JP2013206779A - 燃料電池用セルフレームの成型方法と燃料電池用セルフレーム - Google Patents

Abstract

【課題】成型時において、その膜電極接合体の側端面部への樹脂の浸入を防止できるとともに、それら樹脂フレームと膜電極接合体との接合強度を向上させる。
【解決手段】本発明に係る燃料電池用セルフレームの成型方法は、膜電極接合体３０を樹脂金型に配置し、その樹脂金型に樹脂を注入して成型することを内容としており、上記膜電極接合体３０の側端面部をサブガスケット６０，６１によって封止した後、上記樹脂金型に樹脂を注入することにより形成している。
【選択図】図５

Description

本発明は、例えば固体高分子電解質型の燃料電池に用いる燃料電池用セルフレームの成型方法と燃料電池用セルフレームに関する。

この種の従来技術として、「固体高分子形燃料電池用の補強された膜電極組立体の製造方法」とした名称において特許文献１に開示された構成のものがある。
特許文献１に開示されている膜電極組立体の製造方法は、高分子電解質膜と、該電解質膜の一方の面側に設けられた第１の電極層と、該第１の電極層の該電解質膜とは反対側に設けられた第１の多孔質ガス拡散層と、該電解質膜の他方の面側に設けられた第２の電極層と、該第２の電極層の該電解質膜とは反対側に設けられた第２の多孔質ガス拡散層とを含む膜電極接合体を用意し、そして、該膜電極接合体に対して、型成形により、該電解質膜の外周縁の全部ならびに該第１および第２のガス拡散層の外周縁の少なくとも該第１および第２の電極層の近傍を包囲するように樹脂枠を設けるに際し、当該樹脂枠材料の該ガス拡散層および／または該電極層への侵入を、型成形に用いられる型に突起部を設けることにより抑制又は防止しようとしたものである。

特開２００９−１８１９５１号公報

しかしながら、上記従来の膜電極組立体の成型方法では、本願発明の樹脂フレームに相当する樹脂枠と膜電極接合体の接合強度が弱く、また、突起による樹脂枠の凹み部の応力集中による破断するとともに、その突起部と膜電極接合体の隙間から進入する樹脂を防ぐことができないという問題がある。

そこで本発明は、成型時において、その膜電極接合体の側端面部への樹脂の浸入を防止できるとともに、それら樹脂フレームと膜電極接合体との接合強度を向上させることができる燃料電池用セルフレームの成型方法と燃料電池用セルフレームの提供を目的としている。

上記課題を解決するための本発明に係る燃料電池用セルフレームの成型方法は、膜電極接合体を樹脂金型に配置し、その樹脂金型に樹脂を注入することにより燃料電池用セルフレームを成型するものであり、上記膜電極接合体の側端面部をサブガスケットによって封止した後、上記樹脂金型に樹脂を注入して樹脂フレームを形成することを特徴としている。

膜電極接合体の側端面部をサブガスケットによって封止した後、上記樹脂金型に樹脂を注入して樹脂フレームを形成しているので、膜電極接合体の側端面部に樹脂フレームが浸入することを防止している。

同上の課題を解決するための本発明に係る燃料電池用セルフレームは、膜電極接合体を樹脂金型に配置し、その樹脂金型に樹脂を注入することにより成型されるものであり、上記膜電極接合体の周縁部をサブガスケットによって封止しているとともに、上記樹脂金型に樹脂を注入して樹脂フレームが成型されている。

本発明によれば、成型時において、その膜電極接合体の側端面部への樹脂の浸入を防止できるとともに、それら樹脂フレームと膜電極接合体との接合強度を向上させることができる。

本発明の一例に係る燃料電池スタックの外観斜視図である。 同上の燃料電池スタックを分解して示す分解斜視図である。 本発明の一例に係るセルユニットの平面図である。 （Ａ）は、本発明の一の実施形態に係る燃料電池用セルフレームの平面図、（Ｂ）は、図３に示すＩ‐Ｉ線に沿う部分拡大断面図であり、移動，固定金型とともに示している。 一例に係るセルフレームの成型方法を示す説明図である。

