JP6863260B2 - Fuel cell manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a fuel cell.
積層された複数の単セルの間が接着剤で接着された燃料電池が知られている。このような燃料電池の製造方法として、接着剤の硬化時間を短縮するために、燃料電池内部の流路に高温の流体を流して燃料電池を内部から加熱することで接着剤を硬化させる方法が知られている(例えば、特許文献1)。 A fuel cell in which a plurality of stacked single cells are bonded with an adhesive is known. As a method for manufacturing such a fuel cell, in order to shorten the curing time of the adhesive, there is a method of curing the adhesive by flowing a high-temperature fluid through the flow path inside the fuel cell and heating the fuel cell from the inside. It is known (for example, Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1に記載の方法では、燃料電池内部の流路に高温の流体を流し始めてから接着剤が硬化するまでの間に、高温の流体が流路から燃料電池外部に流出する恐れがあり、その結果、接着剤による接着が良好に行われない恐れがある。 However, in the method described in Patent Document 1, there is a possibility that the high-temperature fluid may flow out of the flow path from the flow path to the outside of the fuel cell between the time when the high-temperature fluid is started to flow in the flow path inside the fuel cell and the time when the adhesive is cured. As a result, there is a risk that the adhesive will not adhere well.
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、接着剤による接着を良好に行うことを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to perform good adhesion with an adhesive.
本発明は、マニホールドを形成する第1貫通孔と前記第1貫通孔の周囲の部分及び発電領域に対応する領域の周囲の部分の少なくとも一方に形成された突起部とをそれぞれ有するアノードセパレータ及びカソードセパレータが、互いの前記突起部が反対側に突出し且つ互いの前記突起部の間に形成される空間が前記マニホールドに導入される流体を前記発電領域に流す流路に連通するように接合された複数のセパレータ組立体を準備する工程と、複数の膜電極接合体の外周縁部に配置された枠状で且つ前記マニホールドを形成する第2貫通孔を有する複数の絶縁フレームに前記突起部が熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を含む接着剤を介して接するように、前記複数の膜電極接合体及び前記複数の絶縁フレームと前記複数のセパレータ組立体とを交互に積層して積層体を形成する工程と、前記突起部が変形するように前記積層体を積層方向に押圧する工程と、前記突起部が変形した状態で前記流路に前記熱硬化性樹脂の硬化温度又は前記熱可塑性樹脂の融点以上の高温流体を流す工程と、を備える燃料電池の製造方法である。 The present invention has an anode separator and a cathode having a first through hole forming a manifold, a protrusion formed on at least one of a peripheral portion of the first through hole and a peripheral portion of a region corresponding to a power generation region, respectively. The separators were joined so that the protrusions of each other protruded to the opposite side and the space formed between the protrusions of each other communicated with the flow path for flowing the fluid introduced into the manifold into the power generation region. The protrusion is heated to a plurality of insulating frames having a step of preparing a plurality of separator assemblies and a second through hole which is arranged on the outer peripheral edge of the plurality of membrane electrode assemblies and has a second through hole forming the manifold. The plurality of membrane electrode assemblies and the plurality of insulating frames and the plurality of separator assemblies are alternately laminated to form a laminate so as to be in contact with each other via an adhesive containing a curable resin or a thermoplastic resin. The step, the step of pressing the laminate in the stacking direction so that the protrusion is deformed, and the curing temperature of the thermocurable resin or the melting point of the thermoplastic resin in the flow path with the protrusion deformed. It is a method of manufacturing a fuel cell including the above-mentioned step of flowing a high-temperature fluid.
本発明によれば、接着剤による接着を良好に行うことができる。 According to the present invention, adhesion with an adhesive can be performed satisfactorily.
