JP2016170961A - 燃料電池単セルの製造方法 - Google Patents

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Kotaro Ikeda
耕太郎 池田
川角 明人
Akito Kawakado
明人 川角
尚宏 麻田
Naohiro Asada
尚宏 麻田
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Abstract

【課題】セパレータの突出部と支持フレームの凹部間の接着剤層の接着強度を高める。
【解決手段】燃料電池単セル1は、支持フレーム2に支持された膜電極ガス拡散層接合体5と、両側に配置されたセパレータ3c、3aとを備える。セパレータ3cには内面上に突出部32が形成され、支持フレーム2の突出部に対面する箇所に凹部22が形成され、凹部の裏側の箇所にガス流通溝20aが形成される。燃料電池単セルの製造方法は、突出部に接着剤10sを厚みdsで配置し、凹部に接着剤10fを厚みdfで配置する工程と、突出部に隣接する隣接部分33と、凹部に隣接する隣接部分23とを当接させ接着剤10sと接着剤10fとを接触させて、突出部と凹部間に接着剤層10を形成し、セパレータ3cと支持フレーム2とを接着する工程と、を備える。突出部と凹部とは所定距離Dだけ離間し、厚みdsと厚みdfとの和は所定距離Dよりも大きい。
【選択図】図2

Description

本発明は、燃料電池単セルの製造方法に関する。
電解質膜の両側に電極触媒層及びガス拡散層が形成された膜電極ガス拡散層接合体と、膜電極ガス拡散層接合体の外周にて膜電極ガス拡散層接合体を支持する支持フレームと、周縁部分において支持フレームに固定され、中心部分においてガス拡散層に当接するように、膜電極ガス拡散層接合体及び支持フレームの一側及び他側に配置された第1のセパレータ及び第2のセパレータと、を備えた燃料電池単セルを、支持フレームに支持された膜電極ガス拡散層接合体の両側に第1のセパレータ及び第2のセパレータをそれぞれ固定することにより製造する、燃料電池単セルの製造方法において、支持フレームの一側及び他側と第1のセパレータ及び第2のセパレータの周縁部分とを接着剤を介して重ね、第1のセパレータ及び第2のセパレータに外側から圧力を印加しつつ加熱することにより、支持フレームの一側及び他側に第1のセパレータ及び第2のセパレータの周縁部分を接着する、燃料電池単セルの製造方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2012−204001号公報
特許文献1では、燃料電池単セルが燃料電池単セルの厚み方向に互いに積層されて、燃料電池スタックが形成される。燃料電池単セル同士の間にはガスケットが配置される。ガスケットを配置する箇所の構造については明記されていないが、例えば次のような構造を取り得る。すなわち、第1のセパレータの周縁部分の外面上にガスケットを受容するための窪み部が形成されると共に、周縁部分の内面上に窪み部に対応する突出部が形成されており、支持フレームの第1のセパレータ側の面のうち突出部に対面する箇所に凹部が形成されており、第1のセパレータの周縁部分の内面のうち突出部に隣接する隣接部分と、支持フレームの第1のセパレータ側の面のうち凹部に隣接する隣接部分とが互いに当接しつつ、第1のセパレータの突出部と支持フレームの凹部とが所定距離だけ互いに離間しており、支持フレームの第2のセパレータ側の面のうち凹部の裏側の箇所に複数のガス流通溝が形成されており、第2のセパレータの周縁部分の内面と支持フレームの第2のセパレータ側の面とが互いに当接され、第1のセパレータの突出部と支持フレームの凹部との間に突出部と凹部とを互いに接着する接着剤層が形成されている、という構造である。
