23 (c) are stacked, and in FIG. 23 (d), two
以上は、一連の燃料電池の製造工程であるが、このように燃料電池を製造する場合には、燃料電池の各所に、接合部分が出現する。
図24は、図23に示す燃料電池の各部の接着状況を示す部分断面図であり、図24(a)は冷媒流路付近、図24(b)は酸化性ガス流路付近、及び図24(c)は燃料ガス流路付近をそれぞれ示す。図24(a)〜(c)中、符号431はMEA、432は冷媒流路、433は冷媒連通口、434は酸化性ガス流路、435は酸化性ガス連通口、436は燃料ガス流路、437は燃料ガス連通口である。図24(a)〜(c)に示すように、各流路付近での部分断面においては、樹脂層同士の界面の所定箇所438〜470に、接着箇所が良好に設けられており、これにより、優れた接合態様を実現することができる。
The above is a series of fuel cell manufacturing processes. When a fuel cell is manufactured in this way, joints appear at various locations in the fuel cell.
24 is a partial cross-sectional view showing the adhesion state of each part of the fuel cell shown in FIG. 23. FIG. 24 (a) is in the vicinity of the refrigerant flow path, FIG. 24 (b) is in the vicinity of the oxidizing gas flow path, and FIG. (C) shows the vicinity of the fuel gas flow path. 24A to 24C,
図25(a)〜(e)は、図23(c)に示す単セルのうち、MEA404を除いた各構成部材の平面図である。即ち、図25(a)は図23(a)に示すセパレータ403の冷却面、図25(b)はセパレータ403の発電面、図25(c)はフレーム401の発電面、図25(d)はセパレータ402の冷却面、図25(e)はセパレータ402の発電面をそれぞれ示す。図25(a)〜(e)中、符号471は冷媒流路、472は冷媒連通口、473は酸化性ガス流路、474は酸化性ガス連通口、475は燃料ガス流路、476は燃料ガス連通口である。図25(a)〜(e)に示すように、樹脂層同士の界面の所定箇所478.480,481に、点線で示すように、接着箇所が良好に設けられており、これにより、優れた接合態様を実現することができる。
25 (a) to 25 (e) are plan views of constituent members excluding the
(実施形態6−2:請求項1,2,8,9,12,13,15,18〜21に対応)
図26は、本発明の燃料電池の好適な他の実施形態を示す断面図である。図26(a),(b)に示す実施形態6−2は、図23〜25に示す実施形態6−1と基本的には同じであるが、MEAと、MEAに予め接合されるセパレータの形状が異なる。即ち、図26(a),(b)に示すように、実施形態6−2のMEAの形状は、実施形態4−2に示すMEAの形状と類似したものである。
(Embodiment 6-2: corresponding to
FIG. 26 is a cross-sectional view showing another preferred embodiment of the fuel cell of the present invention. The embodiment 6-2 shown in FIGS. 26A and 26B is basically the same as the embodiment 6-1 shown in FIGS. 23 to 25, but the MEA and the separator previously joined to the MEA are the same. The shape is different. That is, as shown in FIGS. 26A and 26B, the shape of the MEA of the embodiment 6-2 is similar to the shape of the MEA shown in the embodiment 4-2.
