JP2015207501A - Fuel cell, manufacturing method of fuel cell, and manufacturing method of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池、燃料電池の製造方法、及び燃料電池の製造装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell, a fuel cell manufacturing method, and a fuel cell manufacturing apparatus.
燃料電池は、主に膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly 以下MEAと記載)の両側にセパレータを配置した燃料電池セルを複数積層させて構成される。積層されるMEAやセパレータは例えば接着剤などを用いて固定される(特許文献1参照)。接着剤を用いる場合、接着剤が硬化することを待たなければならない。さらに接着剤による固定の効果を向上させるためにプライマーが必要な場合もある。そのため、上記のような接着剤やプライマーを用いずに燃料電池セルを積層した積層体を樹脂によって一体成形する技術がある(特許文献2参照)。 A fuel cell is mainly configured by stacking a plurality of fuel cell cells in which separators are arranged on both sides of a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA). The MEAs and separators to be stacked are fixed using, for example, an adhesive (see Patent Document 1). If an adhesive is used, it must wait for the adhesive to cure. Furthermore, a primer may be necessary to improve the effect of fixing with an adhesive. Therefore, there is a technique in which a laminated body in which fuel cells are laminated without using an adhesive or a primer as described above is integrally formed with a resin (see Patent Document 2).
特許文献2に記載の技術では接着剤は用いないものの、MEAとセパレータの間に溶融された樹脂が流入することを防止するためにセパレータにおける発電領域の外周にシール部材を設置している。そのため、接着剤などの使用を不要にできても上記シール部材の設置作業が必要になり、その分シール部材の部品コストが必要になり、シール部材の設置作業の増加によるコストアップにもなってしまう、といった問題がある。 In the technique described in Patent Document 2, an adhesive is not used, but a seal member is installed on the outer periphery of the power generation region in the separator in order to prevent molten resin from flowing between the MEA and the separator. Therefore, even if the use of an adhesive or the like can be made unnecessary, the installation work of the sealing member is necessary, and accordingly, the cost of parts of the sealing member is required, and the cost is increased due to an increase in the installation work of the sealing member. There is a problem such as.
そこで本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、接着剤やプライマーの使用を不要にできると共にセパレータの発電領域の外周へのシール部材の設置も不要な燃料電池の製造方法、燃料電池の製造装置、及び当該方法により製造した燃料電池を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and a method of manufacturing a fuel cell that can eliminate the use of an adhesive or a primer and does not require the installation of a seal member on the outer periphery of the power generation region of the separator. An object of the present invention is to provide a fuel cell manufacturing apparatus and a fuel cell manufactured by the method.
上記目的を達成する本発明は、燃料電池である。当該燃料電池は、外周にフレーム部材を取り付けた膜電極接合体とセパレータとを積層した積層体と、積層体の積層方向と交差する側方を覆う被覆体と、を有する。本発明においてフレーム部材は、セパレータと当接する端部の位置がセパレータ同士が当接する端部の位置よりも面方向外方となることを特徴とする。 The present invention that achieves the above object is a fuel cell. The fuel cell includes a laminated body in which a membrane electrode assembly having a frame member attached to the outer periphery and a separator are laminated, and a covering that covers a side that intersects the lamination direction of the laminated body. In the present invention, the frame member is characterized in that the position of the end contacting the separator is more outward in the surface direction than the position of the end contacting each other.
上記目的を達成する他の本発明は、燃料電池の製造方法である。当該方法は、外周にフレーム部材を取り付けた膜電極接合体とセパレータとを積層した積層体であって、フレーム部材がセパレータと当接する端部の位置が前記セパレータ同士が当接する端部の位置よりも面方向外方となる積層体を準備する準備工程と、積層体を固定型と可動型とを含む型によって形成される空間に配置し、積層体の積層方向に加圧力を付与しながら当該空間に溶融した樹脂を流通させて硬化させ、積層体の積層方向と交差する方向から積層体を覆う被覆体を形成する形成工程と、を備えることを特徴とする。 Another aspect of the present invention that achieves the above object is a method for manufacturing a fuel cell. This method is a laminated body in which a membrane electrode assembly having a frame member attached to the outer periphery and a separator are laminated, and the position of the end where the frame member contacts the separator is more than the position of the end where the separator contacts. Preparing the laminated body which is also outward in the plane direction, and arranging the laminated body in a space formed by a mold including a fixed mold and a movable mold, and applying pressure in the stacking direction of the laminated body And a forming step of forming a covering covering the laminated body from a direction intersecting with the laminating direction of the laminated body.
上記目的を達成する他の本発明は、燃料電池の製造装置である。当該装置は、外周にフレーム部材を取り付けた膜電極接合体とセパレータとを積層した積層体であって、フレーム部材がセパレータと当接する端部の位置がセパレータ同士が当接する端部の位置よりも面方向外方となる積層体を収容する空間を形成する成形型と、当該空間に配置された積層体に対して積層体の積層方向に加圧力を付与する加圧部と、前記空間に被覆体を構成する樹脂を溶融させた状態で射出する射出部と、を備えることを特徴とする。 Another aspect of the present invention that achieves the above object is a fuel cell manufacturing apparatus. The apparatus is a laminated body in which a membrane electrode assembly with a frame member attached to the outer periphery and a separator are stacked, and the position of the end where the frame member contacts the separator is more than the position of the end where the separators contact each other. A molding die that forms a space for accommodating a laminate that is outward in the plane direction, a pressurizing unit that applies pressure to the laminate disposed in the space in the stacking direction of the laminate, and the space is covered And an injection unit that injects the resin constituting the body in a melted state.
上記構成を有する本発明に係る燃料電池によれば、積層体の側方に被覆体を配置し、フレーム部材がセパレータと当接する端部の位置がセパレータ同士が当接する端部の位置よりも面方向外方となるように構成している。セパレータが接触する箇所は燃料電池の電気化学反応によって発生した電力を積層方向に導通させる発電領域であり、フレーム部材がセパレータと当接するのは、発電が行われる領域よりも面方向の外方である。このように、フレーム部材がセパレータと当接する位置をセパレータ同士が接触する位置よりも面方向外方とし、被覆体で積層体の側方を覆うことによって、積層体を流通する燃料や酸化剤が漏出することを防止でき、シール部材を不要にできる。そのため、接着剤やプライマーと共にシール部材を不要にすることができる。 According to the fuel cell of the present invention having the above configuration, the covering is disposed on the side of the laminated body, and the position of the end where the frame member contacts the separator is more than the position of the end where the separator contacts. It is configured to be outward in the direction. The place where the separator contacts is a power generation region that conducts electric power generated by the electrochemical reaction of the fuel cell in the stacking direction, and the frame member abuts the separator on the outer side in the plane direction than the region where power generation is performed. is there. In this way, the position where the frame member abuts on the separator is set to be outward in the surface direction from the position where the separators contact each other, and the side of the laminate is covered with the covering so that the fuel and oxidant flowing through the laminate Leakage can be prevented and a seal member can be dispensed with. Therefore, a sealing member can be made unnecessary together with an adhesive and a primer.
同様に、他の本発明に係る燃料電池の製造方法及び製造装置によれば、フレーム部材がセパレータと当接する端部の位置が前記セパレータ同士が当接する端部の位置よりも面方向外方となる積層体を成形型によって形成した空間に配置した状態で射出部によって当該空間に溶融樹脂を注入して硬化させ、被覆体を形成する。樹脂の注入の際には積層体の積層方向に加圧力を付与した状態で行っているため、隣接するMEAとセパレータとの間を密着させてシール部位を形成することができ、上記と同様に接着剤、プライマー、及びシール部材を不要にすることができる。 Similarly, according to another method and apparatus for manufacturing a fuel cell according to the present invention, the position of the end where the frame member contacts the separator is more outward in the surface direction than the position of the end where the separator contacts. In a state where the laminate to be formed is arranged in the space formed by the mold, the molten resin is injected into the space by the injection portion and cured to form a covering. Since the resin is injected in a state where pressure is applied in the stacking direction of the laminate, a seal part can be formed by closely adhering between the adjacent MEA and the separator. Adhesives, primers, and seal members can be eliminated.
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の記載は特許請求の範囲に記載される技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, the following description does not limit the technical scope and terms used in the claims. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may differ from actual ratios.
図1は本発明の一実施形態に係る燃料電池の製造方法の中でも被覆体の成形について示す工程ブロック図、図2(A)は同実施形態に係る燃料電池の製造装置における積層部を示す正面図、図2(B)は積層部におけるアームの先端部分を示す拡大図である。図3Aは同製造装置における成形部を示す斜視図、図3Bは同成形部を示す分解斜視図、図3Cは同製造装置における成形部を示す正面図、図3Dは同製造装置における成形部を示す平面図である。 FIG. 1 is a process block diagram showing molding of a covering in a fuel cell manufacturing method according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 (A) is a front view showing a stacked portion in the fuel cell manufacturing apparatus according to the embodiment. FIG. 2 and FIG. 2B are enlarged views showing the tip portion of the arm in the laminated portion. 3A is a perspective view showing a molding part in the manufacturing apparatus, FIG. 3B is an exploded perspective view showing the molding part, FIG. 3C is a front view showing the molding part in the manufacturing apparatus, and FIG. 3D is a molding part in the manufacturing apparatus. FIG.
