JP2019192359A - 燃料電池の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】セパレータと集電板とをシール部材を介して熱圧着した際に、セパレータ側と集電板側とで外力に対する強度に差が生じることを抑制することである。【解決手段】本発明にかかる燃料電池の製造方法は、コア層41と接着層42、43とを備えるシール部材40を、セパレータ30と集電板13との間に配置する工程と、セパレータ30と集電板13とをそれぞれ金型70、80で狭持して、セパレータ30と接着層42、及び集電板13と接着層43をそれぞれ熱圧着する工程と、を備える。熱圧着する工程において金型70は、ガスケット22、33と干渉しないようにセパレータ30と当接するので、金型70がセパレータ30と接触する面積は、金型80が集電板13と接触する面積よりも小さい。また、接着層42は、接着層43よりも厚さ、融点、及び弾性率の少なくとも一つが大きい。【選択図】図6

Description

本発明は燃料電池の製造方法に関する。
燃料電池は、複数の燃料電池セルが積層されて構成されている。各々の燃料電池セルは、一対のセパレータと、当該一対のセパレータの間に配置された膜電極ガス拡散層接合体とを備える。また、膜電極ガス拡散層接合体の周囲にはシール部材が配置されており、一対のセパレータは、シール部材を介して接着されている。
特許文献1には、一対のセパレータがシール部材を介して接着されている燃料電池セルが開示されている。
特開2014−120368号公報
背景技術で説明したように、燃料電池は、複数の燃料電池セルが積層されて構成されている。また、各々の燃料電池セルの積層方向の端部は集電板と接着されている。上述のように、各々の燃料電池セルは、一対のセパレータがシール部材を介して接着されているが、各々の燃料電池セルの積層方向の端部においても同様に、セパレータと集電板とがシール部材を介して接着されている。
図7は本発明の課題を説明するための断面図である。図7に示すように、シール部材140は、コア層141と、コア層141の一方の面側に配置された接着層142と、コア層141の他方の面側に配置された接着層143と、を備える。セパレータ30と集電板13とをシール部材140を介して接着する際は、セパレータ30と集電板13との間にシール部材140を配置した後、セパレータ30と集電板13とをそれぞれ金型70と金型80とで狭持して、セパレータ30と接着層142、及び集電板13と接着層143をそれぞれ熱圧着する。
ここで、セパレータ30の表面にはガスケット22、33が配置されているため、熱圧着する工程では、金型70がガスケット22、33と干渉しないように金型70をセパレータ30に当接させて熱圧着する必要がある。具体的には、図7に示すように、ガスケット22、33を回避するように金型70に凸部71、72を設け、凸部71、72をセパレータ30に当接させて熱圧着する。この場合、凸部71とセパレータ30とが当接する面積はS1であり、凸部72とセパレータ30とが当接する面積はS2であるので、金型70とセパレータ30とが当接する面積はS1+S2となる。一方、集電板13と金型80とが当接する面は平坦であるため、金型80と集電板13とが当接する面積はS3となる。したがって、金型70とセパレータ30とが当接する面積(S1+S2)は、金型80と集電板13とが当接する面積S3よりも小さくなる。
このように、金型70とセパレータ30とが当接する面積(S1+S2)が、金型80と集電板13とが当接する面積S3よりも小さい場合は、熱圧着時に金型70からセパレータ30(接着層142)に印加される圧力が、金型80から集電板13(接着層143)に印加される圧力よりも大きくなる。このため、熱圧着後におけるセパレータ30側の接着層142の厚さが、集電板13側の接着層143の厚さよりも薄くなる。このように、セパレータ30側の接着層142の厚さと、集電板13側の接着層143の厚さとの間に差が生じると、セパレータ30側と集電板13側とで外力に対する強度に差が生じるという問題がある。
