JP2020145130A - Manufacturing method of fuel battery cell - Google Patents

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Yasuho Katsuta
康補 勝田
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Abstract

To provide a manufacturing method of fuel battery cell capable of suppressing deterioration of adhesiveness due to residue of lubrication, without providing a lubrication removal process after separator molding.SOLUTION: A manufacturing method of cell (fuel battery cell) 1 comprising a membrane electrode assembly 4, a resin frame 30 to which the peripheral part of the membrane electrode assembly 4 is fixed, and a pair of separators 3 for sandwiching the membrane electrode assembly 4 and the resin frame 30 includes a process for forming the separators 3 having gas passageways 21, 22 by supplying a lubrication 60 having a prescribed fusion point to both surfaces of a backing material 3a, and applying press working to the backing material 3a at a temperature lower than the fusion point of the lubrication 60, and a process for hot pressing the pair of separators 3 in such a state that the resin frame 30, provided with adhesive layers 31 based on the same thermoplastic resin as the lubrication 60 on both sides, is sandwiched by the pair of separators 3.SELECTED DRAWING: Figure 9

Description

本発明は、膜電極接合体の周縁部が固定される枠状の樹脂フレームと、膜電極接合体および樹脂フレームを挟み込む一対のセパレータと、を含む燃料電池セルの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a fuel cell, which includes a frame-shaped resin frame to which a peripheral portion of the membrane electrode assembly is fixed, and a pair of separators that sandwich the membrane electrode assembly and the resin frame.

燃料電池は、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックを有している。各燃料電池セルは、膜電極接合体(MEA)と、膜電極接合体の周縁部が固定される枠状の樹脂フレームと、膜電極接合体および樹脂フレームを両側から挟持する一対のセパレータと、によって構成される。 The fuel cell has a fuel cell stack in which a plurality of fuel cell cells are stacked. Each fuel cell has a membrane electrode assembly (MEA), a frame-shaped resin frame to which the peripheral edge of the membrane electrode assembly is fixed, and a pair of separators that sandwich the membrane electrode assembly and the resin frame from both sides. Consists of.

セパレータには、膜電極接合体に反応ガスを供給するためのガス流路が形成されている。金型を用いてシート状の基材にプレス加工を施すことによって、ガス流路を有するセパレータが形成される。 The separator is formed with a gas flow path for supplying a reaction gas to the membrane electrode assembly. By pressing the sheet-shaped base material using a mold, a separator having a gas flow path is formed.

ところで、プレス加工によるセパレータの成形では、金型に対するセパレータの離型性を向上させるためにシート状の基材の両面に潤滑剤を塗布する場合がある。この場合、セパレータの離型性は向上するが、セパレータの表面に潤滑剤が付着した状態となる。 By the way, in the molding of a separator by press working, a lubricant may be applied to both surfaces of a sheet-shaped base material in order to improve the releasability of the separator with respect to the mold. In this case, the releasability of the separator is improved, but the lubricant adheres to the surface of the separator.

なお、セパレータの金型に対する離型性を向上させるために潤滑剤を用いる燃料電池セルの製造方法は、例えば特許文献1に開示されている。 A method for manufacturing a fuel cell using a lubricant in order to improve the mold releasability of a separator is disclosed in, for example, Patent Document 1.

特開2018−170291号公報JP-A-2018-170291

しかしながら、セパレータの表面に潤滑剤が残っていると、樹脂フレームとセパレータとを接着する際に、樹脂フレームの表面に設けられた接着層とセパレータとの界面に存在する潤滑剤が、接着層とセパレータとの結合を阻害する。 However, if the lubricant remains on the surface of the separator, when the resin frame and the separator are bonded, the lubricant existing at the interface between the adhesive layer and the separator provided on the surface of the resin frame becomes the adhesive layer. Inhibits binding to the separator.

このため、潤滑剤を用いてセパレータを成形する場合、セパレータの成形後に潤滑剤残渣を除去する必要があるので、燃料電池セルの製造に時間がかかる。なお、潤滑剤残渣が完全に除去されたことを検査する場合、ngオーダーで潤滑剤を検量する必要があるとともに、1週間程度時間がかかる。 Therefore, when the separator is molded using the lubricant, it is necessary to remove the lubricant residue after molding the separator, which takes time to manufacture the fuel cell. When inspecting that the lubricant residue has been completely removed, it is necessary to weigh the lubricant on the order of ng, and it takes about one week.

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、セパレータ成形後の潤滑剤除去工程を設けることなく、潤滑剤残渣による接着性の低下を抑制することが可能な燃料電池セルの製造方法を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of these points, and manufactures a fuel cell capable of suppressing a decrease in adhesiveness due to a lubricant residue without providing a lubricant removing step after separator molding. The challenge is to provide a method.