図4は図3Dの4−4線に沿う断面図、図5(A)は図3Dの5A−5A線に沿う断面図、図5(B)は図3Dの5B−5B線に沿う断面図である。図6は燃料電池を示す斜視図、図7は同燃料電池の構成を示す分解斜視図である。図8(A)はフレーム部材を示す正面図、図8(B)は図8(A)の8B−8B線に沿う断面図、図8(C)は図8(A)の8C−8C線に沿う断面図、図8(D)はセパレータの隣接するセパレータとの接合箇所について示す正面図である。図9は同燃料電池の燃料電池セルを構成するセパレータ及びMEAを示す断面図である。 4 is a sectional view taken along line 4-4 in FIG. 3D, FIG. 5A is a sectional view taken along line 5A-5A in FIG. 3D, and FIG. 5B is a sectional view taken along line 5B-5B in FIG. It is. FIG. 6 is a perspective view showing the fuel cell, and FIG. 7 is an exploded perspective view showing the configuration of the fuel cell. 8A is a front view showing the frame member, FIG. 8B is a sectional view taken along line 8B-8B in FIG. 8A, and FIG. 8C is a line 8C-8C in FIG. 8A. FIG. 8D is a front view showing a joint portion of the separator with the adjacent separator. FIG. 9 is a cross-sectional view showing the separator and MEA that constitute the fuel cell of the fuel cell.
本実施形態に係る燃料電池の製造方法について、図1〜図9を参照して概説すれば、まずセパレータ13、14とMEA11とからなる燃料電池セル10bを所定数積層して積層体10aを形成し、さらに積層方向両端部に集電体16、17と絶縁部材18、19を積層して収容物10を形成する(ステップST1)。そして、形成された積層体10aを含む収容物10を成形型に配置し(ステップST2)、収容物10を収容した状態で成形型228〜233を組み立てる(ステップST3)。その後、樹脂を注入して被覆体20を形成し(ステップST4)、離型する(ステップST5)。ステップST1が準備工程に相当し、ステップST2〜ステップST5までが被覆体20の形成工程に相当する。また、本実施形態に係る製造方法では積層体10aにおいて隣り合うセパレータ13、14が接合されてセパレータアセンブリ12として構成されている。そして、MEA11には面方向外方にフレーム部材15が取り付けられている。詳細については後述する。 The fuel cell manufacturing method according to the present embodiment will be briefly described with reference to FIGS. 1 to 9. First, a predetermined number of fuel cell cells 10 b including separators 13 and 14 and MEA 11 are stacked to form a stacked body 10 a. Further, the current collectors 16 and 17 and the insulating members 18 and 19 are stacked at both ends in the stacking direction to form the accommodation 10 (step ST1). Then, the container 10 including the formed laminate 10a is placed in a mold (step ST2), and the molds 228 to 233 are assembled in a state where the container 10 is stored (step ST3). Then, resin is inject | poured and the covering 20 is formed (step ST4) and it molds (step ST5). Step ST1 corresponds to the preparation process, and steps ST2 to ST5 correspond to the formation process of the covering 20. In the manufacturing method according to the present embodiment, the separators 13 and 14 adjacent to each other in the stacked body 10 a are joined to form the separator assembly 12. A frame member 15 is attached to the MEA 11 outward in the surface direction. Details will be described later.
(燃料電池の製造装置)
次に本実施形態に係る製造方法を使用する燃料電池の製造装置について説明する。燃料電池の製造装置は、積層工程において使用する積層部210と、形成工程において使用する成形部220と、いずれの工程にも使用される制御部(不図示)と、を有する。
(Fuel cell manufacturing equipment)
Next, a fuel cell manufacturing apparatus that uses the manufacturing method according to the present embodiment will be described. The fuel cell manufacturing apparatus includes a stacking unit 210 used in the stacking step, a forming unit 220 used in the forming step, and a control unit (not shown) used in any step.
積層部210は、MEA11、セパレータ13、14、集電体16、17及び絶縁部材18、19を挟持する挟持アーム211と、設置台218と、を有する。挟持アーム211は、固定部212と、移動部213と、保持部214と、搬送部217と、を有する。固定部212は、側面視した際にL字形状に構成され、L字形状の水平部分においてMEA11、セパレータ13、14、集電体16、17及び絶縁部材18、19を載置させる。固定部212のL字状における鉛直部分は保持部214に接続される。移動部213は、固定部212の水平部分と共にMEA11、セパレータ13、14、集電体16、17及び絶縁部材18、19を挟持する。移動部213は、固定部212における鉛直部分において固定部212と接近離間可能に接続される。MEA11、セパレータ13、14、集電体16、17及び絶縁部材18、19は、固定部212の水平部分と移動部213とで当接することによって挟持される。 The stacked unit 210 includes a holding arm 211 that holds the MEA 11, the separators 13 and 14, the current collectors 16 and 17, and the insulating members 18 and 19, and an installation base 218. The sandwiching arm 211 includes a fixed unit 212, a moving unit 213, a holding unit 214, and a transport unit 217. The fixed portion 212 is configured in an L shape when viewed from the side, and the MEA 11, the separators 13 and 14, the current collectors 16 and 17, and the insulating members 18 and 19 are placed on the horizontal portion of the L shape. A vertical portion of the fixing portion 212 in the L shape is connected to the holding portion 214. The moving unit 213 holds the MEA 11, the separators 13 and 14, the current collectors 16 and 17, and the insulating members 18 and 19 together with the horizontal portion of the fixed unit 212. The moving part 213 is connected to the fixed part 212 in a vertical portion of the fixed part 212 so as to be able to approach and separate. The MEA 11, the separators 13 and 14, the current collectors 16 and 17, and the insulating members 18 and 19 are sandwiched by contacting the horizontal portion of the fixed portion 212 and the moving portion 213.
保持部214は、保持アーム215と、延長部216と、を有する。保持アーム215は、固定部212の鉛直部分と接続され、固定部212及び移動部213を保持する。延長部216は、保持アーム215を図2(B)における水平方向に進退移動可能に接続する構成である。延長部216には不図示のモーターとギヤが内蔵され、保持アーム215には延長部216のギヤと噛合うギヤが内蔵され、モーターの動作によって、保持アーム215の進退動作が実現される。但し、保持アーム215の進退動作機構はこれに限定されない。 The holding part 214 includes a holding arm 215 and an extension part 216. The holding arm 215 is connected to the vertical portion of the fixed unit 212 and holds the fixed unit 212 and the moving unit 213. The extension portion 216 is configured to connect the holding arm 215 so as to be movable back and forth in the horizontal direction in FIG. The extension portion 216 incorporates a motor and a gear (not shown), and the holding arm 215 incorporates a gear that meshes with the gear of the extension portion 216, and the operation of the motor allows the holding arm 215 to move forward and backward. However, the forward / backward movement mechanism of the holding arm 215 is not limited to this.
搬送部217は、設置台218に設置される。設置台218には、搬送部217が移動するレールが設置され、搬送部217は、設置台218のレール上を移動する。これにより、挟持アーム211は、不図示の部品設置場所からMEA11、セパレータ13、14、集電体16、17、又は絶縁部材18、19を把持して積層体10aの積層位置まで搬送して載置し、積層する。 The transport unit 217 is installed on the installation table 218. The installation table 218 is provided with a rail on which the transfer unit 217 moves, and the transfer unit 217 moves on the rail of the installation table 218. As a result, the holding arm 211 grips the MEA 11, the separators 13 and 14, the current collectors 16 and 17, or the insulating members 18 and 19 from a component installation location (not shown), conveys them to the stacking position of the stacked body 10a, and mounts them. And stack.
成形部220は、図3Aから図5に示すように、射出部(不図示)と、スプルー221と、ランナー222〜227と、固定型228〜232と、可動型233と、インサート型234〜239と、押圧シリンダ240(加圧部に相当)と、を有する。固定型228〜232及び可動型233は本実施形態において成形型にあたる。射出部は、投入した樹脂を加熱して溶融させ、固定型228〜232と可動型233とによって囲まれた空間220a内にスプルー221及びランナー222〜227を通じて導入する。射出部は、材料を投入するホッパや樹脂の混練等を行うスクリュなどの構成を備えるが、これらは樹脂の射出成形機において溶融した樹脂を供給する構成と同様であるため、説明を省略する。 As shown in FIGS. 3A to 5, the molding unit 220 includes an injection unit (not shown), a sprue 221, runners 222 to 227, a fixed mold 228 to 232, a movable mold 233, and an insert mold 234 to 239. And a pressing cylinder 240 (corresponding to a pressurizing part). The fixed molds 228 to 232 and the movable mold 233 correspond to a forming mold in this embodiment. The injection unit heats and melts the charged resin, and introduces it into the space 220 a surrounded by the fixed molds 228 to 232 and the movable mold 233 through the sprue 221 and the runners 222 to 227. The injection unit has a configuration such as a hopper for charging the material and a screw for kneading the resin, etc., but these are the same as the configuration for supplying the molten resin in the resin injection molding machine, and thus the description thereof is omitted.
