JP2006134644A - 燃料電池組み立て方法 - Google Patents

Abstract

【課題】組み立て時間の短い燃料電池組み立て方法を提供する。
【解決手段】金属セパレータと固体高分子膜に熱硬化性の接着剤を塗布する。その後、金属セパレータを発熱させる発熱手段によって熱硬化性の接着剤を硬化させ、金属セパレータろ固体高分子膜を接着する。加熱手段として高周波誘導加熱や直流電圧発生を掛けて金属セパレータの電気的抵抗によって発熱させる方法が適用できる。本発明によると金属セパレータ自体が発熱し、その熱によって熱硬化性の接着剤を硬化させるので燃料電池の組み立て時間を短縮することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池の組み立て方法に関するものであり、特に燃料電池セル間を分離するセパレータと燃料電池セルとの接着に関するものである。

従来、セパレータと燃料電池セルを一体化するために、接着剤を塗布し、セパレータと燃料電池セルを接着するものが、特許文献１に開示されている。
特開２０００−４８８３２号公報

しかし、上記の発明では、接着剤を乾燥させる燃料電池の生産工程が多くなり、時間がかかるといった問題点がある。

また、接着剤として熱硬化性の接着剤を使用することができるが、熱硬化性の接着剤を使用すると、ヒータなどによって加熱しなければならず、例えば、金属セパレータを用いた場合には、外部ヒータから金属セパレータへの熱伝達に時間がかかり、生産（組み立て）時間を短縮することができないといった問題点がある。

本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、生産時間を短縮することを目的とする。

本発明では、金属セパレータと固体高分子膜の間に硬化性の接着剤を塗布する。その後、前記金属セパレータを発熱させる発熱手段によって、前記金属セパレータ自体を発熱させ、前記硬化性の接着剤を硬化させ、前記金属セパレータと前記固体高分子膜を接着する。

本発明によると、金属セパレータ自体が発熱し、その熱によって熱硬化性の接着剤を硬化させるので、金属セパレータが素早く暖まり、燃料電池の組み立て時間を短縮することができる。

本発明の第１実施形態について図１、図３、図４を用いて説明する。

この実施形態では、イオン導電性の高分子電解質膜と、高分子電解質膜の両側の中央部分に触媒を坦持したガス拡散層が配置された固体高分子膜１と、各固体高分子膜１を分離し、電気的に接続する金属セパレータ２を、熱硬化性の接着剤３で接着してシール性を確保する。接着装置としては、後述する高周波発生装置を使用する。

固体高分子膜１において、高分子電解質膜の両側中央部には、触媒層及びガス拡散層が予め接着されている。なお、触媒層とガス拡散層は予め高分子電解質膜に接着するのに代えて、金属セパレータ２に接着させても良い。

ここで、金属セパレータ２は、例えばイオン窒化処理により表面の不導体が除去されたステンレス剤が使用され、図３および図４に示すように、発電に寄与するアクティブ領域（固体高分子膜１の触媒を担持したガス拡散層が位置する中央部分の領域）に、凹条部１６と凸条部１７を交互に形成した凹凸形状（いわゆるコルゲート形状）を形成している。

固体高分子膜１（中央部に触媒層及びガス拡散層が接着された状態）のアノード側に接して配置される凹条部１６は、固体高分子膜１との間に燃料ガス（水素Ｈ）を流通させる燃料ガス流路を形成する。一方、固体高分子膜１（中央部に触媒層及びガス拡散層が接着した状態）のカソード側に接して配置される凹条部１６は、固体高分子膜１との間に酸化剤ガス（酸素Ｏ）を流通させる酸化剤ガス流路を形成する。

以上のような、固体高分子膜１（中央部に触媒層及びガス拡散層が接着した状態）を介してセパレータ２のアノード側とカソード側が接着剤３で接合されたユニットが多数接合され、図外のスタックが構成されることとなる。

なお、前記スタックには、燃料ガス導入及び排出、酸化剤ガス導入及び排出、冷却水導入及び排出の供給・排出口が形成されるが、金属セパレータ２にはこれらの通路であるマニホールド１８が形成され、また図外のタイロッドを貫通させるためのスタッキング孔２４が形成されている。

ここで、２６（図３）は硬化性の接着剤３が接合される部位であり、平板状でも良いが、予め凹形状とすれば、接着剤３の密着性及びシール性をより良好にすることができる。

熱硬化性の接着剤３は例えば、フェノール樹脂系の接着剤３を使用する。熱硬化性の接着剤３は、加熱され、或る一定の温度（例えば、１５０℃）よりも高くなると硬化し、金属セパレータ２と高分子電解質膜を接着する。

高周波発生装置５は、例えばセラミックス等の耐熱絶縁材で構成した支持台７及びプレス部材８内にそれぞれ高周波電流を流すコイル４を配置し、固体高分子膜１と金属セパレータ２の間に熱硬化性の接着剤３を塗布した状態で支持台７とプレス部材８との間で加圧機９により加圧し、この状態でコイル４に高周波電流を流し、その高周波電流によって金属セパレータ２に渦電流を発生させる。金属セパレータ２に発生する渦電流は、金属セパレータ２の抵抗によって熱を発生させる。この熱によって熱硬化性の接着剤３を硬化させ、金属セパレータ２と高分子電解質膜を接着する。高周波発生装置５の高周波電流を制御することで、金属セパレータ２自体による発熱、すなわち金属セパレータ２の温度を制御することができる。

