JP6213357B2

JP6213357B2 - 燃料電池用の樹脂フレーム製造方法

Info

Publication number: JP6213357B2
Application number: JP2014079465A
Authority: JP
Inventors: 林　友和; 友和林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-04-08
Filing date: 2014-04-08
Publication date: 2017-10-18
Anticipated expiration: 2034-04-08
Also published as: JP2015201341A

Description

本発明は、燃料電池用の樹脂フレーム製造方法に関する。

燃料電池用の樹脂フレームは、燃料電池の発電単位である電池セルにおいて、電解質膜の膜面に電極触媒層を接合した膜電極接合体（以下、ＭＥＡと称する）を、その発電領域周縁においてアノード側とカソード側で気密に保持する。そして、電池セルは、樹脂フレームを介在させて、ＭＥＡをセパレーターで挟持している。こうしたセル構造において、電池セルごとのセパレーターは、隣り合う電池セルのセパレーターと重なる。よって、セル間のシール性を確保すべく、セパレーターに配設したガスケット等のシール材やセパレーター自体の変形によるビードシール部を取り囲む凸部をセパレーターに形成し、セパレーターの凸部に合わせた凸部を有する樹脂フレームが提案されている（例えば、特許文献１）。また、樹脂フレームは、通常、接着層にてセパレーターに接着される。

特開２００８−１４６８７２号公報

樹脂フレームの作製には、射出成形や押出成形等の種々の成形手法の採用が可能であり、射出成形によれば、凸部を有する樹脂セパレーターを簡便に作製できるものの、生産性に欠ける。その一方、押出成形では、押出ダイの開口形状に凸部を形成することで、樹脂の押出方向に沿った凸部を有する樹脂フレームについては、これを高い生産効率で作製できると共に、いわゆる多色押出により接着層を有する樹脂フレームも作製できる。ところが、セパレーターの凸部は、例えば燃料ガスや酸化ガス、冷却水の通過孔を取り囲むよう形成され得るので、こうしたセパレーターの凸部に合わせた樹脂フレームの凸部は、その一部領域において、樹脂の押出方向に沿ったものとはならない。つまり、押出成形では、生産効率の高いとはいえ、凸部を有する樹脂フレームを作製する際の自由度が低いので、その改善が求められるに至った。

上記した課題の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の形態として実施することができる。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池用の樹脂フレーム製造方法が提供される。燃料電池用の樹脂フレーム製造方法は、樹脂フレームの材料樹脂を、フレーム表裏に接着剤層を持つ多層シートとして押出成形するシート成形工程と、前記樹脂フレームに求められる凸部を賦形するためのキャビティーを対向する凹凸金型面で形成する金型を用い、前記シート成形工程を経て押し出された前記多層シートを、前記凹凸金型面に倣うよう前記金型にて押圧屈曲して、前記凸部を前記多層シートに賦形する賦形工程とを備える。

この形態の燃料電池用の樹脂フレーム製造方法では、樹脂フレームに求められる凸部の賦形にシート成形工程は関与しないので、後に樹脂フレームとなる多層シートを高い生産効率で押出成形できる。そして、押出成形後の多層シートに凸部を賦形するに当たっては、凸部を賦形するためのキャビティーを対向する凹凸金型面で形成する金型を用いる。キャビティーは、多層シートの押出方向に拘わらず形成可能であるので、形成対象となる凸部は押出方向に沿ったものに限られない。よって、この形態の燃料電池用の樹脂フレーム製造方法によれば、高い自由度で凸部を形成できる。その上で、凹凸金型面に倣うような多層シートの押圧屈曲を樹脂材料の硬化前に図ればよいので、金型キャビティーへの材料樹脂の溶融射出、冷却養生硬化、金型からの取り外しが必要な射出成形に比して、生産性が高まる。また、圧縮材料の逃げを考慮する必要が少ないことから、型構造が簡便となる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、樹脂フレームの製造装置や、その製造装置の制御方法等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としての樹脂フレーム１０とこれを用いた電池セル２０が得られるまでの概略を示す説明図である。図１における２−２線に沿った概略断面図である。図１における３−３線に沿った概略断面図である。フレーム製造装置１００の概略構成を示す説明図である。賦形金型１２０の金型面構成と凸部賦形の様子を概略的に示す説明図である。他の実施形態の樹脂フレーム１０Ａを有する電池セル２０Ａを図３相当に断面視して示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。図１は本発明の一実施形態としての樹脂フレーム１０とこれを用いた電池セル２０が得られるまでの概略を示す説明図、図２は図１における２−２線に沿った概略断面図、図３は図１における３−３線に沿った概略断面図である。なお、図１では、製造過程の理解の便のため、シート材１０Ｓの平面視にシート材断面が組み込まれて示されている。

