JP2006092889A

JP2006092889A - 単位燃料電池

Info

Publication number: JP2006092889A
Application number: JP2004276437A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Nonogaki; 昭浩野々垣; Hideaki Kikuchi; 英明菊池
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-09-24
Filing date: 2004-09-24
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2024-09-24
Also published as: JP4482414B2

Abstract

【課題】本発明は、クリップを用いることなく、セパレータと高分子電解質膜とを固定できる単位燃料電池を提供することを課題とする。
【解決手段】セパレータ本体１１の縁にシール材１４を一体形成することで一対のセパレータ１５を構成し、一方のセパレータ１５に板状の電極膜構造体５５を載せ、この電極膜構造体５５に他方のセパレータ１５を載せるとともにシール材１４で気密性を確保するようにした、単位燃料電池２３において、シール材１４は、セパレータ本体１１に嵌合により取付けることができるコ字断面ピース６１と、射出成形で形成する樹脂材料７１とで構成し、一方のコ字断面ピース６１を非透光型熱可塑性樹脂材料２５で構成し、他方のコ字断面ピース６１を透光型熱可塑性樹脂材料２４で構成し、コ字断面ピース６１、６１同士を重ね、他方のコ字断面ピース６１を通過させたレーザ光線で、コ字断面ピース６１、６１同士の境界部２２を溶融、凝固させて接合する。
【選択図】図５

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池において、電極膜構造体と、この電極膜構造体を挟持する一対のセパレータとからなる単位燃料電池に関する。

従来、電極膜構造体と、この電極膜構造体を挟持する一対のセパレータとからなる単位燃料電池の製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−２４６０４４公報（図５）

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図１２は従来の技術の基本構成を説明する図であり、予め液状シールを塗布した２枚のセパレータ１０１、１０２の間に膜電極膜構造体１０３を配置し、上下から押さえ治具１０４、１０５により挟み、オーブン等に入れて加熱し、液状シールを硬化させ、単位燃料電池を仮組立する。このとき、セパレータ１０１、１０２に対する膜電極膜構造体１０３の位置決めをするため、膜電極膜構造体１０３の縁部を支持するクリップ１０６、１０６が用いられる。

しかし、クリップ１０６、１０６の取付けは手作業で行っており、膜電極膜構造体１０３の縁部にクリップ１０６、１０６を取付けるため、工数がかかる。加えて、単位燃料電池を複数重ねスタックを組立てる際に、単位燃料電池同士がばらけるという課題もある。

そこで本発明は、クリップを用いることなく、セパレータと高分子電解質膜とを固定できる単位燃料電池を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、セパレータ本体の縁にシール材を一体形成することで一対のセパレータを構成し、一方のセパレータに板状の電極膜構造体を載せ、この電極膜構造体に他方のセパレータを載せるとともに前記シール材で気密性を確保するようにした、単位燃料電池において、セパレータ本体の縁は、セパレータ本体に嵌合により取付けることができるコ字断面ピースと、射出成形で形成する樹脂材料とで構成し、一方のコ字断面ピースを非透光型熱可塑性樹脂材料で構成し、他方のコ字断面ピースを透光型熱可塑性樹脂材料で構成し、コ字断面ピース同士を重ね、前記他方のコ字断面ピースを通過させたレーザ光線で、コ字断面ピース同士の境界部を溶融、凝固させることで接合してなることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、電極膜構造体を挟持する一対のセパレータを配置し、これらのセパレータに被覆したセパレータ本体の縁は、セパレータ本体に嵌合により取付けることができるコ字断面ピースと、射出成形で形成する樹脂材料とで構成し、一方のコ字断面ピースを非透光型熱可塑性樹脂材料で構成し、他方のコ字断面ピースを透光型熱可塑性樹脂材料で構成した。
セパレータ本体の縁にコ字断面ピースを挟んだので、単位燃料電池を成形する際、セパレータに反り、うねり及び歪みなどが生じていても、それらを矯正し、シール材皮膜不良の発生を抑えることができるという利点がある。