このような点を鑑みて、本発明に係る燃料電池セルの製造方法は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の周縁部が固定される枠状の樹脂フレームと、前記膜電極接合体および前記樹脂フレームを挟み込む一対のセパレータと、を含む燃料電池セルの製造方法であって、前記セパレータとなるシート状の基材の両面に所定の融点を有する潤滑剤を供給するとともに、前記潤滑剤の融点よりも低い温度で前記基材にプレス加工を施すことにより、前記膜電極接合体に反応ガスを供給するためのガス流路を有するセパレータを形成する工程と、前記潤滑剤と同一の熱可塑性樹脂を主成分とする接着層が両面に設けられた前記樹脂フレームと前記膜電極接合体とを前記一対のセパレータで挟み込んだ状態で、前記潤滑剤および前記接着層の融点よりも高い温度で前記一対のセパレータを熱圧することによって、前記セパレータを前記樹脂フレームに接着する工程と、を含むことを特徴とする。 In view of these points, the method for manufacturing a fuel cell according to the present invention includes a membrane electrode assembly, a frame-shaped resin frame to which the peripheral edge of the membrane electrode assembly is fixed, and the membrane electrode assembly. A method for manufacturing a fuel cell including a pair of separators sandwiching the resin frame, and supplying a lubricant having a predetermined melting point to both surfaces of a sheet-like base material serving as the separator, and the lubricant. By pressing the base material at a temperature lower than the melting point of the above, a step of forming a separator having a gas flow path for supplying a reaction gas to the membrane electrode assembly and the same heat as the lubricant. At a temperature higher than the melting point of the lubricant and the adhesive layer, the resin frame and the membrane electrode assembly provided on both sides with adhesive layers containing a plastic resin as a main component are sandwiched between the pair of separators. It is characterized by including a step of adhering the separator to the resin frame by hot-pressing the pair of separators.

本発明によれば、前記潤滑剤と同一の樹脂を主成分とする接着層が両面に設けられた前記樹脂フレームを前記一対のセパレータで挟み込んだ状態で前記一対のセパレータを熱圧することによって、前記セパレータを前記樹脂フレームに接着する。これにより、潤滑剤と接着層との界面では潤滑剤と接着層とが混ざり合って所定の接着強度が確保され、潤滑剤とセパレータとの界面では潤滑剤がセパレータと接着して所定の強度が確保される。このため、潤滑剤により接着層とセパレータとの結合が阻害されるのを抑制することができるので、樹脂フレームとセパレータとの接着強度が低下するのを抑制することができる。 According to the present invention, the resin frame provided with adhesive layers containing the same resin as the lubricant as a main component on both sides is sandwiched between the pair of separators, and the pair of separators is hot-pressed. The separator is adhered to the resin frame. As a result, at the interface between the lubricant and the adhesive layer, the lubricant and the adhesive layer are mixed to secure a predetermined adhesive strength, and at the interface between the lubricant and the separator, the lubricant adheres to the separator to obtain a predetermined strength. Secured. Therefore, it is possible to prevent the bond between the adhesive layer and the separator from being hindered by the lubricant, so that it is possible to suppress a decrease in the adhesive strength between the resin frame and the separator.

また、セパレータの成形後に潤滑剤を除去する必要がないので、燃料電池セルの製造に時間がかかるのを抑制することができる。また、潤滑剤残渣が完全に除去されたことを検査する必要もない。 Further, since it is not necessary to remove the lubricant after molding the separator, it is possible to suppress the time required for manufacturing the fuel cell. Nor is it necessary to inspect that the lubricant residue has been completely removed.

以上のように、セパレータ成形後の潤滑剤除去工程を設けることなく、潤滑剤残渣による接着性の低下を抑制することができる。 As described above, it is possible to suppress the deterioration of the adhesiveness due to the lubricant residue without providing the lubricant removing step after the separator molding.

また、前記潤滑剤の融点よりも低い温度で前記基材にプレス加工を施すことによって、潤滑剤が溶融して金型に接着することがないので、セパレータの離型性は低下しない。 Further, by pressing the base material at a temperature lower than the melting point of the lubricant, the lubricant does not melt and adhere to the mold, so that the releasability of the separator does not deteriorate.

