JP7052593B2

JP7052593B2 - 燃料電池単セルの製造方法

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Publication number: JP7052593B2
Application number: JP2018117682A
Authority: JP
Inventors: 理恵高見; 誠安達
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-06-21
Filing date: 2018-06-21
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2038-06-21
Also published as: JP2019220374A; CN110625956B; US20190393530A1; DE102019116515A1; US11114685B2; CN110625956A

Description

本発明は、燃料電池単セルを製造する接合用金型に係り、特に、燃料電池単セルを構成する膜電極接合体の両面に、一対のセパレータを接合するための接合用金型に関する。

従来から、膜電極接合体の周りに接着材を介して樹脂フレームを設けた電極アッセンブリの両面に、一対のセパレータを配置し、樹脂フレームと各セパレータとを熱圧により接合し、燃料電池単セルを製造することがある（たとえば特許文献１参照）。

このような接合には、たとえば、第１および第２金型で構成される接合用金型を用いることが一般的である。接合の際には、セパレータが両面に配置された電極アッセンブリを、第１および第２金型の間に配置し、これを第１および第２金型で熱圧することにより、樹脂フレームが各セパレータに溶着される。

特開２０１７－１２６４５７号公報

しかしながら、第１および第２金型で、電極アッセンブリにセパレータを接合する際に、膜電極接合体に対して、樹脂フレームにモーメントが作用し、樹脂フレームに形成された開口縁に沿って、膜電極接合体を接着した接着部が、膜電極接合体から浮き上がることがあった。この浮き上がりにより、膜電極接合体と樹脂フレームとの間に隙間が形成されてしまい、これらの隙間から、膜電極接合体に流れる燃料ガスまたは酸化剤ガスがリークするおそれがある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、膜電極接合体に樹脂フレームを接着固定した電極アッセンブリの両面に、一対のセパレータを接合する際に、膜電極接合体と樹脂フレームとの接着部の浮き上がりを抑制できる燃料電池単セルを製造する接合用金型を提供する。

前記課題を解決すべく、本発明に係る燃料電池単セルを製造する接合用金型は、ガス拡散層が両面に積層された膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外周を周回するように前記膜電極接合体に接着部を介して固定された樹脂フレームと、を備えた、電極アッセンブリの両面に、一対のセパレータを配置した状態で、前記一対のセパレータを熱圧することにより、前記樹脂フレームに前記一対のセパレータを接合した燃料電池単セルを製造する接合用金型である。

前記接合用金型は、一方のセパレータに対接する第１金型と、他方のセパレータに対接する第２金型と、を備えており、前記第１金型は、前記電極アッセンブリに対接する前記一方のセパレータの中央領域を受ける中央受け部と、前記中央受け部を囲繞するように形成され、かつ、前記樹脂フレームに溶着される前記一方のセパレータの溶着領域を受ける外周受け部とを備えている。

前記第２金型は、前記電極アッセンブリに対接する前記他方のセパレータの中央領域を加圧する内型と、前記内型を囲繞するように形成され、前記樹脂フレームに溶着される前記他方のセパレータの溶着領域を熱圧する外型と、を備えており、前記内型は、前記中央領域から、前記樹脂フレームに形成された開口縁に沿って前記膜電極接合体を接着した前記接着部よりも、前記電極アッセンブリの外周側の領域まで、前記他方のセパレータを介して前記樹脂フレームを加圧するように、前記外周側の領域まで延在している。

前記のごとく構成された本発明の燃料電池単セルの接合用金型によれば、まず、第１金型に、一方のセパレータ、ガス拡散層が両面に積層された膜電極接合体、他方のセパレータを順に積層する。このとき、一方のセパレータの中央領域を、第１金型の中央受け部で受け、前記樹脂フレームに溶着される溶着領域を、第１金型の外周受け部で受けるように、一方のセパレータを配置する。

次に、第２金型の内型で、他方のセパレータの中央領域を加圧し（必要に応じて加熱し）、次いで、第２金型の外型で、他方のセパレータの溶着領域を熱圧し、樹脂フレームの溶融した樹脂で、一対のセパレータを溶着する。このとき、第２金型の外型で、他方のセパレータの溶着領域が加圧されても、第２金型の内型で、接着部よりも外側の樹脂フレームの部分と、電極アッセンブリとを押圧しているので、膜電極接合体に対して樹脂フレームにモーメントが作用することが低減される。この結果、樹脂フレームと膜電極接合体とを接着する接着部が、膜電極接合体から剥離することを回避することができる。