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。 Hereinafter, examples of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1(a)及び図1(b)は、実施例1に係る燃料電池の製造方法を示す平面図である。図2(a)から図4(b)は、実施例1に係る燃料電池の製造方法を示す断面図である。図2(a)は、図1(a)のA−A間の断面図である。図2(b)から図2(e)は、図1(b)のA−A間からD−D間の断面図である。図3(a)及び図3(b)は、図1(b)のA−A間及びB−B間に相当する箇所の断面図である。図4(a)及び図4(b)は、図1(b)のC−C間及びD−D間に相当する箇所の断面図である。実施例で説明する燃料電池は、反応ガスとして燃料ガス(例えば水素)と酸化剤ガス(例えば空気)との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造を有する。燃料電池は、例えば燃料電池自動車又は電気自動車などに搭載される。 1A and 1B are plan views showing a method for manufacturing a fuel cell according to the first embodiment. 2 (a) to 4 (b) are cross-sectional views showing a method of manufacturing a fuel cell according to the first embodiment. FIG. 2A is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 1A. 2 (b) to 2 (e) are cross-sectional views taken between AA and DD in FIG. 1B. 3 (a) and 3 (b) are cross-sectional views of a portion corresponding to the space between AA and BB in FIG. 1 (b). 4 (a) and 4 (b) are cross-sectional views of locations corresponding to the intervals between CC and DD in FIG. 1 (b). The fuel cell described in the embodiment is a polymer electrolyte fuel cell that generates electricity by being supplied with a fuel gas (for example, hydrogen) and an oxidant gas (for example, air) as reaction gases, and a large number of single cells are laminated. It has a stack structure. The fuel cell is installed in, for example, a fuel cell vehicle or an electric vehicle.
図1(a)及び図2(a)のように、電解質膜12の一方の面の全面にアノード触媒層14aを形成し、他方の面に外周縁部22を露出させてカソード触媒層14cを形成する。アノード触媒層14a及びカソード触媒層14cは、例えば触媒インクをスプレー塗工することで形成する。これにより、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)10が形成される。なお、アノード触媒層14a及びカソード触媒層14cの形成は、転写法又はダイコータ法などで行ってもよい。
As shown in FIGS. 1A and 2A, the
電解質膜12は、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭化水素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。アノード触媒層14a及びカソード触媒層14cは、電気化学反応を進行する触媒(例えば白金又は白金−コバルト合金)を担持したカーボン粒子(例えばカーボンブラック)と、スルホン酸基を有する固体高分子であり湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。
The
次いで、アノード触媒層14aの外側にアノードガス拡散層16aを配置し、カソード触媒層14cの外側にカソードガス拡散層16cを配置する。そして、例えば熱圧着によって、アノードガス拡散層16aをアノード触媒層14aに、カソードガス拡散層16cをカソード触媒層14cに接合させる。これにより、膜電極ガス拡散層接合体(MEGA:Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly)20が形成される。アノードガス拡散層16a及びカソードガス拡散層16cは、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成されていて、例えばカーボンクロス又はカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材によって形成されている。
