JP2020095929A - 燃料電池用弾性体セルフレームおよびその製造方法とそれを用いた単位セル - Google Patents

Abstract

【課題】一対のシート状弾性体フレームを用いて別途の接着部材なしに膜電極接合体および気体拡散層と一体に接合される燃料電池用弾性体セルフレームおよびその製造方法とそれを用いた単位セルを提供する。【解決手段】本発明の一実施形態に係る燃料電池用弾性体セルフレームは、燃料電池の単位セルを構成するセルフレームであって、膜電極接合体と、その両面に配置される一対の気体拡散層とが接合されたインサート；および前記インサートの外郭領域で前記インサートの枠の下面と上面にそれぞれ配置される一対のシート状弾性体フレームが互いに熱融着されて一体に形成される弾性体フレーム；を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池用弾性体セルフレームおよびその製造方法とそれを用いた単位セルに係り、さらに詳細には、一対のシート状弾性体フレームを用いて別途の接着部材なしに膜電極接合体および気体拡散層と一体に接合される燃料電池用弾性体セルフレームおよびその製造方法とそれを用いた単位セルに関する。

燃料電池は、燃料が持っている化学エネルギーをスタック内で電気化学的に反応させて電気エネルギーに変換する一種の発電装置であって、産業用、家庭用および車両の駆動電力を供給するだけでなく、携帯用装置などの小型電子製品の電力供給に使用でき、最近、その使用領域が高効率のクリーンエネルギー源として益々拡大している。

一般的な燃料電池の単位セルは、最も内側に膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が位置するが、この膜電極接合体は、水素イオン（Ｐｒｏｔｏｎ）を移動させることができる高分子電解質膜と、この高分子電解質膜の両面に水素と酸素とが反応できるように塗布された触媒層、すなわち空気極（Ｃａｔｈｏｄｅ）および燃料極（Ａｎｏｄｅ）で構成されている。

また、前記膜電極接合体の一面と他面、すなわち、空気極および燃料極が位置した外側部分には、反応ガスを供給し、反応により発生した生成水を排出する一対の分離板が配置される。この時、膜電極接合体と分離板との間には、反応ガスおよび生成水の流動を拡散させるかスムーズにする気体拡散層（ＧＤＬ：Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）が介在できる。

一方、従来は、単位セルの気密維持および積層工程における便宜のために膜電極接合体とガスケットとを一体化させた膜−電極−ガスケット接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ｇａｓｋｅｔ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＧＡ）を製作して使用したりもした。

また、最近では、膜電極接合体に気体拡散層を接合したインサートとガスケットとを一体化させた一体型フレームが提案されている。

ところが、従来の一体型フレームは、プラスチック材質のフレームとインサートとを接着剤を用いて接合させた。また、従来の一体型フレームを用いて単位セルを製作する場合、分離板と一体型フレームとの接合のために、別途の接着部材およびシール部材が必要であった。このような工程は、材料費および生産コストを上昇させる原因となった。

特開２０１７−２１２１２６号公報（２０１７年１１月３０日） 韓国公開特許第１０−２０１８−００１１７１６号（２０１８年２月２日）

本発明は、一対のシート状弾性体フレームを用いて別途の接着部材なしに膜電極接合体および気体拡散層と一体に接合される燃料電池用弾性体セルフレームおよびその製造方法とそれを用いた単位セルを提供する。

本発明の一実施形態に係る燃料電池用弾性体セルフレームは、燃料電池の単位セルを構成するセルフレームであって、膜電極接合体と、その両面に配置される一対の気体拡散層とが接合されたインサート；および前記インサートの外郭領域で前記インサートの枠の下面と上面にそれぞれ配置される一対のシート状弾性体フレームが互いに熱融着されて一体に形成される弾性体フレーム；を含む。

前記弾性体フレームは、前記インサートの枠の下面および側面を取り囲むように配置される第１弾性体フレームと；前記インサートの枠の上面および側面を取り囲むように配置され、前記インサートの外郭領域で前記第１弾性体フレームの上面と対面する第２弾性体フレームとからなることを特徴とする。

前記第１弾性体フレームには、前記インサートが配置される第１反応面貫通孔が形成され、前記第１反応面貫通孔の内周面には、前記インサートの下面および側面を包み込む第１段差部が形成され、前記第２弾性体フレームには、前記インサートが配置される第２反応面貫通孔が形成され、前記第２反応面貫通孔の内周面には、前記インサートの上面および側面を包み込む第２段差部が形成されることを特徴とする。