前記の態様では、他方のセパレータについては特に特定されるものではないが、好ましくは、前記他方のセパレータの前記外周側の領域には、ガスケットが配置されており、前記外型は、前記ガスケットの外周側を周回する前記溶着領域を熱圧するように形成されており、前記内型は、前記ガスケットを介して、前記外周側の領域を押圧するように形成されている。

この好ましい態様では、他方のセパレータに配置されたガスケットに外型が接触しないので、ガスケットは過度に加熱されないため、燃料電池スタックとして組み付けた際に、ガスケットの素材が変質することを抑え、本来の機能（弾性変形によるシール性）が阻害されない。

さらに、ガスケットを設けることにより、ガスケットの外周を周回する溶着領域の溶着幅が狭くなり、膜電極接合体に対して樹脂フレームにモーメントが作用しやすいが、このような場合であっても、第２金型の内型で、接着部よりも外側の樹脂フレームの部分（ガスケットが配置された部分）と、膜電極接合体とを押圧できるので、膜電極接合体に対して樹脂フレームにモーメントが作用することが低減される。

本発明の燃料電池単セルを製造する接合用金型によれば、膜電極接合体に樹脂フレームを接着固定した電極アッセンブリの両面に一対のセパレータを接合する際に、膜電極接合体と樹脂フレームとの接着部の浮き上がりを抑制することができる。この結果、製造された燃料電池単セルのクロスリークを防止することができ、燃料電池スタックの品質を安定させることができる。

本発明に係る燃料電池単セルを製造する接合用金型の一実施形態の機能を示す要部斜視図である。図１に示す燃料電池単セルを構成する電極アッセンブリの模式的斜視図である。図２Ａに示すＡ－Ａ線に沿う要部断面図である。図１に示す燃料電池単セルを構成する一方のセパレータの模式的斜視図である。図３Ａに示すＢ－Ｂ線に沿う要部断面図である。図１に示す燃料電池単セルを構成する他方のセパレータの模式的斜視図である。図４Ａに示すＣ－Ｃ線に沿う要部断面図である。図２Ｂに示す電極アッセンブリと、図３Ｂに示す一方のセパレータと、図４Ｂに示す他方のセパレータを接合した単セルの要部断面図である。図５に示す単セルを製造する接合用金型の要部断面図である。図６に示す接合用金型で図５に示す単セルを接合する状態の要部断面図である。図５に示す単セルを製造する接合用金型の他の実施形態の要部断面図である。図７Ａに示す他の実施形態の接合用金型で図５に示す単セルを接合する状態の要部断面図である。図５に示す単セルを製造する接合用金型の他の実施形態の要部断面図である。図８Ａに示す他の実施形態の接合用金型で図５に示す単セルを接合する状態の要部断面図である。図５に示す単セルを製造する接合用金型の他の実施形態の要部断面図である。図８Ａに示す他の実施形態の接合用金型で図５に示す単セルを接合する状態の要部断面図である。

以下、本発明に係る燃料電池単セルを製造する接合用金型の一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。

１．燃料電池単セル１について
まず、図１～図５を参照しながら、燃料電池単セル１について説明する。図１に示すように、燃料電池単セル１は、電極アッセンブリ１０と、電極アッセンブリ１０を挟持するようにその両面に接合された一対のセパレータ２０，３０とを備えている。これらを接合する接合用金型４０は、一方のセパレータ２０に対接する第１金型４１と、他方のセパレータ３０に対接する第２金型４５と、を備えている。

まず、燃料電池単セル１を構成する電極アッセンブリ１０について、図２Ａおよび図２Ｂを参照して説明する。電極アッセンブリ１０は、ガス拡散層１３ａ，１３ｂが両面に積層された膜電極接合体１１と、膜電極接合体１１の外周を周回するように膜電極接合体１１に接着部１５ａを介して固定された樹脂フレーム１５と、を備えている。