樹脂フレーム１０は、後述のフレーム製造装置１００による多層押出成形と凸部賦形および型抜きを経てシート材１０Ｓから形成され、図２や図３に示すように、フレームコア１０Ｓｃの表裏を接着層１０ｈ１，１０ｈ２で被覆して構成される。そして、樹脂フレーム１０は、図１におけるフレーム中央の発電領域とその左右のガス孔および冷却水孔を取り囲むようフレーム凸部１２を備え、このフレーム凸部１２は、図１に示す押出方向のみならず押出方向と交差するシート幅方向に亘っても延びている。図２は、樹脂フレーム１０の型抜き前のシート材１０Ｓの断面を示しているので、ガス孔の型抜き部位や樹脂フレーム１０の外郭をなす部位にあっても、フレームコア１０Ｓｃは存在し、その表裏が接着層１０ｈ１，１０ｈ２で被覆されている。図３は、樹脂フレーム１０を、電池セル２０を構成するアノード側セパレーターＡｓとカソード側セパレーターＫｓと共に断面視しているので、ガス孔部位や樹脂フレーム１０の外郭部位で型抜きされている。

図３に示すように、アノード側セパレーターＡｓは、ガス孔の周囲においてビードシール部Ｂｃを屈曲して備え、このビードシール部Ｂｃの変形弾発により、ガス孔および図２に示すフレーム中央の発電領域と冷却水孔をシールする。そして、アノード側セパレーターＡｓは、このビードシール部Ｂｃを取り囲むよう凸部Ｓｔを備え、樹脂フレーム１０は、アノード側セパレーターＡｓの凸部Ｓｔに合致したフレーム凸部１２を有し、このフレーム凸部１２を凸部Ｓｔの裏面に入り込ませている。樹脂フレーム１０、即ちこれを構成するフレームコア１０Ｓｃには、例えばポリプロピレン、ポリエチレンなどの熱可塑性樹脂が用いられ、接着層１０ｈ１，１０ｈ２には、接着性を付与した熱可塑性接着樹脂、例えば、シランカップリング剤を配合したり、カルボン酸などの極性基を導入したポリプロピレンやポリエチレンなどの変性ポリオレフィンや、熱硬化性の接着樹脂、例えば、シリコーン、ポリイソブチレン、エポキシ、ウレタンなどを用いることができる。

次に、樹脂フレーム１０の製造工程について説明する。図４はフレーム製造装置１００の概略構成を示す説明図である。図示するように、このフレーム製造装置１００は、第１樹脂溶融供給機構部１１０と第２樹脂溶融供給機構部１１２とを備え、例えば、第１樹脂溶融供給機構部１１０からはフレームコア１０Ｓｃの上記の樹脂を溶融して押出機構部１１４に供給し、第２樹脂溶融供給機構部１１２からは接着層１０ｈ１，１０ｈ２の上記の樹脂を溶融して押出機構部１１４に供給する。押出機構部１１４は、こうして溶融供給された樹脂を図１に示すようにフレームコア１０Ｓｃがその表裏で接着層１０ｈ１，１０ｈ２に覆われるように押出ダイ（図視略）から溶融押し出しし、図１に示す３層のシート材１０Ｓを押出成形する。シート材１０Ｓは、第１ローラー１１６、第２ローラー１１８に案内されて賦形金型１２０に到り、この賦形金型１２０において、シート材１０Ｓにフレーム凸部１２を賦形する。押出機構部１１４による溶融押出搬送、並びに上記の両ローラーによるローラー搬送は、図１に示す樹脂フレーム１０の縦方向寸法に隣り合う樹脂フレーム間の隔たりを加えたピッチ寸法で、賦形金型１２０による凸部賦形ごとに繰り返される。つまり、シート材１０Ｓは、ピッチ搬送される。図５は賦形金型１２０の金型面構成と凸部賦形の様子を概略的に示す説明図である。