前記インサート、前記第１弾性体フレームおよび前記第２弾性体フレームの間には、前記インサートの外郭領域で前記第１弾性体フレームの上面と前記第２弾性体フレームの下面とが対面して熱融着される第１融着部と、前記第１弾性体フレームの第１段差部と前記インサートの下面とが対面して熱融着される第２融着部と、前記第２弾性体フレームの第２段差部と前記インサートの上面とが対面して熱溶着される第３融着部と、前記第１段差部および第２段差部と前記インサートの側面とが対面して熱融着される第４融着部とが形成されることを特徴とする。

前記第１弾性体フレームの一側には、反応ガスおよび冷却水が流入する複数の第１流入マニホールド貫通孔が形成され、前記第１弾性体フレームの他側には、反応ガスおよび冷却水が排出される複数の第１排出マニホールド貫通孔が形成され、前記第２弾性体フレームの一側には、前記第１流入マニホールド貫通孔と連通する複数の第２流入マニホールド貫通孔が形成され、前記第２弾性体フレームの他側には、前記第１排出マニホールド貫通孔と連通する複数の第２排出マニホールド貫通孔が形成されることを特徴とする。

前記第１弾性体フレームの下面および前記第２弾性体フレームの上面のうちの少なくとも一面には、インサートの外郭領域に沿って前記インサートを取り囲む少なくとも一つの突起シールが形成されることを特徴とする。

前記弾性体フレームは、前記インサートの枠の下面および側面を取り囲むように配置され、前記インサートが配置される第３反応面貫通孔が形成され、前記第３反応面貫通孔の内周面には前記インサートの下面および側面を包み込む第３段差部が形成される第３弾性体フレームと；前記インサートの枠の上面を取り囲むように配置され、前記インサートの枠において前記第３弾性体フレームの第３段差部の内周面と対面する第４弾性体フレームと；からなることを特徴とする。

前記インサート、前記第３弾性体フレームおよび前記第４弾性体フレームの間には、前記第３弾性体フレームの第３段差部と前記インサートの下面とが対面して熱融着される第５融着部；前記第４弾性体フレームと前記インサートの上面とが対面して熱融着される第６融着部；前記第３弾性体フレームの第３段差部と前記インサートの側面とが対面して熱融着される第７融着部；および前記第３弾性体フレームの第３段差部と前記第４弾性体フレームの側面とが対面して熱融着される第８融着部；が形成されることを特徴とする。

前記第３弾性体フレームの一側には、反応ガスおよび冷却水が流入する複数の第３流入マニホールド貫通孔が形成され、前記第３弾性体フレームの他側には、反応ガスおよび冷却水が排出される複数の第３排出マニホールド貫通孔が形成され、前記第４弾性体フレームは、前記インサートとは外周面の大きさが同一であることを特徴とする。

前記第３弾性体フレームの下面および上面のうちの少なくとも一面には、前記インサートの外郭領域に沿って前記インサートを取り囲む少なくとも一つの突起シールが形成されることを特徴とする。

前記弾性体フレームを形成する一対のシート状弾性体フレームは、互いに対面する領域が曲面状に形成されることを特徴とする。

前記弾性体フレームを形成する一対のシート状弾性体フレームは、互いに対面する領域が互いに対応する凹凸構造で形成されることを特徴とする。

前記弾性体フレームを形成する一対のシート状弾性体フレームは、熱可塑性弾性体（ＴＰＥ, Thermo Plastic Elastomer ）で形成されることを特徴とする。

一方、本発明の一実施形態に係る燃料電池用弾性体セルフレームの製造方法は、燃料電池スタックの単位セルを構成するセルフレームを製造する方法であって、膜電極接合体の両面にそれぞれ気体拡散層を接合してインサートを準備するインサート準備段階と、一対のシート状弾性体フレームを準備する弾性体フレーム準備段階と、前記インサートを挟んで前記一対の弾性体フレームを配置する配置段階と、前記一対の弾性体フレームに熱を加えながら圧着して、相互間を熱融着させて一体に形成する接合段階とを含む。

前記弾性体フレーム準備段階で、前記弾性体フレームは、熱可塑性弾性体（ＴＰＥ）をシート状に成形して準備することを特徴とする。

前記接合段階は、前記一対の弾性体フレームの間に前記インサートが介在した状態で、前記インサートの外郭領域に該当する領域の一部または全部に熱を加えながら圧着して一対の弾性体フレームを接合させることを特徴とする。