スプルー221は、射出部から供給された溶融樹脂を固定型228〜232及び可動型233によって囲まれた成形空間220aに向けて移送する流路である。ランナー222〜227は、スプルー221と接続し、かつスプルー221から分岐する溶融樹脂の流路である。固定型228〜232及び可動型233によって囲まれる成形空間220aには固定型228〜232及び可動型233を設置する前に予め積層体10aを含む収容物10が設置される。セパレータ13、14は、後述のように、波形形状13g、14gを有し、隣接するセパレータ同士は溶接され、セパレータアセンブリ12として構成される。セパレータアセンブリ12を構成するセパレータ13とセパレータ14との間であって、その外周部分には、外周凹部222a〜227aが形成される。ランナー222〜227は、積層体10aの中でも外周凹部222a〜227aに向かうように配置される。外周凹部222a〜227aは、被覆体20の把持部21a〜21fとなる。 The sprue 221 is a flow path for transferring the molten resin supplied from the injection unit toward the molding space 220 a surrounded by the fixed molds 228 to 232 and the movable mold 233. The runners 222 to 227 are molten resin flow paths that connect to the sprue 221 and branch off from the sprue 221. In the molding space 220a surrounded by the fixed molds 228 to 232 and the movable mold 233, the container 10 including the laminated body 10a is installed in advance before the fixed molds 228 to 232 and the movable mold 233 are installed. As will be described later, the separators 13 and 14 have corrugated shapes 13 g and 14 g, and the adjacent separators are welded together to form the separator assembly 12. Outer peripheral recesses 222a to 227a are formed between the separator 13 and the separator 14 constituting the separator assembly 12 and in the outer peripheral portion thereof. The runners 222 to 227 are arranged so as to face the outer peripheral recesses 222a to 227a in the stacked body 10a. The outer peripheral recesses 222a to 227a become the gripping portions 21a to 21f of the covering 20.
固定型228は、収容物10を載置する型である。また、本実施形態では収容物10の構成として積層体10aの積層方向両端部に集電体16、17及び絶縁部材18、19を配置しており、集電体16、17の突起形状に応じて固定型228の略中央に凹部が形成されているが、これに限定されない。また、固定型228には、図3Bや図5(A)、図5(B)に示すように、インサート型234〜239を設置して位置決めするための凹部が設けられている。 The fixed mold 228 is a mold on which the contents 10 are placed. In the present embodiment, the current collectors 16 and 17 and the insulating members 18 and 19 are arranged at both ends in the stacking direction of the stacked body 10a as the configuration of the container 10, and according to the protrusion shape of the current collectors 16 and 17 Although the concave portion is formed in the approximate center of the fixed mold 228, the present invention is not limited to this. Moreover, as shown in FIG. 3B, FIG. 5 (A), and FIG. 5 (B), the fixed mold 228 is provided with a recess for installing and positioning the insert molds 234 to 239.
固体型229〜232は、積層体10aの側方に配置される型である。固定型229〜232は、固定型228の上に載置されて溶融樹脂を流す空間220aを形成する。また、固定型229には、ランナー222〜227が接続されて、固定型228〜232と可動型233とで囲まれる空間220aに溶融樹脂を流すことが出来るように構成されている。固定型229〜232は、可動型233が固定型228に向けて接近した際にも被覆体20を成形する空間220aを維持できるように固定型228及び可動型233との接触部分が融点の高いゴムなどの材料によって構成されている。 The solid molds 229 to 232 are molds arranged on the side of the stacked body 10a. Fixed molds 229-232 are placed on fixed mold 228 to form a space 220 a through which molten resin flows. In addition, runners 222 to 227 are connected to the fixed mold 229 so that the molten resin can flow into a space 220 a surrounded by the fixed molds 228 to 232 and the movable mold 233. The fixed molds 229 to 232 have a high melting point at the contact portion between the fixed mold 228 and the movable mold 233 so that the space 220a for molding the covering 20 can be maintained even when the movable mold 233 approaches the fixed mold 228. It is made of a material such as rubber.
可動型233は、固定型228に対して接近離間可能に構成される。可動型233は、集電体16、17の突起部分と係合する部位が形成されている。また、可動型233は、油圧シリンダ240に接続されて固定型228に対して接近離間可能に構成されている。 The movable mold 233 is configured to be able to approach and separate from the fixed mold 228. The movable mold 233 is formed with a portion that engages with the protruding portions of the current collectors 16 and 17. The movable mold 233 is connected to the hydraulic cylinder 240 so as to be able to approach and separate from the fixed mold 228.
インサート型234〜239は、燃料電池100に燃料や酸化剤、及び冷却水を積層方向に流通させる流路を被覆体20に形成するための型である。インサート型234〜239は、積層方向に長い四角柱で構成されているが、形状はこれに限定されない。 The insert molds 234 to 239 are molds for forming a flow path in the covering body 20 through which fuel, an oxidant, and cooling water are circulated in the fuel cell 100 in the stacking direction. The insert molds 234 to 239 are formed of rectangular columns that are long in the stacking direction, but the shape is not limited to this.
制御部は、CPU、RAM、ROMなどによって構成され、積層部210や成形部220の動作を制御する。 The control unit includes a CPU, a RAM, a ROM, and the like, and controls operations of the stacking unit 210 and the molding unit 220.
(燃料電池)
次に上記製造装置によって製造される燃料電池について説明する。燃料電池100は、図6に示すように、収容物10と被覆体20とを有する。収容物10は、図7に示すように、積層体10aと集電体16、17と絶縁部材18、19とを有している。積層体10aは、MEA11とセパレータ13、14とを複数積層して構成される。MEA11と、MEA11の両側面に隣接するセパレータ13、14とは、図9に示すように、合わせて燃料電池セル10bと呼ばれる。
(Fuel cell)
Next, the fuel cell manufactured by the manufacturing apparatus will be described. As shown in FIG. 6, the fuel cell 100 includes an accommodation 10 and a covering body 20. As shown in FIG. 7, the container 10 includes a laminated body 10 a, current collectors 16 and 17, and insulating members 18 and 19. The stacked body 10a is configured by stacking a plurality of MEAs 11 and separators 13 and 14. The MEA 11 and the separators 13 and 14 adjacent to both side surfaces of the MEA 11 are collectively referred to as a fuel cell 10b as shown in FIG.
MEA11は、電解質膜11aの片側にアノード11b、もう片側にカソード11cが接合されている。セパレータアセンブリ12は、2枚のセパレータ13、14を有する。また、集電体16、17は積層体10aの積層方向の端部にそれぞれ設けられている。また、絶縁部材18、19は集電体16、17よりも積層方向外側に配置され、生成された電気を外部と絶縁する。また、被覆体20は、収容物10の筐体にあたる。 In the MEA 11, an anode 11b is joined to one side of the electrolyte membrane 11a, and a cathode 11c is joined to the other side. The separator assembly 12 has two separators 13 and 14. In addition, the current collectors 16 and 17 are provided at end portions in the stacking direction of the stacked body 10a. The insulating members 18 and 19 are arranged on the outer side in the stacking direction than the current collectors 16 and 17 to insulate the generated electricity from the outside. The covering 20 corresponds to the housing of the accommodation 10.
セパレータ13、14は、図7や図9に示すように、積層体10aにおいて隣り合うMEA11を隔離しつつ、MEA11で発生した電力を通電させている。セパレータ13、14は、アノード側セパレータ13とカソード側セパレータ14とに分類される。アノード側セパレータ13は、MEA11のアノード11bに当接させている。アノード側セパレータ13は、導電性材料を有する金属からなり、アノード11bよりも大きい薄板状に形成している。セパレータ13、14はまとめてセパレータアセンブリ12と称することもある。 As shown in FIGS. 7 and 9, the separators 13 and 14 energize the electric power generated in the MEA 11 while isolating the adjacent MEAs 11 in the stacked body 10a. The separators 13 and 14 are classified into an anode side separator 13 and a cathode side separator 14. The anode separator 13 is in contact with the anode 11b of the MEA 11. The anode side separator 13 is made of a metal having a conductive material, and is formed in a thin plate shape larger than the anode 11b. The separators 13 and 14 may be collectively referred to as a separator assembly 12.
アノード側セパレータ13の中央には、図7、図9に示すように、燃料ガス(水素)と冷却水等の冷却流体とを隔てて流す流路を構成するように複数の凹凸を一定の間隔で形成した波形形状13gを設けている。アノード側セパレータ13は、凹凸形状のうち、アノード11bと接触して形成された閉空間を、アノード11bに対して水素を供給するアノードガス流路13hとして用いている。一方、アノード側セパレータ13は、断面が複数の凹凸形状からなる波形形状13gと、カソード側セパレータ14の波形形状14gとの間に形成された閉空間を、冷却水を供給する冷却流体流路13j(14j)として用いている。 As shown in FIG. 7 and FIG. 9, a plurality of irregularities are formed at a constant interval in the center of the anode side separator 13 so as to form a flow path that separates the fuel gas (hydrogen) and the cooling fluid such as cooling water. The waveform shape 13g formed in (1) is provided. The anode-side separator 13 uses a closed space formed in contact with the anode 11b among the concavo-convex shape as an anode gas flow path 13h for supplying hydrogen to the anode 11b. On the other hand, the anode-side separator 13 has a cooling fluid channel 13j for supplying cooling water in a closed space formed between a corrugated shape 13g having a plurality of concave and convex sections and a corrugated shape 14g of the cathode-side separator 14. (14j).