この燃料電池単セルを製造するとき、第1のセパレータと支持フレームとを接着するには、例えば第1のセパレータの突出部に接着剤を塗布し、その後に第1のセパレータの突出部と支持フレームの凹部とが重なるように第1のセパレータと支持フレームとを重ね合わせる方法が考えられる。この場合、第1のセパレータの突出部の隣接部分と、支持フレームの凹部に隣接する隣接部分とが互いに当接すると、第1のセパレータと支持フレームとがそれ以上接近できず、第1のセパレータの突出部と支持フレームの凹部との距離が所定距離より小さくならない。このとき、第1のセパレータの突出部により支持フレーム2へ押し付けられた接着剤の押圧により、支持フレームの凹部におけるガス流通溝の底部に対応する箇所、すなわち支持フレームの厚みが最も薄い部分が、第2のセパレータ側に撓んでしまい、第1のセパレータの突出部と支持フレームの凹部におけるガス流通溝の底部に対応する箇所とのに挟まれた接着剤に十分な荷重が掛からなくなる。そのため、それゆえ第1のセパレータの突出部と支持フレームの凹部とに挟まれて形成される接着剤層の接着強度が十分に高くならないおそれがある。セパレータの突出部と支持フレームの凹部との間の接着剤層の接着強度を高めうる技術が望まれる。
本発明によれば、燃料電池スタックを構成する燃料電池単セルの製造方法であって、前記燃料電池単セルは、電解質膜の両側に電極触媒層及びガス拡散層が形成された膜電極ガス拡散層接合体と、前記膜電極ガス拡散層接合体の外周にて前記膜電極ガス拡散層接合体を支持する支持フレームと、周縁部分において前記支持フレームに固定され、中心部分において前記ガス拡散層に当接するように、前記膜電極ガス拡散層接合体及び前記支持フレームの一側及び他側に配置された第1のセパレータ及び第2のセパレータと、を備え、前記第1のセパレータの前記周縁部分の外面上にガスケットを受容するための窪み部が形成されると共に、前記周縁部分の内面上に前記窪み部に対応する突出部が形成されており、前記支持フレームの前記第1のセパレータ側の面のうち前記突出部に対面する箇所に凹部が形成されており、前記第1のセパレータの前記周縁部分の内面のうち前記突出部に隣接する隣接部分と、前記支持フレームの前記第1のセパレータ側の面のうち前記凹部に隣接する隣接部分とが互いに当接しつつ、前記第1のセパレータの前記突出部と前記支持フレームの前記凹部とが所定距離だけ互いに離間しており、前記支持フレームの前記第2のセパレータ側の面のうち前記凹部の裏側の箇所にガス流通溝が形成されており、前記第2のセパレータの前記周縁部分の内面と前記支持フレームの前記第2のセパレータ側の面とが前記ガス流通溝を除いて互いに当接しており、前記第1のセパレータの前記突出部と前記支持フレームの前記凹部との間に前記突出部と前記凹部とを互いに接着する接着剤層が形成されており、前記燃料電池単セルを、前記支持フレームに支持された前記膜電極ガス拡散層接合体の両側に前記第1のセパレータ及び前記第2のセパレータをそれぞれ固定することにより製造する、前記燃料電池単セルの製造方法において、前記第1のセパレータの前記突出部に熱可塑性を有する第1の接着剤を第1の厚みで配置すると共に、前記支持フレームの前記凹部に熱可塑性を有する第2の接着剤を第2の厚みで配置する工程であって、前記第1の厚みと前記第2の厚みとの和は前記所定距離よりも大きい、工程と、前記第1のセパレータの前記隣接部分と、前記支持フレームの前記隣接部分とを互いに当接させて前記第1の接着剤と前記第2の接着剤とを互いに接触させ、それにより前記第1のセパレータの前記突出部と前記支持フレームの前記凹部との間に前記接着剤層を形成して前記接着剤層により前記突出部と前記凹部とを互いに接着する工程と、を備える、燃料電池単セルの製造方法が提供される。
セパレータの突出部と支持フレームの凹部との間の接着剤層の接着強度を高めることができる。
燃料電池単セルの構成例を示す分解斜視図である。 燃料電池単セルの構成例を示す部分断面図である。 燃料電池単セルの製造方法を示す部分断面図である。 燃料電池単セルの製造方法を示す部分断面図である。 燃料電池単セルの製造方法を示す部分断面図である。 燃料電池単セルの製造方法を示す部分断面図である。 燃料電池単セルの製造方法を示す部分断面図である。 比較例の燃料電池単セルの構成例を示す部分断面図である。 比較例のセパレータと接着剤との界面を示すSEM写真である。 実施例のセパレータと接着剤との界面を示すSEM写真である。