前記接合段階で一対の弾性体フレームに加えられる熱は、前記弾性体フレームの溶融温度よりも高い温度であることを特徴とする。

前記接合段階では、別途の接着部材なしに一対の弾性体フレームが互いに熱融着されて接合されることを特徴とする。

一方、本発明の一実施形態に係る燃料電池用単位セルは、膜電極接合体と、その両面に配置される一対の気体拡散層とが接合されたインサート；前記インサートの外郭領域で前記インサートの枠の下面と上面にそれぞれ配置される一対のシート状弾性体フレームが互いに熱融着されて一体に形成される弾性体フレームを含む弾性体セルフレーム；および前記弾性体セルフレームの両面に配置されて反応ガスおよび冷却水の流動を誘導する一対の分離板；を含む。

本発明の実施形態によれば、次の効果がある。

第一に、インサートとの界面接合のために別途の接着部材が不要であり、これにより材料費を低減するとともに接着剤塗布工程などを取り除いて製造コストを削減することができる。

第二に、別途のシール部材なしに反応領域の気密を確保することができ、シール部材が不要となることにより材料費を低減するとともにシール部材成形工程などを取り除いて製造コストを削減することができる。

第三に、反応領域で生成された水分が電解質膜を介してセルの外部へ拡散されることを根本的に遮断することができるので、セル間の電気的ショートを防止することができ、水分の漏れによる燃料電池スタックの腐食を防止することができる。

第四に、反応領域以外の領域に使用された電解質膜を使用しなくてもよいので、材料費の面でコストを削減することができる。

第五に、従来のプラスチックフレームに比べてセルピッチの低減に有利であり、体積の低減によるスタック小型化を図ることができる。

第六に、従来のプラスチックフレームに接着部材およびシール部材を使用することと比較して重量低減の効果を期待することができる。

第七に、燃料電池のスタック積層時に一体化工程の縮小により生産ラインの単純化よびスタック生産性（セル積層性）を向上させることができる。

第八に、単位セルの構成部品を金型内に装着した後に熱融着して一体化することにより、インサートとの接合精度を向上させることができるため、不良率の低減および大量生産を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池用弾性体セルフレームを示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池用弾性体セルフレームを示す要部断面図である。 本発明の他の実施形態に係る燃料電池用弾性体セルフレームを示す分解斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る燃料電池用弾性体セルフレームを示す要部断面図である。 本発明の変形例に係る燃料電池用弾性体セルフレームを示す要部断面図である。 本発明の変形例に係る燃料電池用弾性体セルフレームを示す要部断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態をより詳細に説明する。しかし、本発明は、以下で開示される実施形態に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で実現される。単に、本実施形態は、本発明の開示を完全たるものにし、当該分野における通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。図面上での同一符号は同一の要素を指し示す。

図１は本発明の一実施形態に係る燃料電池用弾性体セルフレームを示す分解斜視図、図２は本発明の一実施形態に係る燃料電池用弾性体セルフレームを示す要部断面図である。このとき、図２は図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

図示の如く、本発明の一実施形態に係る燃料電池用弾性体セルフレームは、一対の分離板と共に燃料電池の単位セルを構成する要素であって、膜電極接合体１１０と、その両面に配置される一対の気体拡散層１２０とが接合されたインサート１００；および熱融着によって前記インサート１００の外郭領域に一体に形成される弾性体フレーム２１０、２２０；を含む。

インサート１００は、膜電極接合体１１０と一対の気体拡散層１２０とを積層させた接合体であって、好ましくは、膜電極接合体１１０の一面および他面に気体拡散層１２０がそれぞれ配置されて積層される。

膜電極接合体１１０は、 水素イオン（Ｐｒｏｔｏｎ）を移動させることができる高分子電解質膜と、この高分子電解質膜の両面に水素と酸素とが反応できるように塗布された触媒層、すなわち空気極（Ｃａｔｈｏｄｅ）および燃料極（Ａｎｏｄｅ）で構成される一般的な膜電極接合体として実現される。

気体拡散層１２０は、分離板（図示せず）を介して流動する反応ガスを膜電極接合体１１０に拡散させながら通過させる手段であって、基材単独からなるか、或いは、基材と該基材の一面に形成される微細気孔層（ＭＰＬ,Microporous Layer）とからなる。このとき、基材および微細気孔層の素材は、一般的な気体拡散層に適用される素材である。

弾性体フレーム２１０、２２０は、インサート１００の気密維持および積層工程における便宜のためにインサート１００の外郭領域に一体に形成される手段であって、弾性体フレーム２１０、２２０は、所定の形状を維持しながら、別途の接着部材なしに熱融着によって接着するために熱可塑性弾性体（ＴＰＥ；Ｔｈｅｒｍｏ Ｐｌａｓｔｉｃ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒ）で形成される。

