JP6790701B2 - 燃料電池セルの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池セルに関する。

燃料電池セルとして、膜電極接合体の外周に支持フレームが配置される構造を有するものが知られている。支持フレームは、例えば特許文献１に記載されているように、ポリエチレンテレフタレート等の樹脂で形成され、接着剤層により、膜電極接合体に固定される。

特開２０１４−２１６２６９号公報

燃料電池セルは、発電する際に生じる生成水や冷却水が支持フレームに接触する場合がある。しかし、支持フレームの耐加水分解性が低い場合には、生成水や冷却水により加水分解される場合がある。そのため、生成水や冷却水の接触に起因して、支持フレームの強度が低下することを抑制可能な技術が望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
本発明の第１の形態によれば、燃料電池セルの製造方法が提供される。この燃料電池セルの製造方法は、燃料電池セルは、膜電極接合体を含む発電体と、前記発電体の外周に配置された枠状の支持フレームと、を備え、前記支持フレームは、樹脂製の支持フレーム本体を有し、前記支持フレーム本体は、前記発電体を収納する開口部と、反応ガスまたは冷却水が流通するマニホールド孔とを有し、前記支持フレーム本体の両表面と、前記開口部の端面と、前記マニホールド孔の端面とが、前記支持フレーム本体よりも耐加水分解性が高い樹脂層で覆われており、前記マニホールド孔と前記開口部とを埋めるように耐加水分解性樹脂を塗布することによって前記樹脂層を形成する塗布工程と、前記塗布工程の後に、前記マニホールド孔と前記開口部とを形成するように前記耐加水分解性樹脂を打ち抜く打ち抜き工程と、を備える。本発明の第２の形態によれば、燃料電池セルの製造方法が提供される。この燃料電池セルの製造方法は、前記燃料電池セルは、膜電極接合体を含む発電体と、前記発電体の外周に配置された枠状の支持フレームと、を備え、前記支持フレームは、樹脂製の支持フレーム本体を有し、前記支持フレーム本体は、前記発電体を収納する開口部と、反応ガスまたは冷却水が流通するマニホールド孔とを有し、前記支持フレーム本体の両表面と、前記開口部の端面と、前記マニホールド孔の端面とが、前記支持フレーム本体よりも耐加水分解性が高い樹脂層で覆われており、前記開口部と前記マニホールド孔とが設けられていない前記支持フレーム本体の両表面に耐加水分解性樹脂を塗布することによって前記樹脂層を形成する塗布工程と、前記塗布工程の後に、前記マニホールド孔と前記開口部とを形成するように前記樹脂層の一部を打ち抜く打ち抜き工程と、前記マニホールド孔の端面と前記開口部の端面とを覆うように前記樹脂層を折り曲げる折り曲げ工程と、を備える。また、本発明は、以下の形態としても実現できる。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池セルが提供される。この燃料電池セルは、膜電極接合体を含む発電体と；前記発電体の外周に配置された枠状の支持フレームと、を備え；前記支持フレームは、樹脂製の支持フレーム本体を有し、前記支持フレーム本体は、前記発電体を収納する開口部と、反応ガスまたは冷却水が流通するマニホールド孔とを有し；前記支持フレーム本体の両表面と、前記開口部の端面と、前記マニホールド孔の端面とが、前記支持フレーム本体よりも耐加水分解性が高い樹脂層で覆われている。この形態の燃料電池セルによれば、支持フレーム本体の両表面と開口部の端面とマニホールド孔の端面とが、耐加水分解性の高い樹脂層で覆われているため、生成水や冷却水が支持フレーム本体に接触することを抑制することができる。そのため、生成水や冷却水の接触に起因して、支持フレームの強度が低下することを抑制することができる。

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、燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックや燃料電池としての形態の他、燃料電池セルの製造方法としての形態で実現することができる。

燃料電池セルの説明図である。 支持フレームの平面図である。 図２をＩＩＩ−ＩＩＩラインで切断した断面図である。 支持フレームの製造方法を示す説明図である。 支持フレームの製造方法を示す説明図である。 第２実施形態における支持フレームの製造方法の工程を示す説明図である。 第２実施形態における支持フレームの製造方法の工程を示す説明図である。 第２実施形態における支持フレームの製造方法の工程を示す説明図である。 第３実施形態における支持フレームの製造方法の工程を示す説明図である。 第３実施形態における支持フレームの製造方法の工程を示す説明図である。 第３実施形態における支持フレームの製造方法の工程を示す説明図である。 第３実施形態における支持フレームの製造方法の工程を示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池セル１００の説明図である。燃料電池セル１００は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子型の燃料電池セルである。燃料電池セル１００は、発電体１０と支持フレーム２０とを挟持する一対のセパレータ４０、５０とを備える。図１には互いに直行するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を示している。これらの軸は図２以降に示した軸に対応している。

