JP2022127351A - Method for manufacturing fuel battery cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池セルの製造方法の技術分野に関する。 The present invention relates to the technical field of manufacturing methods for fuel cells.
この種の製造方法として、例えば、シール材を一対のセパレータで挟んだ状態でプレス型により加熱プレスを行う製造方法が提案されている(特許文献1参照)。 As a manufacturing method of this type, for example, a manufacturing method has been proposed in which a sealing material is sandwiched between a pair of separators and hot-pressed with a press die (see Patent Document 1).
特許文献1に記載のシール材は、膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)と、該膜電極接合体の周縁部を固定する枠状の樹脂フレームとから構成されている。樹脂フレームに用いられる樹脂によっては、加熱プレスが行われた際に、膜電極接合体に反応ガスを供給するためのガス流路に樹脂が入り込んでしまう可能性があるという技術的問題点がある。
The sealing material described in
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、プレス時にガス流路に樹脂が入り込むことを抑制することができる燃料電池セルの製造方法を提供することを課題とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a fuel cell manufacturing method capable of suppressing resin from entering a gas flow path during pressing.
本発明の一態様に係る燃料電池セルの製造方法は、膜電極接合体及び前記膜電極接合体の周縁部を固定する枠状の樹脂フレームを有するシール材と、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形成し、前記シール材を挟み込む一対のセパレータとを備える燃料電池セルの製造方法であって、前記シール材を前記一対のセパレータで挟み込んだ状態で第1シートの上に配置した後、前記一対のセパレータで挟み込まれた前記シール材を第2シートで覆うことにより、前記第1シートと前記第2シートとの間に密閉された空間を形成する工程と、前記空間を真空引きしつつ、前記一対のセパレータを熱圧する工程と、を含み、前記第1シートの、前記シール材が配置された領域の周囲の領域の少なくとも一部に、前記ガス流路の高さより高い高さを有する凸部が形成されており、前記第2シートは、前記一対のセパレータで挟み込まれた前記シール材と前記凸部とを覆うというものである。 A method for manufacturing a fuel cell according to an aspect of the present invention includes a sealing material having a frame-shaped resin frame for fixing a membrane electrode assembly and a peripheral edge portion of the membrane electrode assembly, and reacting gas to the membrane electrode assembly. and a pair of separators sandwiching the sealing material, wherein the sealing material is sandwiched between the pair of separators, and the first sheet a step of forming a sealed space between the first sheet and the second sheet by covering the sealing material sandwiched between the pair of separators with a second sheet after placing the sealing material on the separator; and hot-pressing the pair of separators while evacuating the space, wherein the height of the gas flow path is formed in at least a part of the region of the first sheet surrounding the region where the sealing material is arranged. A convex portion having a height higher than the height is formed, and the second sheet covers the sealing material sandwiched between the pair of separators and the convex portion.
燃料電池セルの製造方法に係る実施形態について図1乃至図5を参照して説明する。先ず、実施形態に係る製造方法により製造される燃料電池セルについて図1及び図2を参照して説明する。 An embodiment of a fuel cell manufacturing method will be described with reference to FIGS. 1 to 5. FIG. First, a fuel cell manufactured by a manufacturing method according to an embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG.
図1において、燃料電池セル10は、膜電極ガス拡散層接合体(Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly:MEGA)11と、カソード側セパレータ12と、アノード側セパレータ13と、シール材14とを備えて構成されている。尚、膜電極ガス拡散層接合体11を、以降、適宜「MEGA11」と称する。
In FIG. 1, a
MEGA11は、不図示の膜電極接合体と、カソード側ガス拡散層と、アノード側ガス拡散層とを有する。MEGA11は、膜電極接合体が、カソード側ガス拡散層及びアノード側ガス拡散層により挟み込まれている構造を有する。つまり、膜電極接合体のカソード側セパレータ12側に、カソード側ガス拡散層が配置されており、膜電極接合体のアノード側セパレータ13側に、アノード側ガス拡散層が配置されている。
The