そして、セパレータ同士を重ね、コ字断面ピースにレーザ光線をあて、セパレータ同士の境界部を溶融、凝固させることで接合するようにした。
レーザー光は、アクリル板などの透光型部材を透過するため、シール材の上に透光型の押え部材を載せると、この押え部材の自重により簡単にコ字断面ピース同士を押え、上方からレーザ光線をあてることで容易に接合することができる。

シール材の上に押え部材を載せることで、クリップなどの保持治具を用いることなく、電極膜構造体にセパレータを密着させ、レーザ光線で容易に接合することができる。
この結果、簡便に作業を行えるため、組立工数を削減できるという利点がある。
加えて、セパレータ同士はレーザ光線により強固に接合できるので、単位燃料電池を積層する工程において、接合したセパレータ同士がばらけるという不具合もない。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

図１はコ字断面ピースをセパレータ本体の縁に嵌合することを説明する図であり、セパレータ本体１１に高さＨのコ字断面ピース６１を準備する。そして、準備したコ字断面ピース６１をセパレータ本体１１の縁６６に嵌合することを示す。

図２は本発明に係るコ字断面ピースを配置し、シール材を一体成形する前のセパレータの要部断面図であり、下型６２にコ字断面ピース６１を付けたセパレータ本体１１をセットし、上型６４を被せる。
次に、射出金型６０のキャビティ６３、６５へ溶融シール材を注入してセパレータ本体１１にシール材を一体成形する。

図３は本発明に係るセパレータの完成図であり、セパレータ１５は、シール材１４の上下方向総高さＨに相当する高さのコ字断面ピース６１をセパレータ本体１１の縁６６に嵌合し、コ字断面ピース６１付きのセパレータ本体１１を射出金型６０にセットした後、射出金型６０のキャビティ６３、６５へ溶融シール材を注入する。そして、金型を開いてシール材１４とコ字断面ピースの付いたセパレータ本体１１を、上型６４を開き取出したものである。

セパレータ本体１１の縁６６に、コ字断面ピース６１をセットすることで、セパレータ本体１１に反り、うねり及び歪みなどが生じていても、それらを矯正し、シール材皮膜不良の発生を抑えることができる。この結果、歪みのないセパレータ１５を得ることができる。

加えて、コ字断面ピース６１によりセパレータ本体１１の上下面１２、１３を同時に保持できるため、セパレータ本体１１の歪みなどを矯正するため、上下面を個別に保持するという手間を省くことができる。
この結果、製造コストを削減することができる。

射出した溶融シール材１４はシリコーンゴムであり、コ字断面ピース６１は、けい素又はけい素化合物を含む部材である。
コ字断面ピース６１にけい素又はけい素化合物を含有させたので、射出成形する液状ゴムであるシール材と同じ成分を含むことになり、シール材１４とコ字断面ピース６１との好ましい接合が得られる。
上記の製造方法により、セパレータ本体１１の縁６６の上下面１２、１３にシール材１４を備える燃料電池用セパレータ１５を製造することができる。

セパレータ本体１１の縁６６にコ字断面ピース６１を嵌め、このコ字断面ピース６１をシール材１４に埋設されるように成形することで、セパレータに反り、うねり及び歪みなどが生じていても、それらを矯正し、シール材皮膜不良の発生を抑えることができる。

図４は本発明に係るセパレータと電極膜構造体を準備する図であり、シール面の断面形状のうちの寸法Ｇは、板状の電極膜構造体を挟持する関係上、寸法Ｇがゼロのセパレータと、電極膜構造体の厚さ分Ｇｂだけ確保したセパレータと、２種類の仕様のセパレータを準備することを示す。

