JPH07235314A - 固体高分子型燃料電池の単電池およびその製造方法 - Google Patents
固体高分子型燃料電池の単電池およびその製造方法Info
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- JPH07235314A JPH07235314A JP6047909A JP4790994A JPH07235314A JP H07235314 A JPH07235314 A JP H07235314A JP 6047909 A JP6047909 A JP 6047909A JP 4790994 A JP4790994 A JP 4790994A JP H07235314 A JPH07235314 A JP H07235314A
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- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
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- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 電解質膜とフレームとのシールの信頼性を向
上させ、燃料ガスの漏洩を防止する。 【構成】 樹脂により形成された一対のフレーム１００
を、その発電孔１１０の周囲に設けられた突出部１１２
で電解質膜２０の外縁部を挟持するように、かつ、燃料
孔１２０の周囲に設けられた突出部１２２と燃料孔１３
０の周囲に設けられた１３２とが整合するように重ね合
わせる。この状態で、一方のフレーム１００に超音波振
動を与え、各突出部を溶着して溶着部１１５および１２
５として電解質膜２０と一対のフレーム１００とを一体
とする。この結果、電解質膜２０と一対のフレーム１０
０とのシールを信頼性の高いものとすることができる。
また、フレーム１００と他の部材とのシールを十分なも
のとすることにより、燃料ガスが電解質膜２０の反対側
へ漏洩するのを防止することができる。
上させ、燃料ガスの漏洩を防止する。 【構成】 樹脂により形成された一対のフレーム１００
を、その発電孔１１０の周囲に設けられた突出部１１２
で電解質膜２０の外縁部を挟持するように、かつ、燃料
孔１２０の周囲に設けられた突出部１２２と燃料孔１３
０の周囲に設けられた１３２とが整合するように重ね合
わせる。この状態で、一方のフレーム１００に超音波振
動を与え、各突出部を溶着して溶着部１１５および１２
５として電解質膜２０と一対のフレーム１００とを一体
とする。この結果、電解質膜２０と一対のフレーム１０
０とのシールを信頼性の高いものとすることができる。
また、フレーム１００と他の部材とのシールを十分なも
のとすることにより、燃料ガスが電解質膜２０の反対側
へ漏洩するのを防止することができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、固体高分子型燃料電池
の単電池およびその製造方法に関し、詳しくは樹脂によ
り形成されたフレームで電解質膜を支持してなる固体高
分子型燃料電池の単電池およびその製造方法に関する。
の単電池およびその製造方法に関し、詳しくは樹脂によ
り形成されたフレームで電解質膜を支持してなる固体高
分子型燃料電池の単電池およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種の燃料電池としては、溶融
プラスチックによりフレームを射出成形する際に、電解
質膜の外縁部を溶融プラスチックに噛み合わせることに
より電解質膜とフレームとを一体化するものが提案され
ている（例えば、特開昭６２−２５６３８０号公報）。
この燃料電池では、電解質膜の外縁部に複数の穴が形成
されており、この複数の穴に溶融プラスチックが注入さ
れて冷却固化することにより、電解質膜がフレームに固
定されて一体化される。また、電解質膜とフレームとの
シールは、溶融プラスチックが冷却固化する際に生じる
収縮により、フレームが電解質膜を圧着してなされると
されている。
プラスチックによりフレームを射出成形する際に、電解
質膜の外縁部を溶融プラスチックに噛み合わせることに
より電解質膜とフレームとを一体化するものが提案され
ている（例えば、特開昭６２−２５６３８０号公報）。
この燃料電池では、電解質膜の外縁部に複数の穴が形成
されており、この複数の穴に溶融プラスチックが注入さ
れて冷却固化することにより、電解質膜がフレームに固
定されて一体化される。また、電解質膜とフレームとの
シールは、溶融プラスチックが冷却固化する際に生じる
収縮により、フレームが電解質膜を圧着してなされると
されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この燃
料電池では、電解質膜とフレームとの間に十分なシール
力が得られない場合が生じるという問題があった。電解
質膜とフレームとのシール力は、溶融プラスチックの収
縮の程度によって定まり、この収縮の程度は、溶融プラ
スチックの種類や溶融温度等によって定まる。このた
め、用いるプラスチックの種類や溶融温度等によって
は、冷却固化時に十分な収縮が得られず、収縮による電
解質膜とフレームとの圧着力より燃料ガスの圧力の方が
大きくなり、燃料ガスが電解質膜の反対側に漏れてしま
う。この燃料ガスの漏れは、燃料電池の運転効率や信頼
性を低下させる。
料電池では、電解質膜とフレームとの間に十分なシール
力が得られない場合が生じるという問題があった。電解
質膜とフレームとのシール力は、溶融プラスチックの収