図示するように、賦形金型１２０は、上型１２１と下型１２２とを備え、上型１２１の凹状金型面１２１ａと下型１２２の凸状金型面１２２ａとで、樹脂フレーム１０に求められるフレーム凸部１２を賦形するためのキャビティー１２４を形成する。図５の上段に示すように、シート材１０Ｓは、型開きした賦形金型１２０に挟まれるようにしてピッチ搬送され、賦形金型１２０は、上型１２１と下型１２２とを型合わせしてキャビティー１２４を形成する。このキャビティー形成過程で、図５下段に示すように、シート材１０Ｓは、凹状金型面１２１ａおよび凸状金型面１２２ａの凹凸金型面に倣うよう上型１２１と下型１２２にて押圧屈曲し、キャビティー１２４に倣ったフレーム凸部１２の賦形を受ける。こうしたフレーム凸部１２の賦形形成は、賦形金型１２０に、加熱部を設けるなどして、シート材１０Ｓをその弾性率が所定の弾性率まで低下するよう軟化させ、成形性を向上させた状態でなされる。なお、シート材１０Ｓが室温状態のままでも十分な成形性が確保できれば、賦形金型１２０での加熱は必要ない。

図４に示すように、フレーム製造装置１００は、上記のようにして賦形金型１２０にてフレーム凸部１２が賦形されたシート材１０Ｓを、型抜き機構部１３０にピッチ搬送する。型抜き機構部１３０は、図１に示すフレーム中央の発電領域とその左右のガス孔・冷却水孔および樹脂フレーム１０の外郭形状に倣った切り刃（図視略）をシート材１０Ｓに押し付けることで、シート材１０Ｓから樹脂フレーム１０を型抜き成形する。得られた樹脂フレーム１０は、表裏に接着層１０ｈ１，１０ｈ２を備えたものとなり、アノード側セパレーターＡｓとカソード側セパレーターＫｓおよび図示しない膜電極接合体（ＭＥＡ）と積層されて電池セル２０を構成する。

以上説明した構成を備える本実施形態の樹脂フレーム１０の製造方法では、樹脂フレーム１０を構成するフレームコア１０Ｓｃの材料樹脂を、フレーム表裏に接着層１０ｈ１，１０ｈ２を持つ３層シートとして溶融押出成形する。そして、押出成形されたシート材１０Ｓを、フレーム凸部１２を賦形するためのキャビティー１２４を対向する凹状金型面１２１ａと凸状金型面１２２ａで形成する賦形金型１２０にて、凹凸金型面、即ちキャビティー１２４に倣うよう押圧屈曲して、フレーム凸部１２をシート材１０Ｓに賦形する。

本実施形態の樹脂フレーム１０の製造方法では、フレーム表裏に接着層１０ｈ１，１０ｈ２を持つ３層シートとしてのシート材１０Ｓの溶融押出成形を、樹脂フレーム１０に求められるフレーム凸部１２の賦形に関与させないので、後に樹脂フレーム１０となるシート材１０Ｓを高い生産効率で押出成形できる。そして、押出成形後のシート材１０Ｓにフレーム凸部１２を賦形するに当たっては、フレーム凸部１２を賦形するためのキャビティー１２４を対向する凹状金型面１２１ａと凸状金型面１２２ａで形成する賦形金型１２０を用いる。キャビティー１２４は、シート材１０Ｓの押出方向に拘わらず形成可能であるので、樹脂フレーム１０への形成対象となるフレーム凸部１２は押出方向に沿ったものに限られない。よって、本実施形態の樹脂フレーム１０の製造方法によれば、高い自由度でフレーム凸部１２を樹脂フレーム１０に形成できる。

