JP2021136205A - Manufacturing method of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a fuel cell.
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接合された枠状のシール部材とを、2つのセパレータにより挟持した状態でシール部材を2つのセパレータに熱圧着させることにより、燃料電池を製造する方法が知られている(例えば特許文献1参照)。 A frame-shaped seal member joined to the outer periphery of the membrane electrode gas diffusion layer joint body and the membrane electrode gas diffusion layer joint body are sandwiched between the two separators, and the seal member is thermally pressure-bonded to the two separators. A method for manufacturing a fuel cell is known (see, for example, Patent Document 1).
シール部材は、コア層と、コア層の一方の面及び他方の面にそれぞれ設けられそれぞれ2つのセパレータに接着される接着層と、を有している。ここで、熱圧着の際には、シール部材は2つのセパレータの間で圧縮されるため、接着層の一部がセパレータとコア層との間からコア層の内周縁側に流れて、セパレータとシール部材との接着強度が低下する可能性がある。 The sealing member has a core layer and an adhesive layer provided on one surface and the other surface of the core layer and adhered to two separators, respectively. Here, at the time of thermocompression bonding, since the sealing member is compressed between the two separators, a part of the adhesive layer flows from between the separator and the core layer to the inner peripheral edge side of the core layer, and the separator and the seal member The adhesive strength with the sealing member may decrease.
そこで本発明は、セパレータとシール部材の接着強度が確保された燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a fuel cell in which the adhesive strength between the separator and the sealing member is ensured.
上記目的は、枠状のシール部材と、前記シール部材の内周縁に接合された膜電極ガス拡散層接合体と、第1及び第2セパレータとを準備する準備工程と、前記シール部材及び膜電極ガス拡散層接合体を前記第1及び第2セパレータの間で挟んで、前記シール部材を前記第1及び第2セパレータに熱圧着させる熱圧着工程と、を備え、前記シール部材は、コア層、及び前記コア層の一方の面及び他方の面にそれぞれ設けられた第1及び第2接着層を有し、前記第1及び第2接着層は、熱可塑性を有し、前記コア層よりも融点が低く、前記熱圧着工程でそれぞれ前記第1及び第2セパレータに接着され、前記コア層の前記内周縁よりも外側の領域であって、前記第1接着層により前記第1セパレータに接着される面、及び前記第2接着層により前記第2セパレータに接着される面、の少なくとも一方には、凹部及び凸部の少なくとも一方が設けられている、燃料電池の製造方法によって達成できる。 The above object is a preparatory step for preparing a frame-shaped seal member, a film electrode gas diffusion layer bonded body bonded to the inner peripheral edge of the seal member, and first and second separators, and the seal member and the film electrode. The sealing member comprises a thermocompression bonding step of sandwiching the gas diffusion layer bonded body between the first and second separators and thermocompression bonding the sealing member to the first and second separators. And has first and second adhesive layers provided on one surface and the other surface of the core layer, respectively, and the first and second adhesive layers have thermoplasticity and have a melting point higher than that of the core layer. Is low, and is adhered to the first and second separators in the thermocompression bonding step, respectively, and is an area outside the inner peripheral edge of the core layer, and is adhered to the first separator by the first adhesive layer. This can be achieved by a method for manufacturing a fuel cell, in which at least one of a surface and a surface adhered to the second separator by the second adhesive layer is provided with at least one of a concave portion and a convex portion.
セパレータとシール部材の接着強度が確保された燃料電池の製造方法を提供できる。 It is possible to provide a method for manufacturing a fuel cell in which the adhesive strength between the separator and the sealing member is ensured.