付け加えると、弾性体フレーム２１０、２２０は、インサート１００の外郭領域でインサート１００の枠の下面と上面にそれぞれ配置される一対のシート状弾性体フレーム２１０、２２０が互いに熱融着されて一体に形成される。ここで、インサート１００の「外郭領域」とは、インサートの縁領域とその周辺の空間を含む領域を意味し、インサート１００の「枠」とは、インサート１００の縁領域を意味する。

例えば、図１および図２に示すように、弾性体フレーム２１０、２２０は、インサート１００の枠の下面および側面を取り囲むように配置される第１弾性体フレーム２１０と；インサート１００の枠の上面および側面を取り囲むように配置される第２弾性体フレーム２２０と；からなる。このとき、インサート１００の外郭領域で第１弾性体フレーム２１０の上面と第２弾性体フレーム２２０の下面とが互いに対面する。

特に、第１弾性体フレーム２１０と第２弾性体フレーム２２０には、インサート１００との気密な接着のためにインサート１００との界面を拡張させることができる。

例えば、第１弾性体フレーム２１０には、インサート１００が配置される第１反応面貫通孔２１３が形成され、第１反応面貫通孔２１３の内周面には、インサート１００の下面および側面を包み込む第１段差部２１４が形成され、第２弾性体フレーム２２０には、インサート１００が配置される第２反応面貫通孔２２３が形成され、第２反応面貫通孔２２３の内周面には、インサート１００の上面および側面を包み込む第２段差部２２４が形成される。そのため、第１弾性体フレーム２１０と第２弾性体フレーム２２０は、インサート１００が配置される面を基準に互いに対称となる構造を持つ。

これにより、インサート１００、第１弾性体フレーム２１０および第２弾性体フレーム２２０の間にはそれぞれの界面に熱融着による融着部が形成され、互いに強固な接合および一体化がなされる。

具体的には、図２に示すように、インサート１００の外郭領域で第１弾性体フレーム２１０の上面と第２弾性体フレーム２２０の下面とが対面して熱融着される第１融着部Ｈ１と；第１弾性体フレーム２１０の第１段差部２１４とインサート１００の下面とが対面して熱融着される第２融着部Ｈ２と、第２弾性体フレーム２２０の第２段差部２２４とインサート１００の上面とが対面して熱融着される第３融着部Ｈ３と、第１段差部２１４および第２段差部２２４とインサート１００の側面とが対面して熱融着される第４融着部Ｈ４とが形成される。

一方、弾性体フレーム２１０、２２０には、インサート１００によって形成される反応面に対して反応ガスおよび冷却水を流入または排出させるマニホールドを形成するための流入マニホールド貫通孔と排出マニホールド貫通孔が形成される。

例えば、第１弾性体フレーム２１０の一側には、反応ガスおよび冷却水が流入する複数の第１流入マニホールド貫通孔２１１が形成され、第１弾性体フレーム２１０の他側には、反応ガスおよび冷却水が排出される複数の第１排出マニホールド貫通孔２１２が形成される。そして、第２弾性体フレーム２２０の一側には、複数の第２流入マニホールド貫通孔２２１が形成され、第２弾性体フレーム２２０の他側には、複数の第２排出マニホールド貫通孔２２２が形成される。

そのため、第１弾性体フレーム２１０に形成された複数の第１流入マニホールド貫通孔２１１と、第２弾性体フレーム２２０に形成された複数の第２流入マニホールド貫通孔２２１とは、互いに対応する位置に配置されて互いに連通する。そして、第１弾性体フレーム２１０に形成された複数の第１排出マニホールド貫通孔２１２と、第２弾性体フレーム２２０に形成された複数の第２排出マニホールド貫通孔２２２も、互いに対応する位置に配置されて互いに連通する。

一方、弾性体フレーム２１０、２２０には、分離板との気密および接着のための手段が形成できる。

例えば、第１弾性体フレーム２１０の下面には、インサート１００の外郭領域に沿ってインサートを取り囲む少なくとも一つの第１突起シール２１５が形成できる。そして、第２弾性体フレーム２２０の上面には、インサート１００の外郭領域に沿ってインサート１００を取り囲む少なくとも一つの第２突起シール２２５が形成できる。

一方、本発明に係る弾性体フレームは、その形状を変更して実現できる。

図３は本発明の他の実施形態に係る燃料電池用弾性体セルフレームを示す分解斜視図、図４は本発明の他の実施形態に係る燃料電池用弾性体セルフレームを示す要部断面図である。