本発明の一実施形態に係る製造方法によって製造される燃料電池セルの要部を断面視した図である。It is a cross-sectional view of the main part of the fuel cell manufactured by the manufacturing method which concerns on one Embodiment of this invention. 図1に示した燃料電池セルを構成する膜電極接合体アセンブリの構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the membrane electrode assembly assembly which comprises the fuel cell shown in FIG. 図2のA−A線に沿った断面図である。It is sectional drawing which follows the AA line of FIG. 図1の燃料電池セルを複数積層して得られる燃料電池スタックの要部を断面視した図である。It is a cross-sectional view of the main part of the fuel cell stack obtained by stacking a plurality of fuel cell cells of FIG. 1. セパレータの製造に用いる金型の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the mold used for manufacturing a separator. セパレータの製造工程の概略フローを示した図である。It is a figure which showed the schematic flow of the manufacturing process of a separator. セパレータの製造途中の様子を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state in the process of manufacturing a separator. 燃料電池セルの製造途中の様子を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state in the process of manufacturing a fuel cell. 燃料電池セルの製造工程の概略フローを示した図である。It is a figure which showed the schematic flow of the manufacturing process of a fuel cell. 燃料電池セルの接着層周辺の拡大断面図である。It is an enlarged sectional view around the adhesive layer of a fuel cell.

以下、本発明の構成を図面に示す実施形態の一例に基づいて詳細に説明する。以下では、一例として、燃料電池車両に搭載される燃料電池またはこれを含む燃料電池システムに本発明を適用した場合を例示して説明するが、適用範囲がこのような例に限られることはない。 Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on an example of an embodiment shown in the drawings. In the following, as an example, a case where the present invention is applied to a fuel cell mounted on a fuel cell vehicle or a fuel cell system including the same will be described as an example, but the scope of application is not limited to such an example. ..

[セパレータを備えた燃料電池セルの構成]
図1は、燃料電池セル1(以下、セル1という)の要部を断面視した図である。図1に示すように、セル1は、酸化剤ガス(例えば空気)と、燃料ガス(例えば水素)と、の電気化学反応により起電力を発生する固体高分子型燃料電池である。セル1は、MEGA2と、MEGA2を区画するように、MEGA2に接触するセパレータ(燃料電池用セパレータ)3とを備えている。なお、本実施形態では、MEGA2は、一対のセパレータ3、3により、挟持されている。
[Construction of fuel cell with separator]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part of a fuel cell 1 (hereinafter referred to as a cell 1). As shown in FIG. 1, cell 1 is a polymer electrolyte fuel cell that generates an electromotive force by an electrochemical reaction between an oxidant gas (for example, air) and a fuel gas (for example, hydrogen). The cell 1 includes a MEGA 2 and a separator (fuel cell separator) 3 that contacts the MEGA 2 so as to partition the MEGA 2. In this embodiment, MEGA2 is sandwiched by a pair of separators 3 and 3.

MEGA2は、膜電極接合体(MEA)4と、この両面に配置されたガス拡散層7、7とが、一体化されたものである。膜電極接合体4は、電解質膜5と、電解質膜5を挟むように接合された一対の電極6、6と、からなる。電解質膜5は、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜からなり、電極6は、たとえば、白金などの触媒を担持した例えばカーボン素材が分散した多孔質層である。電解質膜5の一方側に配置された電極6がアノードとなり、他方側の電極6がカソードとなる。ガス拡散層7は、例えばカーボンペーパー若しくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体、または、金属メッシュ若しくは発泡金属等の金属多孔質体などのガス透過性を有する導電性部材によって形成される。 The MEGA 2 is a combination of a membrane electrode assembly (MEA) 4 and gas diffusion layers 7 and 7 arranged on both sides thereof. The membrane electrode assembly 4 is composed of an electrolyte membrane 5 and a pair of electrodes 6 and 6 bonded so as to sandwich the electrolyte membrane 5. The electrolyte membrane 5 is made of a proton-conducting ion exchange membrane formed of a solid polymer material, and the electrode 6 is a porous layer in which, for example, a carbon material carrying a catalyst such as platinum is dispersed. The electrode 6 arranged on one side of the electrolyte membrane 5 serves as an anode, and the electrode 6 on the other side serves as a cathode. The gas diffusion layer 7 is formed of a gas-permeable conductive member such as a carbon porous body such as carbon paper or carbon cloth, or a metal porous body such as a metal mesh or foamed metal.

本実施形態では、MEGA2が、セル1の発電部であり、セパレータ3は、MEGA2のガス拡散層7に接触している。また、ガス拡散層7が省略されている場合には、膜電極接合体4が発電部であり、この場合には、セパレータ3は、膜電極接合体4に接触している。したがって、セル1の発電部は、膜電極接合体4を含むものであり、セパレータ3に接触する。 In the present embodiment, the MEGA 2 is the power generation unit of the cell 1, and the separator 3 is in contact with the gas diffusion layer 7 of the MEGA 2. When the gas diffusion layer 7 is omitted, the membrane electrode assembly 4 is the power generation unit, and in this case, the separator 3 is in contact with the membrane electrode assembly 4. Therefore, the power generation unit of the cell 1 includes the membrane electrode assembly 4 and comes into contact with the separator 3.