図２Ａに示すように、膜電極接合体１１は、長方形状であり、固体高分子電解質膜の一面にアノード電極と、他面にカソード電極とが接合されている。さらに、膜電極接合体１１には、両面にガス拡散層１３ａ、１３ｂが積層されている。膜電極接合体１１の中央部は矩形状であり、この部位の両面にガス拡散層１３ａ，１３ｂが形成されて発電領域１４となっている。

樹脂フレーム１５は、熱可塑性樹脂からなり、樹脂フレーム１５には、膜電極接合体１１の外周を周回するように、中央に開口部が形成されている。樹脂フレーム１５は、膜電極接合体１１の一方の面に、熱硬化性樹脂の接着部を介して固定されている。接着部１５ａは、接着剤により形成された部分であるため、樹脂フレーム１５の開口縁１５ｂに沿って内周側にはみ出した接着部１５ａが形成される。

樹脂フレーム１５は、中央開口の外周側に、燃料ガス流路を構成する開口部１６ａ，１６ｂと、酸化剤ガス流路を構成する開口部１７ａ，１７ｂと、冷媒流路を構成する開口部１８ａ，１８ｂが形成されている。本実施形態では、一方側の開口部１６ａは、燃料ガスの入口であり、他方側の開口部１６ｂは燃料ガスの出口である。また、一方側の開口部１７ａは酸化剤ガスの入口であり、他方側の開口部１７ｂは酸化剤ガスの出口となっている。さらに、一方側の中央の開口部１８ａは冷却水などの冷媒の入口であり、他方側の中央の開口部１８ｂは冷媒の出口となっている。燃料ガス、酸化剤ガス、冷媒の流路は、電極アッセンブリ１０、一対のセパレータ２０，３０との間に形成されたシール材等（図示せず）により区画されている。

電極アッセンブリ１０の両面に接合される一対のセパレータ２０，３０について図３Ａ～図４Ｂを参照して説明する。セパレータ２０，３０は、基本的には同一構成であり、アノードセパレータとカソードセパレータで構成される。

セパレータ２０，３０は、長方形状に形成された金属製の薄板から成形された部材であり、スタックされた状態の燃料電池単セル１同士の膜電極接合体１１を区画するとともに、膜電極接合体１１で発電された電力を集電する役割を果たす。セパレータ２０，３０は、チタン、チタン合金、またはステンレス鋼などの金属からなる。

セパレータ２０，３０は、電極アッセンブリ１０の膜電極接合体１１の中央に位置する発電領域１４に対応する中央領域の両面には、長手方向に沿って、複数の溝が形成されている。膜電極接合体１１に対向する側の溝には、水素ガスなどの燃料ガスまたは大気などの酸化剤ガスが流れ、スタックされた状態で、セパレータ同士が対向する側の溝には、冷媒が流れる。これにより、膜電極接合体１１の一方側から燃料ガスが供給され、他方側から酸化剤ガスが供給され、膜電極接合体１１で発電される。

図３Ａに示すように、一方のセパレータ２０には、長手方向の両側部に、それぞれ３つの開口部が形成されている。これらの開口部は、電極アッセンブリ１０の長手方向の両側に形成された開口部に対応した位置に、同じ形状で形成されている。具体的には、一方側の開口部２５ａは燃料ガスの入口であり、他方側の開口部２５ｂは燃料ガスの出口である。また、一方側の開口部２６ａは酸化剤ガスの入口であり、他方側の開口部２６ｂは酸化剤ガスの出口となっている。さらに、一方側の開口部２７ａは冷媒の入口であり、他方側の開口部２７ｂは冷媒の出口となっている。

一方のセパレータ２０は、中央領域２１を囲繞するように外周側に形成された溶着領域２２を備えており、この溶着領域２２で、樹脂フレーム１５の樹脂が溶着される。本実施形態では、図３Ｂに示すように、中央領域２１と溶着領域２２との間に段差領域２３が形成されている。図５に示すように、段差領域２３は、電極アッセンブリ１０に対向する側において凹んでおり、この段差領域２３では、電極アッセンブリ１０（具体的には、接着部１５ａに接着されたガス拡散層１３ａの部分）が非接触の状態である。