上記課題に鑑み本発明の目的は、セパレータと集電板とをシール部材を介して熱圧着した際に、セパレータ側と集電板側とで外力に対する強度に差が生じることを抑制することが可能な燃料電池の製造方法を提供することである。
本発明の一態様にかかる燃料電池の製造方法は、コア層と、当該コア層の一方の面側に配置された第1の接着層と、前記コア層の他方の面側に配置された第2の接着層と、を備えるシール部材を、セパレータと集電板との間に配置する工程と、前記セパレータと前記集電板とをそれぞれ第1の金型と第2の金型とで狭持して、前記セパレータと前記第1の接着層、及び前記集電板と前記第2の接着層をそれぞれ熱圧着する工程と、を備える。前記セパレータの表面にはガスケットが形成されており、前記熱圧着する工程において前記第1の金型は、前記ガスケットと干渉しないように前記セパレータと当接し、且つ、前記第1の金型が前記セパレータと接触する面積は、前記第2の金型が前記集電板と接触する面積よりも小さい。また、前記第1の接着層は、前記第2の接着層よりも厚さ、融点、及び弾性率の少なくとも一つにおいて大きい。
本発明にかかる燃料電池の製造方法では、第1の接着層が第2の接着層よりも厚さ、融点、及び弾性率の少なくとも一つにおいて大きくなるようにしている。よって、熱圧着時に第1の金型からセパレータ(第1の接着層)に大きな圧力が印加された場合であっても、熱圧着後におけるセパレータ側の第1の接着層の厚さが薄くなることを抑制することができる。換言すると、熱圧着後における第1の接着層の厚さと第2の接着層の厚さとを同程度にすることができる。したがって、外力が印加された際にセパレータ側と集電板側とで外力を等しく分配することができるので、セパレータ側と集電板側とで、外力に対する強度に差が生じることを抑制することができる。
本発明により、セパレータと集電板とをシール部材を介して熱圧着した際に、セパレータ側と集電板側とで外力に対する強度に差が生じることを抑制することが可能な燃料電池の製造方法を提供することができる。
実施の形態にかかる燃料電池を説明するための図である。 実施の形態にかかる燃料電池セルの平面図である。 実施の形態にかかる燃料電池セルの断面図である。 実施の形態にかかる燃料電池の集電板付近の断面図である。 実施の形態にかかる燃料電池の分解斜視図である。 実施の形態にかかる燃料電池の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の課題を説明するための断面図である。
以下、図面を参照して実施の形態について説明する。
図1は、実施の形態にかかる燃料電池を説明するための図である。図1に示すように、燃料電池1は、複数の燃料電池セル10、エンドプレート11、16、絶縁板12、15、及び集電板13、14を備える。これらの部材は、エンドプレート11、絶縁板12、集電板13、複数の燃料電池セル10、集電板14、絶縁板15、及びエンドプレート16の順にz軸方向に積層されている。
燃料電池1には、配管101を介してアノードガスが供給される。例えば、アノードガスは水素ガスである。燃料電池1に供給されたアノードガスは、複数の燃料電池セル10に供給される。そして、燃料電池セル10で使用されなかったアノードガスは、配管102を介して排出される。
燃料電池1には、配管103を介してカソードガスが供給される。例えば、カソードガスは酸素(空気)である。燃料電池1に供給されたカソードガスは、複数の燃料電池セル10に供給される。そして、燃料電池セル10で使用されなかったカソードガスは、配管104を介して排出される。
また、燃料電池1には、各々の燃料電池セル10を冷却するための冷却媒体が配管105を介して供給される。例えば、冷却媒体には水を用いることができる。各々の燃料電池セル10を通過した冷却媒体は配管106を介して排出される。例えば、配管105と配管106との間にはポンプ(不図示)が設けられており、このポンプを用いることで、冷却媒体を配管105、燃料電池1、配管106、ポンプ(不図示)の順に循環させることができる。
図2は、本実施の形態にかかる燃料電池を構成する燃料電池セル(単セル)の平面図である。図3は、図2に示す燃料電池セル10の切断線A−Aにおける断面図である。図3に示すように、燃料電池セル10は、アノード側セパレータ30とカソード側セパレータ50とでシール部材40を狭持している構成を備える。アノード側セパレータ30およびカソード側セパレータ50は、例えばチタン等の金属材料を用いて構成することができる。