燃料電池単セルの構成について説明する。図1は、燃料電池単セルの構成例を示す分解斜視図である。複数の燃料電池単セル1が燃料電池単セル1の厚み方向Sに積層された積層体により燃料電池スタックが形成される。燃料電池単セル同士の間にはガスケット14が配置される。燃料電池単セル1は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する。燃料電池単セル1で発生された電力は、積層体の両端に配置されたターミナルプレート(図示せず)から燃料電池スタックの外部に到る複数の配線(図示せず)を介して燃料電池スタックの外部に取り出される。燃料電池スタックから取り出された電力は例えば電動車両の駆動用電気モータ又は蓄電器に供給される。
燃料電池単セル1は、カソード極5c及びアノード極5aを有する膜電極ガス拡散層接合体5と、膜電極ガス拡散層接合体5を外周にて支持する支持フレーム2と、カソード極5c側のセパレータ4、すなわちカソードセパレータ3c(第1のセパレータ)と、アノード極5a側のセパレータ4、すなわちアノードセパレータ3a(第2のセパレータ)とを備えている。燃料電池単セル1は、カソードセパレータ3c及びアノードセパレータ3aがそれぞれ支持フレーム2及び膜電極ガス拡散層接合体5の両側に組み付けられることにより形成される。
アノードセパレータ3aの中心部分3agは、アノード極側(図に示さない側)に燃料ガス供給路用の複数の溝を有し、アノード極と逆側(図に示す側)に冷却媒体供給路用の複数の溝を有している。中心部分3agの複数の溝は、アノードセパレータ3aの一体成型で形成される。図1に示すアノードセパレータ3aでは中心部分3agの複数の溝は一方向の流路であるが、サーペンタイン型の流路であってもよい。アノードセパレータ3aにおける中心部分3agの外側の部分、すなわち周縁部分3afのうち、アノードセパレータ3aの長手方向の両端付近には、アノードマニホールド領域3am1、3am2が形成される。アノードマニホールド領域3am1、3am2は、アノードセパレータ3aを貫通するように、酸化剤ガスマニホールド用貫通口、冷却媒体マニホールド用貫通口及び燃料ガスマニホールド用貫通口を有している。アノードセパレータ3aの周縁部分3afでは、アノードマニホールド領域3am1、3am2の各貫通口の周囲、及び、中心部分3agの周囲に平坦面が形成され、平坦面上にガスケット14が配置される。
カソードセパレータ3cの中心部分3cgは、カソード極側(図に示す側)に酸化剤ガス供給路用の複数の溝を有し、カソード極と逆側(図に示さない側)に冷却媒体供給路用の複数の溝を有している。中心部分3cgの複数の溝は、カソードセパレータ3cの一体成型で形成される。図1に示すカソードセパレータ3cでは中心部分3cgの複数の溝は一方向の流路であるが、サーペンタイン型の流路であってもよい。カソードセパレータ3cにおける中心部分3cgの外側の部分、すなわち周縁部分3cfのうち、カソードセパレータ3cの長手方向の両端付近には、カソードマニホールド領域3cm1、3cm2が形成される。カソードマニホールド領域3cm1、3cm2は、カソードセパレータ3cを貫通するように、酸化剤ガスマニホールド用貫通口、冷却媒体マニホールド用貫通口及び燃料ガスマニホールド用貫通口を有している。カソードセパレータ3cの周縁部分3cfのカソード極側(図に示す側)では、アノードマニホールド領域3am1、3am2の各貫通口の周囲、及び、中心部分3cgの周囲に突出部32が形成される。突出部32に対応してその裏側にはガスケット14を受容するための窪み部(図示されず)が形成される。
カソードセパレータ3c及びアノードセパレータ3aは、酸化剤ガス(例示:空気)、燃料ガス(例示:水素ガス)、冷却媒体(例示:水)を透過させず、導電性を有する材料で形成される。カソードセパレータ3c及びアノードセパレータ3aの材料としては、例えばステンレスやチタンのような金属が挙げられる。