図４Ａに示すように、他方のセパレータ３０には、長手方向の両側部に、それぞれ３つの開口部が形成されている。これらの開口部は、電極アッセンブリ１０および一方のセパレータ２０の長手方向の両側部に形成された開口部に対応した位置に、同じ形状で形成されている。具体的には、一方側の開口部３５ａは燃料ガスの入口であり、他方側の開口部３５ｂは燃料ガスの出口である。また、一方側の開口部３６ａは酸化剤ガスの入口であり、他方側の開口部３６ｂは酸化剤ガスの出口となっている。さらに、一方側の開口部３７ａは冷媒の入口であり、他方側の開口部３７ｂは冷媒の出口となっている。

上方のセパレータ３０は、中央領域３１を囲繞するように外周側に形成された溶着領域３２を備えており、この溶着領域３２で、樹脂フレーム１５の樹脂が溶着される。本実施形態では、図４Ｂに示すように、中央領域３１と溶着領域３２との間に段差領域３３が形成されている。図５に示すように、段差領域３３は、電極アッセンブリ１０に対向する側において凹んでおり、この段差領域３３では、電極アッセンブリ１０（具体的には、接着部１５ａ）が非接触の状態である。段差領域３３よりもセパレータ３０の外周側かつ溶着領域３２の内周側において、具体的には後述するガスケット３４が配置された領域において、上方のセパレータ３０は、電極アッセンブリ１０に接触する。

他方のセパレータ３０は、電極アッセンブリ１０と対向する面と反対面、すなわち燃料電池単セル１の外側の表面に、ガスケット３４を備えている。ガスケット３４は、溶着領域３２よりも内側において中央領域３１と、開口部３７ａ，３７ｂとを囲うように配置されている。ガスケット３４には、平坦部３４ａと、この平坦部３４ａの外周側に、平坦部３４ａから突出した突起部３４ｂが形成されている。ガスケット３４は、燃料電池単セル１を多数個積層して固定して燃料電池スタック（図示せず）としたとき、突起部３４ｂが押圧されて変形し、隣接するセパレータ２０とのシールを確保することができる。これにより、ガスケット３４によりシールされたセパレータ２０とセパレータ３０との間に冷媒を流すことができる。

前記した図２Ｂに示される膜電極接合体１１に樹脂フレーム１５を固定した電極アッセンブリ１０と、電極アッセンブリ１０の両面に一対のセパレータ２０，３０を接合した単セル１は、図５に示されるように構成される。すなわち、セパレータ２０の中央領域２１にガス拡散層１３ａが対接し、溶着領域２２に樹脂フレーム１５が対接し、段差領域２３は、接着部１５ａに接着されたガス拡散層１３ａの部分と離間している。また、セパレータ３０の中央領域３１にガス拡散層１３ｂが対接し、溶着領域３２に樹脂フレーム１５の上面が対接し、段差領域３３は接着部１５ａと離間している。

２．接合用金型４０について
次に、前記のように構成された燃料電池単セル１を製造する接合用金型４０について、図６Ａ、図６Ｂを参照して説明する。本実施形態の接合用金型４０は、電極アッセンブリ１０の両面にセパレータ２０，３０を接合して単セル１を製造する金型であり、単セル１のセパレータ２０の下方に対接する第１金型４１と、単セル１のセパレータ３０の上方に対接する第２金型４５とを備えている。下方に位置する第１金型４１は、一つの型として形成され、図示していない台座等の上に設置される。上方の第２金型４５は、外型４５Ａと、内型４５Ｂの２部品構成となっている。

第１金型４１は、電極アッセンブリ１０に対接する一方のセパレータ２０の中央領域２１を受ける中央受け部４１ａと、中央受け部４１ａを囲繞するように形成され、かつ、樹脂フレーム１５に溶着される下方のセパレータ２０の溶着領域２２を受ける外周受け部４１ｂとを備えている。

具体的には、中央受け部４１ａは、燃料ガスまたは酸化剤ガスを流通させる流路を構成する溝部が形成されたセパレータ２０の中央領域２１を支持するように形成され、外周受け部４１ｂは、外周の溶着領域２２を受けるように形成されている。中央受け部４１ａと外周受け部４１ｂとの間には、中央受け部４１ａの外周に沿って陥没部４１ｃがさらに形成されている。