セパレータ3は、導電性やガス不透過性などに優れた金属(例えば、SUS、チタン、アルミニウム、ニッケル等の金属)を基材とする板状の部材であって、その一面側がMEGA2のガス拡散層7と当接している。 The separator 3 is a plate-shaped member whose base material is a metal having excellent conductivity and gas impermeable properties (for example, a metal such as SUS, titanium, aluminum, nickel, etc.), and one side thereof is a gas diffusion of MEGA2. It is in contact with the layer 7.

本実施形態では、各セパレータ3は、断面形状が波形状ないし凹凸状に形成されている。セパレータ3の形状は、波の形状が等脚台形をなし、かつ波の頂部が平坦で、この頂部の両端が等しい角度をなして角張っている。つまり、各セパレータ3は、表側から見ても裏側から見ても、ほぼ同じ形状である。MEGA2の一方のガス拡散層7には、セパレータ3の頂部が面接触し、MEGA2の他方のガス拡散層7には、セパレータ3の頂部が面接触している。 In the present embodiment, each separator 3 has a wavy or uneven cross-sectional shape. The shape of the separator 3 is such that the shape of the wave is an isosceles trapezoid, the top of the wave is flat, and both ends of the top are angular at the same angle. That is, each separator 3 has substantially the same shape when viewed from the front side and the back side. The top of the separator 3 is in surface contact with one gas diffusion layer 7 of MEGA2, and the top of the separator 3 is in surface contact with the other gas diffusion layer 7 of MEGA2.

前記セパレータ3は、上述した金属(例えば、SUS、チタン、アルミニウム、ニッケル等の金属)からなるシート状の基材3aを金型を用いてプレス成形することにより、前記の形状を呈するように成形(塑性変形)される(後で詳述)。 The separator 3 is formed so as to exhibit the above-mentioned shape by press-molding a sheet-shaped base material 3a made of the above-mentioned metal (for example, a metal such as SUS, titanium, aluminum, nickel, etc.) using a mold. (Plastic deformation) (detailed later).

一方の電極(すなわちアノード)6側のガス拡散層7とセパレータ3との間に画成されるガス流路21は、燃料ガスが流通する流路であり、他方の電極(すなわちカソード)6側のガス拡散層7とセパレータ3との間に画成されるガス流路22は、酸化剤ガスが流通する流路である。セル1を介して対向する一方のガス流路21に燃料ガスが供給され、ガス流路22に酸化剤ガスが供給されると、セル1内で電気化学反応が生じて起電力が生じる。 The gas flow path 21 defined between the gas diffusion layer 7 on the one electrode (that is, the anode) 6 side and the separator 3 is a flow path through which the fuel gas flows, and the other electrode (that is, the cathode) 6 side. The gas flow path 22 defined between the gas diffusion layer 7 and the separator 3 is a flow path through which the oxidant gas flows. When the fuel gas is supplied to one of the gas flow paths 21 facing the cell 1 and the oxidant gas is supplied to the gas flow path 22, an electrochemical reaction occurs in the cell 1 to generate an electromotive force.

図2に示すように、MEGA2は、平面視矩形状に形成されており、MEGA2の周縁部は、枠状の樹脂フレーム30に接着剤層35(図3参照)を介して接着固定されている。MEGA2および樹脂フレーム30によって、膜電極接合体アセンブリ40が構成されている。 As shown in FIG. 2, MEGA2 is formed in a rectangular shape in a plan view, and the peripheral edge portion of MEGA2 is adhesively fixed to a frame-shaped resin frame 30 via an adhesive layer 35 (see FIG. 3). .. The membrane electrode assembly assembly 40 is composed of the MEGA 2 and the resin frame 30.

樹脂フレーム30は、セパレータ3を流れる燃料ガス、酸化剤ガス、および後述する冷却水をシールする部材である。樹脂フレーム30は、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂からなるとともに、可撓性を有する。樹脂フレーム30の周縁部には図3に示すように、セパレータ3に熱圧着するための熱可塑性樹脂シートからなる接着層31が設けられている。膜電極接合体アセンブリ40の樹脂フレーム30に対してセパレータ3が接着固定されることによって、セル1が構成されている。なお、接着層31に用いる樹脂として、例えばポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂が挙げられるが、他の樹脂を用いてもよい。また、接着層31に用いるポリオレフィン系樹脂として、変性ポリオレフィン系樹脂を用いてもよい。 The resin frame 30 is a member that seals the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling water described later that flow through the separator 3. The resin frame 30 is made of a thermoplastic resin or a thermosetting resin and has flexibility. As shown in FIG. 3, an adhesive layer 31 made of a thermoplastic resin sheet for thermocompression bonding to the separator 3 is provided on the peripheral edge of the resin frame 30. The cell 1 is formed by adhesively fixing the separator 3 to the resin frame 30 of the membrane electrode assembly 40. Examples of the resin used for the adhesive layer 31 include polyolefin resins such as polypropylene, but other resins may be used. Further, as the polyolefin-based resin used for the adhesive layer 31, a modified polyolefin-based resin may be used.