図26(a)に示すように、セパレータ491の樹脂層491aは、全てレーザー透過性樹脂により構成されている。一方、MEA492の大型拡散層492aは、セパレータ491の樹脂層491aに接合する発熱部材を備えるものである。この樹脂層491aは凹部を有し、大型拡散層492aは凸部(リブ補強部)を有し、セパレータ491とMEA492とを積層した場合に、これら491a,492aが嵌合するように設計されている。また、セパレータ491とMEA492とを積層し易くするように、樹脂層491a,492aには、それぞれリブ補強ガイド穴491b,492bがそれぞれ形成されている。
As shown in FIG. 26A, the
このような構成の下、図26(b)に示すように、予め接合されたフレーム493及びセパレータ494の上方に、MEA492及びセパレータ491を積層し、リブ補強ガイド穴491b,492bを合わせた後、上記樹脂層491a,492aと、レーザー透過性の樹脂層493aとにより形成された2つの界面からなる所定箇所495.496を目標に、レーザー透過性樹脂層491a側から矢印497の方向にレーザーを照射し、レーザーが発熱部材492aに吸収されることによる発熱により、界面を融解、接合して、単セルを形成する。最後に、図示していないが、このような単セルを順次積層するとともに、上記と同様にレーザーを照射して、本発明の燃料電池を好適に形成することができる。
Under such a configuration, as shown in FIG. 26 (b), after the
以上、本発明の種々の実施形態(1−1〜6−2)を示したが、これらのいずれの実施形態においても、レーザー透過性樹脂層として、熱可塑性樹脂層(PPS,LCP,PEEK,若しくはPC)、又はシリコーンゴム被覆がなされた熱可塑性樹脂層(PPS,LCP,PEEK,若しくはPC)を用いることができ、レーザー吸収性樹脂層として、カーボン又は色素を含浸させた熱可塑性樹脂層(PPS,LCP,PEEK,若しくはPC)を用いことができる。 As mentioned above, although various embodiment (1-1 to 6-2) of this invention was shown, in any of these embodiment, as a laser permeable resin layer, a thermoplastic resin layer (PPS, LCP, PEEK, Alternatively, a thermoplastic resin layer (PPS, LCP, PEEK, or PC) coated with silicone rubber can be used, and a thermoplastic resin layer impregnated with carbon or a pigment as a laser absorbing resin layer ( PPS, LCP, PEEK, or PC) can be used.
また、これらの実施形態のうち、実施形態1−3及び3−2においては、MEAのレーザー吸収性構成部材である大型拡散層として、気体透過性の金属材料(発泡金属若しくは細線金属フェルト)、又はカーボン材料を用いることができ、実施形態3−2,4−2及び6−2においては、熱吸収材として、熱可塑性樹脂層(PPS,LCP,PEEK,若しくはPC)、又はカーボン若しくは色素を含浸させた熱可塑性樹脂層(PPS,LCP,PEEK,若しくはPC)を用いることができる。 Of these embodiments, in Embodiments 1-3 and 3-2, as a large diffusion layer that is a laser-absorbing component of MEA, a gas-permeable metal material (foam metal or fine wire metal felt), Alternatively, a carbon material can be used, and in the embodiments 3-2, 4-2, and 6-2, as the heat absorbing material, a thermoplastic resin layer (PPS, LCP, PEEK, or PC), or carbon or a pigment is used. An impregnated thermoplastic resin layer (PPS, LCP, PEEK, or PC) can be used.
さらに、これらの実施形態のうち、実施形態4−1及び5においては、レーザー吸収性樹脂層を、レーザー透過性樹脂層成形後に射出成形又は接着してレーザー透過性樹脂層と一体化することが好ましく、実施形態4−2においては、レーザー透過性樹脂層を、レーザー吸収性樹脂層成形後に射出成形又は接着してレーザー吸収性樹脂層と一体化することが好ましい。 Furthermore, among these embodiments, in Embodiments 4-1 and 5, the laser-absorbing resin layer may be integrated with the laser-transmitting resin layer by injection molding or bonding after the laser-transmitting resin layer is formed. Preferably, in Embodiment 4-2, it is preferable that the laser-transmitting resin layer is integrated with the laser-absorbing resin layer by injection molding or bonding after forming the laser-absorbing resin layer.