Next, the anode
次いで、電解質膜12の外周縁部22に、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を含む接着剤74が両主面に設けられた枠状の絶縁フレーム60を、接着剤74を介して配置する。絶縁フレーム60は、接着剤74の硬化温度又は融点よりも高い融点を有する。絶縁フレーム60は、例えばゴム又はエラストマー樹脂などの弾性を有する樹脂部材によって形成されているが、弾性を有さない絶縁部材によって形成されていてもよい。接着剤74の例としては、マレイン酸変性ポリプロピレン又はマレイン酸変性ポリオレフィンと接着成分とを含むものが挙げられる。接着成分として、無水マレイン酸を含む酸無水物、アクリル酸又はメタクリル酸を含むカルボン酸、若しくはビニルアルコール又はエチルヘキシルアクリレートを含むアルコール類などが挙げられる。また、接着剤74は、シランカップリング剤、エポキシ樹脂、又はウレタン樹脂などが添加されていてもよい。
Next, a frame-shaped
なお、実施例1では、図1(a)及び図2(a)のときには、絶縁フレーム60は電解質膜12に接着していない場合を例に示すが、絶縁フレーム60が例えば紫外線硬化型樹脂を含む接着剤などによって電解質膜12に接着している場合でもよい。
In Example 1, in FIGS. 1 (a) and 2 (a), the case where the
絶縁フレーム60には、貫通孔62〜72が設けられている。貫通孔62は、MEA10に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給マニホールドの一部を構成し、貫通孔72は、MEA10に供給された酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出マニホールドの一部を構成する。貫通孔64は、MEA10に冷媒を供給する冷媒供給マニホールドの一部を構成し、貫通孔70は、MEA10に供給された冷媒を排出する冷媒排出マニホールドの一部を構成する。貫通孔68は、MEA10に燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールドの一部を構成し、貫通孔66は、MEA10に供給された燃料ガスを排出する燃料ガス排出マニホールドの一部を構成する。
The insulating
図1(b)及び図2(b)から図2(e)のように、アノードセパレータ18a及びカソードセパレータ18cを接合させてセパレータ組立体40を形成する。アノードセパレータ18a及びカソードセパレータ18cは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成されていて、例えばプレス成型したステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。アノードセパレータ18aとカソードセパレータ18cの接合は、例えばレーザ溶接により行う。
As shown in FIGS. 1 (b) and 2 (b) to 2 (e), the
アノードセパレータ18a及びカソードセパレータ18cには、貫通孔42〜52が設けられている。貫通孔42は、酸化剤ガス供給マニホールドの一部を構成し、貫通孔52は、酸化剤ガス排出マニホールドの一部を構成する。貫通孔44は、冷媒供給マニホールドの一部を構成し、貫通孔50は、冷媒排出マニホールドの一部を構成する。貫通孔48は、燃料ガス供給マニホールドの一部を構成し、貫通孔46は、燃料ガス排出マニホールドの一部を構成する。
Through
アノードセパレータ18a及びカソードセパレータ18cの貫通孔42〜52の周囲の部分及び発電領域に対応する領域24の周囲の部分は突起部54及び56となっている。図1(b)において、突起部54及び56が形成されている部分を破線で示している。アノードセパレータ18aとカソードセパレータ18cは、それぞれの突起部54と56が反対側に突出してその間に空間58a〜58dが形成されるように接合されている。突起部54及び56は、貫通孔42〜52を完全に囲むように貫通孔42〜52の周囲を延在している。また、突起部54及び56は、貫通孔42、46、48、52、及び領域24をまとめて囲むようにアノードセパレータ18a及びカソードセパレータ18cの外周部を延在している。なお、図1(b)における各貫通孔と領域24との間に接続された点線は、各マニホールドに導入される流体を発電領域に流す流路又は発電領域を流れた流体を各マニホールドに流す流路を示している。
The peripheral portions of the through
図2(b)が示すように、空間58aは、貫通孔44によって形成される冷媒供給マニホールドと貫通孔50によって形成される冷媒排出マニホールドとの間を冷媒が流れる流路26に連通している。図2(c)が示すように、空間58bは、貫通孔42によって形成される酸化剤ガス供給マニホールドと貫通孔52によって形成される酸化剤ガス排出マニホールドとの間を酸化剤ガスが流れる流路28に連通している。流路28は、カソードセパレータ18cを貫通する孔29を介して延びている。図2(d)が示すように、空間58cは、貫通孔48によって形成される燃料ガス供給マニホールドと貫通孔46によって形成される燃料ガス排出マニホールドとの間を燃料ガスが流れる流路30に連通している。流路30は、アノードセパレータ18aを貫通する孔31を介して延びている。空間58dは、空間58aに接続されて、流路26に連通している。