ここで、プレス部材８は油圧シリンダなどのアクチュエータ９により図１に示す上下方向に移動するようになっており、接着剤３が大きく変形しない程度に加圧力が設定されている。

なお、支持台７及びプレス部材８の表面にウレタンなどの干渉部材を配置すれば、接着剤３の変形や金属セパレータ２の傷発生を防止することができる。

次に第１実施形態の固体高分子膜１と金属セパレータ２の接着方法について説明する。

まず、熱硬化性の接着剤３を金属セパレータ２の中央部に位置するアクティブ領域周囲２６に塗布する。その後、金属セパレータ２と固体高分子膜１の高分子電解質膜（触媒層及びガス拡散層が接着されたアクティブ領域の周囲）を密着させる。

その後、これらの固体高分子膜１と金属セパレータ２を密着させた状態で支持台７上に載置して、プレス部材８をアクチュエータ９により降下させ、高周波発生装置５によって、金属セパレータ２に渦電流を発生させ、金属セパレータ２を加熱する。これによって、硬化性の接着剤３は硬化し、金属セパレータ２と固体高分子膜１を接着する。高周波発生装置５は例えば、５０ｋＨｚ、２００Ｖで高周波を発生させ、これによって金属セパレータ２に渦電流を発生させ、加熱する。金属セパレータ２は硬化性の接着剤３が硬化する温度まで素早く加熱される。

本発明の第１実施形態の効果について説明する。

高周波発生装置５によって発生する渦電流で金属セパレータ２自体を発熱させるために例えば、ヒータなどを用いて外部より加熱する場合と比較すると、すばやく硬化性の接着剤３が硬化する温度まで加熱することができ、加熱時間を短縮することができる。これによって、燃料電池セル１と金属セパレータ２を組み立てる際の組み立て時間を短縮することができる。

また、金属セパレータ２自体が発熱するので、金属セパレータ２が均一に加熱され、金属セパレータ２の温度差による金属セパレータ２などの変形を防ぐことができる。

次に本発明の第２実形態について図２を用いて説明する。

第２実施形態については図１と異なる部分を説明するが、図３、図４の金属セパレータ２の形状については何ら異なる点はない。この実施形態では、金属セパレータ２の材料として、電気的抵抗の高い材料を使用する。この金属セパレータ２はＦｅ：Ｎｉ：Ｃｒ＝１８：１８：８など、金属セパレータ２の電気的抵抗が高い成分比率で構成される。第１実施形態の高周波発生装置５に代えて、直流電流を金属セパレータ２に流す高電圧電源装置６を備える。

高電圧電源装置６は、金属セパレータ２の端部から対峙する端部へ高電流を流し、金属セパレータ２の抵抗によって金属セパレータ２自体を発熱させる。

ここで、例えばセラミックスなどの耐熱絶縁材で構成した支持台７及びプレス部材８内には、高電圧電源装置６の電気配線が内蔵され、そのプラス側はプレス部材８内で、図示する上側金属セパレータ２の右端部に接するコネクタ８Ａが配置され、マイナス側は支持台７内で、図示する下側金属セパレータ２の右端部に接するコネクタ７Ａが配置されている。また、プレス部材８の上側金属セパレータ２の左端部と、支持台７内の下側金属セパレータ２の左端部は、それぞれコネクタ８Ａ、７Ａを介して導通状態になっており、上下の金属セパレータ及びコネクタにより直流電流が流れるようになっている。

次に第２実施形態の固体高分子膜１と金属セパレータ２の接着方法について説明する。

まず、熱硬化性の接着剤３を金属セパレータ２の中央部に位置するアクティブ領域周囲２６に塗布する。その後、金属セパレータ２と固体高分子膜１の高分子電解質膜（触媒層及びガス拡散層が接着されたアクティブ領域）を接着させる。

その後、これら固体高分子膜１と金属セパレータ２を密着させた状態で支持台７上に載置して、プレス部材８をアクチュエータ９により降下させ、高電圧電源装置６を作動させて金属セパレータ２に電流を流し、金属セパレータ２の電気的抵抗によって熱を発生させ、加熱し、硬化性の接着剤３を硬化させ、金属セパレータ２と固体高分子膜１を接着させる。金属セパレータ２の温度は高電圧電源装置６の電圧によって制御される。

本発明の第２実施形態によっても第１実施形態と同じ効果を得ることができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

金属セパレータを用いる燃料電池に利用することできる。

本発明の第１実施形態の概略図である。 本発明の第２実施形態の概略図である。 セパレータの斜視図である。 図３のＢ−Ｂ断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池セル
２ 金属セパレータ
３ 接着剤
４ コイル
５ 高周波発生装置
６ 高電圧電源装置

Claims (4)

1. 金属セパレータと固体高分子膜を接着する燃料電池組み立て方法において、
   前記金属セパレータと前記固体高分子膜との間に熱硬化性の接着剤を塗布し、
   前記金属セパレータを発熱させる発熱手段によって、前記金属セパレータ自体を発熱させ、
   前記熱硬化性の接着剤を硬化させ、前記金属セパレータと前記固体高分子膜とを接着する燃料電池組み立て方法。
2. 前記金属セパレータを発熱させる発熱手段は、前記金属セパレータに高周波誘導加熱を発生させる高周波発生装置であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池組み立て方法。
3. 前記金属セパレータを発熱させる発熱手段は、前記金属セパレータに直流高電圧を掛け、前記金属セパレータの電気的抵抗によって発熱させる高電圧発生装置であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池組み立て方法。
4. 前記金属セパレータには、ガス拡散層及び触媒層が予め形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池組み立て方法。

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