図2に示すように、燃料電池セル10には、アノードガス供給用連通孔31、アノードガス排気用連通孔35、カソードガス供給用連通孔51、カソードガス排気用連通孔55、冷却媒体供給用連通孔61、及び冷却媒体排出用連通孔65が形成されている。
複数の燃料電池セル10が積層された際、アノードガス供給用連通孔31は各々の燃料電池セル10にアノードガスを供給するための流路(z軸方向に伸びる流路)として機能し、アノードガス排気用連通孔35は各々の燃料電池セル10から不使用のアノードガスを排気するための流路(z軸方向に伸びる流路)として機能する。
アノードガス供給用連通孔31の周囲にはガスケット33が設けられている。ガスケット33を設けることで、隣接する燃料電池セル10間においてアノードガス供給用連通孔31がシールされる。また、アノードガス供給用連通孔31の周囲のシール領域32において、アノード側セパレータ30とカソード側セパレータ50とがシール部材40を介して接着されている(図3参照)。これにより、燃料電池セル10内においてアノードガス供給用連通孔31の周囲(燃料電池セル10内におけるアノードガスの流路を除く)がシールされる。
同様に、アノードガス排気用連通孔35の周囲にはガスケット37が設けられている。ガスケット37を設けることで、隣接する燃料電池セル10間においてアノードガス排気用連通孔35がシールされる。また、アノードガス排気用連通孔35の周囲のシール領域36において、アノード側セパレータ30とカソード側セパレータ50とがシール部材40を介して接着されている。これにより、燃料電池セル10内においてアノードガス排気用連通孔35の周囲(燃料電池セル10内におけるアノードガスの流路を除く)がシールされる。
また、複数の燃料電池セル10が積層された際、カソードガス供給用連通孔51は各々の燃料電池セル10にカソードガスを供給するための流路(z軸方向に伸びる流路)として機能し、カソードガス排気用連通孔55は各々の燃料電池セル10から不使用のカソードガスを排気するための流路(z軸方向に伸びる流路)として機能する。
カソードガス供給用連通孔51の周囲にはガスケット53が設けられている。ガスケット53を設けることで、隣接する燃料電池セル10間においてカソードガス供給用連通孔51がシールされる。また、カソードガス供給用連通孔51の周囲のシール領域52において、アノード側セパレータ30とカソード側セパレータ50とがシール部材40を介して接着されている。これにより、燃料電池セル10内においてカソードガス供給用連通孔51の周囲(燃料電池セル10内におけるカソードガスの流路を除く)がシールされる。
同様に、カソードガス排気用連通孔55の周囲にはガスケット57が設けられている。ガスケット57を設けることで、隣接する燃料電池セル10間においてカソードガス排気用連通孔55がシールされる。また、カソードガス排気用連通孔55の周囲のシール領域56において、アノード側セパレータ30とカソード側セパレータ50とがシール部材40を介して接着されている。これにより、燃料電池セル10内においてカソードガス排気用連通孔55の周囲(燃料電池セル10内におけるカソードガスの流路を除く)がシールされる。
複数の燃料電池セル10が積層された際、冷却媒体供給用連通孔61は、各々の燃料電池セル10に冷却媒体を供給するための流路(z軸方向に伸びる流路)として機能し、冷却媒体排出用連通孔65は各々の燃料電池セル10から冷却媒体を排出するための流路(z軸方向に伸びる流路)として機能する。なお、冷却媒体は各々の燃料電池セル10間を流れるため、図2に示すアノード側セパレータ30の表面において、冷却媒体供給用連通孔61および冷却媒体排出用連通孔65の周囲にはガスケットが設けられてない。