本発明の他の実施形態に係る燃料電池用弾性体セルフレームは、前述した実施形態と同様に、インサート１００と弾性体フレーム３１０、３２０を含む。このとき、インサート１００は、前述した実施形態のインサート１００と同様である。

ただし、弾性体フレーム３１０、３２０は、インサート１００の枠の下面および側面を取り囲むように配置される第３弾性体フレーム３１０と；インサート１００の枠の上面を取り囲むように配置される第４弾性体フレーム３２０と；からなる。このとき、インサート１００の枠において第３弾性体フレーム３１０の側面と第４弾性体フレーム３２０の側面とが互いに対面する。

例えば、図４に示すように、第３弾性体フレーム３１０には、インサート１００が配置される第３反応面貫通孔３１３が形成され、第３反応面貫通孔３１３の内周面には、インサート１００の下面および側面を包み込む第３段差部３１４が形成される。この時、第３段差部３１４によって形成されるインサート１００が装着される領域の深さは、インサートの厚さと第４弾性体フレーム３２０の厚さとの和と同一に形成されることが好ましい。

そして、第４弾性体フレーム３２０は、インサート１００が配置される第４反応面貫通孔３２３が形成され、インサート１００とは外周面の大きさが同一に形成されて、インサート１００とともに第３弾性体フレーム３１０の第３段差部３１４に装着された状態で第３弾性体フレーム３１０の上面と第４弾性体フレーム３２０の上面が面一となるように形成されることが好ましい。このとき、インサート１００の枠において第３弾性体フレーム３１０の第３段差部３１４の内周面と第４弾性体フレーム３２０の外周面とが対面する。

これにより、インサート１００、第３弾性体フレーム３１０および第４弾性体フレーム３２０の間にはそれぞれの界面に熱融着による融着部が形成され、互いに強固な接合と一体化がなされる。

具体的には、図４に示すように、第３弾性体フレーム３１０の第３段差部３１４とインサート１００の下面とが対面して熱融着される第５融着部Ｈ５；第４弾性体フレーム３２０とインサート１００の上面とが対面して熱融着される第６融着部Ｈ６；第３弾性体フレーム３１０の第３段差部３１４とインサート１００の側面とが対面して熱融着される第７融着部Ｈ７；および第３弾性体フレーム３１０の第３段差部３１４と第４弾性体フレーム３２０の側面とが対面して熱融着される第８融着部Ｈ８が形成される。

一方、第３弾性体フレーム３１０と第４弾性体フレーム３２０からなる弾性体フレーム３１０、３２０にも、インサート１００によって形成される反応面に対して反応ガスおよび冷却水を流入または排出させるマニホールドを形成するための流入マニホールド貫通孔と排出マニホールド貫通孔が形成される。

例えば、第３弾性体フレーム３１０の一側には、反応ガスおよび冷却水が流入する複数の第３流入マニホールド貫通孔３１１が形成され、第３弾性体フレーム３１０の他側には、反応ガスおよび冷却水が排出される複数の第３排出マニホールド貫通孔３１２が形成される。

また、第３弾性体フレーム３１０と第４弾性体フレーム３２０からなる弾性体フレームにも、分離板との気密および接着のための手段が形成できる。

例えば、第３弾性体フレーム３１０の下面および上面のうちの少なくとも一面には、インサート１００の外郭領域に沿ってインサート１００を取り囲む少なくとも一つの第３突起シール３１５が形成できる。

一方、第３弾性体フレーム３１０と第４弾性体フレーム３２０との強固な密着のために、第４弾性体フレーム３２０は、第３弾性体フレーム３１０よりも弾性が小さい素材で形成することが好ましい。

図５および図６は本発明の変形例に係る燃料電池用弾性体セルフレームを示す要部断面図であって、弾性体フレームを形成する一対のシート状弾性体フレームの界面形状を変更して相互間の接着力を向上させることができる。

図５に示すように、一対のシート状弾性体フレームは、互いに対面する領域を曲面状に形成してシート状弾性体フレーム４１０、４２０の界面の面積を拡張することができる。

例えば、弾性体フレーム４１０、４２０は、インサート１００の枠の下面および側面を取り囲むように配置される第５弾性体フレーム４１０と；インサート１００の枠の上面および側面を取り囲むように配置される第６弾性体フレーム４２０と；からなる。このとき、インサート１００の外郭領域で第５弾性体フレーム４１０の上面と第６弾性体フレーム４２０の下面とが互いに対面する。