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は、一例に係る燃料電池スタックの外観斜視図、図２は、その燃料電池スタックを分解して示す分解斜視図、図３は、本発明の一例に係るセルユニットの平面図である。また、図４（Ａ）は、本発明の一の実施形態に係る燃料電池用セルフレームの平面図、（Ｂ）は、図３に示すＩ‐Ｉ線に沿う部分拡大断面図であり、移動，固定金型とともに示している。

本発明の一例に係る燃料電池スタック１０は、例えば車両に搭載される固体高分子電解質型のものを例としている。
図１，２に示すように、上記の燃料電池スタック１０は、一対のエンドプレート１１，１２間に、集電板１３，１４、セルユニットＡ１を複数積層させ、かつ、それらのエンドプレート１１，１２により、それらセルユニットＡ１どうしを挟圧するようにして締結板１５，１６及び補強板１７，１７によって締結した構成のものである。なお、１８で示すものはボルト、１９で示すものはスペーサである。

セルユニットＡ１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池用セルフレーム２０の両面側に、それぞれ発電用ガスを流通させるためのガス流通路を区画形成するように一対のセパレータ３０，３１を配設したものである。
「発電用ガス」は、水素含有ガスと酸素含有ガスである。
以下、本実施形態においては、燃料電池用セルフレームを単に「セルフレーム」という。

本実施形態において示すセルフレーム２０は、膜電極接合体３０を樹脂金型に配置し、その樹脂金型に樹脂を注入することにより成型したものであり、セルユニットＡ１の積層方向αから見た正面視において横長方形にし、かつ、ほぼ一定の板厚にして形成された樹脂フレーム２１の中央部分に膜電極接合体３０を配設したものである。

膜電極接合体３０は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）とも呼称されるものであり、例えば固体高分子から成る電解質膜３１の両面に、触媒層３２，３３、ＭＰＬ層（マイクロポーラス層）３４，３５、金属多孔体からなるガス拡散層３６，３７を積層した構造を有するものである。

電解質膜３１は平面視において長方形に形成されており、カソード側の触媒層３２とＭＰＬ層３４とガス拡散層３６は、電解質膜３１の外周縁部に所要の露出領域Ｓを残す大きさにした長方形に形成されている一方、アノード側の触媒層３３とＭＰＬ層３５とガス拡散層３７は、電解質膜３１と同じ大きさに形成されている。ＭＰＬ層３４，３５は、カーボン粒子の集合体からなるカーボン粒子層から形成される。

上記の膜電極接合体３０は、一方のガス流通路を流通する水素含有ガスがアノードに流接し、かつ、他方のガス流通路を流通する酸素含有ガスがカソードに流接することにより発電を行なうものである。

セルユニットＡ１の両側方には、図３に示すように、水素含有ガス又は酸素含有ガスの供給及び排出を行うためのマニホールド部Ｈがそれぞれ形成されている。
一側方のマニホールド部Ｈは、マニホールド孔Ｈ１〜Ｈ３からなる。それらマニホールド孔Ｈ１〜Ｈ３は、酸素含有ガス供給用（Ｈ１）、冷却流体供給用（Ｈ２）及び水素含有ガス供給用（Ｈ３）のものであり、図２に示す積層方向αにそれぞれの流路を形成している。

他側方のマニホールド部Ｈは、マニホールド孔Ｈ４〜Ｈ６からなる。各マニホールド孔Ｈ４〜Ｈ６は、水素含有ガス排出用（Ｈ４）、冷却流体排出用（Ｈ５）及び酸素含有ガス排出用（Ｈ６）のものであり、図２に示す積層方向αにそれぞれの流通路を形成している。なお、供給用のものと排出用のものは一部又は全部が逆の位置関係でもよい。
本実施形態においては、樹脂フレーム２１をなす樹脂のＴｇ値（ガラス転移温度）をサブガスケット６０，６１をなすプラスチックフィルムのＴｇ値（ガラス転移温度）よりも高くしている。