縮の程度によって定まり、この収縮の程度は、溶融プラ
スチックの種類や溶融温度等によって定まる。このた
め、用いるプラスチックの種類や溶融温度等によって
は、冷却固化時に十分な収縮が得られず、収縮による電
解質膜とフレームとの圧着力より燃料ガスの圧力の方が
大きくなり、燃料ガスが電解質膜の反対側に漏れてしま
う。この燃料ガスの漏れは、燃料電池の運転効率や信頼
性を低下させる。
【０００４】本発明の固体高分子型燃料電池の単電池お
よびその製造方法は、こうした問題を解決し、電解質膜
とフレームとを完全にシールすることにより燃料電池の
運転効率と信頼性を高くすることを目的とし、次の構成
を採った。
よびその製造方法は、こうした問題を解決し、電解質膜
とフレームとを完全にシールすることにより燃料電池の
運転効率と信頼性を高くすることを目的とし、次の構成
を採った。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の固体高分子型燃
料電池の単電池およびその製造方法は、樹脂により形成
されたフレームで電解質膜の縁を支持してなる固体高分
子型燃料電池の単電池において、前記フレームに支持部
を設けると共に、該支持部が前記電解質膜の縁に溶着さ
れてなることを特徴とする。
料電池の単電池およびその製造方法は、樹脂により形成
されたフレームで電解質膜の縁を支持してなる固体高分
子型燃料電池の単電池において、前記フレームに支持部
を設けると共に、該支持部が前記電解質膜の縁に溶着さ
れてなることを特徴とする。
【０００６】ここで、前記固体高分子型燃料電池の単電
池において、前記支持部は、枠状に突出した突出部であ
る構成とすることもできる。
池において、前記支持部は、枠状に突出した突出部であ
る構成とすることもできる。
【０００７】本発明の固体高分子型燃料電池の単電池の
製造方法は、樹脂により形成されたフレームで電解質膜
の縁を支持してなる固体高分子型燃料電池の単電池の製
造方法において、複数の組付工程のうちに、少なくとも
前記フレームと前記電解質膜の縁とを溶着する溶着工程
を有することを要旨とする。
製造方法は、樹脂により形成されたフレームで電解質膜
の縁を支持してなる固体高分子型燃料電池の単電池の製
造方法において、複数の組付工程のうちに、少なくとも
前記フレームと前記電解質膜の縁とを溶着する溶着工程
を有することを要旨とする。
【０００８】ここで、前記単電池の製造方法において、
前記溶着工程は、超音波溶着法による溶着である構成と
することもできる。
前記溶着工程は、超音波溶着法による溶着である構成と
することもできる。
【０００９】
【作用】以上のように構成された本発明の固体高分子型
燃料電池の単電池は、フレームに設けられた支持部と電
解質膜の縁とが溶着されているので、フレームと電解質
膜とのシールは十分なものとなる。したがって、フレー
ムと他の部材とのシールを十分なものとすれば、燃料ガ
スの漏洩を容易に防止することができる。
燃料電池の単電池は、フレームに設けられた支持部と電
解質膜の縁とが溶着されているので、フレームと電解質
膜とのシールは十分なものとなる。したがって、フレー
ムと他の部材とのシールを十分なものとすれば、燃料ガ
スの漏洩を容易に防止することができる。
【００１０】本発明の固体高分子型燃料電池の製造方法
では、溶着工程でフレームと電解質膜の縁とが溶着され
るので、単電池を組付る際の電解質膜の取り扱いが容易
となり、作業性が向上する。
では、溶着工程でフレームと電解質膜の縁とが溶着され
るので、単電池を組付る際の電解質膜の取り扱いが容易
となり、作業性が向上する。
【００１１】
【実施例】以上説明した本発明の構成・作用を一層明ら
かにするために、以下本発明の好適な実施例について説
明する。図１は、本発明の好適な一実施例である固体高
分子型燃料電池の単電池１０を構成する電解質膜２０と
一対のフレーム１００とを溶着により一体化する前後の
様子を示した説明図である。図２は、この電解質膜２０
と一体化した一対のフレーム１００を用いた単電池１０
の断面構造の一部を例示した部分断面図である。まず、
単電池１０の構造全体から説明する。
かにするために、以下本発明の好適な実施例について説
明する。図１は、本発明の好適な一実施例である固体高
分子型燃料電池の単電池１０を構成する電解質膜２０と
一対のフレーム１００とを溶着により一体化する前後の
様子を示した説明図である。図２は、この電解質膜２０
と一体化した一対のフレーム１００を用いた単電池１０
の断面構造の一部を例示した部分断面図である。まず、
単電池１０の構造全体から説明する。
【００１２】図２に示すように、単電池１０は、電解質
膜２０と、電解質膜２０の外縁部を支持する一対のフレ
ーム１００と、電解質膜２０を両側から挟んでサンドイ
ッチ構造とする２つの電極３０と、このサンドイッチ構
造をさらに両側から挟むと共に電極３０とで燃料ガスの
流路を形成する２つの集電極５０と、両集電極５０の外
側に配置され単電池１０を積層する際の隔壁をなすセパ
レータ２００と、シール部材３００とにより構成されて
いる。
膜２０と、電解質膜２０の外縁部を支持する一対のフレ
ーム１００と、電解質膜２０を両側から挟んでサンドイ
ッチ構造とする２つの電極３０と、このサンドイッチ構
造をさらに両側から挟むと共に電極３０とで燃料ガスの
流路を形成する２つの集電極５０と、両集電極５０の外
側に配置され単電池１０を積層する際の隔壁をなすセパ
レータ２００と、シール部材３００とにより構成されて
いる。
【００１３】電解質膜２０は、高分子材料、例えばフッ
素系樹脂により形成されたイオン交換膜であり、湿潤状
態で良好な電気伝導性を示す。２つの電極３０は、共に
炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形
成されており、このカーボンクロスには、触媒としての
白金または白金と他の金属からなる合金等を担持したカ
ーボン粉がクロスの電解質膜２０側の表面および隙間に
練り込まれている。この電解質膜２０と２つの電極３０
は、２つの電極３０が電解質膜２０を挟んでサンドイッ
チ構造とした状態で、１２０℃ないし１６０℃好ましく
は１４５℃ないし１５５℃の温度で、５０００ｋＰａな
いし１５０００ｋＰａ好ましくは８０００ｋＰａないし
１２０００ｋＰａの圧力を作用して接合するホットプレ
ス法により接合されている。なお、実施例では、２つの
電極３０をカーボンクロスにより形成したが、炭素繊維
からなるカーボンペーパーまたはカーボンフェルトによ
り形成する構成も好適である。
素系樹脂により形成されたイオン交換膜であり、湿潤状
態で良好な電気伝導性を示す。２つの電極３０は、共に
炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形
成されており、このカーボンクロスには、触媒としての
白金または白金と他の金属からなる合金等を担持したカ
ーボン粉がクロスの電解質膜２０側の表面および隙間に
練り込まれている。この電解質膜２０と２つの電極３０
は、２つの電極３０が電解質膜２０を挟んでサンドイッ
チ構造とした状態で、１２０℃ないし１６０℃好ましく
は１４５℃ないし１５５℃の温度で、５０００ｋＰａな
いし１５０００ｋＰａ好ましくは８０００ｋＰａないし
１２０００ｋＰａの圧力を作用して接合するホットプレ
ス法により接合されている。なお、実施例では、２つの
電極３０をカーボンクロスにより形成したが、炭素繊維
からなるカーボンペーパーまたはカーボンフェルトによ
り形成する構成も好適である。
【００１４】一対のフレーム１００は、樹脂（例えば、
熱硬化性樹脂，ポリフェリンサルファイド，ポリアミ
ド，ポリフェニレンオチサイド等）により形成されてい
る。一対のフレーム１００は、図１（ａ）および（ｂ）
に示すように、電解質膜２０の外縁部を一対のフレーム
１００の表面に形成された突出部１１２で挟持した状態
で溶着して溶着部１１５とすると共に、同じく向かい合
う一対のフレーム１００の表面に形成された突出部１２
２と１３２を溶着して溶着部１２５として電解質膜２０
と一体化されている。電解質膜２０と一体化される前の
フレーム１００を図３ないし図５に示す。図３は、溶着
される前のフレーム１００の外観を例示した斜視図であ
る。図４は、図３に示したフレーム１００を裏面（図３
中、矢印Ｉ方向）から見た斜視図である。図５は、図３
のフレーム１００の断面Ａ−Ａ，断面Ｂ−Ｂ，断面Ｃ−
Ｃを示した断面図である。
熱硬化性樹脂，ポリフェリンサルファイド，ポリアミ
ド，ポリフェニレンオチサイド等）により形成されてい
る。一対のフレーム１００は、図１（ａ）および（ｂ）
に示すように、電解質膜２０の外縁部を一対のフレーム
１００の表面に形成された突出部１１２で挟持した状態
で溶着して溶着部１１５とすると共に、同じく向かい合
う一対のフレーム１００の表面に形成された突出部１２
２と１３２を溶着して溶着部１２５として電解質膜２０
と一体化されている。電解質膜２０と一体化される前の
フレーム１００を図３ないし図５に示す。図３は、溶着
される前のフレーム１００の外観を例示した斜視図であ
る。図４は、図３に示したフレーム１００を裏面（図３
中、矢印Ｉ方向）から見た斜視図である。図５は、図３
のフレーム１００の断面Ａ−Ａ，断面Ｂ−Ｂ，断面Ｃ−
Ｃを示した断面図である。
【００１５】図３に示すように、フレーム１００は正方
形の薄板状に形成されており、フレーム１００の中央に
は、電解質膜２０および電極３０等により形成される発
電層を配置する正方形の孔（発電孔）１１０が形成され
ている。また、フレーム１００の四隅には、単電池１０
を積層した際に積層体を貫通する冷却媒体（例えば、純
水，代替フロン，絶縁油等）の流路をなす円形の孔（冷
却孔）１４０が形成されている。このフレーム１００の
四隅に形成された各冷却孔１４０の相互間には、単電池
１０を積層した際に積層体を貫通する燃料ガスの流路を
なす矩形の燃料孔１２０および１３０が形成されてい
る。これらの孔の周囲には、孔から一定距離の位置に断
面が半円形の枠状の突出部１１２，１２２，１３２，１
４２が形成されている（図５（ａ）および（ｂ）参
照）。
形の薄板状に形成されており、フレーム１００の中央に
は、電解質膜２０および電極３０等により形成される発
電層を配置する正方形の孔（発電孔）１１０が形成され
ている。また、フレーム１００の四隅には、単電池１０
を積層した際に積層体を貫通する冷却媒体（例えば、純
水，代替フロン，絶縁油等）の流路をなす円形の孔（冷
却孔）１４０が形成されている。このフレーム１００の
四隅に形成された各冷却孔１４０の相互間には、単電池
１０を積層した際に積層体を貫通する燃料ガスの流路を
なす矩形の燃料孔１２０および１３０が形成されてい
る。これらの孔の周囲には、孔から一定距離の位置に断
面が半円形の枠状の突出部１１２，１２２，１３２，１
４２が形成されている（図５（ａ）および（ｂ）参
照）。
【００１６】また、フレーム１００の突出部１１２等が
形成された面の裏面の発電孔１１０と燃料孔１２０との
間には、図４および図５（ｃ）に示すように、燃料孔１
３０の長手方向に沿って平行に配置された溝１２８が形
成されている。この溝１２８は、単電池１０が組み立て
られたときに燃料ガスの通路となる（図２参照）。
形成された面の裏面の発電孔１１０と燃料孔１２０との
間には、図４および図５（ｃ）に示すように、燃料孔１