本実施形態に対し、射出成形では、高い自由度でフレーム凸部１２を形成できるものの、金型キャビティーへの材料樹脂の溶融射出、冷却養生硬化、金型からの取り外しが必要なことから生産性に欠ける。本実施形態の樹脂フレーム１０の製造方法によれば、フレーム凸部１２を有する樹脂フレーム１０を、溶融押出成形工程に連続して生産が可能であるので、射出成形に比して、高い生産性で製造できる。また、圧縮材料の逃げを考慮する必要が少ないことから、本実施形態の樹脂フレーム１０の製造方法によれば、金型構成の簡便化や低コスト化を図ることもできる。

本実施形態の樹脂フレームの製造方法は、ビードシール部Ｂｃにてセル間シールを図る電池セル２０の樹脂フレーム１０に限らず、シール材にてセル間シールを図る電池セル２０Ａの樹脂フレーム１０Ａにも適用できる。図６は他の実施形態の樹脂フレーム１０Ａを有する電池セル２０Ａを図３相当に断面視して示す説明図である。

図示するように、この電池セル２０Ａのアノード側セパレーターＡｓは、凸部Ｓｔで取り囲まれたセパレーター部位を平板状とし、当該部位に、弾性変形してシール性を発揮するシール材Ｇｃを有する。樹脂フレーム１０Ａは、アノード側セパレーターＡｓの凸部Ｓｔに合致して入り込むフレーム凸部１２を有するほか、このフレーム凸部１２の間に、補強用凸部１２ｓを有する。つまり、樹脂フレーム１０Ａは、シール材Ｇｃの変形をもたらす力を補強用凸部１２ｓにて受け、電池セル２０Ａを積層方向で補強する。この樹脂フレーム１０Ａを製造するに当たっては、図５に示した賦形金型１２０の上型１２１および下型１２２を、フレーム凸部１２と補強用凸部の両凸部を賦形するためのキャビティー１２４を対向する凹状金型面１２１ａと凸状金型面１２２ａで形成するものとする。こうすれば、補強用凸部１２ｓをフレーム凸部１２と共に有する樹脂フレーム１０Ａを、シート材１０Ｓの多層押し出し成形に続く賦形金型１２０による屈曲成形を経て、容易に製造できる。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、或いは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…樹脂フレーム
１０Ａ…樹脂フレーム
１０Ｓ…シート材
１０ｈ１、１０ｈ２…接着層
１０Ｓｃ…フレームコア
１２…フレーム凸部
１２ｓ…補強用凸部
２０…電池セル
２０Ａ…電池セル
１００…フレーム製造装置
１１０…第１樹脂溶融供給機構部
１１２…第２樹脂溶融供給機構部
１１４…押出機構部
１１６…第１ローラー
１１８…第２ローラー
１２０…賦形金型
１２１…上型
１２１ａ…凹状金型面
１２２…下型
１２２ａ…凸状金型面
１２４…キャビティー
１３０…型抜き機構部
Ｂｃ…ビードシール部
Ｇｃ…シール材
Ａｓ…アノード側セパレーター
Ｋｓ…カソード側セパレーター
Ｓｔ…凸部

Claims

燃料電池用の樹脂フレーム製造方法であって、
樹脂フレームの材料樹脂を、フレーム表裏に接着剤層を持つ多層シートとして押出成形するシート成形工程と、
前記樹脂フレームに求められる凸部を賦形するためのキャビティーを対向する凹凸金型面で形成する金型を用い、前記シート成形工程を経て押し出された前記多層シートを、前記凹凸金型面に倣うよう前記金型にて押圧屈曲して、前記凸部を前記多層シートに賦形する賦形工程とを備える、燃料電池用の樹脂フレーム製造方法。