As shown in FIG. 2B, the
図3(a)から図4(b)のように、セパレータ組立体40の突起部54及び56が接着剤74を介して絶縁フレーム60に接するように、複数のMEGA20及び複数の絶縁フレーム60と複数のセパレータ組立体40とを交互に積層して積層体80を形成する。これにより、絶縁フレーム60に設けられた貫通孔62〜72とアノードセパレータ18a及びカソードセパレータ18cに設けられた貫通孔42〜52とが連通し、酸化剤ガス供給マニホールド、冷媒供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、燃料ガス供給マニホールド、冷媒排出マニホールド、及び酸化剤ガス排出マニホールドが形成される。
As shown in FIGS. 3A to 4B, the plurality of MEGA 20s and the plurality of insulating
積層体80を積層方向から押圧して、突起部54及び56を変形(例えば弾性変形)させる。その後、突起部54及び56が変形した状態を維持しながら、酸化剤ガス供給又は排出マニホールド、冷媒供給又は排出マニホールド、及び燃料ガス供給又は排出マニホールドから流路26〜30に高温流体を流す。高温流体の温度は、接着剤74が熱硬化性樹脂を含む場合は熱硬化性樹脂の硬化温度以上の温度とし、接着剤74が熱可塑性樹脂を含む場合は熱可塑性樹脂の融点以上の温度とする。高温流体の温度は、電解質膜12及び絶縁フレーム60の強度を低下させ難い温度であることが好ましく、例えば150℃以下である場合が好ましく、140℃以下である場合がより好ましく、130℃以下である場合が更に好ましい。流体としては、触媒を劣化させないものを用いることが好ましく、例えば空気、窒素、水素、水、又はフロリナート(登録商標)を用いることが好ましい。
The
接着剤74が熱硬化性樹脂を含む場合、流路26〜30に熱硬化性樹脂の硬化温度以上の高温流体を流すことで、絶縁フレーム60と突起部54及び56とを接着剤74で接着させることができる。すなわち、複数のMEGA20と複数のセパレータ組立体40とを接着剤74で接着させることができる。接着剤74が熱可塑性樹脂を含む場合、流路26〜30に熱可塑性樹脂の融点以上の高温流体を流し、その後、突起部54及び56が変形した状態のまま熱可塑性樹脂の融点よりも低い温度に冷却する。接着剤74の冷却は、流路26〜30に熱可塑性樹脂の融点よりも低い低温流体を流すことで行ってもよい。これにより、絶縁フレーム60と突起部54及び56とを接着剤74で接着させることができる。すなわち、複数のMEGA20と複数のセパレータ組立体40とを接着剤74で接着させることができる。なお、高温流体を流すことにより、電解質膜12と絶縁フレーム60とを接着剤74で接着させてもよい。
When the adhesive 74 contains a thermosetting resin, the insulating
以上のように、実施例1によれば、図1(b)及び図2(b)から図2(e)のように、突起部54及び56をそれぞれ有するアノードセパレータ18aとカソードセパレータ18cが接合された複数のセパレータ組立体40を準備する。セパレータ組立体40は、突起部54と56が反対側に突出し且つ突起部54と56の間の空間58a〜58dが流路26〜30に連通するように、アノードセパレータ18aとカソードセパレータ18cとが接合されている。図3(a)から図4(b)のように、複数のMEA10の外周縁部22に配置された絶縁フレーム60に突起部54及び56が接着剤74を介して接するように、複数のMEA10及び複数の絶縁フレーム60と複数のセパレータ組立体40とを交互に積層して積層体80を形成する。そして、突起部54及び56が変形するまで積層体80を積層方向に押圧し、突起部54及び56が変形した状態で流路26〜30に接着剤74の硬化温度又は融点以上の高温流体を流す。
As described above, according to the first embodiment, as shown in FIGS. 1 (b) and 2 (b) to 2 (e), the
このように、積層体80を積層方向に押圧して突起部54及び56が変形した状態(例えば弾性変形した状態)とすることで、突起部54及び56の反力によって、各マニホールドから流路26〜30に流れる高温流体を封止することができる。したがって、この状態で流路26〜30に接着剤74の硬化温度又は融点以上の高温流体を流すことで、高温流体が燃料電池外部に流出することが抑制される。よって、複数のMEA10と複数のセパレータ組立体40とを接着剤74によって良好に接着させることができる。なお、高温流体を流路26〜30に流すときの圧力は比較的低い。このため、アノードセパレータ18a及びカソードセパレータ18cが絶縁フレーム60に接着されていなくても、突起部54及び56の反力によって高温流体を十分に封止することができる。
In this way, by pressing the