図５は本発明に係る電極膜構造体の上下をセパレータ本体に一体形成したシール材で挟持した状態で、コ字断面ピース同士をレーザ光線で接合することを示す単位燃料電池の要部断面図であり、セパレータ同士の境界部をレーザ光線で接合することを示す。
ベースとなるベース治具５６の上に、図４において準備した一方のセパレータ１５と、電極膜構造体５５と、他方のセパレータ１５を順に載せ、上方から、例えばアクリル板などの透光型の部材５７を載せ、電極膜構造体５５をセパレータの挟み面５８で挟みつつ、一方のセパレータ１５の下面に埋設し、非透光型熱可塑性樹脂材料２５で形成した一方のコ字断面ピース６１と、他方のセパレータ１５の上面に埋設し、透光型熱可塑性樹脂材料２４で形成した他方のコ字断面ピース６１とを密着させる。そして、縁の部分にレーザ光線Ｌをあて、境界部２２を溶融・凝固させ接合する。

すなわち、シール材１４は、セパレータ本体１１の縁に嵌合により取付けることができるコ字断面ピース６１と、射出成形で形成する樹脂材料７１とで構成し、一方のコ字断面ピース６１を非透光型熱可塑性樹脂材料２５で構成し、他方のコ字断面ピース６１を透光型熱可塑性樹脂材料２４で構成し、コ字断面ピース６１、６１同士を重ね、他方のコ字断面ピース６１を通過させたレーザ光線で、コ字断面ピース６１、６１同士の境界部２２を溶融、凝固させることで接合してなる。

レーザー光Ｌは、アクリル板などの透光型の部材５７を透過するため、コ字断面ピース６１の上に透光型の部材５７を載せると、この透光型の部材５７の自重によりシール材１４同士を押え、密着させることができ、レーザ光線Ｌをあてて容易に固定することができる。
この結果、クリップなど保持治具を用いることなく、電極膜構造体５５にセパレータ１５を密着させ、レーザ光線Ｌで接合することができる。保持治具をセットする手間も無くなり、簡便に作業を行えるため、組立工数を削減できるという利点がある。

加えて、セパレータ１５同士は強固に接合できるので、単位燃料電池２３を積層する工程において、接合したセパレータ１５同士がばらける虞もない。
さらに、これらのセパレータ本体１１の縁６６をコ字断面ピース６１で挟むようにした。
セパレータ本体１１の縁６６にコ字断面ピース６１を挟んだので、単位燃料電池２３を成形する際、セパレータ１５に、反り、うねり及び歪みなどが生じていても、それらを矯正し、シール材皮膜不良の発生を抑えることができる。

なお、本実施例において、レーザ光線の発生装置にはダイオードレーザを使用したが、ＹＡＧレーザでも、炭酸ガスレーザでも良くその種類に限定されない。
また、レーザ光線の波長は、相手側となる樹脂の透光度やランニングコストなどとの兼ね合いから決めるものとする。

図６は本発明に係る単位燃料電池の完成図であり、シール材１４同士を重ね、シール材１４に埋設したコ字断面ピース６１にレーザ光線をあて、セパレータ１５同士の境界部２２を溶融、凝固させることにより単位燃料電池２３を製造することができる。
単位燃料電池２３が形成され、これらの単位燃料電池２３を積層することで誤組立などのない燃料電池スタックを容易に製造することができる。

また、セパレータ１５同士はレーザ光線Ｌにより強固に接合できるので、単位燃料電池２３を積層する工程において、接合したセパレータ１５同士がばらける虞もない。

図７は別実施例に係る射出成形の説明図である。
（ａ）は射出金型に球状の保持部材１６を備えたセパレータ本体をセットすることを示す図であり、第１下型４２に球状の保持部材１６を付けたセパレータ本体１１をセットし、上型４３を載せる。なお、上型４３は、溶融シール材を注入するゲート４４、４５を備え、各々のゲート４４、４５に供給経路であるランナ４６、４７を介して溶融シール材を供給する不図示のシリンダから射出することができる金型である。
第１下型４２に上型４３を合わせ、射出金型４１を閉じると、セパレータ本体１１に付けた球状の保持部材１６は上型４３のキャビティ５１に当接する。