図1は、燃料電池を構成する単セル60の分解斜視図である。燃料電池は、単セル60が複数積層されることで構成される。この燃料電池は、反応ガスとして燃料ガス(例えば水素)と酸化剤ガス(例えば酸素)の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。単セル60は、枠状のシール部材40と、シール部材40の内周縁に接合された膜電極ガス拡散層接合体20(以下、MEGA(Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly)と称する)と、シール部材40及びMEGA20を挟持するアノード側セパレータ33a及びカソード側セパレータ33c(以下、セパレータと称する)とを含む。MEGA20は、アノード側ガス拡散層22a及びカソード側ガス拡散層22c(以下、拡散層と称する)を有している。
FIG. 1 is an exploded perspective view of a
セパレータ33a及び33cには、それぞれ孔a1〜a6及び孔c1〜c6が形成されている。シール部材40にも同様に孔s1〜s6が設けられている。孔a1、s1、及びc1は互いに連通してカソード入口マニホールドを画定する。孔a2、s2、及びc2は互いに連通して冷却水出口マニホールドを画定する。孔a3、s3、及びc3は互いに連通してアノード出口マニホールドを画定する。孔a4、s4、及びc4は互いに連通してアノード入口マニホールドを画定する。孔a5、s5、及びc5は互いに連通して冷却水入口マニホールドを画定する。孔a6、s6、及びc6は互いに連通してカソード出口マニホールドを画定する。
Holes a1 to a6 and holes c1 to c6 are formed in the
MEGA20に対向するセパレータ33cの面には、カソード入口マニホールドとカソード出口マニホールドとを連通して酸化剤ガスが流れるカソード流路34cが形成されている。MEGA20に対向するセパレータ33aの面には、アノード入口マニホールドとアノード出口マニホールドとを連通して燃料ガスが流れるアノード流路34aが形成されている。セパレータ33aのアノード流路34aとは反対側の面、及びセパレータ33cのカソード流路34cとは反対側の面には、冷却水入口マニホールドと冷却水出口マニホールドとを連通し冷却水が流れる冷却水流路35a及び35cがそれぞれ形成されている。
On the surface of the
図2は、単セル60が複数積層された燃料電池1の部分断面図である。尚、図2では、一つの単セル60のみを図示し、その他の単セルについては省略してある。MEGA20は、上述した拡散層22a及び22cと、膜電極接合体(以下、MEAと称する)10とを含む。MEA10は、電解質膜11と、電解質膜11の一方の面及び他方の面のそれぞれに形成されたアノード側触媒層12a及びカソード側触媒層12c(以下、触媒層と称する)とを含む。電解質膜11は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜であり、例えばフッ素系のイオン交換膜である。電解質膜11は、周縁領域11eと、周縁領域11eに囲まれた中央領域11cとを有している。
FIG. 2 is a partial cross-sectional view of the
触媒層12aは、上述したように電解質膜11の一方の面(図2において、下側の面)に形成され、電解質膜11の端部との位置が略揃うように形成されている。即ち、触媒層12aは、電解質膜11の周縁領域11e及び中央領域11cを含む、略全面にわたって形成されている。触媒層12cは、上述したように電解質膜11の他方の面(図2において、上側の面)に形成され、周縁領域11eには形成されていない。触媒層12a及び12cは、例えば白金(Pt)などを担持したカーボン担体とプロトン伝導性を有するアイオノマとを、電解質膜11に塗布することにより形成される。
The
拡散層22a及び22cはそれぞれ、触媒層12a及び12cに接合されている。拡散層22a及び22cは、ガス透過性及び導電性を有する材料、例えば炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。拡散層22cは、その端部が触媒層12cの端部よりもやや内側に位置するか又は略揃う位置に設けられている。従って、拡散層22cは、触媒層12cを介して電解質膜11の中央領域11cに重なるが周縁領域11eには重ならないように設けられている。これにより、拡散層22cは、周縁領域11eを露出するように設けられている。
The
拡散層22aも同様に、その端部が、触媒層12aの端部よりもやや内側に位置するか又は略揃う位置に設けられるが、上述したように触媒層12aは電解質膜11の一方の面に略全面にわたって形成されている。このため、拡散層22aは、触媒層12aを介して中央領域11cのみならず周縁領域11eにも重なるように設けられている。このように周縁領域11eにも重なるように拡散層22aが設けられているため、MEA10は安定して支持されている。また、拡散層22a及び22cの双方とも、それぞれ触媒層12a及び12cに接合され、電解質膜11には直接接触しないように設けられている。
Similarly, the
シール部材40は、反応ガスの漏れや、クロスリーク、触媒電極同士の電気的短絡を防ぐための部材であり、絶縁性を有している。シール部材40は、図1に示すように、一対のセパレータ33a及び33cに挟持されている。また、セパレータ33a及び33cよりも内側に位置するシール部材40の内縁部は、接着剤50により電解質膜11の周縁領域11eに接着されている。シール部材40は、樹脂製のコア層41と、コア層41のアノード側及びカソード側の面にそれぞれ設けられた接着層42a及び42cと、を含む。コア層41は、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート等である。接着層42a及び42cは、熱可塑性樹脂であり、例えばポリエステル系や変性オレフィン系である。尚、接着層42a及び42cの融点はコア層41よりも低く形成されている。接着剤50は、例えば熱硬化性樹脂であるが、紫外線硬化性樹脂であってもよい。コア層41のアノード側及びカソード側の面にはそれぞれ凸部41a及び41cが形成されているが、詳しくは後述する。尚、図2は孔c1〜c3、s1〜s3、及びa1〜a3側の断面構成を示しているが、孔c4〜c6、s4〜s6、及びa4〜a6側の断面構成も同様に形成されている。