３０の長手方向に沿って平行に配置された溝１２８が形
成されている。この溝１２８は、単電池１０が組み立て
られたときに燃料ガスの通路となる（図２参照）。
【００１７】こうして形成された一対のフレーム１００
を、図１に示すように、双方の突出部１１２で電解質膜
２０の外縁部を挟持するように、かつ、一方のフレーム
１００の燃料孔１２０が他方のフレーム１００の燃料孔
１３０に整合するように向き合わせ、向き合った突出部
１１２等を溶着して一対のフレーム１００と電解質膜２
０とを一体化する。すなわち、両フレーム１００の発電
孔１１０と燃料孔１２０との間に形成された溝１２８が
外側に向き、かつ、両溝１２８が直交する配置である。
を、図１に示すように、双方の突出部１１２で電解質膜
２０の外縁部を挟持するように、かつ、一方のフレーム
１００の燃料孔１２０が他方のフレーム１００の燃料孔
１３０に整合するように向き合わせ、向き合った突出部
１１２等を溶着して一対のフレーム１００と電解質膜２
０とを一体化する。すなわち、両フレーム１００の発電
孔１１０と燃料孔１２０との間に形成された溝１２８が
外側に向き、かつ、両溝１２８が直交する配置である。
【００１８】溶着される前は、図１（ａ）に示すよう
に、両フレーム１００の突出部１１２は、電解質膜２０
を挟んで向き合っており、一方のフレーム１００の突出
部１２２は、他方のフレーム１００の突出部１３２と向
き合っている。また、図示しないが、両フレーム１００
の突出部１４２も向き合っている。溶着された後は、図
１（ｂ）に示すように、電解質膜２０を挟んで向き合う
突出部１１２は電解質膜２０と溶着されて一体化した溶
着部１１５となり、向き合う突出部１２２と突出部１３
２とは互いに溶着されて溶着部１２５となる。また、図
示しないが、向き合う突出部１４２も同様に溶着されい
る。電解質膜２０と一体化した一対のフレーム１００の
外観斜視図を図６に示す。図６に示すように、一対のフ
レーム１００の燃料孔１２０と１３０とは整合してお
り、向かい合う２組の燃料孔１３５Ａおよび１３５Ｂを
なす。
に、両フレーム１００の突出部１１２は、電解質膜２０
を挟んで向き合っており、一方のフレーム１００の突出
部１２２は、他方のフレーム１００の突出部１３２と向
き合っている。また、図示しないが、両フレーム１００
の突出部１４２も向き合っている。溶着された後は、図
１（ｂ）に示すように、電解質膜２０を挟んで向き合う
突出部１１２は電解質膜２０と溶着されて一体化した溶
着部１１５となり、向き合う突出部１２２と突出部１３
２とは互いに溶着されて溶着部１２５となる。また、図
示しないが、向き合う突出部１４２も同様に溶着されい
る。電解質膜２０と一体化した一対のフレーム１００の
外観斜視図を図６に示す。図６に示すように、一対のフ
レーム１００の燃料孔１２０と１３０とは整合してお
り、向かい合う２組の燃料孔１３５Ａおよび１３５Ｂを
なす。
【００１９】各突出部の溶着は、上述の配置とした一方
のフレーム１００に超音波溶着機のホーンをあて、周波
数１０ｋＨｚないし５００ｋＨｚの超音波振動を与えて
溶着する超音波溶着法によった。この与える超音波振動
は、一対のフレーム１００を形成する樹脂により異な
り、例えば、ポリフェリンサルファイド樹脂でフレーム
１００を形成した場合には、周波数２００ｋＨｚないし
３００ｋＨｚとするのが好ましい。
のフレーム１００に超音波溶着機のホーンをあて、周波
数１０ｋＨｚないし５００ｋＨｚの超音波振動を与えて
溶着する超音波溶着法によった。この与える超音波振動
は、一対のフレーム１００を形成する樹脂により異な
り、例えば、ポリフェリンサルファイド樹脂でフレーム
１００を形成した場合には、周波数２００ｋＨｚないし
３００ｋＨｚとするのが好ましい。
【００２０】集電極５０は、多孔質でガス透過性を有す
る気孔率が４０ないし８０％のポーラスカーボンにより
形成されている。図７は、集電極５０の外観を例示した
斜視図である。図示するように、集電極５０は、正方形
の板状に形成されており、その一面には、平行に配置さ
れた複数のリブ５６が形成されている。このリブ５６
は、電極３０の表面とで燃料ガスの通路をなすガス通路
５８を形成する（図１参照）。
る気孔率が４０ないし８０％のポーラスカーボンにより
形成されている。図７は、集電極５０の外観を例示した
斜視図である。図示するように、集電極５０は、正方形
の板状に形成されており、その一面には、平行に配置さ
れた複数のリブ５６が形成されている。このリブ５６
は、電極３０の表面とで燃料ガスの通路をなすガス通路
５８を形成する（図１参照）。
【００２１】セパレータ２００は、カーボンを圧縮して
ガス不透過としたガス不透過カーボンにより形成されて
おり、電解質膜２０，２つの電極３０，２つの集電極５
０により構成される単電池をその厚み方向に積層する際
の隔壁をなす。図８は、セパレータ２００の外観を例示
した斜視図である。図示するように、セパレータ２００
は、正方形の板状に形成されており、その四隅には、フ
レーム１００の四隅に設けられた冷却孔１４０と同一の
位置に同一の孔（冷却孔）２４０が形成されている。こ
の冷却孔２４０は、冷却孔１４０と共に、単電池１０が
積層された際に積層体を貫通する冷却媒体の流路を形成
する。また、各冷却孔２４０の間には、フレーム１００
に設けられた燃料孔１２０および１３０と同一の位置に
同一の孔（燃料孔）２２０が形成されている。この燃料
孔２２０も燃料孔１２０および１３０と共に、単電池１
０が積層された際に積層体を貫通する燃料ガスの流路を
形成する。
ガス不透過としたガス不透過カーボンにより形成されて
おり、電解質膜２０，２つの電極３０，２つの集電極５
０により構成される単電池をその厚み方向に積層する際