発電体１０は、電解質膜（図示せず）と、電解質膜の両面にそれぞれ隣接して形成された触媒層（図示せず）と、ガス拡散層（図示せず）とを備える。電解質膜は湿潤状態において良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である。電解質膜は、例えば、フッ素系樹脂のイオン交換膜によって構成される。触媒層は水素と酸素の化学反応を促進する触媒と、触媒を担持したカーボン粒子とを備える。この電解質膜、触媒層を合わせて、膜電極接合体（ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ））ともいう。

ガス拡散層は、それぞれ触媒層側の面に隣接して設けられている。ガス拡散層は、電極反応に用いられる反応ガスを電解質膜の面方向に沿って拡散させる層であり、多孔質の拡散層用基材により構成されている。拡散層用基材としては、炭素繊維基材や黒鉛繊維基材、発砲金属など、導電性及びガス拡散性を有する多孔質の基材が用いられる。この電解質膜、触媒層、ガス拡散層を合わせて、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｇａｓｓ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ−ｌａｙｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ））ともいう。

支持フレーム２０は、発電体１０の外周に配置された枠状の樹脂部材である。一対のセパレータ４０、５０は、膜電極接合体を含む発電体１０と支持フレーム２０とを挟持する。セパレータ４０、５０は例えば、ステンレス鋼やチタン、あるいはそれらの合金からなる金属板をプレス成型することによって形成されている。

支持フレーム２０およびセパレータ４０、５０はマニホールド孔３０を有する。マニホールド孔３０は、反応ガスまたは冷却水が流通する。

図２は、支持フレーム２０の平面図である。支持フレーム２０には、マニホールド孔３０と開口部３１とが形成されている。開口部３１は、発電体１０を収納する部位である。

図３は、図２をＩＩＩ−ＩＩＩラインで切断した断面図である。支持フレーム２０は、支持フレーム本体２１と樹脂層２２とを有する。図３に示すように、本実施形態では、開口部３１の外周端部は段差３２を有している。この段差３２は、発電体１０と接合するために利用される。ただし、開口部３１は、段差３２を有していなくても良い。支持フレーム本体２１は樹脂製であり、本実施形態では、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）が用いられる。ただし、支持フレーム本体２１として、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）やナイロン等の他の種々の樹脂部材も利用可能である。

樹脂層２２は、支持フレーム本体２１の２つの表面２１ａ、２１ｂと、マニホールド孔３０の端面３０ａと、開口部３１の端面３１ａとを覆うように形成されている。図３では、マニホールド孔３０の端面３０ａと、開口部３１の端面３１ａと、を覆う樹脂層２２の一部を樹脂層２３として、他の部分の樹脂層２２と異なるハッチングを付している。樹脂層２２は、支持フレーム本体２１よりも耐加水分解性が高い樹脂（以下、単に「耐加水分解性樹脂」と呼ぶ）が用いられる。本実施形態では、例えば、シリコーン系樹脂が用いられる。ただし、樹脂層２２として、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）、ポリサルホン（ＰＳＦ）等の他の種々の樹脂部材も利用可能である。

図４、図５は、本実施形態の支持フレーム２０の製造方法の工程を示す説明図である。図４、５では、図２に示した支持フレーム２０のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を用いて説明する。なお、図４に示すように、支持フレーム本体２１の両表面２１ａ、２１ｂには、予め樹脂層２２が形成されている。

図４に示すように、マニホールド孔３０の端面３０ａと開口部３１の端面３１ａとに、樹脂層２３を形成するために、耐加水分解性樹脂を塗布する塗布工程を行う。この塗布工程は、耐加水分解性樹脂を塗布具２００により直接塗布することによって行うことができる。本実施形態における、例えば、塗布具２００は、耐加水分解性樹脂を射出するノズルである。塗布具２００は特に限定されないが、刷毛やローラーを利用して樹脂を塗布しても良い。

図５に示すように、塗布工程によって樹脂層２３が形成される。塗布した耐加水分解性樹脂が形成した樹脂層２３の厚さは、例えば１００〜３００ｎｍである。なお、樹脂層２３は、支持フレーム本体２１の両表面２１ａ、２１ｂを覆う樹脂層２２と同じ樹脂材料を用いて形成することが好ましい。

以上で説明した本実施形態の燃料電池セル１００によれば、支持フレーム本体２１の両表面２１ａ、２１ｂが樹脂層２２で覆われており、また、開口部３１の端面３１ａとマニホールド孔３０の端面３０ａとも樹脂層２３で覆われているため、生成水や冷却水が支持フレーム本体２１に接触することを抑制することができる。そのため、生成水や冷却水の接触に起因して、支持フレーム２０の強度が低下することを抑制することができる。

Ｂ．第２実施形態
図６〜図８は、第２実施形態における支持フレーム２０Ａの製造方法の工程を示す説明図である。なお、支持フレーム本体２１は、図６に示すように、予めマニホールド孔３０と開口部３１とを有する部品形状に打ち抜いている。具体的には、図２に示すように、支持フレーム本体２１には、マニホールド孔３０や開口部３１が形成されている。