アノード側セパレータ13は、長方形状からなり、その長手方向の一端に、カソードガス供給口13a、冷却流体供給口13b、およびアノードガス供給口13cに相当する貫通孔を開口している。同様に、アノード側セパレータ13は、その長手方向の他端に、アノードガス排出口13d、冷却流体排出口13e、およびカソードガス排出口13fに相当する貫通孔を開口している。 The anode-side separator 13 has a rectangular shape, and has a through hole corresponding to the cathode gas supply port 13a, the cooling fluid supply port 13b, and the anode gas supply port 13c at one end in the longitudinal direction. Similarly, the anode-side separator 13 has a through hole corresponding to the anode gas discharge port 13d, the cooling fluid discharge port 13e, and the cathode gas discharge port 13f at the other end in the longitudinal direction.
カソード側セパレータ14は、MEA11のカソード11cに当接している。カソード側セパレータ14は、導電性材料を有する金属からなり、カソード11cよりも大きい薄板状に形成している。 The cathode separator 14 is in contact with the cathode 11 c of the MEA 11. The cathode side separator 14 is made of a metal having a conductive material, and is formed in a thin plate shape larger than the cathode 11c.
カソード側セパレータ14の中央には、図9に示すように、酸化剤ガス(酸素を含有した空気または純酸素)と冷却水とを隔てて流す流路部を構成するように断面が複数の凹凸形状からなる波形形状14gを設けている。カソード側セパレータ14は、凹凸形状のうち、カソード11cと接触して形成された閉空間を、カソード11cに対して酸化剤ガスを供給するカソードガス流路14hとして用いている。一方、カソード側セパレータ14は、凹凸形状のうち、アノード側セパレータ13との間に形成された閉空間を、冷却水を供給する冷却流体流路14j(13j)として用いている。 As shown in FIG. 9, the cathode-side separator 14 has a plurality of concave and convex sections in cross section so as to form a flow channel portion that flows the oxidant gas (air containing oxygen or pure oxygen) and cooling water as shown in FIG. The waveform shape 14g which consists of a shape is provided. The cathode-side separator 14 uses a closed space formed in contact with the cathode 11c among the concavo-convex shape as a cathode gas flow path 14h for supplying an oxidant gas to the cathode 11c. On the other hand, the cathode-side separator 14 uses a closed space formed between the concavo-convex shape and the anode-side separator 13 as a cooling fluid channel 14j (13j) for supplying cooling water.
カソード側セパレータ14は、長方形状からなり、その長手方向の一端に、カソードガス供給口14a、冷却流体供給口14b、およびアノードガス供給口14cに相当する貫通孔を開口している。同様に、カソード側セパレータ14は、その長手方向の他端に、アノードガス排出口14d、冷却流体排出口14e、およびカソードガス排出口14fに相当する貫通孔を開口している。セパレータ14はセパレータ13と接合され、供給口14a〜14c及び排出口14d〜14fはセパレータ13の供給口13a〜13c及び排出口13d〜13fと連通する。また、セパレータ14は、図8(D)に示すように、積層した際に隣接するセパレータ13とその外周14m(セパレータ13の場合は13m)において接触し、接合される。同様に、セパレータ14は、図8(D)に示すように、隣接するセパレータ13とカソードガス供給口14a(13a)、アノードガス供給口14c(13c)、アノードガス排出口14d(13d)、カソードガス排出口14f(13f)の縁部14n(13n)において接合される。 The cathode-side separator 14 has a rectangular shape, and has a through hole corresponding to the cathode gas supply port 14a, the cooling fluid supply port 14b, and the anode gas supply port 14c at one end in the longitudinal direction. Similarly, the cathode separator 14 has a through hole corresponding to the anode gas discharge port 14d, the cooling fluid discharge port 14e, and the cathode gas discharge port 14f at the other end in the longitudinal direction. The separator 14 is joined to the separator 13, and the supply ports 14 a to 14 c and the discharge ports 14 d to 14 f communicate with the supply ports 13 a to 13 c and the discharge ports 13 d to 13 f of the separator 13. Further, as shown in FIG. 8D, the separator 14 comes into contact with and is bonded to the adjacent separator 13 at the time of stacking at the outer periphery 14m (13m in the case of the separator 13). Similarly, as shown in FIG. 8D, the separator 14 includes an adjacent separator 13, a cathode gas supply port 14a (13a), an anode gas supply port 14c (13c), an anode gas discharge port 14d (13d), a cathode It joins in the edge part 14n (13n) of the gas exhaust port 14f (13f).
MEA11は、図7や図9に示し、供給された酸素と水素を化学反応させて電力を生成する。MEA11は、電解質膜11aの片側にアノード11bを接合し、もう一方の側にカソード11cを接合して形成している。電解質膜11aは、たとえば、固体の高分子材料からなり、薄板状に形成している。 The MEA 11 shown in FIG. 7 and FIG. 9 generates electric power by chemically reacting the supplied oxygen and hydrogen. The MEA 11 is formed by joining the anode 11b to one side of the electrolyte membrane 11a and joining the cathode 11c to the other side. The electrolyte membrane 11a is made of, for example, a solid polymer material and is formed in a thin plate shape.
固体高分子材料には、たとえば、水素イオンを伝導し、湿潤状態で良好な電気伝導性を有するフッ素系樹脂を用いている。アノード11bは、電極触媒層、撥水層、およびガス拡散層を積層して構成し、電解質膜11aよりも若干小さい薄板状に形成している。カソード11cは、電極触媒層、撥水層、およびガス拡散層を積層して構成し、アノード11bと同様の大きさで薄板状に形成している。 As the solid polymer material, for example, a fluorine-based resin that conducts hydrogen ions and has good electrical conductivity in a wet state is used. The anode 11b is formed by laminating an electrode catalyst layer, a water repellent layer, and a gas diffusion layer, and is formed in a thin plate shape slightly smaller than the electrolyte membrane 11a. The cathode 11c is formed by laminating an electrode catalyst layer, a water repellent layer, and a gas diffusion layer, and is formed in a thin plate shape with the same size as the anode 11b.
アノード11bおよびカソード11cの電極触媒層は、導電性の担体に触媒成分が担持された電極触媒と高分子電解質を含んでいる。アノード11bおよびカソード11cのガス拡散層は、たとえば、充分なガス拡散性および導電性を有する炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパ、またはカーボンフェルトから形成している。 The electrode catalyst layers of the anode 11b and the cathode 11c include an electrode catalyst in which a catalyst component is supported on a conductive carrier and a polymer electrolyte. The gas diffusion layers of the anode 11b and the cathode 11c are formed of, for example, carbon cloth, carbon paper, or carbon felt woven with yarns made of carbon fibers having sufficient gas diffusibility and conductivity.
MEA11には、外周にフレーム部材15を取り付けている。フレーム部材15は、積層した電解質膜11a、アノード11b、およびカソード11cの外周を一体に保持している。フレーム部材15は、たとえば、電気絶縁性を有し、被覆体20の形成時にも溶融しない比較的耐熱温度の高い不飽和ポリエステルやポリ塩化ビニリデン、ポリカーボネート、エポキシ等の樹脂からなり、セパレータ13,14の外周部分の外形形状と同様の外形形状で形成している。 A frame member 15 is attached to the outer periphery of the MEA 11. The frame member 15 integrally holds the outer periphery of the laminated electrolyte membrane 11a, anode 11b, and cathode 11c. The frame member 15 is made of, for example, a resin such as unsaturated polyester, polyvinylidene chloride, polycarbonate, or epoxy that has electrical insulation properties and does not melt even when the covering 20 is formed. It is formed with the same outer shape as the outer shape of the outer peripheral portion.
フレーム部材15は、図8(A)から図8(C)に示すように、カソードガス供給口15a、冷却流体供給口15b、アノードガス供給口15c、アノードガス排出口15d、冷却流体排出口15e、カソードガス排出口15f、接触部15g(堰き止め部に相当)、段差部15hを有する。 As shown in FIGS. 8A to 8C, the frame member 15 includes a cathode gas supply port 15a, a cooling fluid supply port 15b, an anode gas supply port 15c, an anode gas discharge port 15d, and a cooling fluid discharge port 15e. , A cathode gas discharge port 15f, a contact portion 15g (corresponding to a blocking portion), and a step portion 15h.
カソードガス供給口15a、冷却流体供給口15b、アノードガス供給口15cは、フレーム部材15の長手方向の一端に開口として所定の間隔を持って形成されている。アノードガス排出口15d、冷却流体排出口15e、カソードガス排出口15fは、カソードガス供給口15a、冷却流体供給口15b、アノードガス供給口15cとは逆側の端部において所定の間隔をもって形成されている。 The cathode gas supply port 15 a, the cooling fluid supply port 15 b, and the anode gas supply port 15 c are formed as openings at predetermined ends in the longitudinal direction of the frame member 15. The anode gas discharge port 15d, the cooling fluid discharge port 15e, and the cathode gas discharge port 15f are formed at predetermined intervals at the end opposite to the cathode gas supply port 15a, the cooling fluid supply port 15b, and the anode gas supply port 15c. ing.