第１金型４１には、電極アッセンブリ１０およびセパレータ２０を接合するための加熱部４３が内蔵されている。加熱部４３は、第１金型４１を加熱するものであれば、蒸気式、通電式等のいずれの形態であってもよい。セパレータ２０を介して電極アッセンブリ１０の樹脂フレーム１５の樹脂を溶融する温度まで、セパレータ２０を加熱するように、加熱温度を設定している。

第２金型４５は、電極アッセンブリ１０に対接するセパレータ３０の中央領域３１を加圧する内型４５Ｂと、内型４５Ｂを囲繞するように形成され、電極アッセンブリ１０の樹脂フレーム１５に溶着されるセパレータ３０の溶着領域３２を熱圧する外型４５Ａと、を備えている。外型４５Ａは、セパレータ３０の溶着領域３２と対接する外周加圧部４５ｄを備えており、この外周加圧部４５ｄでセパレータ３０の溶着領域３２を熱圧する。

内型４５Ｂは、セパレータ３０の中央領域３１と対接して加圧する中央加圧部４５ｃを備えている。中央加圧部４５ｃには、セパレータ３０の中央領域３１から樹脂フレーム１５に形成された開口縁に沿って膜電極接合体１１に接着された接着部１５ａよりも、電極アッセンブリ１０の外周側の領域まで、セパレータ３０を介して樹脂フレーム１５を加圧するように、外周側の領域まで延在した延在部４５ｅが形成されている。

第２金型４５の中央に位置する内型４５Ｂと、内型４５Ｂの外周に位置する外型４５Ａとは、独立して移動が可能なように、内型４５Ｂの外周にクリアランスＣＬが形成されている。内型４５Ｂと外型４５Ａは、それぞれ図示していないアクチュエータにより上下方向に移動可能であり、燃料電池単セル１を接合する際に、それぞれの押圧力を調整できるように構成されている。本実施形態の接合用金型４０では、反り矯正をする内型４５Ｂの押圧力は、セパレータ３０を熱圧する外型４５Ａの押圧力よりも、大きくなるように設定されている。

第２金型４５の外型４５Ａには電極アッセンブリ１０およびセパレータ３０を加熱する加熱部４７が内蔵されている。加熱部４７は、第２金型４５（の外型４５Ａ）を加熱するものであれば、蒸気式、通電式等のいずれの形態であってもよい。加熱部４７は、外周加圧部４５ｄを加熱し、電極アッセンブリ１０の樹脂フレーム１５の樹脂を溶融する温度まで、セパレータ３０を加熱するように、加熱温度を設定している。

第１金型４１は、台座等に載置される底面はフラットに形成されている。セパレータ２０が接触する第１金型４１の接触面は、セパレータ２０の溶着領域２２と対接するように突出した外周受け部４１ｂの表面と、中央領域２１と対接する中央受け部４１ａの表面である。中央受け部４１ａと外周受け部４１ｂとの間に形成された陥没部４１ｃの表面は、セパレータ２０の段差領域２３から離間して、段差領域２３に対して非接触となる。

第２金型４５では、セパレータ３０に加圧または熱圧される表面は、外型４５Ａの外周加圧部４５ｄの表面と、内型４５Ｂの中央加圧部４５ｃの表面であり、外周加圧部４５ｄの幅は、数ｍｍ程度（１～３ｍｍ）になっている。外周加圧部４５ｄと、中央加圧部４５ｃとの間には、上方に凹んだ陥没部４５ｆが形成されている。陥没部４５ｆにより形成された空間により、接合時に、ガスケット３４が、外型４５Ａに接触することを回避するとともに、外周加圧部４５ｄからセパレータ３０に介して伝達される熱を、陥没部４５ｆにより形成された空間で放熱することができる。

３．接合用金型４０による接合方法について
以下に、接合用金型４０を用いた接合方法について説明する。台座等の上に設置された第１金型４１の上に一方のセパレータ２０を載置する。セパレータ２０の中央領域２１が中央受け部４１ａで支持され、中央受け部４１ａを囲繞するように形成される溶着領域２２が外周受け部４１ｂで支持される。なお、中央受け部４１ａと外周受け部４１ｂとの間に段差で形成された陥没部４１ｃの表面は、セパレータ２０から離間している。