ただし、第５弾性体フレーム４１０の上面は、平面ではなく、曲面４１６に形成され、第６弾性体フレーム４２０の下面は、第５弾性体フレーム４１０の上面と対応する曲面４２６に形成して第５弾性体フレーム４１０の上面と第６弾性体フレーム４２０の下面との界面が曲面状に対面するようにする。

また、図６に示すように、一対のシート状弾性体フレーム５１０、５２０は、互いに対面する領域を互いに対応する凹凸構造で形成してシート状弾性体フレーム５１０、５２０の界面の面積を拡張することができている。

例えば、弾性体フレーム５１０、５２０は、インサートの枠の下面および側面を取り囲むように配置される第７弾性体フレーム５１０と；インサート１００の枠の上面および側面を取り囲むように配置される第８弾性体フレーム５２０と；からなる。このとき、インサート１００の外郭領域で第７弾性体フレーム５１０の上面と第８弾性体フレーム５２０の下面とが互いに対面する。

ただし、第７弾性体フレーム５１０の上面は、平面ではなく、凹凸構造、すなわち、突出部５１７および凹溝５１８が形成され、第８弾性体フレーム５２０の下面は、第７弾性体フレーム５１０の上面に形成された凹溝５１８および突出部５１７に対応する凹溝５２８および突出部５２７を形成して、第７弾性体フレーム５１０の上面と第８弾性体フレーム５２０の下面との界面が凹凸構造の形で対面するようにする。

一方、上述したように構成される燃料電池用弾性体セルフレームを製造する方法について説明する。

本発明の一実施形態に係る燃料電池用弾性体セルフレームの製造方法は、膜電極接合体１１０の両面にそれぞれ気体拡散層１２０を接合してインサート１００を準備するインサート準備段階と、一対のシート状弾性体フレーム２１０、２２０を準備する弾性体フレーム準備段階と、前記インサート１００を挟んで前記一対の弾性体フレーム２１０、２２０を配置する配置段階と、前記一対の弾性体フレーム２１０、２２０に熱を加えながら圧着して相互間を熱融着させて一体に形成する接合段階とを含む。

インサート準備段階は、膜電極接合体１１０と気体拡散層１２０とを接合してインサート１００を準備する段階である。

この時、膜電極接合体１１０は、高分子電解質膜と、この高分子電解質膜の両面に空気極（Ｃａｔｈｏｄｅ）および燃料極（Ａｎｏｄｅ）が形成される一般的な膜電極接合体を準備する。

また、気体拡散層１２０も、基材単独からなるか、或いは、基材と該基材の一面に形成される微細気孔層（ＭＰＬ）とからなる一般的な気体拡散層を準備する。

また、膜電極接合体１１０の両面に気体拡散層１２０を積層してインサート１００を準備する。

弾性体フレーム準備段階は、インサート１００の上面と下面に配置されるシート状の弾性体フレーム２１０、２２０を準備する段階である。

このとき、弾性体フレーム２１０、２２０は、熱可塑性弾性体（ＴＰＥ；Ｔｈｅｒｍｏ Ｐｌａｓｔｉｃ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒ）をシート状に成形して準備する。このとき、好ましくは、熱可塑性弾性体を射出成形によってシート状に成形して弾性体フレームを準備する。

配置段階は、インサート１００の枠が一対の弾性体フレーム２１０、２２０と重畳するように配置する。好ましくは、インサート１００の枠の下面が第１弾性体フレーム２１０の段差部２１４に装着されながら、インサート１００の枠の側面が第１弾性体フレーム２１０の第１反応面貫通孔２１３の内周面に対面するようにする。また、インサート１００の枠の上面が第２弾性体フレーム２２０の段差部２２４に装着されながら、インサート１００の枠の側面が第２弾性体フレーム２２０の第２反応面貫通孔２２３の内周面に対面するようにする。

接合段階は、一対の弾性体フレーム２１０、２２０とインサート１００を弾性体フレーム２１０、２２０の熱融着によって互いに接合させる段階である。

このため、ホットプレス金型内に一対の弾性体フレーム２１０、２２０とインサート１００を装着させる。このとき、インサート１００は、一対の弾性体フレーム２１０、２２０の間に介在するように配置する。

そして、ホットプレス金型を作動させてインサート１００の外郭領域に該当する領域の一部または全部に熱を加えながら圧着させることにより、一対の弾性体フレーム２１０、２２０が接合されるとともに一対の弾性体フレーム２１０、２２０とインサート１００で互いに接合される。