一方、冷却媒体供給用連通孔61の周囲のシール領域62において、アノード側セパレータ30とカソード側セパレータ50とがシール部材40を介して接着されている。これにより、燃料電池セル10内において冷却媒体供給用連通孔61の周囲がシールされる。同様に、冷却媒体排出用連通孔65の周囲のシール領域66において、アノード側セパレータ30とカソード側セパレータ50とがシール部材40を介して接着されている。これにより、燃料電池セル10内において冷却媒体排出用連通孔65の周囲がシールされる。
また、アノード側セパレータ30の表面には、各々の連通孔31、35、51、55、61、65を取り囲むように、ガスケット22が設けられている。また、ガスケット22の周囲のシール領域21において、アノード側セパレータ30とカソード側セパレータ50とがシール部材40を介して接着されている(図3参照)。
図2に示す燃料電池セル10の中央部には、アノード側セパレータ30とカソード側セパレータ50とで狭持された膜電極ガス拡散層接合体45(MEGA:Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly)が設けられている。MEGA45は、電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体と、当該膜電極接合体の両面に配置されたガス拡散層とを備えており、発電モジュールとして機能する。
アノードガス供給用連通孔31から供給されたアノードガスは、アノードガス流路38を通り、一部がMEGA45に供給され、残りのガスがアノードガス排気用連通孔35から排出される。また、カソードガス供給用連通孔51から供給されたカソードガスは、カソードガス流路(図2に示す燃料電池セル10の裏側に設けられている)を通り、一部がMEGA45に供給され、残りのガスがカソードガス排気用連通孔55から排出される。このように、MEGA45にアノードガス及びカソードガスがそれぞれ供給されることで、電力が生成される。
図3に示すように、シール領域21、32において、アノード側セパレータ30およびカソード側セパレータ50は、シール部材40を介して接着されている。シール部材40は3層構造であり、コア層41、接着層42、及び接着層43を備える。コア層41は接着層42、43よりも厚く構成されている。したがって、コア層41は接着層42、43よりも硬い。例えば、コア層41は、ポリエチレンナフタレート(PEN)等の熱可塑性樹脂を用いて構成することができる。
接着層42、43は、加熱しながら圧力を印加(熱圧着)することでセパレータと接着する材料で構成されている。つまり、接着層42、43は、加熱されることで溶融してセパレータと接着する。例えば、接着層42、43は、ポリプロピレン等の熱可塑性樹脂を用いて構成することができる。接着層42はアノード側セパレータ30と接着され、接着層43はカソード側セパレータ50と接着される。
アノード側セパレータ30の表面には、ガスケット22、33が設けられている。
なお、上述の説明では、各々の燃料電池セル10のz軸方向プラス側をアノード側とし、z軸方向マイナス側をカソード側とした場合を示したが、本実施の形態では、z軸方向プラス側をカソード側とし、z軸方向マイナス側をアノード側としてもよい。この場合は、各構成要素の「アノード」と「カソード」が逆になる。なお、以下の説明では、アノード側セパレータ30及びカソード側セパレータ50を、単にセパレータ30、50と記載する。
図1に示したように、本実施の形態かかる燃料電池1は、複数の燃料電池セル10がz軸方向に積層されて構成されている。各々の燃料電池セル10は、図3に示したように、セパレータ30、50がシール部材40を介して接着されている。
また、図1に示したように、各々の燃料電池セル10の積層方向の端部は集電板13、14と接着されている。図4は、本実施の形態にかかる燃料電池の集電板13付近の断面図であり、図2に示す燃料電池セル10の切断線A−Aと対応する位置における断面図である。図4に示すように、セパレータ30および集電板13は、シール部材40を介して接着されている。
集電板13は、各々の燃料電池セル10で発電された電力を集電し、端子(不図示)を介して外部に電力を出力する。集電板13は、例えば、アルミニウムやチタン等の金属材料を用いて構成することができる。