接触部15gは、矩形状のフレーム部材15の外周に形成され、積層体10aを形成する際の隣接するセパレータ13、14と接触する部位である。 The contact portion 15g is a portion that is formed on the outer periphery of the rectangular frame member 15 and is in contact with the adjacent separators 13 and 14 when the stacked body 10a is formed.
段差部15hは、フレーム部材15の外周よりも積層方向に一段下がって形成され、燃料または酸化剤を流通させる流路(区画)を形成する。図8(A)において段差部15hは、空気や酸素が流通するアノードガス供給口15cからアノードガス排出口15dまでの流路を形成する。図8(A)の逆側の面における段差部15hは、燃料である水素等を流通させるカソードガス供給口15aからカソードガス排出口15fまでの流路を形成する。このように段差部15hを形成することによって、フレーム部材15と隣接するセパレータ13、14の間に配置するシール部材を不要にすることができる。 The step portion 15h is formed one step lower in the stacking direction than the outer periphery of the frame member 15, and forms a flow path (section) through which fuel or oxidant flows. In FIG. 8A, the step portion 15h forms a flow path from the anode gas supply port 15c through which air and oxygen flow to the anode gas discharge port 15d. The step portion 15h on the opposite surface of FIG. 8A forms a flow path from the cathode gas supply port 15a through which hydrogen or the like as fuel flows to the cathode gas discharge port 15f. By forming the step portion 15h in this way, a seal member disposed between the frame member 15 and the adjacent separators 13 and 14 can be made unnecessary.
また、平面視した際のセパレータ13、14の波形形状13g、14gとMEA11におけるフレーム部材15よりも面方向内方部分(MEA11)は発電が行われる発電領域にあたる。 Further, the corrugated shapes 13g and 14g of the separators 13 and 14 when viewed from above and the inner portion in the surface direction (MEA 11) of the MEA 11 than the frame member 15 correspond to a power generation region where power generation is performed.
また、本実施形態では積層体10aを形成した状態で積層方向に加圧した状態で被覆体20を形成することによって、接触部15gが外部からの流体を堰き止める堰き止め部、いわゆるシール部となって、シール剤やシール剤と共に用いられるプライマーなどを不要にしている。 Further, in this embodiment, by forming the covering body 20 in a state in which the laminated body 10a is formed and being pressurized in the laminating direction, the contact portion 15g is a damming portion that dams fluid from the outside, a so-called seal portion, This eliminates the need for a sealant or a primer used together with the sealant.
一対の集電体16、17は、図7に示すように、積層体10aで生成された電力を外部に取り出す。 As shown in FIG. 7, the pair of current collectors 16 and 17 takes out the electric power generated by the stacked body 10a to the outside.
一対の集電体16、17は、積層体10aの両端にそれぞれ配設している。一対の集電体16、17の外形形状は、一部の形状を除いて、層厚を少し厚くしたMEA11のフレーム部材15と同様である。一対の集電体16、17は、その長手方向の一端に、カソードガス供給口16a、17a、冷却流体供給口16b、17b、およびアノードガス供給口16c、17cに相当する貫通孔を開口している。同様に、長手方向の他端には、アノードガス排出口16d、17d、冷却流体排出口16e、17eおよびカソードガス排出口16f、17fに相当する貫通孔を開口している。一対の集電体16、17は、その中央に集電部16j(集電体17についても同様)を備えている。 The pair of current collectors 16 and 17 are disposed at both ends of the stacked body 10a. The outer shape of the pair of current collectors 16 and 17 is the same as that of the frame member 15 of the MEA 11 having a slightly increased layer thickness except for some shapes. The pair of current collectors 16 and 17 has through holes corresponding to the cathode gas supply ports 16a and 17a, the cooling fluid supply ports 16b and 17b, and the anode gas supply ports 16c and 17c at one end in the longitudinal direction. Yes. Similarly, through holes corresponding to the anode gas discharge ports 16d and 17d, the cooling fluid discharge ports 16e and 17e, and the cathode gas discharge ports 16f and 17f are opened at the other end in the longitudinal direction. The pair of current collectors 16 and 17 includes a current collector 16j (the same applies to the current collector 17) at the center thereof.
一対の集電体16、17の集電部16j等は、たとえば、ガスを透過させない緻密質カーボンのような導電性部材からなり、アノード11bおよびカソード11cの外形よりも若干小さい薄板状に形成している。一対の集電部16j等は、複数積層した最外層の燃料電池セル10bに設けたMEA11のアノード11bまたはカソード11cに当接している。集電部16h等は、その一面から導電性を備えた円柱形状の突起部16k等を突出して設けている。突起部16k等は、一対の絶縁部材18、19の貫通孔18g等を挿通して、外部に臨んでいる。また、集電体16の突起部16kに当る形状は集電体17についても同様に設けられている。 The current collectors 16j of the pair of current collectors 16 and 17 are made of, for example, a conductive member such as dense carbon that does not allow gas permeation, and are formed in a thin plate shape slightly smaller than the outer shapes of the anode 11b and the cathode 11c. ing. The pair of current collectors 16j and the like are in contact with the anode 11b or the cathode 11c of the MEA 11 provided in the outermost fuel cell 10b that is stacked. The current collector 16h and the like are provided with a cylindrical protrusion 16k and the like having conductivity from one surface thereof. The protrusions 16k and the like face the outside through the through holes 18g and the like of the pair of insulating members 18 and 19. Further, the shape corresponding to the protrusion 16k of the current collector 16 is also provided for the current collector 17 in the same manner.
一対の絶縁部材18、19の外形形状は、一部の形状を除いて、層厚を増したMEA11のフレーム部材15と同様である。一対の絶縁部材18、19は、たとえば、金属からなり、積層体10aで生成された電力を外部と絶縁する。一対の絶縁部材18、19は、前述した一対の集電体16、17の突起部16g等を挿通させる貫通孔18g、19gを有している。 The outer shape of the pair of insulating members 18 and 19 is the same as that of the frame member 15 of the MEA 11 having an increased layer thickness, except for some shapes. The pair of insulating members 18 and 19 are made of, for example, metal and insulate the electric power generated by the stacked body 10a from the outside. The pair of insulating members 18 and 19 have through holes 18g and 19g through which the protrusions 16g and the like of the pair of current collectors 16 and 17 described above are inserted.
一対の絶縁部材18、19は、その長手方向の一端に、カソードガス供給口18a、19a、冷却流体供給口18b、19b、およびアノードガス供給口18c、19cに相当する貫通孔を開口している。同様に、その長手方向の他端には、アノードガス排出口18d、19d、冷却流体排出口18e、19eおよびカソードガス排出口18f、19fに相当する貫通孔を開口している。 The pair of insulating members 18 and 19 have through holes corresponding to cathode gas supply ports 18a and 19a, cooling fluid supply ports 18b and 19b, and anode gas supply ports 18c and 19c at one end in the longitudinal direction. . Similarly, through holes corresponding to the anode gas discharge ports 18d and 19d, the cooling fluid discharge ports 18e and 19e, and the cathode gas discharge ports 18f and 19f are opened at the other end in the longitudinal direction.
被覆体20は、図4〜6に示すように、積層体10a、一対の集電体16、17、及び絶縁部材18、19を互いに密着させた状態で保持している。被覆体20は、従来の金属等からなる筐体に相当する。被覆体20は、図3A〜図5に示す製造装置によって製造され、例えばブタジエンゴムなどによって形成される。被覆体20は、積層体10aの積層方向と交差する方向から収容物10を覆っている。 As shown in FIGS. 4 to 6, the cover 20 holds the stacked body 10 a, the pair of current collectors 16 and 17, and the insulating members 18 and 19 in close contact with each other. The covering 20 corresponds to a conventional casing made of metal or the like. The covering 20 is manufactured by the manufacturing apparatus shown in FIGS. 3A to 5, and is formed of, for example, butadiene rubber. The covering 20 covers the container 10 from the direction intersecting the stacking direction of the stacked body 10a.
被覆体20は、積層体10a及び集電体16、17及び絶縁部材18、19を積層方向に押圧できるように積層方向に把持部21a〜21fが形成されている。把持部21a〜21fは、MEA11とセパレータ13、14の積層数に応じてその数が変わる。また、被覆体20は、燃料、酸化剤、冷却水等の流体を流入できるように、カソードガス供給口20a、冷却流体供給口20b、アノードガス供給口20c、アノードガス排出口20d、冷却流体排出口20e、カソードガス排出口20fが形成されている。 The covering 20 is formed with gripping portions 21a to 21f in the stacking direction so that the stacked body 10a, the current collectors 16 and 17, and the insulating members 18 and 19 can be pressed in the stacking direction. The number of the gripping portions 21 a to 21 f varies depending on the number of stacked layers of the MEA 11 and the separators 13 and 14. In addition, the covering body 20 allows a cathode, gas supply port 20a, a cooling fluid supply port 20b, an anode gas supply port 20c, an anode gas discharge port 20d, a cooling fluid discharge so that a fluid such as fuel, oxidant, and cooling water can flow. An outlet 20e and a cathode gas outlet 20f are formed.