加えて、これらの実施形態のうち、実施形態4−2及び6−2においては、MEAのレーザー吸収性部材が、PEMと、PEMの一の側に位置し、表面積が比較的大きな大型拡散層と、PEMの他の側に位置し、大型拡散層よりも表面積が小さい小型拡散層とからなるとともに、大型拡散層が気体透過性の金属材料又はカーボン材料からなり、大型拡散層が、隣接するセパレータの樹脂層と一体成形されることが好ましく、実施形態6−2においては、上述したように、MEAのレーザー吸収性部材の外周部及び連通口内周部の少なくとも一方に、補強リブを設けることが好ましい。 In addition, in Embodiments 4-2 and 6-2, among these embodiments, the MEA laser-absorbing member is located on one side of the PEM and the PEM, and has a relatively large surface area. And a small diffusion layer located on the other side of the PEM and having a smaller surface area than the large diffusion layer, the large diffusion layer is made of a gas-permeable metal material or carbon material, and the large diffusion layer is adjacent to the large diffusion layer. It is preferable to be integrally formed with the resin layer of the separator. In the embodiment 6-2, as described above, reinforcing ribs are provided on at least one of the outer peripheral portion of the MEA laser absorbing member and the inner peripheral portion of the communication port. Is preferred.
最後に、これらの実施形態のうち、実施形態6−2においては、MEAのレーザー吸収性部材の外周部に、組み付け用ガイド孔を設けたことが好ましく、実施形態4−1,2及び6−1,2においては、MEAのPEMの露出部界面に接着剤を塗布してシールを形成したことが好ましい。 Finally, among these embodiments, in Embodiment 6-2, it is preferable to provide an assembly guide hole on the outer peripheral portion of the MEA laser absorbing member. Embodiments 4-1, 2 and 6-6 In 1 and 2, it is preferable to form a seal by applying an adhesive to the exposed part interface of the PEM of the MEA.
以上説明したように、本発明によれば、特に、燃料電池の小型化を図るとともに、PEMの優れた抵抗率を実現することができる。よって、本発明の燃料電池は、近年電池の益々の小型化等が要請されている、自動車産業をはじめとする、燃料電池を使用する種々の技術分野において、有用である。 As described above, according to the present invention, in particular, the fuel cell can be miniaturized and the excellent resistivity of the PEM can be realized. Therefore, the fuel cell of the present invention is useful in various technical fields using the fuel cell, such as the automobile industry, which has recently been demanded for further downsizing of the battery.
1,2,11…セパレータ
1a,2a…金属製部材
1b…レーザー透過性樹脂層
2b…レーザー吸収性樹脂層
1c,2c…連結部
1d,2d…連通口
3…MEA
3a…PEM
3b…大型拡散層
3c…小型拡散層
4〜7,12,13…所定箇所
8,14…矢印
9,10…単セル
DESCRIPTION OF
3a ... PEM
3b ...
Claims (21)
前記セパレータは、金属製内側部材と前記金属製内側部材の外周部に設けられた熱可塑性樹脂層とを備え、
隣接するセパレータのうち、一のセパレータを構成する熱可塑性樹脂層がレーザー透過性樹脂層であり、他のセパレータを構成する熱可塑性樹脂層がレーザー吸収性樹脂層であり、前記一対のセパレータを積層した状態で、前記レーザー透過性樹脂層側からレーザーを照射して、前記レーザー吸収性樹脂層を溶融することにより隣接する樹脂層同士を接合したことを特徴とする燃料電池。 In a fuel cell in which a single cell constituted by sandwiching an electrode structure including a catalyst layer and a diffusion layer on both surfaces of an electrolyte membrane with a pair of separators, a plurality of layers are laminated.
The separator includes a metal inner member and a thermoplastic resin layer provided on an outer peripheral portion of the metal inner member,
Among the adjacent separators, the thermoplastic resin layer constituting one separator is a laser-transmitting resin layer, the thermoplastic resin layer constituting the other separator is a laser-absorbing resin layer, and the pair of separators are laminated. In this state, a laser is irradiated from the laser-transmitting resin layer side to melt the laser-absorbing resin layer, thereby joining adjacent resin layers together.
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