膜電極ガス拡散層接合体5は、電解質(図示せず)を備え、カソード極5cは電解質の一側(図に示さない側)に設けられ、アノード極5aは電解質の他側(図に示す側)に設けられている。カソード極5c及びアノード極5aはそれぞれ電極触媒層とガス拡散層とを含んでいる。カソード極5cのガス拡散層はカソードセパレータ3cの酸化剤ガス供給路用の複数の溝に接し、アノード極5aのガス拡散層はアノードセパレータ3aの燃料ガス供給路用の複数の溝に接する。
支持フレーム2は膜電極ガス拡散層接合体5を支持している。例えば、支持フレーム2の内側部分は膜電極ガス拡散層接合体5の外周縁部に接着剤で接着されている。支持フレーム2の両端部には、セルマニホールド領域2m1、2m2が形成される。セルマニホールド領域2m1、2m2は、支持フレーム2を貫通するように、酸化剤ガスマニホールド用貫通口2mc1(供給用)、2mc2(排出用)、冷却媒体マニホールド用貫通口、及び、燃料ガスマニホールド用貫通口2ma1(供給用)、2ma2(排出用)を有している。更に、カソードセパレータ3c側(図に示さない側)の酸化剤ガスマニホールド用貫通口2mc1、2mc2とカソード極5cとの間には複数の酸化剤ガス流通溝20c1(供給用)、20c2(排出用)が形成され、アノードセパレータ3a側(図に示す側)の燃料ガスマニホールド用貫通口2ma1、2ma2とアノード極5aとの間には複数の燃料ガス流通溝20a1(供給用)、20a2(排出用)が形成されている。支持フレーム2は電気絶縁性及び気密性を有する材料で形成される。支持フレーム2の材料としては、例えば熱可塑性のポリプロピレンが挙げられ、更にフェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタラートのような樹脂が挙げられる。
燃料電池単セル1が形成されるとき、支持フレーム2に支持された膜電極ガス拡散層接合体5の両側にカソードセパレータ3c及びアノードセパレータ3aが組み付けられると、カソードセパレータ3c、支持フレーム2及びアノードセパレータ3aの酸化剤ガスマニホールド用貫通口、冷却媒体マニホールド用貫通口及び燃料ガスマニホールド用貫通口が厚さ方向Sに互いに整列される。それにより厚さ方向Sに延びる通路、すなわち流体貫流路としての酸化剤ガスマニホールド、冷却媒体マニホールド及び燃料ガスマニホールドが画定される。
カソードセパレータ3c及びアノードセパレータ3aは、それぞれ中心部分3cg、3agにおいて膜電極ガス拡散層接合体5のガス拡散層に当接し、周縁部分3cf、3afにおいて支持フレーム2に接着剤などで固定されるように、膜電極ガス拡散層接合体5及び支持フレーム2の一側及び他側に配置されている。図2は、燃料電池単セルの構成例を示す部分断面図であり、図1のEE断面を示している。すなわち、カソードセパレータ3c及びアノードセパレータ3aの周縁部分3cf、3afの複数の燃料ガス流通溝20a1近傍の断面を示している。
図2に示すように、カソードセパレータ3cの周縁部分3cfの外面3cs1上にガスケット14を受容するための窪み部31が形成されると共に、周縁部分3cfの内面3cs2上に窪み部31に対応する突出部32が形成されている。支持フレーム2のカソードセパレータ3c側の面2s1のうち突出部32に対面する箇所に凹部22が形成されている。カソードセパレータ3cの周縁部分3cfの内面3cs2のうち突出部32に隣接する隣接部分33と、支持フレーム2のカソードセパレータ3c側の面2s1のうち凹部22に隣接する隣接部分23とは互いに当接しつつ、カソードセパレータ3cの突出部32と支持フレーム2の凹部22とが所定距離D1だけ互いに離間している。カソードセパレータ3cの突出部32と支持フレーム2の凹部22との間に突出部32と凹部22とを互いに接着する接着剤層10が形成されている。
一方、支持フレーム2のアノードセパレータ3a側の面2s2のうち凹部22に対向する箇所に複数の燃料ガス流通溝20a1が形成されている。アノードセパレータ3aの周縁部分3afの内面3as2と支持フレーム2のアノードセパレータ3a側の面2s2とは互いに当接している。支持フレーム2の複数の燃料ガス流通溝20a1の底部24とアノードセパレータ3aの周縁部分3afの内面3as2とは所定距離D2だけ互いに離間している。アノードセパレータ3aの周縁部分3afの外面3as1は平坦である。燃料電池単セル1が厚み方向Sに積層されるときに外面3as1と窪み部31との間にガスケット14が配置される。