[燃料電池スタックの構成]
図4は、燃料電池スタック(燃料電池)10の要部を断面視した図である。図4に示すように、燃料電池スタック10には、基本単位であるセル1が複数積層されている。各セル1のセパレータ3の一面側は上述したようにMEGA2のガス拡散層7と当接し、他面側が隣接する他のセパレータ3の他面側と当接している。
[Fuel cell stack configuration]
FIG. 4 is a cross-sectional view of a main part of the fuel cell stack (fuel cell) 10. As shown in FIG. 4, a plurality of cells 1, which are basic units, are stacked on the fuel cell stack 10. As described above, one side of the separator 3 of each cell 1 is in contact with the gas diffusion layer 7 of MEGA2, and the other side is in contact with the other side of the adjacent separator 3.

あるセル1と、それに隣接するもうひとつのセル1とは、アノードとなる電極6とカソードとなる電極6とを向き合わせて配置されている。また、あるセル1のアノードとなる電極6に沿って配置されたセパレータ3の背面側の頂部と、もうひとつのセル1のカソードとなる電極6に沿って配置されたセパレータ3の背面側の頂部とが、面接触している。隣接する2つのセル1間で面接触するセパレータ3、3の間に画成される空間23には、セル1を冷却する冷媒としての水(冷却水)が流通する。 One cell 1 and another cell 1 adjacent thereto are arranged so that the electrode 6 serving as an anode and the electrode 6 serving as a cathode face each other. Further, the top of the back surface of the separator 3 arranged along the electrode 6 serving as the anode of a certain cell 1 and the top of the back surface of the separator 3 arranged along the electrode 6 serving as the cathode of another cell 1. Are in surface contact with each other. Water (cooling water) as a refrigerant for cooling the cell 1 flows through the space 23 defined between the separators 3 and 3 which are in surface contact with each other between the two adjacent cells 1.

[セパレータの製造工程]
図5は、セパレータの製造に用いる金型の構造を示す断面図であり、図6は、セパレータの製造工程の概略フローを示した図である。図7は、セパレータの製造途中の様子を示す断面図である。なお、図7では、後述する潤滑剤60を省略している。
[Separator manufacturing process]
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the structure of a mold used for manufacturing the separator, and FIG. 6 is a diagram showing a schematic flow of the manufacturing process of the separator. FIG. 7 is a cross-sectional view showing a state in which the separator is being manufactured. In FIG. 7, the lubricant 60, which will be described later, is omitted.

本実施形態では、図5に示すように、前述したセパレータ3は、金型50を用いて成形される。金型50は、所定方向(ガス流路の流れ方向)に延びる凹状面(上側に窪んだ面)43と凸状面(下側に膨出した面)44とが交互に設けられた凹凸面からなるプレス面42を有する上型41と、上型の凹凸面(プレス面42)と相補的な形状を有する凹凸面からなるプレス面46を有する下型45と、からなる。セパレータ3は、金型50を用いて、セパレータ3の素材となる基材3aを上型41のプレス面42と下型45のプレス面46とで上下方向でプレスすることで、波形状ないし凹凸状を呈するように形成される。 In the present embodiment, as shown in FIG. 5, the above-mentioned separator 3 is molded by using the mold 50. The mold 50 is an uneven surface in which a concave surface (a surface recessed upward) 43 and a convex surface (a surface bulging downward) 44 extending in a predetermined direction (flow direction of a gas flow path) are alternately provided. It is composed of an upper die 41 having a press surface 42 made of, and a lower die 45 having a press surface 46 made of an uneven surface having a shape complementary to the uneven surface (press surface 42) of the upper die. The separator 3 has a wavy shape or unevenness by pressing the base material 3a, which is the material of the separator 3, in the vertical direction with the press surface 42 of the upper mold 41 and the press surface 46 of the lower mold 45 using the mold 50. It is formed so as to exhibit a shape.