（ｂ）において、不図示のシリンダを用い、ゲート４４を介してキャビティ５１へ溶融シール材を射出する。シール材が固まったら上型４３から第１下型４２を外す。
（ｃ）において、上型４３に第２下型５４を合わせる。

このとき、セパレータ本体１１に付けた保持部材１６は、上型４３のキャビティ５１とセパレータ本体１１とに当接させたので、セパレータ本体１１に反り、うねり、歪みは発生しない。
この結果、シール材１４を一定厚さに被覆したセパレータ１５を得ることができる。

シール材１４はシリコーンゴムであり、保持部材は、けい素又はけい素化合物を含むことを特徴とする。
シール材にシリコーンゴムを使うので、絶縁性、耐熱性、撥水性、耐老化性、耐薬品性の効果が得られる。

加えて、球状の保持部材１６にけい素又はけい素化合物を含有させたので、射出成形するシール材であるシリコーンゴムと同じ成分を含むことになり、シール材１４と保持部材１６との間に好ましい接合が得られる。
また、球状の保持部材１６を配置した後、球状の保持部材１６の表面にけい素若しくはけい素化合物を含有したプライマーを塗布し、溶融シール材を射出成形することで、更にシール材１４と球状の保持部材１６との間の接合を良好にすることも可能である。

（ｄ）において、上型４３に備えるもう一つのゲート４５から第２下型５４のキャビティ５２に溶融シール材を注入する状態を示す図であり、上型４３に第２下型５４を合わせ、不図示のシリンダを用いゲート４５を介してキャビティ５２へ溶融シール材を射出する。

キャビティ５２にゲート４５から溶融シール材を注入することで、反り、うねり及び歪みなどが生じていてもそれらを矯正し、シール材皮膜不良の発生を抑えることができる。

なお、シール材１４を一体成形したセパレータ本体１１は、１つの単位燃料電池あたり一対、２枚の部材が必要となる。
従って、シール面の断面形状のうちの寸法Ｇは、板状の電極膜構造体を挟持する関係上、寸法Ｇがゼロのセパレータ１５と、電極膜構造体の厚さ分だけ確保したセパレータ１５と、２種類の仕様のセパレータが必要であり、本実施例においては、電極膜構造体の厚さ分Ｇａだけ確保した仕様のセパレータの成形過程を示した。

図８は図３の別実施例図であり、セパレータ本体１１の一部に、球状の保持部材１６を付け、球状の保持部材１６をシール材１４に埋設されるように成形することで、反り、うねり及び歪みなどが生じていても、それらを矯正し、シール材皮膜不良の発生を抑えることができる。

図９は図４の別実施例図であり、前述のように、シール面の断面形状のうちの寸法Ｇは、板状の電極膜構造体を挟持する関係上、寸法Ｇがゼロのセパレータ１４と、電極膜構造体の厚さ分Ｇａだけ確保したセパレータと、２種類の仕様のセパレータを準備する。

図１０は図５の別実施例図であり、ベースとなるベース治具５６の上に、図９において準備した一方のセパレータ１５と、電極膜構造体５５と、他方のセパレータ５５とを載せ、上方から、例えばアクリル板などの透光型の部材５７を載せ、電極膜構造体５５をセパレータの挟み面５８、５８で挟みつつ、セパレータの下面２１ａとセパレータの上面２１ｂとを密着させる。そして、縁の部分にレーザ光線Ｌをあて、境界部２１を溶融・凝固させ接合する。

すなわち、セパレータ本体１１の縁１１ａにシール材１４を一体形成することで一対のセパレータ１５を構成し、一方のセパレータ１５に板状の電極膜構造体５５を載せ、この電極膜構造体５５に他方のセパレータ１５を載せるとともにシール材１４で気密性を確保するようにした、３枚１組の単位燃料電池２３において、一方のセパレータ１５に形成したシール材１４を透光型熱可塑性樹脂材料２４で構成し、他方のセパレータ１５に形成したシール材１４を非透光型熱可塑性樹脂材料２５で構成し、セパレータ１５同士を重ね、一方のセパレータ１５を通過させたレーザ光線Ｌで、セパレータ１５同士の境界部２２を溶融、凝固させることにより接合する。