ここで、図3と図4とを比較すると、図3に示す燃料電池セル10では接着層43がセパレータ50に接着されているのに対して、図4では接着層43が集電板13に接着されており、これ以外の構成要素は共通している。つまり、セパレータ30を集電板13に取り付ける際は、図3に示すセパレータ50の代わりに図4に示す集電板13を設け、セパレータ30と集電板13とをシール部材40を介して接着する。このような構成とすることで、セパレータ30とシール部材40とを共通に使用することができ、部品の種類を少なくすることができる。
セパレータ30および集電板13をシール部材40を介して接着する際は、図5の分解斜視図に示すように、セパレータ30と集電板13との間にシール部材40を配置する。シール部材40の中央部には厚さ調整板48が配置されている。厚さ調整板48は金属材料で構成されており、セパレータ30および集電板13と接触するように厚さ調整板48を配置することで、セパレータ30と集電板13とを厚さ調整板48を介して電気的に接続することができる。
セパレータ30と集電板13との間にシール部材40を配置した後、図6に示すように、セパレータ30と集電板13とをそれぞれ金型70と金型80とで狭持して、セパレータ30と接着層42、及び集電板13と接着層43をそれぞれ熱圧着する。
ここで、セパレータ30の表面にはガスケット22、33が設けられているため、熱圧着する工程では、金型70がガスケット22、33と干渉しないように金型70をセパレータ30に当接させて熱圧着する必要がある。具体的には、図6に示すように、ガスケット22、33を回避するように金型70に凸部71、72を設け、凸部71、72をセパレータ30に当接させて熱圧着する。この場合、凸部71とセパレータ30とが当接する面積はS1であり、凸部72とセパレータ30とが当接する面積はS2であるので、金型70とセパレータ30とが当接する面積はS1+S2となる。一方、集電板13と金型80とが当接する面は平坦であるため、金型80と集電板13とが当接する面積はS3となる。したがって、金型70とセパレータ30とが当接する面積(S1+S2)は、金型80と集電板13とが当接する面積S3よりも小さくなる。
このように、金型70とセパレータ30とが当接する面積(S1+S2)が、金型80と集電板13とが当接する面積S3よりも小さい場合は、熱圧着時に金型70からセパレータ30(接着層42)に印加される圧力が、金型80から集電板13(接着層43)に印加される圧力よりも大きくなる。
本実施の形態にかかる燃料電池の製造方法では、この点を考慮して、セパレータ30側の接着層42の厚さt1を、集電板13側の接着層43の厚さt2よりも厚くしている。このように、セパレータ30側の接着層42の厚さt1を厚くすることで、熱圧着時に金型70からセパレータ30(接着層42)に大きな圧力が印加された場合であっても、熱圧着後におけるセパレータ30側の接着層42の厚さが薄くなることを抑制することができる。
すなわち、セパレータ30側の接着層42の厚さt1を予め厚くしておくことで、熱圧着後におけるセパレータ30側の接着層42の厚さと、集電板13側の接着層43の厚さとを同程度にすることができる。したがって、セパレータ30側と集電板13側とで外力に対する強度に差が生じることを抑制することができる。つまり、外力が印加された際にセパレータ30側と集電板13側とで外力を等しく分配することができるので、セパレータ30側と集電板13側とで、剥離に対する耐性にばらつきが生じることを抑制することができる。
例えば、金型70とセパレータ30とが当接する面積S0(=S1+S2)、金型80と集電板13とが当接する面積S3、接着層42の厚さt1、及び接着層43の厚さt2の関係を、「S0/S3=t2/t1」とすることで、熱圧着後における接着層42の厚さと接着層43の厚さとを同程度にすることができる。
また、本実施の形態では、接着層42、43に用いる材料の融点を互いに異なるようにしてもよい。すなわち、セパレータ30側の接着層42の融点Tm1を、集電板13側の接着層43の融点Tm2よりも高くなるようにしてもよい。このように接着層42の融点Tm1を接着層43の融点Tm2よりも高くした場合は、熱圧着時に接着層42が接着層43よりも溶けにくくなる。このため、熱圧着後において、接着層42の厚さが薄くなることを抑制することができる。この場合は、接着層42の厚さt1と接着層43の厚さt2を等しく(t1=t2)してもよく、また、接着層42の厚さt1と接着層43の厚さt2を異なるようにしてもよい。