ここで、本実施形態では、成形後のセパレータ3の金型50に対する離型性を確保するために、基材3aの両面(図3の上面および下面)に所定の融点を有する潤滑剤60を塗布(供給)する(図6の供給工程S1参照)。潤滑剤60は、接着層31と同一の熱可塑性樹脂を主成分としている。ここでは、潤滑剤60として、例えばポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂が用いられている。基材3aの両面(上面および下面)への潤滑剤60の供給は、上型41のプレス面42と下型45のプレス面46とに潤滑剤60を塗布(供給)することによって行ってもよい。なお、本明細書および特許請求の範囲において、「同一の熱可塑性樹脂」とは、2つの樹脂が例えばポリオレフィン系樹脂であるということではなく、2つの樹脂が例えばポリプロピレンであるということを意味している。すなわち、2つの樹脂が同一の高分子化合物を主成分とする樹脂であるとも言える。 Here, in the present embodiment, in order to ensure the mold releasability of the separator 3 after molding with respect to the mold 50, a lubricant 60 having a predetermined melting point is applied to both surfaces (upper surface and lower surface of FIG. 3) of the base material 3a. Apply (supply) (see supply step S1 in FIG. 6). The lubricant 60 contains the same thermoplastic resin as the adhesive layer 31 as a main component. Here, as the lubricant 60, for example, a polyolefin resin such as polypropylene is used. The lubricant 60 may be supplied to both surfaces (upper surface and lower surface) of the base material 3a by applying (supplying) the lubricant 60 to the press surface 42 of the upper mold 41 and the press surface 46 of the lower mold 45. Good. In the present specification and claims, the "same thermoplastic resin" does not mean that the two resins are, for example, polyolefin-based resins, but that the two resins are, for example, polypropylene. ing. That is, it can be said that the two resins are resins containing the same polymer compound as a main component.

その後、基材3aを上型41と下型45とによって上下方向から所定圧で挟んでプレス加工を施す(図6のプレス工程S2参照)。これにより、図7に示すように波状または凹凸状(すなわち、ガス流路21、22および空間23を形成する構造)を有するセパレータ3が形成される。プレス工程S12において金型50は動作時の摩擦により温度が上昇する(例えば100℃以上)が、潤滑剤60の融点は、金型50の温度よりも高く設定されている。なお、金型50の温度が潤滑剤60の融点よりも低くなるように、金型50を冷却する冷却装置を設けてもよい。 After that, the base material 3a is sandwiched between the upper die 41 and the lower die 45 at a predetermined pressure from the vertical direction and pressed (see the pressing step S2 in FIG. 6). As a result, as shown in FIG. 7, a separator 3 having a wavy or uneven shape (that is, a structure forming the gas flow paths 21, 22 and the space 23) is formed. In the pressing step S12, the temperature of the die 50 rises due to friction during operation (for example, 100 ° C. or higher), but the melting point of the lubricant 60 is set higher than the temperature of the die 50. A cooling device for cooling the mold 50 may be provided so that the temperature of the mold 50 is lower than the melting point of the lubricant 60.

そして、金型50を型開きして、セパレータ3を金型50から取り出す(図6の離型工程S3参照)。このようにして、セパレータ3が製造される。なお、成形後のセパレータ3の表面には、潤滑剤60が残留している。 Then, the mold 50 is opened, and the separator 3 is taken out from the mold 50 (see the mold removing step S3 in FIG. 6). In this way, the separator 3 is manufactured. The lubricant 60 remains on the surface of the separator 3 after molding.

[燃料電池セルの製造方法]
図8は、セル1の製造途中の様子を示す断面図であり、図9は、セル1の製造工程の概略フローを示した図である。図10は、セル1の製造途中における接着層31周辺の拡大断面図である。なお、図8では、潤滑剤60を省略している。
[Manufacturing method of fuel cell]
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a state in which the cell 1 is being manufactured, and FIG. 9 is a diagram showing a schematic flow of the manufacturing process of the cell 1. FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view of the periphery of the adhesive layer 31 during the production of the cell 1. In FIG. 8, the lubricant 60 is omitted.

セル1は図8に示すように、樹脂フレーム30を一対のセパレータ3で挟み込んだ状態で金型70を用いて熱圧着することにより成形される。金型70は、セパレータ3の周縁部を上方から押圧する枠状の押圧部71aとセパレータ3の凹凸面を避ける凹部71bとを有する上型71と、セパレータ3の周縁部を下方から押圧する枠状の押圧部72aとセパレータ3の凹凸面を避ける凹部72bとを有する下型72と、を含んでいる。押圧部71aおよび72aは、樹脂フレーム30の接着層31に対向する位置に設けられている。 As shown in FIG. 8, the cell 1 is formed by thermocompression bonding using a mold 70 with the resin frame 30 sandwiched between the pair of separators 3. The mold 70 has an upper mold 71 having a frame-shaped pressing portion 71a for pressing the peripheral edge portion of the separator 3 from above and a recess 71b for avoiding the uneven surface of the separator 3, and a frame for pressing the peripheral edge portion of the separator 3 from below. It includes a lower die 72 having a shaped pressing portion 72a and a recess 72b that avoids the uneven surface of the separator 3. The pressing portions 71a and 72a are provided at positions facing the adhesive layer 31 of the resin frame 30.