の隔壁をなす。図８は、セパレータ２００の外観を例示
した斜視図である。図示するように、セパレータ２００
は、正方形の板状に形成されており、その四隅には、フ
レーム１００の四隅に設けられた冷却孔１４０と同一の
位置に同一の孔（冷却孔）２４０が形成されている。こ
の冷却孔２４０は、冷却孔１４０と共に、単電池１０が
積層された際に積層体を貫通する冷却媒体の流路を形成
する。また、各冷却孔２４０の間には、フレーム１００
に設けられた燃料孔１２０および１３０と同一の位置に
同一の孔（燃料孔）２２０が形成されている。この燃料
孔２２０も燃料孔１２０および１３０と共に、単電池１
０が積層された際に積層体を貫通する燃料ガスの流路を
形成する。
【００２２】シール部材３００は、ポリ四フッ化エチレ
ンにより形成されたシート状のガスケットである。図９
は、シール部材３００の外観を例示した斜視図である。
図示するように、シール部材３００には、シール部材３
００をフレーム１００に重ねた際にフレーム１００の冷
却孔１４０および燃料孔１２０と整合する孔３４０およ
び孔３３０が形成されている。また、シール部材３００
の中央には、フレーム１００の２つの燃料孔１２０と発
電孔１１０とを一つにした矩形の孔３１０が形成されて
いる。
ンにより形成されたシート状のガスケットである。図９
は、シール部材３００の外観を例示した斜視図である。
図示するように、シール部材３００には、シール部材３
００をフレーム１００に重ねた際にフレーム１００の冷
却孔１４０および燃料孔１２０と整合する孔３４０およ
び孔３３０が形成されている。また、シール部材３００
の中央には、フレーム１００の２つの燃料孔１２０と発
電孔１１０とを一つにした矩形の孔３１０が形成されて
いる。
【００２３】単電池１０は、こうして形成された各部材
を、セパレータ２００，集電極５０およびシール部材３
００，電極３０，電解質膜２０と一体化された一対のフ
レーム１００，電極３０，集電極５０およびシール部材
３００，セパレータ２００の順に積層することにより構
成される。積層する際、シール部材３００は、その孔３
３０がフレーム１００の燃料孔１３０と整合するよう配
置する。この配置は、フレーム１００の発電孔１１０と
２つの燃料孔１２０とをシール部材３００の孔３１０か
ら覗く配置となる。
を、セパレータ２００，集電極５０およびシール部材３
００，電極３０，電解質膜２０と一体化された一対のフ
レーム１００，電極３０，集電極５０およびシール部材
３００，セパレータ２００の順に積層することにより構
成される。積層する際、シール部材３００は、その孔３
３０がフレーム１００の燃料孔１３０と整合するよう配
置する。この配置は、フレーム１００の発電孔１１０と
２つの燃料孔１２０とをシール部材３００の孔３１０か
ら覗く配置となる。
【００２４】また、集電極５０は、そのリブ５６の方向
がフレーム１００に形成された溝１２８の方向と同一に
なるように、かつ、リブ５６が電極３０に接触するよう
に配置される。この結果、フレーム１００に形成された
２つの燃料孔１２０は、フレーム１００に形成された溝
１２８と、集電極５０と電極３０とで形成されるガス通
路５８とにより連絡される。この配置により、電解質膜
２０等を挟んで対峙する２つの集電極５０のリブ５６は
互いに直交する。したがって、一体化したフレーム１０
０に形成される２組の向かい合う燃料孔１３５Ａおよび
１３５Ｂ（図６参照）のうち一方の組の燃料孔（例えば
燃料孔１３５Ａ）を陽極燃料である酸素含有ガスの流入
流路および排出流路とし、他方の組の燃料孔（例えば燃
料孔１３５Ｂ）を陰極燃料である水素含有ガスの流入流
路および排出流路とすれば、電解質膜２０を挟んで直交
するガス通路５８に陽極燃料および陰極燃料が流れ、電
解質膜２０の両側に配置された両電極３０に両燃料が供
給されて、次式に示す電気化学反応が行なわれ、化学エ
ネルギを直接電気エネルギに変換する。
がフレーム１００に形成された溝１２８の方向と同一に
なるように、かつ、リブ５６が電極３０に接触するよう
に配置される。この結果、フレーム１００に形成された
２つの燃料孔１２０は、フレーム１００に形成された溝
１２８と、集電極５０と電極３０とで形成されるガス通
路５８とにより連絡される。この配置により、電解質膜
２０等を挟んで対峙する２つの集電極５０のリブ５６は
互いに直交する。したがって、一体化したフレーム１０
０に形成される２組の向かい合う燃料孔１３５Ａおよび
１３５Ｂ（図６参照）のうち一方の組の燃料孔（例えば
燃料孔１３５Ａ）を陽極燃料である酸素含有ガスの流入
流路および排出流路とし、他方の組の燃料孔（例えば燃
料孔１３５Ｂ）を陰極燃料である水素含有ガスの流入流
路および排出流路とすれば、電解質膜２０を挟んで直交
するガス通路５８に陽極燃料および陰極燃料が流れ、電
解質膜２０の両側に配置された両電極３０に両燃料が供
給されて、次式に示す電気化学反応が行なわれ、化学エ
ネルギを直接電気エネルギに変換する。
【００２５】 陽極反応：２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ 陰極反応：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
【００２６】こうして構成された単電池１０は、冷却媒
体の通路が形成された冷却部材（図示せず）と共に複数
積層され、燃料ガス供給装置や冷却媒体循環装置等（図
示せず）が取り付けられて固体高分子型燃料電池を構成
する。
体の通路が形成された冷却部材（図示せず）と共に複数
積層され、燃料ガス供給装置や冷却媒体循環装置等（図
示せず）が取り付けられて固体高分子型燃料電池を構成
する。