The
セパレータ33a及び33cは、MEGA20及びシール部材40を狭持している。セパレータ33a及び33cは、ガス遮断性及び電導性を有する材料によって形成され、本実施例では、プレス成形されたステンレス鋼によって形成されている。なお、セパレータ33a及び33cは、チタンやチタン合金といった金属によって形成される薄板状部材や、緻密質カーボン等のカーボン製部材によって形成してもよい。
The
次に、燃料電池1の製造方法について説明する。図3A及び図3Bは本実施例の燃料電池1の製造方法の説明図である。最初に、接着剤50により接合されたMEGA20及びシール部材40とセパレータ33a及び33cを複数対準備する。次に、上から順にセパレータ33c、MEGA20及びシール部材40、セパレータ33a、セパレータ33c、MEGA20及びシール部材40、セパレータ33a…を積層する。尚、図3Aにおいては一対のセパレータ33c、MEGA20及びシール部材40、セパレータ33aのみを図示している。この状態で、図3Bに示すようにセパレータ33c及び33aをシール部材40に熱圧着する。接着層42a及び42cは熱可塑性樹脂であるため、熱が加えられることにより融解し、その後冷却される過程で接着層42a及び42cがそれぞれセパレータ33a及び33cに接着した状態で硬化する。このようにして製造された単セル60が積層されて燃料電池1が製造される。
Next, a method of manufacturing the
図4は、比較例の製造方法を示した図である。図4に示した比較例では、シール部材40xのコア層41xは、上述した本実施例のシール部材40のコア層41とは異なり、凸部41a及び41cは設けられておらずに両面とも平坦に形成されている。このため熱圧着時に、図4に示すように熱により融解した接着層42cがセパレータ33cにより押圧されて、接着層42cの一部はセパレータ33cが接触する領域から接触しないシール部材40xの内側に向けて流出する恐れがある。接着層42aについても同様に、接着層42aの一部はセパレータ33aが接触する領域から接触しないシール部材40xの内側に向けて流出する恐れがある。特に、加熱温度が高いほど熱圧着に要する時間は短くて済むため、製造時間を短縮化するために加熱温度を高くした場合にこのような事態が生じやすい。この状態で接着層42a及び42cが硬化すると、シール部材40xとセパレータ33a及び33cの接着力が不十分となる可能性がある。
FIG. 4 is a diagram showing a manufacturing method of a comparative example. In the comparative example shown in FIG. 4, the
上述したように本実施例では、図2、図3A、及び図3Bに示したように、コア層41は凸部41a及び41cが、それぞれセパレータ33a及び33cに接触する領域に設けられている。このため、熱圧着時に接着層42a及び42cが融解しても、上述したように接着層42a及び42cの流出が抑制され、シール部材40とセパレータ33a及び33cの接着力が確保されている。尚、凸部41cのコア層41の面からの突出高さは、接着層42cの厚みと略同じである。即ち、凸部41cの先端は接着層42cから露出しており、セパレータ33cに接触している。凸部41aについても同様である。このため、接着層42a及び42cの流出を十分に抑制できる。
As described above, in this embodiment, as shown in FIGS. 2, 3A, and 3B, the
図5は、シール部材40の一部を示した図である。凸部41cは、孔s1〜s3のそれぞれとMEGA20側との間に形成されている。また、凸部41cは、孔s1〜s3が並んだ、シール部材40の短手方向に略平行となるように延びて形成されている。凸部41aも同様である。
FIG. 5 is a diagram showing a part of the
尚、シール部材40は、例えば、板状のコア層の両面に、スクリーン印刷や転写により接着層を設け、その後にプレス抜き加工によりこれらの層を枠状に裁断すると共に孔s1〜s6を形成することにより製造される。また、MEGA20の周縁領域11eに接着剤50を塗布して、シール部材40の内周縁を周縁領域11eに接着させる。これにより、シール部材40とMEGA20が接合される。
In the sealing
次に複数の変形例について説明する。図6A〜図7Bは変形例の説明図である。図6Aに示すように、シール部材401の凸部41c1は、複数の孔s1〜s3に隣接して直線上に延びている。図6Bのシール部材402の凸部41c2は、孔s1〜s3のそれぞれを包囲するように延びている。
Next, a plurality of modified examples will be described. 6A to 7B are explanatory views of a modified example. As shown in FIG. 6A, the convex portion 41c1 of the seal member 401 extends in a straight line adjacent to the plurality of holes s1 to s3. The convex portion 41c2 of the
図7Aに示す燃料電池1−3の単セル603のシール部材403のコア層413の凸部41a3及び41c3は、それぞれ接着層42a及び42cに覆われている。換言すれば、コア層413の一方の面からの凸部41a3の突出高さは、接着層42aの最大の厚みよりも低く設定され、コア層413の他方の面からの凸部41c3の突出高さは、接着層42cの最大の厚みよりも低く設定されている。これによっても、熱圧着時の接着層42a及び42cの流出を抑制できる。