レーザ光Ｌは、アクリル板などの透光型の部材５７を透過するため、シール材１４の上に透光型の部材５７を載せると、この透光型の部材５７の自重により簡単にシール材１４，１４同士を押え、上方からレーザ光線Ｌをあてることで容易に接合することができる。
シール材１４の上に透光型の部材５７を載せることで、クリップなどの保持治具を用いることなく、電極膜構造体５５にセパレータ１５を密着させ、レーザ光線Ｌで容易に接合することができる。この結果、組立に係る製造コストを削減することができる。

図１１は図６の別実施例図であり、シール材１４同士を重ね、レーザ光線Ｌをあて、セパレータ１５同士の境界部２２を溶融、凝固させることにより単位燃料電池２３を製造することができる。

単位燃料電池２３が形成され、これらの単位燃料電池２３を積層することで誤組立などのない燃料電池スタックを容易に製造することができる。
また、セパレータ１５同士はレーザ光線により強固に接合できるので、単位燃料電池２３を積層する工程において、接合したセパレータ１５同士がばらける虞もない。

尚、コ字断面ピース又は球状の保持部材を構成する樹脂として、本実施例において、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ樹脂）をベースとし、透光型熱可塑性樹脂材料はＰＰＳ樹脂そのままで使用し、非透光型熱可塑性樹脂材料にはＰＰＳ樹脂にカーボンを付加したものを使用したが、これに限定されない。例えば、ナイロン、ポリアセタール、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンオキシド、ポリブチレンテレフタレート、強化ポリエチレンテレフタレート、ポリスルホン、全芳香族ポリエステル、ポリエーテルケトン、ポリイミド、ポリエーテルイミドなどでも差し支えないものとする。

本発明は、単位燃料電池に好適である。

コ字断面ピースをセパレータ本体の縁に嵌合することを説明する図である。本発明に係るコ字断面ピースを配置し、シール材を一体成形する前のセパレータの要部断面図である。本発明に係るセパレータの完成図である。本発明に係るセパレータと電極膜構造体を準備する図である。本発明に係る電極膜構造体の上下をセパレータ本体に一体形成したシール材で挟持した状態で、コ字断面ピース同士をレーザ光線で接合することを示す単位燃料電池の要部断面図である。本発明に係る単位燃料電池の完成図である。別実施例に係る射出成形の説明図である。図３の別実施例図である。図４の別実施例図である。図５の別実施例図である。図６の別実施例図である。従来の技術の基本構成を説明する図である。

符号の説明

１１…セパレータ本体、１１ａ…セパレータ本体の縁、１４…シール材、１５…セパレータ、２２…境界部、２３…単位燃料電池、２４…透光型熱可塑性樹脂材料、２５…非透光型熱可塑性樹脂材料、５５…電極膜構造体、６１…コ字断面ピース。

Claims

セパレータ本体の縁にシール材を一体形成することで一対のセパレータを構成し、一方のセパレータに板状の電極膜構造体を載せ、この電極膜構造体に他方のセパレータを載せるとともに前記シール材で気密性を確保するようにした、単位燃料電池において、
前記セパレータ本体の縁は、セパレータ本体に嵌合により取付けることができるコ字断面ピースと、射出成形で形成する樹脂材料とで構成し、一方のコ字断面ピースを透光型熱可塑性樹脂材料で構成し、他方のコ字断面ピースを非透光型熱可塑性樹脂材料で構成し、コ字断面ピース同士を重ね、前記一方のコ字断面ピースを通過させたレーザ光線で、コ字断面ピース同士の境界部を溶融、凝固させることで接合してなることを特徴とする単位燃料電池。