図６に示すように、まず、支持フレーム本体２１の全面に耐加水分解性樹脂を塗布する塗布工程を行う。この塗布工程は、耐加水分解性樹脂を塗布具２００により直接塗布することによって行うことができる。本実施形態における、塗布具２００は、耐加水分解性樹脂を射出するノズルである。塗布具２００は特に限定されないが、刷毛やローラー、ディッピングを利用して樹脂を塗布しても良い。本実施形態では、塗布工程は、マニホールド孔３０や開口部３１を埋めるように行う。

次に、図７に示すように、支持フレーム２０Ａを最終的な部品形状に打ち抜く打ち抜き工程を行う。具体的には、矢印ＰＲ方向に支持フレーム２０Ａを打ち抜く。図８に示すように、打ち抜き工程により矢印ＰＲ方向に支持フレーム２０Ａを打ち抜くことで、マニホールド孔３０と開口部３１とを形成でき、マニホールド孔３０の端面３０ａと開口部３１の端面３１ａとを覆う樹脂層２３を残すことができる。

Ｃ．第３実施形態
図９〜図１２は、第３実施形態における支持フレーム２０Ｂの製造方法の工程を示す説明図である。まず、図９に示す様態では、支持フレーム２０Ｂにマニホールド孔３０や開口部３１が形成されておらず、また、支持フレーム本体２１の両表面２１ａ、２１ｂは樹脂層２２で覆われている。ここではまず、打ち抜き刃を矢印ＰＲ方向に支持フレーム２０Ｂの２層目まで入れる打ち抜き工程を行う。次に、図１０に示すように、打ち抜き工程により支持フレーム２０Ｂの打ち抜き刃を入れた箇所を取り除く除去工程を行う。

次に、図１１に示すように、残った樹脂層２２を折り曲げる折り曲げ工程を行う。この折り曲げ工程により、マニホールド孔３０や開口部３１が形成される。最後に、図１２に示すように、折り曲げた樹脂層２２と支持フレーム２０Ｂの端面を圧着する圧着工程を行う。圧着工程は、例えば熱による圧着を行う。圧着工程を行うことで、マニホールド孔３０と開口部３１とを形成でき、マニホールド孔３０の端面３０ａと開口部３１の端面３１ａとを樹脂層２３で覆うことができる。

Ｄ．変形例：
上記実施形態において、樹脂層２２としては、耐加水分解性に優れているとともに、接着性のある、樹脂を用いるようにしても良い。このような樹脂としては、例えば、シランカップリング剤を配合されたポリプロピレンやポリエチレン、ポリオレフィンに官能基を導入した変性ポリオレフィンを用いることができる。これにより、樹脂層２２はセパレータ４０、５０と接着してシール性を確保することができる。

本発明は、上述の実施形態や変形例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、変形例中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、ある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…発電体
２０、２０Ａ、２０Ｂ…支持フレーム
２１…支持フレーム本体
２１ａ、２１ｂ…表面
２２、２３…樹脂層
３０…マニホールド孔
３０ａ、３１ａ…端面
３１…開口部
３２…段差
４０、５０…セパレータ
１００…燃料電池セル
２００…塗布具
ＰＲ…矢印

Claims (2)

1. 燃料電池セルの製造方法であって、
   前記燃料電池セルは、
   膜電極接合体を含む発電体と、
   前記発電体の外周に配置された枠状の支持フレームと、を備え、
   前記支持フレームは、樹脂製の支持フレーム本体を有し、前記支持フレーム本体は、前記発電体を収納する開口部と、反応ガスまたは冷却水が流通するマニホールド孔とを有し、
   前記支持フレーム本体の両表面と、前記開口部の端面と、前記マニホールド孔の端面とが、前記支持フレーム本体よりも耐加水分解性が高い樹脂層で覆われており、
   前記マニホールド孔と前記開口部とを埋めるように耐加水分解性樹脂を塗布することによって前記樹脂層を形成する塗布工程と、
   前記塗布工程の後に、前記マニホールド孔と前記開口部とを形成するように前記耐加水分解性樹脂を打ち抜く打ち抜き工程と、を備える、燃料電池セルの製造方法。
2. 燃料電池セルの製造方法であって、
   前記燃料電池セルは、
   膜電極接合体を含む発電体と、
   前記発電体の外周に配置された枠状の支持フレームと、を備え、
   前記支持フレームは、樹脂製の支持フレーム本体を有し、前記支持フレーム本体は、前記発電体を収納する開口部と、反応ガスまたは冷却水が流通するマニホールド孔とを有し、
   前記支持フレーム本体の両表面と、前記開口部の端面と、前記マニホールド孔の端面とが、前記支持フレーム本体よりも耐加水分解性が高い樹脂層で覆われており、
   前記開口部と前記マニホールド孔とが設けられていない前記支持フレーム本体の両表面に耐加水分解性樹脂を塗布することによって前記樹脂層を形成する塗布工程と、
   前記塗布工程の後に、前記マニホールド孔と前記開口部とを形成するように前記樹脂層の一部を打ち抜く打ち抜き工程と、
   前記マニホールド孔の端面と前記開口部の端面とを覆うように前記樹脂層を折り曲げる折り曲げ工程と、を備える燃料電池セルの製造方法。

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