【００２７】単電池１０の組付の様子については、既に
大方説明したが、以下に図１０に基づき説明する。ま
ず、２つの電極３０が電解質膜２０を挟んでサンドイッ
チ構造とした状態で、１２０℃ないし１６０℃好ましく
は１４５℃ないし１５５℃の温度で、５０００ｋＰａな
いし１５０００ｋＰａ好ましくは８０００ｋＰａないし
１２０００ｋＰａの圧力を作用して接合するホットプレ
ス法により接合する（ステップＳ１００）。
大方説明したが、以下に図１０に基づき説明する。ま
ず、２つの電極３０が電解質膜２０を挟んでサンドイッ
チ構造とした状態で、１２０℃ないし１６０℃好ましく
は１４５℃ないし１５５℃の温度で、５０００ｋＰａな
いし１５０００ｋＰａ好ましくは８０００ｋＰａないし
１２０００ｋＰａの圧力を作用して接合するホットプレ
ス法により接合する（ステップＳ１００）。
【００２８】次に、この２つ電極３０が接合された電解
質膜２０の外縁部をポリフェリンサルファイド樹脂によ
り形成された一対のフレーム１００の突出部１１２で挟
持するように、かつ、両フレーム１００の発電孔１１０
と燃料孔１２０との間に形成された溝１２８が直交する
ように重ね合わせる。重ね合わせた一方のフレーム１０
０に超音波溶着機のホーンをあてて、周波数２００ｋＨ
ｚないし３００ｋＨｚの超音波振動を与えて各突出部を
溶着して電解質膜２０と一対のフレーム１００とを一体
化する（ステップＳ２００）。
質膜２０の外縁部をポリフェリンサルファイド樹脂によ
り形成された一対のフレーム１００の突出部１１２で挟
持するように、かつ、両フレーム１００の発電孔１１０
と燃料孔１２０との間に形成された溝１２８が直交する
ように重ね合わせる。重ね合わせた一方のフレーム１０
０に超音波溶着機のホーンをあてて、周波数２００ｋＨ
ｚないし３００ｋＨｚの超音波振動を与えて各突出部を
溶着して電解質膜２０と一対のフレーム１００とを一体
化する（ステップＳ２００）。
【００２９】電解質膜２０と一体化した一対のフレーム
１００の発電孔１１０に２つの集電極５０を、各フレー
ム１００に形成された溝１２８と集電極５０に形成され
たリブ５６とが平行になるように、かつ、集電極５０の
リブ５６が電解質膜２０に接合された電極３０に接する
ように嵌合させる。また、シール部材３００を、その孔
３３０がフレーム１００の燃料孔１３０と整合するよう
一対のフレーム１００の両側に配置し、その両側を２つ
セパレータ２００で挟んで単電池２０を完成する（ステ
ップＳ３００）。
１００の発電孔１１０に２つの集電極５０を、各フレー
ム１００に形成された溝１２８と集電極５０に形成され
たリブ５６とが平行になるように、かつ、集電極５０の
リブ５６が電解質膜２０に接合された電極３０に接する
ように嵌合させる。また、シール部材３００を、その孔
３３０がフレーム１００の燃料孔１３０と整合するよう
一対のフレーム１００の両側に配置し、その両側を２つ
セパレータ２００で挟んで単電池２０を完成する（ステ
ップＳ３００）。
【００３０】以上説明した実施例の固体高分子型燃料電
池の単電池１０では、一対のフレーム１００と電解質膜
２０とが溶着されているので、燃料ガスがフレーム１０
０と電解質膜２０との間から漏れることがないという優
れた効果を奏する。また、電解質膜２０と他の部材とを
直接シール部材によりシールする場合に比して剛性の高
いフレーム１００と他の部材とをシール部材によりシー
ルするので、信頼性の高いシールが可能となる。
池の単電池１０では、一対のフレーム１００と電解質膜
２０とが溶着されているので、燃料ガスがフレーム１０
０と電解質膜２０との間から漏れることがないという優
れた効果を奏する。また、電解質膜２０と他の部材とを
直接シール部材によりシールする場合に比して剛性の高
いフレーム１００と他の部材とをシール部材によりシー
ルするので、信頼性の高いシールが可能となる。
【００３１】また、一対のフレーム１００と電解質膜２
０とを超音波溶着法により溶着したので、溶着時の熱に
より電解質膜２０の機能を低下させることがない。この
他、単電池１０に供給される燃料ガスの流路および冷却
媒体の流路を、単電池１０を構成するフレーム１００お
よびセパレータ２００に設けた孔で形成したので、固体
高分子型燃料電池を構成する部材数を少なくすることが
でき、コンパクトにすることができる。
０とを超音波溶着法により溶着したので、溶着時の熱に
より電解質膜２０の機能を低下させることがない。この
他、単電池１０に供給される燃料ガスの流路および冷却
媒体の流路を、単電池１０を構成するフレーム１００お
よびセパレータ２００に設けた孔で形成したので、固体
高分子型燃料電池を構成する部材数を少なくすることが
でき、コンパクトにすることができる。
【００３２】なお、本実施例では、一対のフレーム１０
０と電解質膜２０とを超音波溶着法により溶着したが、
他の溶着方法、例えば熱溶着等によってもかまわない。
この場合、電解質膜２０の機能を低下させないよう、電
解質膜２０の溶着部のみに熱を加えることが望ましい。
０と電解質膜２０とを超音波溶着法により溶着したが、
他の溶着方法、例えば熱溶着等によってもかまわない。
この場合、電解質膜２０の機能を低下させないよう、電
解質膜２０の溶着部のみに熱を加えることが望ましい。
【００３３】本実施例では、一対のフレーム１００の突
出部１１２等の断面を半円形としたが、矩形，多角形，
半楕円形等の如何なる形状でも差し支えない。特に図１
１に例示したように、一方の突出部４１２の先端部を他
方の突出部４１４の先端部の断面形状に窪ませた断面形
状とする構成も好適である。この構成とすれば、電解質
膜２０を挟持して溶着する際の位置合わせが容易とな
り、作業性を向上させることができる。