そのため、一対の弾性体フレーム２１０、２２０とインサート１００は、別途の接着部材がなくても、その界面で弾性体フレーム２１０、２２０が熱融着されて接合される。

この時、一対の弾性体フレーム２１０、２２０とインサート１００との強固な接合のために一対の弾性体フレーム２１０、２２０に加わる熱は、前記弾性体フレーム２１０、２２０の溶融温度よりも高い温度であることが好ましい。

一方、上述したように構成される燃料電池用弾性体セルフレームは、分離板と共に燃料電池用単位セルを構成する。

付け加えると、燃料電池用単位セルは、膜電極接合体と、その両面に配置される一対の気体拡散層とが接合されたインサート；前記インサートの外郭領域で前記インサートの枠の下面と上面にそれぞれ配置される一対のシート状弾性体フレームが互いに熱融着されて一体に形成される弾性体フレームを含む弾性体セルフレーム；および前記セルフレームの両面に配置されて反応ガスおよび冷却水の流動を誘導する一対の分離板とを含む。

本発明を添付図面と前述した好適な実施形態を参照して説明したが、本発明は、それに限定されず、後述される特許請求の範囲によって限定される。よって、本技術分野における通常の知識を有する者であれば、後述される特許請求の範囲の技術的思想から逸脱することなく、本発明を多様に変更および修正することができる。

１００ インサート
１１０ 膜電極接合体（ＭＥＡ）
１２０ 気体拡散層（ＧＤＬ）
２１０、２２０、３１０、３２０、４１０、４２０、５１０、５２０ 弾性体フレーム
２１１、２２１、３１１ 流入マニホールド貫通孔
２１２、２２２、３１２ 排出マニホールド貫通孔
２１３、２２３、３１３、３２３ 反応面貫通孔
２１４、２２４、３１４ 段差部
２１５、２２５、３１５ 突起シール
４１６、４２６ 曲面
５１７、５２７ 突出部
５１８、５２８ 凹溝
Ｈ１〜Ｈ８ 融着部

Claims (19)