セパレータ13、14、フレーム部材15、集電体16、17、絶縁部材18、19及び被覆体20のカソードガス供給口13a〜20a、冷却流体供給口13b〜20b、アノードガス供給口13c〜20c、アノードガス排出口13d〜20d、冷却流体排出口13e〜20e、及びカソードガス排出口13f〜20fは、セパレータ13、14、MEA11、集電体16、17、絶縁部材18、19及び被覆体20を位置合わせした際に連通するように構成されている。 Separators 13 and 14, frame member 15, current collectors 16 and 17, insulation members 18 and 19 and cathode gas supply ports 13a to 20a of cooling body 20, cooling fluid supply ports 13b to 20b, anode gas supply ports 13c to 20c, The anode gas discharge ports 13d to 20d, the cooling fluid discharge ports 13e to 20e, and the cathode gas discharge ports 13f to 20f are connected to the separators 13 and 14, the MEA 11, the current collectors 16 and 17, the insulating members 18 and 19, and the covering body 20, respectively. It is comprised so that it may communicate when it aligns.
(燃料電池の製造方法)
次に本実施形態に係る燃料電池の製造方法における、被覆体の形成工程について説明する。その他の工程については従来と同様の方法を用いるため、説明を省略する。本実施形態に係る燃料電池100を構成する被覆体20の形成は、準備工程と、形成工程と、を備える。
(Fuel cell manufacturing method)
Next, a process for forming a covering in the method for manufacturing a fuel cell according to the present embodiment will be described. Since other methods are the same as the conventional method, description thereof is omitted. Formation of the covering 20 constituting the fuel cell 100 according to the present embodiment includes a preparation process and a formation process.
準備工程では、積層部210を使ってMEA11、セパレータ13、14、集電体16、17及び絶縁部材18、19を有する収容物10を積層する。 In the preparation step, the container 10 having the MEA 11, the separators 13 and 14, the current collectors 16 and 17, and the insulating members 18 and 19 is stacked using the stacking unit 210.
収容物10が形成できたら、インサート型234〜239を収容物10のカソードガス供給口13a〜19a、冷却流体供給口13b〜19b、アノードガス供給口13c〜19c、アノードガス排出口13d〜19d、冷却流体排出口13e〜19e、及びカソードガス排出口13f〜19fに挿入する。これにより、収容物10が一体的に固定される。 When the storage 10 is formed, the insert molds 234 to 239 are inserted into the cathode gas supply ports 13a to 19a, the cooling fluid supply ports 13b to 19b, the anode gas supply ports 13c to 19c, and the anode gas discharge ports 13d to 19d of the storage product 10, respectively. The cooling fluid discharge ports 13e to 19e and the cathode gas discharge ports 13f to 19f are inserted. Thereby, the things 10 are fixed integrally.
次にインサート型234〜239を挿通させた収容物10を固定型228に配置し、成形型の中でも側方に位置する固定型229〜232を設置する。固定型229を設置したらランナー222〜227とスプルー221を固定型229に接続する。 Next, the container 10 into which the insert molds 234 to 239 are inserted is placed in the fixed mold 228, and the fixed molds 229 to 232 located on the side among the molds are installed. When the fixed mold 229 is installed, the runners 222 to 227 and the sprue 221 are connected to the fixed mold 229.
次に固定型229〜232の上方から油圧シリンダ240に接続された可動型233を固定型228に向けて接近させ、収容物10の端部に位置する絶縁部材18と固定型228、及び可動型233と絶縁部材19とを当接させる。さらに、可動型233を固定型228に向けて接近させ、固定型228〜232及び可動型233によって空間220aを密閉空間にする。 Next, the movable mold 233 connected to the hydraulic cylinder 240 is approached from above the fixed molds 229 to 232 toward the fixed mold 228, and the insulating member 18, the fixed mold 228, and the movable mold positioned at the end of the accommodation 10 are moved. 233 and the insulating member 19 are brought into contact with each other. Further, the movable mold 233 is moved toward the fixed mold 228, and the space 220a is made a sealed space by the fixed molds 228 to 232 and the movable mold 233.
次に射出部から樹脂を流し込んで溶融させ、スプルー221及びランナー222〜227を経て固定型228〜232及び可動型233によって形成された空間220aに流し込む。収容物10におけるカソードガス供給口13a〜19a、冷却流体供給口13b〜19b、アノードガス供給口13c〜19c、アノードガス排出口13d〜19d、冷却流体排出口13e〜19e、及びカソードガス排出口13f〜19fにはインサート型234〜239が挿入され、収容物10は固定型228と可動型233とによって積層方向に加圧されている。そのため、成形型228〜233によって囲まれる空間220aであって、収容物10を除く部分に被覆体20が形成される。 Next, the resin is poured from the injection portion and melted, and then poured into the space 220 a formed by the fixed molds 228 to 232 and the movable mold 233 through the sprue 221 and the runners 222 to 227. Cathode gas supply ports 13a to 19a, cooling fluid supply ports 13b to 19b, anode gas supply ports 13c to 19c, anode gas discharge ports 13d to 19d, cooling fluid discharge ports 13e to 19e, and cathode gas discharge port 13f in the storage 10 Insert molds 234 to 239 are inserted into .about.19f, and the object 10 is pressurized in the stacking direction by the fixed mold 228 and the movable mold 233. Therefore, the covering body 20 is formed in the space 220 a surrounded by the molds 228 to 233 except for the contents 10.
流し込んだ溶融樹脂が硬化したら、可動型233及び固定型229〜232を取り外し、収容物10とともに溶融樹脂によって形成された被覆体20を固定型228から取り外す。そして、インサート型234〜239を取り外し、必要に応じて被覆体20の外側面にバリが形成されていたら除去して燃料電池100が形成される。 When the molten resin poured in is cured, the movable mold 233 and the fixed molds 229 to 232 are removed, and the covering 20 formed of the molten resin together with the contents 10 is removed from the fixed mold 228. Then, the insert molds 234 to 239 are removed, and if necessary, if the burrs are formed on the outer surface of the covering body 20, they are removed to form the fuel cell 100.
次に本実施形態の作用及び効果について説明する。燃料電池において隣接するMEAやセパレータは、接着剤によって組付け状態となっているものがあるが、その場合、接着剤や接着剤の固定の効果を高めるプライマーの硬化を待つ時間が必要になる。また、接着剤などを使用せずにMEAやセパレータを樹脂によって一体に成形するとしても、従来では溶融した樹脂がアノードガスなどの流路に流れないように発電領域の外周にシール部材を配置している。そのため、発電領域の外周にシール部材を設置する必要が生じ、その分シール部材の部品コストと設置作業の工数が増えてしまう。 Next, the operation and effect of this embodiment will be described. In some fuel cells, adjacent MEAs and separators are in an assembled state by an adhesive, and in that case, it is necessary to wait for curing of the primer that enhances the effect of fixing the adhesive or adhesive. In addition, even if the MEA and separator are integrally formed of resin without using an adhesive or the like, conventionally, a sealing member is disposed on the outer periphery of the power generation region so that the molten resin does not flow into the flow path of anode gas or the like. ing. Therefore, it becomes necessary to install a seal member on the outer periphery of the power generation region, and the parts cost of the seal member and the number of man-hours for installation work increase accordingly.
これに対し、本実施形態に係る燃料電池によれば、積層体10aの側方に被覆体20を配置し、フレーム部材15がセパレータ13、14と当接する端部の位置がセパレータ同士が当接する端部の位置よりも面方向外方となるように構成している。セパレータ13、14が接触する箇所は燃料電池100の電気化学反応によって発生した電力を積層方向に導通させる発電領域であり、フレーム部材15がセパレータ13、14と当接するのは、発電が行われる領域よりも面方向の外方である。このように、フレーム部材15がセパレータ13、14と当接する位置をセパレータ同士が接触する位置よりも面方向外方とし、被覆体20で積層体の側方を覆うことによって、積層体を流通する燃料や酸化剤が漏出することを防止でき、シール部材を不要にできる。そのため、接着剤やプライマーと共にシール部材を不要にすることができる。 On the other hand, according to the fuel cell according to the present embodiment, the covering body 20 is disposed on the side of the stacked body 10a, and the separators are in contact with each other at the end positions where the frame member 15 is in contact with the separators 13 and 14. It is comprised so that it may become a surface direction outer side rather than the position of an edge part. The place where the separators 13 and 14 are in contact is a power generation region where power generated by the electrochemical reaction of the fuel cell 100 is conducted in the stacking direction, and the frame member 15 is in contact with the separators 13 and 14 where power generation is performed. Is more outward in the surface direction. In this way, the position where the frame member 15 contacts the separators 13 and 14 is set to be more outward in the surface direction than the position where the separators are in contact with each other, and the side of the stacked body is covered with the covering 20 to circulate the stacked body. It is possible to prevent the fuel and the oxidant from leaking out and to eliminate the need for a sealing member. Therefore, a sealing member can be made unnecessary together with an adhesive and a primer.