出部１１２等の断面を半円形としたが、矩形，多角形，
半楕円形等の如何なる形状でも差し支えない。特に図１
１に例示したように、一方の突出部４１２の先端部を他
方の突出部４１４の先端部の断面形状に窪ませた断面形
状とする構成も好適である。この構成とすれば、電解質
膜２０を挟持して溶着する際の位置合わせが容易とな
り、作業性を向上させることができる。
【００３４】本実施例では、集電極５０とセパレータ２
００とを別体としたが、集電極とセパレータとを一体形
成する構成も好適である。この場合、燃料ガスが透過す
るのを防止するため、一体化した集電極５０とセパレー
タ２００とをガス不透過カーボンにより形成するのが好
ましい。また、実施例では、電極３０と集電極５０とを
別体としたが、電極と集電極とを一体形成する構成も好
適である。
００とを別体としたが、集電極とセパレータとを一体形
成する構成も好適である。この場合、燃料ガスが透過す
るのを防止するため、一体化した集電極５０とセパレー
タ２００とをガス不透過カーボンにより形成するのが好
ましい。また、実施例では、電極３０と集電極５０とを
別体としたが、電極と集電極とを一体形成する構成も好
適である。
【００３５】以上説明した実施例の固体高分子型燃料電
池の単電池１０の製造方法では、一対のフレーム１００
と電解質膜２０とを溶着して一体化したので、フレーム
のない電解質膜に比して取り扱いが容易となり、単電池
１０を組み付ける際の作業性を大きく向上させることが
できる。また、超音波溶着法により溶着したので、溶着
時の熱により電解質膜２０の機能を低下させることがな
い。
池の単電池１０の製造方法では、一対のフレーム１００
と電解質膜２０とを溶着して一体化したので、フレーム
のない電解質膜に比して取り扱いが容易となり、単電池
１０を組み付ける際の作業性を大きく向上させることが
できる。また、超音波溶着法により溶着したので、溶着
時の熱により電解質膜２０の機能を低下させることがな
い。
【００３６】本実施例では、電解質膜２０と２つの電極
３０とをホットプレス法により接合した後に電解質膜２
０と一対のフレーム１００とを溶着したが、電解質膜２
０と一対のフレーム１００とを溶着した後に電解質膜２
０と２つの電極３０とをホットプレス法により接合して
もかまわない。また、本実施例では、２つの集電極５０
を一対のフレーム１００の発電孔１１０に嵌合した後に
シール部材３００を挟んでセパレータ２００を装着した
が、予め集電極５０をテフロンディスパージョン等によ
りセパレータ２００に融着しておき、シール部材を挟ん
で一対のフレーム１００の発電孔１１０にセパレータ２
００に融着した集電極５０が嵌合するようにセパレータ
２００を装着する構成も好適である。
３０とをホットプレス法により接合した後に電解質膜２
０と一対のフレーム１００とを溶着したが、電解質膜２
０と一対のフレーム１００とを溶着した後に電解質膜２
０と２つの電極３０とをホットプレス法により接合して
もかまわない。また、本実施例では、２つの集電極５０
を一対のフレーム１００の発電孔１１０に嵌合した後に
シール部材３００を挟んでセパレータ２００を装着した
が、予め集電極５０をテフロンディスパージョン等によ
りセパレータ２００に融着しておき、シール部材を挟ん
で一対のフレーム１００の発電孔１１０にセパレータ２
００に融着した集電極５０が嵌合するようにセパレータ
２００を装着する構成も好適である。
【００３７】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明はこうした実施例に何等限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々な
る態様で実施し得ることは勿論である。
本発明はこうした実施例に何等限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々な
る態様で実施し得ることは勿論である。
【００３８】
【発明の効果】以上説明したように本発明の固体高分子
型燃料電池の単電池では、フレームと電解質膜とが溶着
されているので、フレームと電解質膜との間から燃料ガ
スが漏洩することがないという優れた効果を奏する。
型燃料電池の単電池では、フレームと電解質膜とが溶着
されているので、フレームと電解質膜との間から燃料ガ
スが漏洩することがないという優れた効果を奏する。
【００３９】本発明の固体高分子型燃料電池の製造方法
では、溶着工程でフレームと電解質膜とが溶着されるの
で、単電池を組付る際の電解質膜の取り扱いが容易とな
り、作業性を向上させることができる。
では、溶着工程でフレームと電解質膜とが溶着されるの
で、単電池を組付る際の電解質膜の取り扱いが容易とな
り、作業性を向上させることができる。
【００４０】超音波溶着法により溶着する溶着工程とす
れば、電解質膜の機能を低下させることなく容易に溶着
することができる。
れば、電解質膜の機能を低下させることなく容易に溶着
することができる。
【図１】本発明の好適な一実施例である固体高分子型燃
料電池の単電池１０を構成する電解質膜２０と一対のフ
レーム１００との溶着の様子を示した説明図である。
料電池の単電池１０を構成する電解質膜２０と一対のフ
レーム１００との溶着の様子を示した説明図である。
【図２】電解質膜２０と一体化した一対のフレーム１０
０を用いた単電池１０の断面構造の一部を例示した部分
断面図である。
０を用いた単電池１０の断面構造の一部を例示した部分
断面図である。
【図３】溶着される前のフレーム１００の外観を例示し
た斜視図である。
た斜視図である。
【図４】図３に示したフレーム１００を裏面から見た斜
視図である。
視図である。