1. 燃料電池の単位セルを構成するセルフレームであって、
   膜電極接合体と、その両面に配置される一対の気体拡散層とが接合されたインサート；および
   前記インサートの外郭領域で前記インサートの枠の下面と上面にそれぞれ配置される一対のシート状弾性体フレームが互いに熱融着されて一体に形成される弾性体フレーム；を含む、燃料電池用弾性体セルフレーム。
2. 前記弾性体フレームは、
   前記インサートの枠の下面および側面を取り囲むように配置される第１弾性体フレームと、
   前記インサートの枠の上面および側面を取り囲むように配置され、前記インサートの外郭領域で前記第１弾性体フレームの上面と対面する第２弾性体フレームとからなる、請求項１に記載の燃料電池用弾性体セルフレーム。
3. 前記第１弾性体フレームには、前記インサートが配置される第１反応面貫通孔が形成され、前記第１反応面貫通孔の内周面には、前記インサートの下面および側面を包み込む第１段差部が形成され、
   前記第２弾性体フレームには、前記インサートが配置される第２反応面貫通孔が形成され、前記第２反応面貫通孔の内周面には、前記インサートの上面および側面を包み込む第２段差部が形成されることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池用弾性体セルフレーム。
4. 前記インサート、前記第１弾性体フレームおよび前記第２弾性体フレームの間には、
   前記インサートの外郭領域で前記第１弾性体フレームの上面と第２弾性体フレームの下面とが対面して熱融着される第１融着部；
   前記第１弾性体フレームの第１段差部と前記インサートの下面とが対面して熱融着される第２融着部；
   前記第２弾性体フレームの第２段差部と前記インサートの上面とが対面して熱溶着される第３融着部；および
   前記第１段差部および第２段差部と前記インサートの側面とが対面して熱融着される第４融着部；が形成されることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池用弾性体セルフレーム。
5. 前記第１弾性体フレームの一側には、反応ガスおよび冷却水が流入する複数の第１流入マニホールド貫通孔が形成され、前記第１弾性体フレームの他側には、反応ガスおよび冷却水が排出される複数の第１排出マニホールド貫通孔が形成され、
   前記第２弾性体フレームの一側には、前記第１流入マニホールド貫通孔と連通する複数の第２流入マニホールド貫通孔が形成され、前記第２弾性体フレームの他側には、前記第１排出マニホールド貫通孔と連通する複数の第２排出マニホールド貫通孔が形成されることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池用弾性体セルフレーム。
6. 前記第１弾性体フレームの下面および前記第２弾性体フレームの上面のうちの少なくとも一面には、インサートの外郭領域に沿って前記インサートを取り囲む少なくとも一つの突起シールが形成されることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池用弾性体セルフレーム。
7. 前記弾性体フレームは、
   前記インサートの枠の下面および側面を取り囲むように配置され、前記インサートが配置される第３反応面貫通孔が形成され、前記第３反応面貫通孔の内周面には前記インサートの下面および側面を包み込む第３段差部が形成される第３弾性体フレームと、
   前記インサートの枠の上面を取り囲むように配置され、前記インサートの枠において前記第３弾性体フレームの第３段差部の内周面と対面する第４弾性体フレームとからなることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用弾性体セルフレーム。
8. 前記インサート、前記第３弾性体フレームおよび前記第４弾性体フレームの間には、
   前記第３弾性体フレームの第３段差部と前記インサートの下面とが対面して熱融着される第５融着部；
   前記第４弾性体フレームと前記インサートの上面とが対面して熱融着される第６融着部；
   前記第３弾性体フレームの第３段差部と前記インサートの側面とが対面して熱融着される第７融着部；および
   前記第３弾性体フレームの第３段差部と前記第４弾性体フレームの側面とが対面して熱融着される第８融着部；が形成されることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池用弾性体セルフレーム。
9. 前記第３弾性体フレームの一側には、反応ガスおよび冷却水が流入する複数の第３流入マニホールド貫通孔が形成され、前記第３弾性体フレームの他側には、反応ガスおよび冷却水が排出される複数の第３排出マニホールド貫通孔が形成され、
   前記第４弾性体フレームは、前記インサートとは外周面の大きさが同一であることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池用弾性体セルフレーム。
10. 前記第３弾性体フレームの下面および上面のうちの少なくとも一面には、前記インサートの外郭領域に沿って前記インサートを取り囲む少なくとも一つの突起シールが形成されることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池用弾性体セルフレーム。
11. 前記弾性体フレームを形成する一対のシート状弾性体フレームは、互いに対面する領域が曲面状に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用弾性体セルフレーム。
12. 前記弾性体フレームを形成する一対のシート状弾性体フレームは、互いに対面する領域が互いに対応する凹凸構造で形成されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用弾性体セルフレーム。
13. 前記弾性体フレームを形成する一対のシート状弾性体フレームは、熱可塑性弾性体（ＴＰＥ）で形成されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用弾性体セルフレーム。
14. 燃料電池スタックの単位セルを構成するセルフレームを製造する方法であって、
    膜電極接合体の両面にそれぞれ気体拡散層を接合してインサートを準備するインサート準備段階と、
    一対のシート状弾性体フレームを準備する弾性体フレーム準備段階と、
    前記インサートを挟んで前記一対の弾性体フレームを配置する配置段階と、
    前記一対の弾性体フレームに熱を加えながら圧着して、相互間を熱融着させて一体に形成する接合段階とを含む、燃料電池用弾性体セルフレームの製造方法。
15. 前記弾性体フレーム準備段階で、前記弾性体フレームは、熱可塑性弾性体（ＴＰＥ）をシート状に成形して準備することを特徴とする、請求項１４に記載の燃料電池用弾性体セルフレームの製造方法。
16. 前記接合段階は、前記一対の弾性体フレームの間に前記インサートが介在した状態で、前記インサートの外郭領域に該当する領域の一部または全部に熱を加えながら圧着して一対の弾性体フレームを接合させることを特徴とする、請求項１４に記載の燃料電池用弾性体セルフレームの製造方法。
17. 前記接合段階で一対の弾性体フレームに加えられる熱は、前記弾性体フレームの溶融温度よりも高い温度であることを特徴とする、請求項１４に記載の燃料電池用弾性体セルフレームの製造方法。
18. 前記接合段階では、別途の接着部材なしに一対の弾性体フレームが互いに熱融着されて接合されることを特徴とする、請求項１４に記載の燃料電池用弾性体セルフレームの製造方法。
19. 膜電極接合体と、その両面に配置される一対の気体拡散層とが接合されたインサート；
    前記インサートの外郭領域で前記インサートの枠の下面と上面にそれぞれ配置される一対のシート状弾性体フレームが互いに熱融着されて一体に形成される弾性体フレームを含む弾性体セルフレーム；および
    前記弾性体セルフレームの両面に配置されて反応ガスおよび冷却水の流動を誘導する一対の分離板；を含む、燃料電池用単位セル。

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