次に、第１金型４１に載置されたセパレータ２０の上に、電極アッセンブリ１０を載置する。電極アッセンブリ１０に接着部を介して固定された樹脂フレーム１５は、セパレータ２０の溶着領域２２と対接し、第１金型４１の外周受け部４１ｂで支持される。膜電極接合体１１のガス拡散層１３ａは、セパレータ２０の中央領域２１と対接して中央受け部４１ａで支持される。陥没部４１ｃの表面はガス拡散層１３ａと離間している。

このあと、電極アッセンブリ１０の上に、セパレータ３０を載置する。セパレータ３０の中央領域３１が電極アッセンブリ１０の膜電極接合体１１に形成されたガス拡散層１３ｂと対接し、セパレータ３０の溶着領域３２が樹脂フレーム１５と対接する。

次いで、第２金型４５をアクチュエータで下降させ、内型４５Ｂの中央加圧部４５ｃがセパレータ３０の中央領域３１を押圧する。次に、セパレータ３０の中央領域３１を押圧した状態で、アクチュエータで外型４５Ａを下降させ、外型４５Ａをセパレータ３０の溶着領域３２に当接させた状態で押圧力を強く付与する。

第１金型４１は、外周受け部４１ｂが加熱され、第２金型４５は、外型４５Ａが加熱されている。このため、セパレータ２０，３０の中央領域２１，３１の反りなどが矯正された状態で、外周の溶着領域２２，３２では、樹脂フレーム１５の樹脂が溶融し、セパレータ２０の溶着領域２２，３２は、電極アッセンブリ１０の樹脂フレーム１５に接合される。

接合用金型４０による接合の際には、まず、中央受け部４１ａと、内型４５Ｂの中央加圧部４５ｃとで、セパレータ２０と電極アッセンブリ１０とセパレータ３０とを挟み込むので、これらの部材が固定される。このあと、外型４５Ａを下降させて溶着領域２２，３２を加熱して接合するため、セパレータ２０と電極アッセンブリ１０とセパレータ３０は位置ずれが防止され、精度よく接合することができる。

このように、第１金型４１の外周受け部４１ｂと、第２金型４５の外型４５Ａの外周加圧部４５ｄで、電極アッセンブリ１０の樹脂フレーム１５に、セパレータ２０の溶着領域２２とセパレータ３０の溶着領域３２とを挟み込んで、これらを熱圧して溶着する。この熱圧の際には、樹脂フレーム１５には、図６Ｂに示す反時計方向のモーメントＭが作用する。具体的には、モーメントＭは、樹脂フレーム１５と膜電極接合体１１との接着部１５ａを、膜電極接合体１１から剥離する方向に作用する。特に、セパレータ３０の中央領域３１の外周にガスケット３４を設けると、ガスケット３４の外周を周回する溶着領域３２の溶着幅が確保し難いため、溶着幅は狭くなり、このようなモーメントＭが、発生し易い。

しかしながら、第２金型４５の内型４５Ｂは、接着部１５ａよりも外周側に延在した延在部４５ｅを設けているので、延在部４５ｅは、接着部１５ａよりも外側の樹脂フレーム１５の部分と、電極アッセンブリ１０とを押圧することができる。これにより、膜電極接合体１１に対して樹脂フレーム１５にモーメントが作用することが低減され、膜電極接合体１１に対して樹脂フレーム１５が浮き上がることを防止することができる。このような結果、樹脂フレーム１５と膜電極接合体１１とを接着する接着部１５ａが、膜電極接合体１１から剥離することを回避することができる。

外型４５Ａと内型４５Ｂとの間にクリアランスＣＬを設けることで、外型４５Ａの熱が内型４５Ｂに伝達さ難いため、膜電極接合体１１が高温に加熱されることを回避することができる。

次に、本発明に係る接合用金型の他の実施形態を図７Ａ、図７Ｂを参照して説明する。本実施形態の接合用金型が、図６Ａ、図６Ｂに示すものと相違する点は、第２金型４５の内型である。したがって、実質的に同等の構成については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