また、本実施形態に係る燃料電池の製造方法によれば、準備工程において外周にフレーム部材15を取り付けたMEA11とセパレータ13、14とを積層した積層体10aであって、フレーム部材15がセパレータ13、14と当接する端部の位置がセパレータ同士が当接する端部の位置よりも面方向外方となる積層体10aを準備する。そして、形成工程において積層体10aを固定型228〜232と可動型233とを含む型によって形成される空間220aに配置し、積層体10aの積層方向に加圧力を付与しながら空間220aに溶融した樹脂を流通させて硬化させ、積層体10aの積層方向と交差する方向から積層体10aを覆う被覆体20を形成する。 Further, according to the method of manufacturing a fuel cell according to the present embodiment, the laminated body 10a in which the MEA 11 with the frame member 15 attached to the outer periphery and the separators 13 and 14 are laminated in the preparation step, and the frame member 15 is the separator 13. , 14 is prepared in such a manner that the position of the end in contact with 14 is more outward in the surface direction than the position of the end in contact with the separators. Then, in the forming step, the laminated body 10a is arranged in a space 220a formed by a mold including the fixed molds 228 to 232 and the movable mold 233, and melted in the space 220a while applying pressure in the stacking direction of the laminated body 10a. Resin is circulated and cured to form a covering 20 that covers the laminate 10a from a direction that intersects the lamination direction of the laminate 10a.
また、本実施形態に係る燃料電池の製造装置は、積層体10aを収容する空間220aを形成する固定型228〜232及び可動型233と、空間220aに配置された積層体10aに対して積層方向に加圧力を付与する加圧シリンダ240と、空間220aに被覆体20を構成する樹脂を溶融させた状態で射出する射出部と、を有する。 In addition, the fuel cell manufacturing apparatus according to the present embodiment includes the fixed molds 228 to 232 and the movable mold 233 that form the space 220a that houses the stacked body 10a, and the stacking direction with respect to the stacked body 10a disposed in the space 220a. And a pressure cylinder 240 for applying pressure to the space 220a, and an injection portion for injecting the resin constituting the cover 20 in the space 220a in a molten state.
上記のような本発明に係る製造方法及び製造装置によれば、隣接するMEA11やセパレータ13,14との間は固定型228と可動型233によって加圧力を付与しながら溶融した樹脂を流通させて被覆体20を形成することによって、把持部21a〜21hがMEA11とセパレータ13、14とを密着させ、シール部位を形成することができる。よって、発電領域の外周に設置するシール部材、プライマー、接着剤を不要にしてその分部品コストや設置工数を削減することができる。 According to the manufacturing method and the manufacturing apparatus according to the present invention as described above, the molten resin is circulated between the adjacent MEA 11 and the separators 13 and 14 while applying pressure by the fixed mold 228 and the movable mold 233. By forming the covering 20, the gripping portions 21 a to 21 h can bring the MEA 11 and the separators 13 and 14 into close contact with each other to form a seal portion. Therefore, the seal member, primer, and adhesive installed on the outer periphery of the power generation area are not required, and the part cost and installation man-hour can be reduced accordingly.
また、フレーム部材15は、カソードガス供給口15aと、冷却流体供給口15bと、アノードガス供給口15cと、アノードガス排出口15dと、冷却流体排出口15eと、カソードガス排出口15fと、アノードガス供給口15cからアノードガス排出口15d、又はカソードガス供給口15aからカソードガス排出口15fまでの経路が周囲よりも一段下がった段差部15hと、を有するように構成している。そのため、段差部15hの周囲が一段上がっていることによって、当該部分を外部からの流体が流通することを防止する防波堤のように機能させることができ、シール部材を不要にすることができる。 The frame member 15 includes a cathode gas supply port 15a, a cooling fluid supply port 15b, an anode gas supply port 15c, an anode gas discharge port 15d, a cooling fluid discharge port 15e, a cathode gas discharge port 15f, an anode A step from the gas supply port 15c to the anode gas discharge port 15d or from the cathode gas supply port 15a to the cathode gas discharge port 15f is provided with a step portion 15h that is one step lower than the surroundings. Therefore, when the periphery of the step portion 15h is raised by one step, the portion can be made to function as a breakwater that prevents fluid from the outside from flowing, and a seal member can be made unnecessary.
また、段差部15hにはアノードガス又はカソードガスを流通させて、シール部材を用いなくても発電に必要な電気化学反応を発生させることができる。 In addition, an anode gas or a cathode gas can be circulated through the step portion 15h to generate an electrochemical reaction necessary for power generation without using a seal member.
また、準備工程において準備された隣接するセパレータ13、14は、その外周部において接合されてセパレータアセンブリ12として構成されている。そのため、両者を接合するという簡易的な方法で隣接するセパレータ同士の組み付けを迅速に行うことができ、積層体10aとした際には冷却流体の流路を用意に形成することができ、作業工数を低減することができる。 Moreover, the adjacent separators 13 and 14 prepared in the preparation process are joined at the outer peripheral portion to constitute a separator assembly 12. Therefore, the separators adjacent to each other can be quickly assembled by a simple method of joining the two, and when the laminated body 10a is formed, the flow path of the cooling fluid can be easily formed, and the number of work steps Can be reduced.
また、準備工程では隣接するセパレータ13、14とMEA11のフレーム部材15とを当該外周において接触させて接触部15gを形成し、形成工程において積層体10aを積層方向に加圧した状態で被覆体20を形成するように構成している。そのため、接触部15gにおいてMEA11のフレーム部材15とセパレータ13、14とを密着させて、その内部に流通するアノードガス、カソードガス、冷却流体を外部に流通しないように堰き止めることができ、従来のような発電領域の外周に設置するシール部材等を不要にすることができる。 Further, in the preparatory process, the adjacent separators 13 and 14 and the frame member 15 of the MEA 11 are brought into contact with each other on the outer periphery to form a contact portion 15g, and in the forming process, the covering body 20 is pressed in the stacking direction. Is formed. For this reason, the frame member 15 of the MEA 11 and the separators 13 and 14 are brought into close contact with each other at the contact portion 15g, and the anode gas, the cathode gas, and the cooling fluid that circulate inside the MEA 11 can be dammed so as not to circulate outside. Such a sealing member installed on the outer periphery of the power generation area can be eliminated.
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲において種々の改変が可能である。 In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, A various change is possible in a claim.
図10は、本発明の実施形態に係る成形型の変形例を示す斜視図、図11(A)は同成形型を示す斜視図、図11(B)は正面図である。図3Aではスプルー221から樹脂が1つの流路を通ってランナー222〜227に分岐する実施形態について説明したが、これに限定されない。スプルー221から続く流路は、図10のように2つの流路221a、221bに分岐させ、型229だけでなく型232にもランナーを接続するように構成してもよい。このように構成することによって、空間220aへの樹脂の充填をより速やかに行うことができる。 10 is a perspective view showing a modification of the mold according to the embodiment of the present invention, FIG. 11A is a perspective view showing the mold, and FIG. 11B is a front view. Although FIG. 3A demonstrated embodiment which resin branches from the sprue 221 to the runners 222-227 through one flow path, it is not limited to this. The flow path continuing from the sprue 221 may be divided into two flow paths 221a and 221b as shown in FIG. 10 so that the runner is connected not only to the mold 229 but also to the mold 232. With this configuration, the resin can be filled into the space 220a more quickly.
また、図3Aにおいて溶融される樹脂はスクリューを収容する流路221を流通し、流路221から略90度に曲がった流路222〜227に分岐して流れる(ゲートが複数の)実施形態について説明したが、これに限定されない。図11(A)から図11(C)に示すように、流路221cは、曲がることも分岐することもなく、固定型に対するゲートを1つで構成してもよい。また、型の構成も上記に限定されず、例えば固定型228b及び可動型233bが積層方向の両端から収容物10の途中までの高さにおいて収容物10を側方から覆う形状に構成し、当該途中の高さの位置を型の見切り(型分割位置、パーティングライン)としてもよい。 Further, in FIG. 3A, the melted resin flows in the flow path 221 that accommodates the screw, and branches and flows from the flow path 221 to the flow paths 222 to 227 bent at approximately 90 degrees (a plurality of gates). Although described, it is not limited to this. As shown in FIG. 11A to FIG. 11C, the flow path 221c may be configured with a single gate for the fixed type without bending or branching. Further, the configuration of the mold is not limited to the above. For example, the fixed mold 228b and the movable mold 233b are configured to cover the container 10 from the side at the height from both ends in the stacking direction to the middle of the container 10, The height position in the middle may be a parting of the mold (mold division position, parting line).
図12は、本発明の実施形態に係る積層体の変形例を示す断面図である。上記ではMEA11と隣接するセパレータ13、14との間を積層方向に加圧することによって溶融された樹脂が流通することを防止する実施形態について説明したが、これに限定されない。図12に示すように、フレーム部材15の面方向における外周端部には突起部15j(堰き止め部に相当)が設けられ、セパレータ13、14には突起部15jと係合する係合部13k、14kが設けられている。また、積層方向の両端部において集電体16、17の積層方向中央側には突起部16j、17jが設けられている。また、固定型228及び可動型233には、溶融樹脂の意図しない部位への流入を防止するリップ228a、233aが設けられ、絶縁部材18、19にはリップ228a、233aと係合する係合部18j、19jが設けられる。 FIG. 12 is a cross-sectional view showing a modified example of the laminate according to the embodiment of the present invention. In the above description, the embodiment has been described in which the melted resin is prevented from flowing by pressurizing between the MEA 11 and the adjacent separators 13 and 14 in the laminating direction, but is not limited thereto. As shown in FIG. 12, a protrusion 15j (corresponding to a damming portion) is provided at the outer peripheral end in the surface direction of the frame member 15, and the separators 13 and 14 are engaging portions 13k that engage with the protrusion 15j. , 14k are provided. Protrusions 16j and 17j are provided at the center in the stacking direction of the current collectors 16 and 17 at both ends in the stacking direction. The fixed mold 228 and the movable mold 233 are provided with lips 228a and 233a for preventing the molten resin from flowing into unintended portions, and the insulating members 18 and 19 are engaging portions that engage with the lips 228a and 233a. 18j and 19j are provided.