接着剤層10は、熱可塑性を有する接着剤により形成される。熱可塑性を有する接着剤としては例えばホットメルト系接着剤が挙げられ、具体例としては三井化学株式会社製のアドマ−(登録商標)が挙げられる。ホットメルト系接着剤は、例えば溶融タンクを有する塗布機において融点以上に加熱されることで溶融し、その状態でノズルから吐出されて被着材に塗布され、融点よりも低い温度になることで硬化する。ホットメルト系接着剤は硬化時間が短く迅速に接着できるので好ましい。ホットメルト系接着剤は、支持フレーム2に用いているような樹脂材料に対する相溶性が高く、容易に密着し、高い接着強度となる。
次に、燃料電池単セルの製造方法について説明する。図3〜図7は、燃料電池単セル1の製造方法の各工程を示す部分断面図である。燃料電池単セルは、支持フレーム2に支持された膜電極ガス拡散層接合体5の両側にカソードセパレータ3c及びアノードセパレータ3aをそれぞれ接着剤で固定することにより製造される。
まず、図3に示すように、アノードセパレータ3aが面2s2上に配置された支持フレーム2を準備する。ただし、支持フレーム2の面2s1には凹部22が形成され、面2s2のうち凹部22に対向する箇所には複数の燃料ガス流通溝20a1が形成されている。また、支持フレーム2は膜電極ガス拡散層接合体5と接着剤(図示せず)により接着され、支持フレーム2はアノードセパレータ3aと接着剤(図示せず)により接着され、それらによりアノードセパレータ3aの内面3as2と支持フレーム2のアノードセパレータ3a側の面2s2とは互いに当接している。支持フレーム2の複数の燃料ガス流通溝20a1の底部24とアノードセパレータ3aの周縁部分3afの内面3as2とは所定距離D2だけ互いに離間している。
次に、図4に示すように、支持フレーム2の面2s1に形成された凹部22上に、熱可塑性を有する第2の接着剤10fを第2の厚みdfで形成する。第2の接着剤10fの形成方法としては、塗布機にて熱可塑性接着剤を溶かし、溶かした熱可塑性接着剤をノズルから吐出して凹部22上に塗布する方法が用いられる。第2の接着剤10fは、接着剤層10の材料が用いられる。このとき、第2の接着剤10fを溶融した状態で強い荷重で凹部22上に塗布するので、第2の接着剤10fと凹部22とを密着させることができる。なお、本実施例では、支持フレーム2の凹部22に隣接する隣接部分23には接着剤が塗布されない。
続いて、図5に示すように、外面3cs1上にガスケット14を受容するための窪み部31が形成され、内面3cs2上に窪み部31に対応する突出部32が形成されたカソードセパレータ3cを準備する。そして、突出部32上に、熱可塑性を有する第1の接着剤10sを第1の厚みdsで形成する。第1の接着剤10sは、接着剤層10の材料が用いられる。第1の接着剤10sの形成方法としては、塗布機にて熱可塑性接着剤を溶かし、溶かした熱可塑性接着剤をノズルから吐出して突出部32上に塗布する方法が用いられる。このとき、第1の接着剤10sを溶融した状態で強い荷重で突出部32に塗布するので、第1の接着剤10sと突出部32とを密着させることができる。この場合、第1の接着剤10sの被着材がカソードセパレータ3cのみなので、第1の接着剤10sの温度をより高くすることができ、第1の接着剤10sと突出部32とをより密着させることができる。なお、本実施例では、カソードセパレータ4cの突出部32に隣接する隣接部分33には接着剤が塗布されない。
ここで、第1の接着剤10sは第2の接着剤10fと同じ熱可塑性接着剤を用いる。後工程において第1の接着剤10s及び第2の接着剤10fを溶融させて両者を接着させるとき、第1の接着剤10sと第2の接着剤10fとを溶着し易くするためである。また、第1の接着剤10sの第1の厚みdsと第2の接着剤10fの第2の厚みdfとの和は所定距離D1よりも大きい(ds+df>D1)。なお、本実施例では、第1の接着剤10sの厚みdsを第2の接着剤10fの厚みdfと同じとする。