図７Ａおよび図７Ｂに示すように、外型４５Ａは、ガスケット３４の外周側を周回する溶着領域３２を熱圧するように形成されており、外型４５Ａは、図６Ａ、図６Ｂに示す外型と同じ構造である。一方、内型４５Ｂは、ガスケット３４を介して、接着部１５ａよりも、電極アッセンブリ１０の外周側の領域まで、セパレータ３０の外周側の領域を押圧するように形成されている。

具体的には、内型４５Ｂの延在部４５ｅは、樹脂フレーム１５の開口縁に沿って膜電極接合体１１を接着した接着部１５ａよりも、電極アッセンブリ１０のさらに外周側の領域に配置されたガスケット３４まで延在している。これにより、接合時には、図７Ｂに示すように、延在部４５ｅにより、ガスケット３４が押圧される。

この実施形態においては、電極アッセンブリ１０の両面に一対のセパレータ２０，３０を接合する際に、外型４５Ａによりセパレータ３０を押圧する位置により近い位置にあるガスケット３４を内型４５Ｂの延在部４５ｅで押圧する。このため、外型４５Ａにより熱圧した際に、膜電極接合体１１に接着された樹脂フレーム１５に、モーメントＭがさらに作用し難い。

さらに、ガスケット３４は、外型４５Ａではなく、内型４５Ｂで押圧されるため、ガスケット３４は過度に加熱されない。このため、電極アッセンブリ１０にセパレータ２０，３０が接合された燃料電池単セル１を、多数個積層して燃料電池スタックを組み付けた際に、ガスケット３４の品質を確保し、ガスケット３４のシール性が阻害されない。

次に、本発明に係る接合用金型の他の実施形態を図８Ａ、図８Ｂを参照して説明する。本実施形態の接合用金型が、図６Ａ、図６Ｂに示すものと相違する点は、第１金型４１および第２金型４５の内型であり、セパレータ２０，３０と接触する部分が断熱材からなる点である。したがって、実質的に同等の構成については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

図８Ａおよび図８Ｂに示すように、第１金型４１の形状は、図６Ａおよび図６Ｂに示す第１金型４１と同じであるが、以下の点が相違する。具体的には、第１金型４１のうち、セパレータ２０の中央領域２１と対接する中央受け部４１ａが、断熱材からなる。断熱材は、第１金型４１の本体を構成する金属よりも熱伝導性が低い材料からなり、たとえば、多孔質のセラミックスなどを挙げることができる。

また、第２金型４５の形状は、図６Ａおよび図６Ｂに示す第２金型４５と同じであるが、内型４５Ｂのうち、セパレータ３０の中央領域３１と対接する中央加圧部４５ｃと、これに連続して延在する延在部４５ｅが、断熱材からなる。断熱材は、内型４５Ｂの本体を構成する金属よりも熱伝導性が低い材料からなり、たとえば、多孔質のセラミックスなどを挙げることができる。

この実施形態によれば、第１金型４１の中央受け部４１ａと、第２金型４５の中央加圧部４５ｃおよび延在部４５ｅが断熱材からなるので、第１金型４１の加熱部４３からの熱および第２金型４５の加熱部４７からの熱が、セパレータ２０，３０を介して、電極アッセンブリ１０の膜電極接合体１１に伝達されることを抑えることができる。これにより、燃料電池単セル１の発電性能の低下を抑えることができる。

なお、本実施形態では、第２金型４５の中央加圧部４５ｃおよび延在部４５ｅが断熱材からなるが、たとえば、延在部４５ｅのみが断熱材からなってもよい。これにより、膜電極接合体１１の周縁に、第２金型４５の加熱部４７からの熱が伝達されることを抑えることができる。これにより、熱による接着部１５ａの接着強度の低下を抑えることができる。

次に、本発明に係る接合用金型の他の実施形態を図９Ａ、図９Ｂを参照して説明する。本実施形態の接合用金型が、図６Ａ、図６Ｂに示すものと相違する点は、第１金型４１および第２金型４５の内型の形状である。したがって、実質的に同等の構成については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