例えば、金型70とセパレータ30とが当接する面積S0(=S1+S2)、金型80と集電板13とが当接する面積S3、接着層42の融点Tm1、及び接着層43の融点Tm2の関係を、「S0/S3=Tm2/Tm1」とすることで、熱圧着後における接着層42の厚さと接着層43の厚さとを同程度にすることができる。
また、本実施の形態では、接着層42、43に用いる材料の弾性率を互いに異なるようにしてもよい。すなわち、セパレータ30側の接着層42の弾性率M1を、集電板13側の接着層43の弾性率M2よりも高くなるようにしてもよい。このように接着層42の弾性率M1を接着層43の弾性率M2よりも高くすることで、熱圧着時における接着層42の変形量を接着層43の変形量よりも少なくすることができる。したがって、熱圧着後において、接着層42の厚さが薄くなることを抑制することができる。この場合は、接着層42の厚さt1と接着層43の厚さt2を等しく(t1=t2)してもよく、また、接着層42の厚さt1と接着層43の厚さt2を異なるようにしてもよい。
例えば、金型70とセパレータ30とが当接する面積S0(=S1+S2)、金型80と集電板13とが当接する面積S3、接着層42の弾性率M1、及び接着層43の弾性率M2の関係を、「S0/S3=M2/M1」とすることで、熱圧着後における接着層42の厚さと接着層43の厚さとを同程度にすることができる。
このように、本実施の形態にかかる燃料電池の製造方法では、セパレータ30側の接着層42が、集電板13側の接着層43よりも厚さ、融点、及び弾性率の少なくとも一つにおいて大きくなるようにしている。したがって、熱圧着時に金型70からセパレータ30(接着層42)に大きな圧力が印加された場合であっても、熱圧着後におけるセパレータ30側の接着層42の厚さが薄くなることを抑制することができる。よって、セパレータと集電板とをシール部材を介して熱圧着した際に、セパレータ側と集電板側とで外力に対する強度に差が生じることを抑制することができる。
以上、本発明を上記実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。
1 燃料電池
10 燃料電池セル
11、16 エンドプレート
12、15 絶縁板
13、14 集電板
21 シール領域
22 ガスケット
30 アノード側セパレータ
31 アノードガス供給用連通孔
32、36 シール領域
33、37 ガスケット
35 アノードガス排気用連通孔
38 アノードガス流路
40 シール部材
41 コア層
42、43 接着層
45 MEGA
48 厚さ調整板
50 カソード側セパレータ
51 カソードガス供給用連通孔
52、56 シール領域
53、57 ガスケット
55 カソードガス排気用連通孔
58 カソードガス流路
61 冷却媒体供給用連通孔
62、66 シール領域
65 冷却媒体排出用連通孔
70 金型
71、72 凸部
80 金型

Claims (1)

  1. コア層と、当該コア層の一方の面側に配置された第1の接着層と、前記コア層の他方の面側に配置された第2の接着層と、を備えるシール部材を、セパレータと集電板との間に配置する工程と、
    前記セパレータと前記集電板とをそれぞれ第1の金型と第2の金型とで狭持して、前記セパレータと前記第1の接着層、及び前記集電板と前記第2の接着層をそれぞれ熱圧着する工程と、を備え、
    前記セパレータの表面にはガスケットが形成されており、
    前記熱圧着する工程において前記第1の金型は、前記ガスケットと干渉しないように前記セパレータと当接し、且つ、前記第1の金型が前記セパレータと接触する面積は、前記第2の金型が前記集電板と接触する面積よりも小さく、
    前記第1の接着層は、前記第2の接着層よりも厚さ、融点、及び弾性率の少なくとも一つが大きい、
    燃料電池の製造方法。
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