次に、図6に示すように、アノードセパレータ3aが面2s2上に配置され、第2の接着剤10fが面2s1の凹部22上に形成された支持フレーム2と、第1の接着剤10sが突出部32上に形成されたカソードセパレータ3cとを、第2の接着剤10fと第1の接着剤10sとが向かい合うように配置して互いに近づけることで、第2の接着剤10fと第1の接着剤10sとを接触させる。ただし、第1の接着剤10sと第2の接着剤10fとを融点以上に加熱して、溶けた状態にしておく。このとき、第2の接着剤10fと第1の接着剤10sとが接触しても、第1の接着剤10sの第1の厚みdsと第2の接着剤10fの第2の厚みdfとの和は所定距離D1よりも大きいので、カソードセパレータ3cの内面3cs2の突出部32に隣接する隣接部分33と、支持フレーム2の面2s1の凹部22に隣接する隣接部分23とは離間し、当接しない。
続いて、図7に示すように、支持フレーム2とカソードセパレータ3cとを更に互いに近づける。すなわち、カソードセパレータ3cの内面3cs2の突出部32に隣接する隣接部分33と、支持フレーム2の面2s1の凹部22に隣接する隣接部分23とを当接させる。このとき、第2の接着剤10fと第1の接着剤10sとが互いに圧接されて厚みD1の接着剤層10が形成される。その結果、接着剤層10により突出部32と凹部22とが互いに接着される。
以上の工程により、燃料電池単セル1が形成される。
このように、上記の製造方法では、図3の工程において、第2の接着剤10fを溶融させた状態で強い荷重で凹部22上に塗布し、密着させるので、第2の接着剤10fと凹部22とを隙間なく接着できる。同様に、図5の工程において、第1の接着剤10sを溶融させた状態で強い荷重で突出部32に塗布し、密着させるので、第1の接着剤10sと突出部32とを隙間なく接着できる。一方、図7の工程において、第2の接着剤10f及び第1の接着剤10sをいずれも溶融させているので、第2の接着剤10fと第1の接着剤10sとを溶着させると、接着界面に隙間を生じさせないように接着できる。これらにより、支持フレーム2とカソードセパレータ3cとを接着する接着剤層10の接着強度を十分に高くすることができる。
ここで、上記の製造方法(以下、「実施例の製造方法」と記す。)の効果を説明するために、上記の実施例の製造方法と異なる典型的な製造方法(以下、「比較例の製造方法」と記す。)について図8を参照して説明する。
比較例の製造方法は、実施例の製造方法と比較すると、図4の工程において支持フレーム102の凹部122上には接着剤層110が厚めに塗布され、図5の工程においてカソードセパレータ103cの突出部132上には接着剤層110が塗布されない、という点で相違している。
この比較例の製造方法において、カソードセパレータ103cと支持フレーム102とを互いに接着するために、カソードセパレータ103cの突出部132に隣接する隣接部分133と、支持フレーム102の凹部122に隣接する隣接部分123とを当接させる。そのとき、接着剤層110は、カソードセパレータ103cの突出部132と接触して、突出部132により厚み方向Sの凹部122向きに荷重を受ける。それにより、支持フレーム102の凹部122は、接着剤層110を介して突出部132による荷重を受けることになる。ここで、支持フレーム102の凹部122におけるガス流通溝120a1の底部124に対応する薄膜部分102pは薄く、かつ、薄膜部分102pの裏側はアノードセパレータ103aの内面103as2に接していない。そのため、突出部132による荷重により薄膜部分102pはアノードセパレータ103a側に撓んでしまう。すなわち、ガス流通溝120a1の底部124とアノードセパレータ103aの内面103as2との距離は所定距離D2よりも短くなる。それに対応して、カソードセパレータ103cの突出部132と支持フレーム102の薄膜部分102pとの距離は所定距離D1より長くなる。この状態では、カソードセパレータ103cにおける薄膜部分102pに対向する対向部分103pを、接着剤層110に更に押し付けようとしても、カソードセパレータ103cの突出部132は支持フレーム102の凹部122にそれ以上近づけないため、対向部分103pをそれ以上接着剤層110に押し付けることができない。その結果、接着剤層110と対向部分103pとの間に十分な荷重がかからず、接着剤層110と対向部分103pとは十分に密着しない。そのため、接着剤層110が硬化するときの収縮等の影響により、カソードセパレータ103cと接着剤層110との界面が十分に接着できないと考えられる。
