JP4461788B2 - 燃料電池用セルの製造方法及び燃料電池用セル - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用セルの製造方法及び燃料電池用セルに関し、詳細には、セパレータとフレーム間のシール技術に関する。

燃料電池用セルは燃料電池の単位セルであり、複数の燃料電池用セルを積み重ねてスタック構造とすることにより燃料電池が構成されている。このような燃料電池用セルは、高分子電解質膜（以下、電解質膜という。）をガス拡散層で挟み込み、さらにガス拡散層をセパレータで挟み込んで構成されている。電解質膜の一方の面に配置されたセパレータには、燃料流路が形成されている。また、電解質膜の他方の面に配置されたセパレータには、酸化剤流路が形成されている。

このような燃料電池用セルにおいて、ガス拡散層の圧縮を適度に行うために、電解質膜にフレームが取り付けられているものが知られている（例えば、特許文献１など参照）。この特許文献１に記載される燃料電池用セルでは、セパレータとフレームとの間はガスケットもしくはエポキシ等の接着シールを用いて封止されており、これによって気密性が確保されている。

また、セパレータの気密性を高めた技術として、膨張黒鉛粉及び成形樹脂を含む成分を均一に混合してタブレットを成形した後、このタブレット成形時の温度より高い温度及び高い圧力で、セパレータを本成形したものが知られている（例えば、特許文献２など参照）。
特開平７−２４９４１７号公報（第４頁、図１） 特開２００１−８５０３０号公報（第５、６頁、図２）

上述した特許文献１に開示された技術において、セパレータとフレームとの接合部をガスケットを用いてシールした場合、セパレータとフレームとの間に異物を挟み込んだり、ガスケットの倒れ等が発生してシール不良を起こす可能性がある。また、接着シールを用いた場合、接着剤の硬化時間が長く、生産効率が悪いという問題がある。

また、上述した特許文献２に開示された技術では、セパレータの気密特性を向上しても、燃料極や空気極とセパレータとの間に異物が挟み込まれた場合は、セパレータ本来の気密性を発揮しないという問題がある。

そこで、本発明は、フレームとセパレータとの間の気密性を向上した燃料電池用セル及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を目的として、本発明に係る燃料電池用セルの製造方法は、光透過性材料からなる電解質膜の両面に、同じく光透過性材料からなるフレームを貼り付けると共にこのフレームの内側にガス拡散層を配置して積層体を形成する。その後、光吸収性材料からなるセパレータを前記積層体に重ね合わせた後、セパレータとフレームとの接触部分にレーザビームを照射し、該フレームを溶融させて該セパレータに溶着させる。

本発明の燃料電池用セルの製造方法によれば、レーザビームによりフレームの一部を溶融させてセパレータと溶着接合させているので、フレームとセパレータ間に異物が混入することもなく、また、長時間を要する接着剤硬化時間も必要としないため、フレームとセパレータ間の気密性を大幅に向上させることができると共に、生産性も大幅に向上できる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。但し、図面は模式的なものであり、各部材の寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。

［第１の実施の形態］
図１及び図２は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池用セルの製造方法を示している。

先ず、本実施の形態では、電解質膜１を例えば矩形状に形成する。なお、電解質膜１は、高分子固体材料であるため、予め大きなシート状に形成したものを所定の大きさに裁断することにより形成される。また、電解質膜１には、通常この種の燃料電池に使用される材料を使用し、光透過性を有するものを用いる。

次に、電解質膜１の両面のそれぞれの周縁部分に重なるように、四角枠形状に形成されたフレーム４、５を貼り付ける。なお、これらフレーム４、５は、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の熱可塑性を有する樹脂で形成され、光透過性を有している。また、これらフレーム４、５における電解質膜１に接触する面には、予め粘着成分を塗布しておく。

その後、電解質膜１の一方の面に接着されたフレーム４の内側に、燃料極として機能するガス拡散層２を配置する。同様に、電解質膜１の他方の面に接着されたフレーム５の内側には、酸化剤極として機能するガス拡散層３を配置する。これにより、電解質膜１、ガス拡散層２、３及びフレーム４からなる積層体が形成される。なお、フレーム４、５にそれぞれのガス拡散層３、４を予めセットしたものを電解質膜１上に貼り合わせても勿論よい。