次に、上記の構成からなるセルフレームの成型方法について、図５を参照して説明する。図５は、一例に係るセルフレームの成型方法を示す説明図である。
セルフレーム２０を成型するための樹脂金型４０は、上側の移動金型４１と、下側の固定金型４２からなり、それら移動金型４１，４２の側壁面に形成されている樹脂注入孔４３から、樹脂フレームをなす樹脂が内部に圧入されるようになっている。

まず、電解質膜３１、触媒層３２，３３、及びＭＰＬ層３４，３５からなるＣＣＭ(catalyst coated membrane)５０（図５参照）にサブガスケット６０，６１を熱圧着して接合することにより、パウチ構造のＣＣＭ５１を作成する。
次に、パウチ構造のＣＣＭ５１の両面に上記した金網３６，３７を接合して、金網３６，３７を接合したパウチ構造のＣＣＭ５２（膜電極接合体３０）を作成する。

そして、金網３６，３７を接合したパウチ構造のＣＣＭ５２（膜電極接合体３０）を、図４に示す樹脂金型４０の移動，固定金型４１，４２に配置し、それら移動，固定金型４１，４２に樹脂を注入することによりセルフレーム２０を成型する。

上記の構成からなるセルフレーム２０によれば、次の効果を得ることができる。
・成型時において、樹脂が膜電極接合体３０の側端面部に向けて圧入されるときにも、膜電極接合体３０の全側端面部をサブガスケット６０，６１によって囲繞封止しているので、その膜電極接合体３０の側端面部への樹脂の浸入による層間剥離や破損を防止できるとともに、樹脂フレーム２１と膜電極接合体３０との接合強度を向上させることができる。
樹脂フレーム２１をなす樹脂のＴｇ値（ガラス転移温度）をサブガスケット６０，６１をなすプラスチックフィルムのＴｇ値（ガラス転移温度）よりも高くしているので、接合強度をさらに向上させることができる。

以上詳細に説明したが、上記した実施形態において説明した構成は、それらに限る趣旨のものではなく、適宜に変更実施が可能であることを附記する。
例えば、上記実施形態では、膜電極接合体３０の全側端面部をサブガスケット６０，６１によって囲繞封止したが、側端面部の一部をサブガスケットで封止させても構わない。この場合、膜電極接合体を金型に配置したときに、樹脂注入孔と対向する膜電極接合体の側端面部をサブガスケットで封止させるとよい。

２１ 燃料電池用セルフレーム
３０ 膜電極接合体
３４，３５ ガス拡散層
６０，６１ サブガスケット

Claims (3)

1. 膜電極接合体を樹脂金型に配置し、その樹脂金型に樹脂を注入することにより燃料電池用セルフレームを成型する燃料電池用セルフレームの成型方法において、
   上記膜電極接合体の側端面部をサブガスケットによって封止した後、上記樹脂金型に樹脂を注入して樹脂フレームを形成することを特徴する燃料電池用セルフレームの成型方法。
2. 膜電極接合体を樹脂金型に配置し、その樹脂金型に樹脂を注入することにより成型される燃料電池用セルフレームにおいて、
   上記膜電極接合体の周縁部をサブガスケットによって封止しているとともに、上記樹脂金型に樹脂を注入して樹脂フレームが形成されていることを特徴する燃料電池用セルフレーム。
3. 樹脂フレームをなす樹脂のガラス転移温度Ｔｇ値をサブガスケットをなすプラスチックフィルムのガラス転移温度Ｔｇ値よりも高くしている請求項２に記載の燃料電池用セルフレーム。

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