また、上型71および下型72の各々には、樹脂フレーム30とセパレータ3とを接合するための加熱装置(図示せず)が内蔵されている。加熱装置は、上型71および下型72を加熱するものであれば、通電式、蒸気式等のいずれの形態であってもよい。加熱装置は、セパレータ3を介して樹脂フレーム30の接着層31を溶融可能な温度に設定されている。 Further, each of the upper die 71 and the lower die 72 has a built-in heating device (not shown) for joining the resin frame 30 and the separator 3. The heating device may be of any form such as an energization type and a steam type as long as it heats the upper mold 71 and the lower mold 72. The heating device is set to a temperature at which the adhesive layer 31 of the resin frame 30 can be melted via the separator 3.

セル1を製造する場合、MEGA2の周縁部に樹脂フレーム30が固定された膜電極接合体アセンブリ40と、波状または凹凸状を有する一対のセパレータ3と、を準備する(図9の準備工程S11参照)。 When manufacturing the cell 1, a membrane electrode assembly 40 in which a resin frame 30 is fixed to the peripheral edge of MEGA 2 and a pair of separators 3 having a wavy or uneven shape are prepared (see preparation step S11 in FIG. 9). ).

そして、膜電極接合体アセンブリ40を一対のセパレータ3で挟み込んだ状態で金型70を用いて一対のセパレータ3を樹脂フレーム30に熱圧着する(図9のプレス工程S12参照)。このとき、潤滑剤60および接着層31の融点よりも高い温度で熱圧着を行う。これにより、図10に示すように、同一の樹脂を主成分とする潤滑剤60と接着層31との界面では、潤滑剤60と接着層31とが混ざり合って所定の強度が確保される。また、潤滑剤60とセパレータ3との界面では、潤滑剤60がセパレータ3と接着して所定の強度が確保される。このため、セパレータ3と接着層31との間の接着が阻害されない。 Then, with the membrane electrode assembly 40 sandwiched between the pair of separators 3, the pair of separators 3 are thermocompression bonded to the resin frame 30 using a mold 70 (see the pressing step S12 in FIG. 9). At this time, thermocompression bonding is performed at a temperature higher than the melting points of the lubricant 60 and the adhesive layer 31. As a result, as shown in FIG. 10, at the interface between the lubricant 60 containing the same resin as the main component and the adhesive layer 31, the lubricant 60 and the adhesive layer 31 are mixed to ensure a predetermined strength. Further, at the interface between the lubricant 60 and the separator 3, the lubricant 60 adheres to the separator 3 to ensure a predetermined strength. Therefore, the adhesion between the separator 3 and the adhesive layer 31 is not hindered.

その後、金型70を型開きして、セル1を金型70から取り出す。そして、セル1に冷却風を当てることによって、セル1を常温まで冷却する(図9の冷却工程S13参照)。このようにして、セル1が製造される。 After that, the mold 70 is opened and the cell 1 is taken out from the mold 70. Then, the cell 1 is cooled to room temperature by applying cooling air to the cell 1 (see the cooling step S13 in FIG. 9). In this way, cell 1 is manufactured.

なお、上記セル1の製造工程において、セル1をコンベア等(図示せず)により間欠的に移動させて各工程(準備工程、プレス工程、冷却工程)で処理を施す場合、例えば、セル1を加熱処理する工程(プレス工程S12)および冷却工程S13の各々を、2つのステーションに分けて2回行ってもよい。この場合、各ステーションにおける処理時間(滞在時間)を約半分に短縮することができるので、タクトタイムを短縮することができる。 In the manufacturing process of the cell 1, when the cell 1 is intermittently moved by a conveyor or the like (not shown) and processed in each process (preparation step, pressing step, cooling step), for example, the cell 1 is moved. Each of the heat treatment step (pressing step S12) and the cooling step S13 may be divided into two stations and performed twice. In this case, the processing time (stay time) at each station can be reduced to about half, so that the tact time can be shortened.

本実施形態では、上記のように、潤滑剤60と同一の樹脂を主成分とする接着層31が両面に設けられた樹脂フレーム30を一対のセパレータ3で挟み込んだ状態で一対のセパレータ3を熱圧することによって、セパレータ3を樹脂フレーム30に接着する。これにより、潤滑剤60と接着層31との界面では潤滑剤60と接着層31とが混ざり合って所定の接着強度が確保され、潤滑剤60とセパレータ3との界面では潤滑剤60がセパレータ3と接着して所定の強度が確保される。このため、潤滑剤60により接着層31とセパレータ3との結合が阻害されるのを抑制することができるので、樹脂フレーム30とセパレータ3との接着強度が低下するのを抑制することができる。 In the present embodiment, as described above, the pair of separators 3 are heated with the resin frame 30 provided on both sides of the adhesive layer 31 containing the same resin as the lubricant 60 as the main component sandwiched between the pair of separators 3. By pressing, the separator 3 is adhered to the resin frame 30. As a result, at the interface between the lubricant 60 and the adhesive layer 31, the lubricant 60 and the adhesive layer 31 are mixed to ensure a predetermined adhesive strength, and at the interface between the lubricant 60 and the separator 3, the lubricant 60 is the separator 3 Adhesion with and a predetermined strength is secured. Therefore, since it is possible to suppress the bond between the adhesive layer 31 and the separator 3 from being hindered by the lubricant 60, it is possible to suppress a decrease in the adhesive strength between the resin frame 30 and the separator 3.