次に、図１に示すように、前記積層体を、燃料流路６Ａが形成されたセパレータ６の上に載置する。積層体をセパレータ６上に載置するに際しては、燃料極として機能するガス拡散層２が前記セパレータ６と対向するようにする。セパレータ６には、カーボン粒子を混合させた樹脂を使用し、光吸収性を有するものを用いる。

また、セパレータ６とは反対側のフレーム５及びガス拡散層３の上には、押さえ治具としての例えばガラス板７を載置し、このガラス板７によりフレーム４とセパレータ６とを密着させる。

その後、図１に示すように、フレーム４とセパレータ６との接触部分に、レーザビームｈｖを前記積層体の積層方向から照射する。すると、ガラス板７、フレーム５、電解質膜１及びフレーム４は、何れも光透過性を有するため、レーザビームｈｖはセパレータ６に入射する。

レーザビームｈｖが照射されたセパレータ６は、色調が黒色であり光吸収性を有することから、当該セパレータ６を構成するカーボン粒子がレーザビームｈｖを吸収して発熱する。そして、このセパレータ６の発熱に伴い、熱伝導によりセパレータ６に接触するフレーム４の部分も加熱される。その結果、加熱された部分が溶融し、溶着部４Ａとなって、フレーム４とセパレータ６とが強固に溶着接合される。このレーザビームｈｖにより溶着工程は、セパレータ６とフレーム４とが接合する全周に亘って行う。

なお、電解質膜１及びフレーム４、５は、光透過性を有するため、レーザビームｈｖが照射されても光吸収が小さいため自ら発熱せず、歪みを生じることがない。したがって、レーザビーム照射によって反りが発生するような不具合も発生しない。

次に、セパレータ６とフレーム４とを溶着した後は、ガラス板７を取り去り、図２に示すように、他方のフレーム５とガス拡散層３が形成された面に、例えばガスケットや接着シール等のシール部材８を介して、酸化剤流路（空気流路）９Ａを形成した酸化剤供給側のセパレータ９を貼り合わせる。このようにして燃料電池用セルの製造が終了する。

本実施の形態に係る燃料電池用セルは、図２に示すように、燃料極側のセパレータ６とフレーム４とがレーザビーム照射により強固に溶着接合されているため、気密性が高くなり、燃料流路６Ａから燃料（水素）ガスが洩れにくい構造となっている。このため、燃料ガスの洩れに関して安全性の高い燃料電池用セル及び燃料電池を提供することができる。なお、空気極側は、ガスケットや接着シール等のシール部材８で接着することで十分な安全性を確保することができる。

また、本実施の形態に係る燃料電池用セルの製造方法によれば、レーザビーム照射により瞬時に溶着することが可能であるため、効率的な量産を可能にする。また、本実施の形態の製造方法によれば、接着剤を使用しないため、これらフレーム４とセパレータ６の接合面に異物が混入されることもない。

［第２の実施の形態］
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池用セルの製造方法及び燃料電池用セル１０の構造を示している。

図３に示すように、本実施の形態に係る燃料電池用セル１０の製造方法では、電解質膜１１の両面にフレーム１４、１５を接着する。これらフレーム１４、１５は、上述した第１の実施の形態と同様、四角枠形状に形成されたものである。但し、この実施の形態では、フレーム１４、１５の外周縁部に所定の高さの突起部２０、２１を形成している。

そして、一方のフレーム１４の内側には、燃料極として機能するガス拡散層１２を配置する。また、他方のフレーム１５の内側には、空気極として機能するガス拡散層１３を配置する。これにより、電解質膜１１、ガス拡散層１２、１３及びフレーム１４、１５からなる積層体が形成される。

次に、前記積層体の一方の面（一方のフレーム１４及びガス拡散層１２が配置された面）に、燃料流路１６Ａが形成されたセパレータ１６を配置する。同様に、前記積層体の他方の面（他方のフレーム１４及びガス拡散層１２が配置された面）に、酸化剤流路（空気流路）１７Ａが形成されたセパレータ１７を配置する。