図９Ａおよび図９Ｂに示すように、本実施形態では、第１金型４１の形状は、図６Ａおよび図６Ｂに示す第１金型４１の形状と異なる。具体的には、第１金型４１のうち、セパレータ２０の中央領域２１と対接する中央受け部４１ａに、凹溝などの複数の凹部４１ｈが形成されている。また、第２金型４５の形状は、図６Ａおよび図６Ｂに示す第２金型４５の形状と異なり、内型４５Ｂのうち、セパレータ３０の中央領域３１と対接する中央加圧部４５ｃに、凹溝などの複数の凹部４５ｇが形成されている。

この実施形態によれば、第１金型４１の中央受け部４１ａと、第２金型４５の中央加圧部４５ｃに凹部４１ｈ，４５ｇを設けることにより、第１金型４１の中央受け部４１ａと、第２金型４５の中央加圧部４５ｃが、セパレータ２０，３０に接触する面積を低減することができる。これにより、第１金型４１の加熱部４３からの熱および第２金型４５の加熱部４７からの熱が、セパレータ２０，３０を介して、電極アッセンブリ１０の膜電極接合体１１に伝達されることを抑えることができる。このような結果、燃料電池単セル１の発電性能の低下を抑えることができる。第２金型４５の延在部４５ｅにも、凹部を設ければ、膜電極接合体１１の周縁に、第２金型４５の加熱部４７からの熱が伝達されることをさらに抑えることができる。これにより、熱による接着部１５ａの接着強度の低下を抑えることができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記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精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１：燃料電池単セル、１０：電極アッセンブリ、１１：膜電極接合体、１３ａ，１３ｂ：ガス拡散層、１５：樹脂フレーム、１５ａ：接着部、２０，３０：セパレータ、２１，３１：中央領域、２２，３２：溶着領域、３４：ガスケット、４０，５０：接合用金型、４１：第１金型、４１ａ：中央受け部、４１ｂ：外周受け部、４３，４７：加熱部、４５，５５：第２金型、４５Ａ，５５Ａ：外型、４５Ｂ，５５Ｂ：内型、４５ｃ：中央加圧部、４５ｄ：外周加圧部、４５ｅ：延在部

Claims

ガス拡散層が両面に積層された膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外周を周回するように前記膜電極接合体に接着部を介して固定された樹脂フレームと、を備えた、電極アッセンブリの両面に、一対のセパレータを配置した状態で、接合用金型を用いて、前記一対のセパレータを熱圧することにより、前記樹脂フレームに前記一対のセパレータを接合した燃料電池単セルの製造方法であり、
前記接合用金型は、一方のセパレータに対接する第１金型と、他方のセパレータに対接する第２金型と、を備えており、
前記第１金型は、
前記電極アッセンブリに対接する前記一方のセパレータの中央領域を受ける中央受け部と、
前記中央受け部を囲繞するように形成され、前記樹脂フレームに溶着される前記一方のセパレータの溶着領域を受ける外周受け部と、
を備えており、
前記第２金型は、
前記電極アッセンブリに対接する前記他方のセパレータの中央領域を加圧する内型と、
前記内型を囲繞するように形成され、前記樹脂フレームに溶着される前記他方のセパレータの溶着領域を熱圧する外型と、
を備えており、
前記燃料電池単セルの製造方法において、
前記電極アッセンブリの両面に、前記一対のセパレータを配置した状態で、前記一方のセパレータの前記中央領域を、前記第１金型の前記中央受け部で受け、前記樹脂フレームに溶着される溶着領域を、前記第１金型の前記外周受け部で受けるように、前記一方のセパレータを前記第１金型に配置し、
前記内型を用いて、前記中央領域から、前記樹脂フレームに形成された開口縁に沿って前記膜電極接合体を接着した前記接着部よりも、前記電極アッセンブリの外周側の領域まで、前記他方のセパレータを介して前記樹脂フレームを加圧し、前記外型を用いて、前記他方のセパレータの前記溶着領域を熱圧することを特徴とする燃料電池単セルの製造方法。
前記他方のセパレータの前記外周側の領域に、ガスケットを配置し、
前記内型を用いて、前記ガスケットを介して、前記外周側の領域を押圧し、
前記外型を用いて、前記ガスケットの外周側を周回する前記溶着領域を熱圧することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池単セルの製造方法。