また、セパレータ3の成形後に潤滑剤60を除去する必要がないので、セル1の製造に時間がかかるのを抑制することができる。また、潤滑剤60が完全に除去されたことを検査する必要もない。 Further, since it is not necessary to remove the lubricant 60 after molding the separator 3, it is possible to suppress the time required for manufacturing the cell 1. Nor is it necessary to inspect that the lubricant 60 has been completely removed.

以上のように、セパレータ成形後の潤滑剤除去工程を設けることなく、潤滑剤残渣による接着性の低下を抑制することができる。 As described above, it is possible to suppress the deterioration of the adhesiveness due to the lubricant residue without providing the lubricant removing step after the separator molding.

また、潤滑剤60の融点よりも低い温度で基材3aにプレス加工を施すことによって、潤滑剤60が溶融して金型50に接着することがないので、セパレータ3の離型性は低下しない。 Further, by pressing the base material 3a at a temperature lower than the melting point of the lubricant 60, the lubricant 60 does not melt and adhere to the mold 50, so that the releasability of the separator 3 does not deteriorate. ..

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。 It should be noted that the embodiments disclosed this time are exemplary in all respects and are not considered to be restrictive. The scope of the present invention is shown by the scope of claims rather than the description of the above-described embodiment, and further includes all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.

例えば、上記実施形態では、接着層31および潤滑剤60としてポリオレフィン系樹脂を用いる例について示したが、接着層31および潤滑剤60としてポリオレフィン系樹脂以外の樹脂を用いてもよい。 For example, in the above embodiment, the example in which the polyolefin-based resin is used as the adhesive layer 31 and the lubricant 60 has been shown, but a resin other than the polyolefin-based resin may be used as the adhesive layer 31 and the lubricant 60.

1:セル(燃料電池セル)、2:MEGA(発電部)、3:セパレータ、3a:基材、4:膜電極接合体、21、22:ガス流路、30:樹脂フレーム、31:接着層、60:潤滑剤 1: Cell (fuel cell), 2: MEGA (power generation unit), 3: Separator, 3a: Base material, 4: Membrane electrode assembly, 21, 22: Gas flow path, 30: Resin frame, 31: Adhesive layer , 60: Lubricant

Claims (1)

膜電極接合体と、前記膜電極接合体の周縁部が固定される枠状の樹脂フレームと、前記膜電極接合体および前記樹脂フレームを挟み込む一対のセパレータと、を含む燃料電池セルの製造方法であって、
前記セパレータとなるシート状の基材の両面に所定の融点を有する潤滑剤を供給するとともに、前記潤滑剤の融点よりも低い温度で前記基材にプレス加工を施すことにより、前記膜電極接合体に反応ガスを供給するためのガス流路を有するセパレータを形成する工程と、
前記潤滑剤と同一の熱可塑性樹脂を主成分とする接着層が両面に設けられた前記樹脂フレームと前記膜電極接合体とを前記一対のセパレータで挟み込んだ状態で、前記潤滑剤および前記接着層の融点よりも高い温度で前記一対のセパレータを熱圧することによって、前記セパレータを前記樹脂フレームに接着する工程と、
を含むことを特徴とする燃料電池セルの製造方法。
A method for manufacturing a fuel cell, which includes a membrane electrode assembly, a frame-shaped resin frame to which a peripheral edge of the membrane electrode assembly is fixed, and a pair of separators that sandwich the membrane electrode assembly and the resin frame. There,
The membrane electrode assembly is formed by supplying a lubricant having a predetermined melting point to both sides of a sheet-shaped base material serving as a separator and pressing the base material at a temperature lower than the melting point of the lubricant. A step of forming a separator having a gas flow path for supplying a reaction gas to the
The lubricant and the adhesive layer are provided with adhesive layers containing the same thermoplastic resin as the lubricant as main components on both sides, with the resin frame and the membrane electrode assembly sandwiched between the pair of separators. The step of adhering the separator to the resin frame by thermally pressing the pair of separators at a temperature higher than the melting point of
A method for manufacturing a fuel cell, which comprises.
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