シール材14は、MEGA11の周縁部を固定する枠状の樹脂フレームを有する。シール材14は、例えばオレフィン系樹脂等の熱可塑性樹脂を含んで構成されていてよい。尚、MEGA11、カソード側セパレータ12、アノード側セパレータ13及びシール材14には、既存の各種態様を適用可能であるので、その詳細についての説明は省略する。
The sealing
図2に示すように、カソード側セパレータ12が、シール材14に接合されることにより、MEGA11を構成するカソード側ガス拡散層の表面に沿って酸化剤ガスとしての空気を流す酸化剤ガス流路12aが形成される。また、アノード側セパレータ13が、シール材14に接合されることにより、MEGA11を構成するアノード側ガス拡散層の表面に沿って燃料ガスとしての水素を流す燃料ガス流路13aが形成される。図2において、破線円Cにより囲まれた部分を「フランジ部」と称する。
As shown in FIG. 2, the cathode-
上述したような燃料電池セル10は、シール材14をカソード側セパレータ12及びアノード側セパレータ13で挟み込んだ状態で、例えば金型(図示せず)を用いて加熱プレスすることにより製造されることがある。
The
ここで、本願発明者の研究によれば以下の事項が判明している。即ち、シール材14に、比較的低コストのオレフィン系樹脂が用いられると、加熱プレス時の温度及び荷重に起因して、シール材14の一部がつぶれてしまい、酸化剤ガス流路12a及び燃料ガス流路13aの少なくとも一部にシール材14を構成する樹脂が入り込んでしまうことがある。これに対して、シール材14に、耐熱性に優れるエンジニアリングプラスチック系の樹脂を用いることが考えられる。しかしながら、エンジニアリングプラスチック系の樹脂は、比較的コストが高いので、製造コストが増えてしまうという問題がある。他方で、加熱プレス時の温度及び荷重の少なくとも一方を低下させると、燃料電池セル10に接着不良が生じるおそれがあるという問題がある。
Here, according to the studies of the inventors of the present application, the following matters have become clear. That is, if a relatively low-cost olefin-based resin is used for the sealing
上述の問題に対して、本願発明者は、カソード側セパレータ12及びアノード側セパレータ13により挟み込まれたシール材14(以降、適宜“組立体”と称する)をシートで覆い、該シートにより覆われた空間(即ち、組立体が配置されている空間)を減圧しつつ、組立体を加熱する真空プレスの採用を決めた。ところが、真空プレス時に、組立体を覆うシートによりフランジ部(図2参照)がつぶされてしまうという問題が新たに生じた。
In order to solve the above problem, the inventor of the present application covered the sealing
そこで、本実施形態に係る燃料電池セルの製造方法では、図3に示すように、組立体100が配置される領域の周囲の領域の少なくとも一部に、フランジ部の高さより高い高さを有する凸部21aが形成されたシート21が用いられる。
Therefore, in the fuel cell manufacturing method according to the present embodiment, as shown in FIG. 3, at least part of the region surrounding the region where the
具体的には、先ず、組立体100がシート21の上に配置される。このとき、例えば組立体100の中央部分が、シート21の凸部21bの上に配置される。凸部21bは、組立体100をシート21上に安定して配置するためのものである。凸部21bの高さは、例えば酸化剤ガス流路12a又は燃料ガス流路13aの高さに応じて設定されてよい。次に、組立体100のシート21側とは反対側に加圧体24が載置された後に、組立体100がシート22により覆われる。この結果、シート21及び22により密閉された空間23が形成される。
Specifically, first, the
次に、空間23を真空引き(言い換えれば、減圧)しつつ、組立体100を加熱することにより、カソード側セパレータ12、シール材14(MEGA11)及びアノード側セパレータ13が接着される。このとき、図4に示すように、シート21に凸部21aが形成されていることで、空間23の真空引き時にシート22がフランジ部をつぶしてしまうことを抑制することができる。その後、組立体100(即ち、燃料電池セル10)が冷却され、空間23の圧力が常圧に戻される。
Next, the
本実施形態に係る燃料電池セルの製造方法について図5のフローチャートを参照して説明を加える。図5において、真空プレス機の載置台(図示せず)の上に、凸部21aを有するシート21が設置される(ステップS101)。次に、シート21の上に、カソード側セパレータ12及びアノード側セパレータ13とMEGA11を含むシール材14とが設置される、即ち、組立体100が設置される(ステップS102)。
A method for manufacturing a fuel cell according to this embodiment will be described with reference to the flow chart of FIG. In FIG. 5, a
次に、組立体100を覆うようにシート22が設置される(ステップS103)。次に、シート21とシート22とで形成された空間23が減圧される(ステップS104)。ステップS104の処理と並行して、組立体100が加熱される(ステップS105)。組立体100の冷却後に、空間23の圧力が常圧に戻される。その後、燃料電池セル10が真空プレス機から取り出される(ステップS106)。
Next, the
(技術的効果)
金型を用いて組立体100を加熱プレスする場合、例えば、組立体100の構成要素(シール材14等)の厚みのばらつきや、金型の設置公差に起因して、組立体100の全体を均一に加圧することが難しい。このため、酸化剤ガス流路12a及び燃料ガス流路13aの少なくとも一部にシール材14を構成する樹脂が入り込んだり、燃料電池セル10に接着不良が生じたりする可能性がある。これに対して、真空プレスでは、組立体100の全体を均一に加圧することができるので、例えばプレス時に酸化剤ガス流路12a及び燃料ガス流路13aに樹脂が入り込むことを抑制することができる。
(technical effect)
When the
本実施形態では特に、真空プレスに凸部21aが形成されたシート21を用いることにより、プレス時にフランジ部がシート22によりつぶされてしまうことを好適に抑制することができる。従って、本実施形態に係る燃料電池セルの製造方法によれば、例えばオレフィン系樹脂等の比較的低コストの熱可塑性樹脂をシール材14として利用しつつ、組立体100を適切に圧着して燃料電池セル10を製造することができる。
Particularly in this embodiment, by using the
以上に説明した実施形態から導き出される発明の態様を以下に説明する。 Aspects of the invention derived from the embodiments described above will be described below.