突起部15j、16j、17jは、積層方向に突出しており、このような突起部15jを有するフレーム部材を取り付けたMEA11や集電体を準備工程において用意することにより、被覆体20の製造時には溶融樹脂がアノードガス流路13hやカソードガス流路14hへ流入することを防止し、製品の際にはアノードガスやカソードガスが外部と流通することを堰き止めることができる。なお、リップ228a、233aは、集電体16、17の係合部16j、17jと同様に構成してもよい。 The protrusions 15j, 16j, and 17j protrude in the stacking direction. By preparing the MEA 11 and the current collector to which the frame member having such a protrusion 15j is attached in the preparation process, the protrusions 15j, 16j, and 17j are melted when the covering 20 is manufactured. It is possible to prevent the resin from flowing into the anode gas channel 13h and the cathode gas channel 14h, and to block the anode gas and the cathode gas from flowing to the outside in the case of a product. The lips 228a and 233a may be configured similarly to the engaging portions 16j and 17j of the current collectors 16 and 17.
また、セパレータ13とセパレータ14との間に形成される冷却流体流路13j、14jには、形成工程の際に樹脂の流入を防止する詰め物のような部材を配置し、被覆体20が形成された後であって、インサート型234〜239を取り除いた後に当該詰め物を取り除くようにしてもよい。 Further, in the cooling fluid flow paths 13j and 14j formed between the separator 13 and the separator 14, a member such as a padding that prevents the inflow of resin during the forming process is disposed, and the covering 20 is formed. The padding may be removed after the insert molds 234 to 239 are removed.
また、燃料電池100を構成する集電体16、17や絶縁部材18、19は、対になって両方にアノードガス供給口16a〜19a、冷却流体供給口16b〜19b、カソードガス供給口16c〜19c、カソードガス排出口16d〜19d、冷却流体排出口16e〜19e、アノードガス排出口16f〜19fが設けられる実施形態について説明したが、これに限定されない。上記供給口及び排出口は、集電体16、17及び絶縁部材18、19の両端部に設けられていなくてもよく、例えば集電体16及び絶縁部材18にのみ設けるように構成してもよい。 In addition, the current collectors 16 and 17 and the insulating members 18 and 19 constituting the fuel cell 100 are paired with the anode gas supply ports 16a to 19a, the cooling fluid supply ports 16b to 19b, and the cathode gas supply ports 16c to 16c. Although the embodiment in which the 19c, the cathode gas discharge ports 16d to 19d, the cooling fluid discharge ports 16e to 19e, and the anode gas discharge ports 16f to 19f are provided has been described, it is not limited thereto. The supply port and the discharge port may not be provided at both ends of the current collectors 16, 17 and the insulating members 18, 19. For example, the supply port and the discharge port may be provided only at the current collector 16 and the insulating member 18. Good.
また、隣接するセパレータ13、14は溶接等によって接合される実施形態について説明したが、これに限定されず、セパレータ13、14とが接合されていなくてもよい。 Moreover, although embodiment which joined the separators 13 and 14 adjacent by welding etc. was demonstrated, it is not limited to this, The separators 13 and 14 do not need to be joined.
10 収容物、
10a 積層体、
10b 燃料電池セル、
100 燃料電池、
11 膜電極接合体(MEA)、
11a 電解質膜、
11b アノード、
11c カソード、
11d 切り欠き、
12 セパレータアセンブリ、
13 アノードセパレータ、
14 カソードセパレータ、
13g、14g 波形形状、
13h アノードガス流路、
13j(14j) 冷却流体流路、
13k、14k 係合部、
14h カソードガス流路、
15 MEAのフレーム部材、
15g 接触部(堰き止め部)、
15h 階段形状(堰き止め部)、
15j 突起部(堰き止め部)、
16,17 集電体、
16g 突起部、
16h 集電部、
16j、17j 突起部、
18,19 絶縁部材、
18g、19g 貫通孔、
18j、19j 係合部、
20 被覆体、
13a〜20a カソードガス供給口、
13b〜20b 冷却流体供給口、
13c〜20c アノードガス供給口、
13d〜20d アノードガス排出口、
13e〜20e 冷却流体排出口、
13f〜20f カソードガス排出口、
21a〜21h 把持部、
210 積層部、
211 挟持アーム、
212 固定部、
213 移動部、
214 保持部、
215 保持アーム、
216 延長部、
217 搬送部、
218 設置台、
220 成形部、
220a 空間、
221 スプルー、
222〜227 ランナー(流路)、
228 固定型(成形型)、
228a リップ、
229〜232 固定型(成形型)、
233 可動型(成形型)、
233a リップ、
234〜239 インサート型、
240 油圧シリンダ(加圧部)。
10 Containment,
10a laminate,
10b Fuel cell,
100 fuel cells,
11 Membrane electrode assembly (MEA),
11a electrolyte membrane,
11b anode,
11c cathode,
11d cutout,
12 separator assembly,
13 Anode separator,
14 cathode separator,
13g, 14g waveform shape,
13h anode gas flow path,
13j (14j) cooling fluid flow path,
13k, 14k engagement part,
14h cathode gas flow path,
15 MEA frame member,
15g contact part (damming part),
15h Stair shape (damming part),
15j protrusion (damming part),
16, 17 current collector,
16g protrusion,
16h current collector,
16j, 17j protrusion,
18, 19 Insulating member,
18g, 19g through hole,
18j, 19j engaging portion,
20 covering,
13a to 20a cathode gas supply port,
13b-20b Cooling fluid supply port,
13c-20c anode gas supply port,
13d-20d anode gas outlet,
13e-20e Cooling fluid outlet,
13f-20f cathode gas outlet,
21a-21h gripping part,
210 stacking section,
211 clamping arms,
212 fixing part,
213 moving part,
214 holder,
215 holding arm,
216 extension,
217 transport section,
218 installation stand,
220 molded part,
220a space,
221 sprue,
222-227 runner (flow path),
228 fixed mold (molding mold),
228a lip,
229 to 232 fixed mold (molding mold),
233 movable mold (molding mold),
233a lip,
234-239 insert type,
240 Hydraulic cylinder (pressurizing part).
Claims (13)
前記積層体の積層方向と交差する側方を覆う被覆体と、を有し、
前記フレーム部材は、前記セパレータと当接する端部の位置が前記セパレータ同士が当接する端部の位置よりも面方向外方となることを特徴とする燃料電池。 A laminate in which a membrane electrode assembly having a frame member attached to the outer periphery and a separator are laminated;
A covering that covers a side that intersects the stacking direction of the laminate,
The fuel cell according to claim 1, wherein a position of an end portion of the frame member that contacts the separator is more outward in a surface direction than a position of an end portion that contacts the separators.
前記供給口から前記排出口までの経路が周囲よりも前記積層体の積層方向に一段下がった段差部と、を有する請求項1に記載の燃料電池。 The frame member includes a supply port and a discharge port through which fluid flows,
2. The fuel cell according to claim 1, wherein a path from the supply port to the discharge port includes a stepped portion that is lowered by one step in the stacking direction of the stacked body from the surroundings.
前記積層体を固定型と可動型とを含む型によって形成される空間に配置し、前記積層体の積層方向に加圧力を付与しながら前記空間に溶融した樹脂を流通させて硬化させ、前記積層体の積層方向と交差する方向から前記積層体を覆う被覆体を形成する形成工程と、を備える燃料電池の製造方法。 A laminated body in which a membrane electrode assembly having a frame member attached to the outer periphery and a separator are laminated, wherein the position of the end where the frame member contacts the separator is more than the position of the end where the separator contacts A preparation step of preparing the laminate that is outward in the direction;
The laminated body is disposed in a space formed by a mold including a fixed mold and a movable mold, and the molten resin is circulated and cured in the space while applying pressure in the laminating direction of the laminated body. Forming a covering covering the laminate from a direction crossing the stacking direction of the bodies.
前記空間に配置された前記積層体に対して前記積層体の積層方向に加圧力を付与する加圧部と、
前記空間に前記被覆体を構成する樹脂を溶融させた状態で射出する射出部と、を備える燃料電池の製造装置。 A laminated body in which a membrane electrode assembly having a frame member attached to the outer periphery and a separator are laminated, wherein the position of the end where the frame member contacts the separator is more than the position of the end where the separator contacts A mold for forming a space for accommodating the laminate that is outward in the direction;
A pressure unit that applies pressure in the stacking direction of the stack to the stack disposed in the space; and
An apparatus for manufacturing a fuel cell, comprising: an injection unit that injects the resin constituting the covering in the space in a molten state.
前記堰き止め部は、前記接触部を含む請求項10に記載の燃料電池の製造装置。 The adjacent separator and the frame member are formed with contact portions that contact at the outer periphery,
The fuel cell manufacturing apparatus according to claim 10, wherein the damming portion includes the contact portion.
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