The convex portions 41a3 and 41c3 of the core layer 413 of the seal member 403 of the
図7Bの燃料電池1−4の単セル604のシール部材404のコア層414の一方の面と他方の面には、それぞれ凹部41a4及び41c4が形成されている。これによっても、熱圧着時の接着層42a及び42cの流出を抑制できる。
Recesses 41a4 and 41c4 are formed on one surface and the other surface of the
シール部材のコア層の一方の面に、上述した凸部41c又は41c3と、凹部41c4との双方が形成されていてもよい。同様に、シール部材のコア層の他方の面に、上述した凸部41a又は41a3と、凹部41a4との双方が形成されていてもよい。また、シール部材のコア層の少なくとも一方の面に、上述した凸部及び凹部の少なくとも一方が設けられていればよい。この場合でも少なくともその面での接着層の流出を抑制できるからである。
Both the above-mentioned
上述した凸部や凹部は、直線状に延びていることに限定されず、例えば湾曲していてもよいし、円弧状に延びていてもよいし、蛇行していてもよいし、複数の直線状の部分が接続されるように延びていてもよいし、湾曲した部分と直線部分とが接続されるように延びていてもよい。 The above-mentioned protrusions and recesses are not limited to extending linearly, and may be curved, may extend in an arc shape, may meander, or have a plurality of straight lines, for example. The shaped portion may be extended so as to be connected, or the curved portion and the straight portion may be extended so as to be connected.
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications and modifications are made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.
1 燃料電池
20 膜電極ガス拡散層接合体
33a アノード側セパレータ
33c カソード側セパレータ
40 シール部材
41 コア層
41a、41c 凸部
42a、42b 接着層
60 単セル
1
Claims (1)
前記シール部材及び膜電極ガス拡散層接合体を前記第1及び第2セパレータの間で挟んで、前記シール部材を前記第1及び第2セパレータに熱圧着させる熱圧着工程と、を備え、
前記シール部材は、コア層、及び前記コア層の一方の面及び他方の面にそれぞれ設けられた第1及び第2接着層を有し、
前記第1及び第2接着層は、熱可塑性を有し、前記コア層よりも融点が低く、前記熱圧着工程でそれぞれ前記第1及び第2セパレータに接着され、
前記コア層の前記内周縁よりも外側の領域であって、前記第1接着層により前記第1セパレータに接着される面、及び前記第2接着層により前記第2セパレータに接着される面、の少なくとも一方には、凹部及び凸部の少なくとも一方が設けられている、燃料電池の製造方法。
A preparatory step for preparing a frame-shaped seal member, a membrane electrode gas diffusion layer bonded body bonded to the inner peripheral edge of the seal member, and first and second separators.
The seal member and the membrane electrode gas diffusion layer joint body are sandwiched between the first and second separators, and the seal member is heat-bonded to the first and second separators.
The sealing member has a core layer and first and second adhesive layers provided on one surface and the other surface of the core layer, respectively.
The first and second adhesive layers have thermoplasticity and a lower melting point than the core layer, and are adhered to the first and second separators in the thermocompression bonding step, respectively.
A region outside the inner peripheral edge of the core layer, the surface of which is adhered to the first separator by the first adhesive layer and the surface of which is adhered to the second separator by the second adhesive layer. A method for manufacturing a fuel cell, wherein at least one of a concave portion and a convex portion is provided.
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