ここで使用するセパレータ１６、１７には、図３に示すように、前記フレーム１４、１５に形成した突起部２０、２１を嵌合させる段差部２２、２３を形成したものを使用する。かかる段差部２２，２３と前記突起部２０、２１は、それぞれ面接触する接触面１６Ａ，１７Ａ、１６Ｂ，１７Ｂを有している。

本実施の形態では、図３に示すように、フレーム１４、１５とセパレータ１６、１７の接触面１６Ａ，１７Ａ、１６Ｂ，１７Ｂのうち積層方向に設けられる接触面１６Ｂ，１７Ｂにレーザビームｈｖを照射する。このレーザビームｈｖの照射により、フレーム１４、１５を溶融して溶着部１４Ａ、１５Ａを形成することで、フレーム１４、１５とセパレータ１６、１７とを溶着接合する。また、これらフレーム１４、１５とセパレータ１６、１７の接合強度をより高めるために、積層体と平行な接触面１６Ａ，１７Ａをレーザビームｈｖの照射により溶着接合するようにしてもよい。

なお、レーザビーム照射を行う際は、フレーム１４、１５とセパレータ１６、１７を密着させるために、セパレータ１７の上面を図示しない押さえ治具で押さえ付けることが好ましい。

以上のようにして製造された燃料電池用セル１０によれば、燃料流路１６Ａ及び酸化剤１７Ａの何れも気密性を高めることができ、フレーム１４、１５とセパレータ１６、１７間からの燃料漏れ及び酸化剤漏れを防止することができる。

また、本実施の形態に係る燃料電池用セル１０は、フレーム１４とセパレータ１６との接触面積、及びフレーム１５とセパレータ１７の接触面積が突起部２０、２１及び段差部２２、２３を形成したことにより大きくなると共に、接触部の沿面距離が長くなるため、より気密性を高める機能がある。

さらに、本実施の形態に係る燃料電池用セル１０の製造方法によれば、レーザビームｈｖの照射により瞬時に溶着することができるため、製造時間を大幅に短縮することができる。また、この燃料電池用セル１０では、フレーム１４、１５とセパレータ１６、１７間に異物が入り込むことが無いので、シール不良を無くすことができる。

本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池用セルの製造方法の工程断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池用セルの製造方法の工程断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池用セルの断面図である。

符号の説明

１、１１ 電解質膜
２、３、１２、１３ ガス拡散層
４、５、１４、１５ フレーム
４Ａ 溶着部
６、９、１６、１７ セパレータ
１６Ａ，１７Ａ、１６Ｂ，１７Ｂ 接触面
２０、２１ 突起部
２２、２３ 段差部

Claims (4)

1. 光透過性材料からなる電解質膜の両面に、同じく光透過性材料からなるフレームを貼り付けると共にこのフレームの内側にガス拡散層を配置して積層体を形成する工程と、
   光吸収性材料からなるセパレータを前記積層体に重ね合わせる工程と、
   前記セパレータと前記フレームとの接触部分にレーザビームを照射し、該フレームを溶融させて該セパレータに溶着させる工程とからなる
   ことを特徴とする燃料電池用セルの製造方法。
2. 請求項１記載の燃料電池用セルの製造方法であって、
   前記レーザビームを前記フレーム側より照射して前記接触部分に照射する
   ことを特徴とする燃料電池用セルの製造方法。
3. 請求項２記載の燃料電池用セルの製造方法であって、
   前記レーザビームを前記積層体の積層方向から照射する
   ことを特徴とする燃料電池用セルの製造方法。
4. 請求項２記載の燃料電池用セルの製造方法であって、
   前記フレームの外周縁に突起部を形成すると共に、前記セパレータに該突起部と嵌合する段差部を形成し、それら突起部と段差部の接触面をそれぞれ接触させ、その接触面に前記レーザビームを前記積層体の側方から照射する
   ことを特徴とする燃料電池用セルの製造方法。

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