【図５】図３に示したフレーム１００の断面Ａ−Ａ，断
面Ｂ−Ｂ，断面Ｃ−Ｃを示した断面図である。
面Ｂ−Ｂ，断面Ｃ−Ｃを示した断面図である。
【図６】電解質膜２０と一体化した一対のフレーム１０
０の外観を例示する斜視図である。
０の外観を例示する斜視図である。
【図７】集電極５０の外観を例示する斜視図である。
【図８】セパレータ２００の外観を例示する斜視図であ
る。
る。
【図９】シール部材３００の外観を例示する斜視図であ
る。
る。
【図１０】単電池１０の製造工程を例示した工程図であ
る。
る。
【図１１】突出部の他の例を示した説明図である。
１０…単電池 ２０…電解質膜 ３０…電極 ５０…集電極 ５６…リブ ５８…ガス通路 １００…フレーム １１０…発電孔 １１２，１２２，１３２，１４２…突出部 １１５，１２５…溶着部 １２０，１３０，１３５Ａ，１３５Ｂ…燃料孔 １２８…溝 １４０…冷却孔 ２００…セパレータ ２２０…燃料孔 ２４０…冷却孔 ３００…シール部材 ３１０，３３０，３４０…孔 ４１２，４１４…突出部
Claims (4)
- 【請求項１】 樹脂により形成されたフレームで電解質
膜の縁を支持してなる固体高分子型燃料電池の単電池に
おいて、 前記フレームに支持部を設けると共に、該支持部が前記
電解質膜の縁に溶着されてなることを特徴とする単電
池。 - 【請求項２】 前記支持部は、枠状に突出した突出部で
ある請求項１記載の単電池。 - 【請求項３】 樹脂により形成されたフレームで電解質
膜の縁を支持してなる固体高分子型燃料電池の単電池の
製造方法において、 複数の組付工程のうちに、少なくとも前記フレームと前
記電解質膜の縁とを溶着する溶着工程を有する単電池の
製造方法。 - 【請求項４】 前記溶着工程は、超音波溶着法による溶
着である請求項３記載の単電池の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6047909A JPH07235314A (ja) | 1994-02-21 | 1994-02-21 | 固体高分子型燃料電池の単電池およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6047909A JPH07235314A (ja) | 1994-02-21 | 1994-02-21 | 固体高分子型燃料電池の単電池およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07235314A true JPH07235314A (ja) | 1995-09-05 |
Family
ID=12788509
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6047909A Pending JPH07235314A (ja) | 1994-02-21 | 1994-02-21 | 固体高分子型燃料電池の単電池およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07235314A (ja) |
Cited By (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| WO2001089019A1 (de) * | 2000-05-18 | 2001-11-22 | Siemens Aktiengesellschaft | Brennstoffzellenstapel mit rahmenelementen |
| US6777127B2 (en) | 2001-06-22 | 2004-08-17 | Ballard Power Systems Inc. | Systems, apparatus and methods for bonding and/or sealing electrochemical cell elements and assemblies |
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| JP2006252811A (ja) * | 2005-03-08 | 2006-09-21 | Casio Comput Co Ltd | 膜電極接合体、燃料電池セル、及び燃料電池装置 |
| JP2007005222A (ja) * | 2005-06-27 | 2007-01-11 | Hitachi Ltd | 燃料電池および燃料電池用セパレータ |
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| EP1469103A3 (en) * | 1999-05-10 | 2008-09-24 | Ineos Enterprises Limited | Gaskets for use with electrode structures |
| JP5575345B1 (ja) * | 2013-03-21 | 2014-08-20 | パナソニック株式会社 | 固体高分子型燃料電池の単セルモジュール及び固体高分子型燃料電池 |
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| KR20180077032A (ko) * | 2016-12-28 | 2018-07-06 | 도요타지도샤가부시키가이샤 | 연료 전지 스택 및 더미 셀 |
-
1994
- 1994-02-21 JP JP6047909A patent/JPH07235314A/ja active Pending
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