一方、実施例の製造方法では、対向部分103pにより接着剤層110にかかる荷重よりも大きな荷重が第2の接着剤10fを凹部22に塗布するときや、第1の接着剤10sを突出部32に塗布するときにかかるため、第2の接着剤10fと凹部22との界面や、第1の接着剤10sと突出部32との界面が十分に密着される。また、第2の接着剤10fと第1の接着剤10sとの界面は、接着剤同士の溶着であるため、低荷重であっても界面が密着される。それにより、第2の接着剤10fや第1の接着剤10sが硬化するときの収縮等の影響を受けずに、接着剤層10と凹部22との界面や接着剤層10と突出部32との界面が十分に密着される。
図9及び図10は、それぞれ比較例及び実施例の製造方法での燃料電池単セルのセパレータと接着剤との界面を示すSEM写真である。ただし、界面の分かり易さのために、SEM写真上に界面を示す線を加えている。
比較例の製造方法で作製された燃料電池単セルでは、図9に示すように、接着剤層110とカソードセパレータ103cとの界面に部分的に隙間が生じている。すなわち、カソードセパレータ103cの突出部132と接着剤層110との接着強度は低い。これは、上記された理由による。接着剤層110の厚みを厚くすればある程度荷重の大きさを大きくできるが、接着剤層110の変形等により、荷重を十分に大きくすることは困難であり、接着剤層110の変形を抑えるべく凹部122を埋めるほど接着剤を使用すれば、はみ出した接着剤が支持フレーム102とカソードセパレータ103cとの間のシールを悪化させるおそれがあり、また製造コスト増加の要因にもなる。
一方、実施例の製造方法で作製された燃料電池単セル1では、図10に示すように、接着剤層10とカソードセパレータ3cとの界面に隙間が生じていない。これは、カソードセパレータ3cの突出部32上に第1の接着剤10sが形成されるとき、第1の接着剤10sが溶融した状態で、図9の場合での突出部132により接着剤層110にかかる荷重よりも大きな荷重で塗布されるため、突出部32と第1の接着剤10sとの間に既に密着性が高い接着状態が形成されているからである。それゆえ、その後に第1の接着剤10sが第2の接着剤10fと接着されるとき、第1の接着剤10sに印加される荷重が大きくなくても、接着剤層10とカソードセパレータ3cとの界面に隙間が生じないことはない。したがって、カソードセパレータ3cの突出部32と支持フレーム2の凹部22との間の接着剤層10の接着強度を十分に高くすることができる。
なお、このことは、接着剤層10と支持フレーム2との界面についても同様である。特に、第2の接着剤10fは、支持フレーム2に用いているような樹脂材料に対して高い相溶性を有するため、容易に支持フレーム2に密着し、接着強度を高くできる。また、第2の接着剤10fと第1の接着剤10sとの界面については、第2の接着剤10fと第1の接着剤10sとが互いに印加し合う荷重が大きくなくても、第2の接着剤10fと第1の接着剤10sとはいずれも溶融しているので、溶融した接着剤同士は容易に隙間なく密着でき、それゆえ第2の接着剤10fと第1の接着剤10sとの界面に隙間が生じることはない。
上記の実施例では図3の工程においてアノードセパレータ3aが支持フレーム2に固定される。一方、図示しない別の実施例では、アノードセパレータ3aは、図3の工程において支持フレーム2に固定されず、例えば図6〜図7の工程においてカソードセパレータ3cと同時に支持フレーム2に固定される。