発明の一態様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を固定する枠状の樹脂フレームを有するシール材と、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形成し、前記シール材を挟み込む一対のセパレータとを備える燃料電池セルの製造方法であって、前記シール材を前記一対のセパレータで挟み込んだ状態で第1シートの上に配置した後、前記一対のセパレータで挟み込まれた前記シール材を第2シートで覆うことにより、前記第1シートと前記第2シートとの間に密閉された空間を形成する工程と、前記空間を真空引きしつつ、前記一対のセパレータを熱圧する工程と、を含み、前記第1シートの、前記シール材が配置された領域の周囲の領域の少なくとも一部に、前記ガス流路の高さより高い高さを有する凸部が形成されており、前記第2シートは、前記一対のセパレータで挟み込まれた前記シール材と前記凸部とを覆うというものである。 A method for manufacturing a fuel cell according to an aspect of the invention includes a membrane electrode assembly, a sealing material having a frame-shaped resin frame for fixing a peripheral portion of the membrane electrode assembly, and a reactant gas in the membrane electrode assembly. and a pair of separators sandwiching the sealing material, wherein the sealing material is sandwiched between the pair of separators, and the first sheet a step of forming a sealed space between the first sheet and the second sheet by covering the sealing material sandwiched between the pair of separators with a second sheet after placing the sealing material on the separator; and hot-pressing the pair of separators while evacuating the space, wherein the height of the gas flow path is formed in at least a part of the region of the first sheet surrounding the region where the sealing material is arranged. A convex portion having a height higher than the height is formed, and the second sheet covers the sealing material sandwiched between the pair of separators and the convex portion.
上述の実施形態においては、「カソード側セパレータ12及びアノード側セパレータ13」が「一対のセパレータ」の一例に相当し、「酸化剤ガス流路12a」及び「燃料ガス流路13a」が「ガス流路」の一例に相当し、「シート21」が「第1シート」の一例に相当し、「シート22」が「第2シート」の一例に相当し、「凸部21a」が「凸部」の一例に相当する。
In the above-described embodiment, the "cathode-
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う燃料電池セルの製造方法もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be modified as appropriate within the scope of the gist or idea of the invention that can be read from the scope of claims and the entire specification. is also included in the technical scope of the present invention.
10…燃料電池セル、11…MEGA、12…カソード側セパレータ、12a…酸化剤ガス流路、13…アノード側セパレータ、13a…燃料ガス流路、14…シール材、21、22…シート、21a、21b…凸部、23…空間、24…加圧体、100…組立体
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記シール材を前記一対のセパレータで挟み込んだ状態で第1シートの上に配置した後、前記一対のセパレータで挟み込まれた前記シール材を第2シートで覆うことにより、前記第1シートと前記第2シートとの間に密閉された空間を形成する工程と、
前記空間を真空引きしつつ、前記一対のセパレータを熱圧する工程と、
を含み、
前記第1シートの、前記シール材が配置された領域の周囲の領域の少なくとも一部に、前記ガス流路の高さより高い高さを有する凸部が形成されており、
前記第2シートは、前記一対のセパレータで挟み込まれた前記シール材と前記凸部とを覆う
ことを特徴とする燃料電池セルの製造方法。 A membrane electrode assembly, a sealing material having a frame-shaped resin frame for fixing a peripheral portion of the membrane electrode assembly, and a gas flow path for supplying a reaction gas to the membrane electrode assembly, the seal comprising: A method for manufacturing a fuel cell comprising a pair of separators sandwiching a material,
After placing the sealing material sandwiched between the pair of separators on the first sheet, the sealing material sandwiched between the pair of separators is covered with a second sheet, whereby the first sheet and the first sheet are separated. forming a closed space between the two sheets;
heat-pressing the pair of separators while evacuating the space;
including
a convex portion having a height higher than the height of the gas flow path is formed on at least a part of a region of the first sheet surrounding a region where the sealing material is arranged;
The method of manufacturing a fuel cell, wherein the second sheet covers the sealing material and the protrusion sandwiched between the pair of separators.
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