上記の実施例では図2に示すような支持フレーム2の両側面それぞれにガスケット14を受容する窪み部31と複数の燃料ガス流通溝20a1とを有する箇所において上記各工程は適用される。図示しない更に別の実施例では、上記各工程は、支持フレーム2の両側面それぞれに窪み部と複数のガス流通溝とを有する他の箇所に適用される。
図示しない更に別の実施例では、第1の接着剤10sは第2の接着剤10fと異なる熱可塑性接着剤を用いる。また、図示しない更に別の実施例では、ds+df>D1を維持しつつ、第1の接着剤10sの厚みdsを第2の接着剤10fの厚みdfと異なる厚みとする。
図示しない更に別の実施例では、図4の工程及び図5の工程の少なくとも一つは、接着剤の塗布にディスペンサが用いられる。
なお、上記実施例では、ガスケット14が受容される窪み部が形成されるのはカソード極側であり、ガス流通溝が形成されるのはアノード極側である。図示しない更に別の実施例では、ガスケット14が受容される窪み部が形成されるのはアノード極側であり、ガス流通溝が形成されるのはカソード極側である。
1 燃料電池単セル
2 支持フレーム
3c カソードセパレータ
3a アノードセパレータ
5 膜電極ガス拡散層接合体
10 接着剤層
10s 第1の接着剤
10f 第2の接着剤
20a 燃料ガス流通溝
22 凹部
23 隣接部分
31 窪み部
32 突出部
33 隣接部分
ds、df 厚み
D 所定距離

Claims (1)

  1. 燃料電池スタックを構成する燃料電池単セルの製造方法であって、
    前記燃料電池単セルは、
    電解質膜の両側に電極触媒層及びガス拡散層が形成された膜電極ガス拡散層接合体と、
    前記膜電極ガス拡散層接合体の外周にて前記膜電極ガス拡散層接合体を支持する支持フレームと、
    周縁部分において前記支持フレームに固定され、中心部分において前記ガス拡散層に当接するように、前記膜電極ガス拡散層接合体及び前記支持フレームの一側及び他側に配置された第1のセパレータ及び第2のセパレータと、
    を備え、
    前記第1のセパレータの前記周縁部分の外面上にガスケットを受容するための窪み部が形成されると共に、前記周縁部分の内面上に前記窪み部に対応する突出部が形成されており、
    前記支持フレームの前記第1のセパレータ側の面のうち前記突出部に対面する箇所に凹部が形成されており、
    前記第1のセパレータの前記周縁部分の内面のうち前記突出部に隣接する隣接部分と、前記支持フレームの前記第1のセパレータ側の面のうち前記凹部に隣接する隣接部分とが互いに当接しつつ、前記第1のセパレータの前記突出部と前記支持フレームの前記凹部とが所定距離だけ互いに離間しており、
    前記支持フレームの前記第2のセパレータ側の面のうち前記凹部の裏側の箇所にガス流通溝が形成されており、
    前記第2のセパレータの前記周縁部分の内面と前記支持フレームの前記第2のセパレータ側の面とが前記ガス流通溝を除いて互いに当接しており、
    前記第1のセパレータの前記突出部と前記支持フレームの前記凹部との間に前記突出部と前記凹部とを互いに接着する接着剤層が形成されており、
    前記燃料電池単セルを、前記支持フレームに支持された前記膜電極ガス拡散層接合体の両側に前記第1のセパレータ及び前記第2のセパレータをそれぞれ固定することにより製造する、
    前記燃料電池単セルの製造方法において、
    前記第1のセパレータの前記突出部に熱可塑性を有する第1の接着剤を第1の厚みで配置すると共に、前記支持フレームの前記凹部に熱可塑性を有する第2の接着剤を第2の厚みで配置する工程であって、前記第1の厚みと前記第2の厚みとの和は前記所定距離よりも大きい、工程と、
    前記第1のセパレータの前記隣接部分と、前記支持フレームの前記隣接部分とを互いに当接させて前記第1の接着剤と前記第2の接着剤とを互いに接触させ、それにより前記第1のセパレータの前記突出部と前記支持フレームの前記凹部との間に前記接着剤層を形成して前記接着剤層により前記突出部と前記凹部とを互いに接着する工程と、
    を備える、
    燃料電池単セルの製造方法。
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