図2(b)から図2(e)では、突起部54及び56は、1つの山なりの形状をしている場合を例に示したが、その他の形状をしていてもよい。図5は、別の形状をした突起部を有するセパレータ組立体の断面図である。図5のようにセパレータ組立体40aの突起部54a及び56aは、中央に位置する山部55と、山部55の両脇に位置する山部55よりも低い山部57と、を含む構成をしていてもよい。山部55が絶縁フレーム60との接着部分、山部57が伸縮部分となり、接着部分と伸縮部分とを分けることができる。
In FIGS. 2 (b) to 2 (e), the case where the
なお、複数のMEGA20と複数のセパレータ組立体40とを接着剤74で接着させた後において、冷媒供給マニホールド及び冷媒排出マニホールドと空間58aとの間での流路26の高さは空間58aの高さよりも低くなっている。同様に、酸化剤ガス供給マニホールド及び酸化剤ガス排出マニホールドと空間58bとの間での流路28の高さは空間58bの高さよりも低くなっている。燃料ガス供給マニホールド及び燃料ガス排出マニホールドと空間58cとの間での流路30の高さは空間58cの高さよりも低くなっている。
After the plurality of MEGA 20s and the plurality of
図6は、実施例2に係る燃料電池の製造方法を示す図である。まず、実施例1で説明した製造工程を実施して積層体80を形成する。その後、図6のように、積層方向に押圧されて突起部54及び56が変形した状態の積層体80を容器90内に収容する。容器90は、例えば恒温恒圧槽である。容器90内には、接着剤74の硬化温度又は融点以上の温度に調整された高温流体が封入されている。容器90内の圧力は大気圧よりも高くなるように調整されていて、例えば積層体80の流路26〜30を高温流体が流れたときの流路26〜30内の圧力と同程度の圧力(例えば圧力差が5kPa以下)となるように調整されている。
FIG. 6 is a diagram showing a method for manufacturing a fuel cell according to the second embodiment. First, the manufacturing process described in Example 1 is carried out to form the
容器90内の圧力を高くして、容器90内に封入された高温流体を突起部54及び56が変形した状態の積層体80のマニホールドから流路26〜30に流す。これにより、積層体80を構成する複数の絶縁フレーム60と複数のセパレータ組立体40とが接着剤74で接着される。
The pressure in the
高温流体が流路26〜30を流れる場合、流路26〜30内の圧力は大気圧よりも高くなり易い。この場合、実施例1では、流路26〜30内の圧力と積層体80の外側の大気圧との圧力差が大きくなることで、接着部において高温流体が十分に封止されずに燃料電池外部に流出する恐れがある。一方、実施例2では、積層体80を容器90内に収容し、容器90内の圧力を高温流体が流れたときの流路26〜30内の圧力と同程度になるように調整して、流路26〜30に高温流体を流している。これにより、流路26〜30内の圧力と積層体80の外側の圧力との圧力差が小さくなり、高温流体が燃料電池外部に流出することを抑制できる。
When the high temperature fluid flows through the
また、実施例2によれば、積層体80を高温流体が封入された容器90内に収容しているため、積層体80全体の温度を均一に上げることが効果的にできる。
Further, according to the second embodiment, since the
また、図6のように、積層体80の高温流体が排出されるマニホールドに接続された配管92に調圧弁94を配置し、高温流体が流れたときの流路26〜30内の圧力と容器90内の圧力とが同程度になるように、調圧弁94によって流路26〜30内の圧力を調整してもよい。
Further, as shown in FIG. 6, the
実施例2において、容器90内の圧力を高めて容器90に封入された高温流体を流路26〜30に流す場合に限られず、配管92に吸引ポンプを配置し、吸引ポンプによって流路26〜30を介して高温流体を吸引排気してもよい。
In the second embodiment, not only in the case where the pressure in the
なお、実施例1及び実施例2において、高温流体を導入するマニホールドは、供給マニホールドであってもよいし、排出マニホールドであってもよい。また、実施例1及び実施例2において、アノードセパレータ18a及びカソードセパレータ18cの突起部54及び56は、貫通孔42〜52の周囲の部分と発電領域に対応する領域24の周囲の部分のそれぞれに形成されていたが、これに限定されない。貫通孔42〜52の周囲の部分及び発電領域に対応する領域24の周囲の部分の少なくとも一方に形成されていてもよい。
In the first and second embodiments, the manifold into which the high-temperature fluid is introduced may be a supply manifold or a discharge manifold. Further, in Examples 1 and 2, the
なお、実施例1及び実施例2において、流路26〜30を流れた高温流体が積層体80から排出されたときの温度を測定し、この温度から接着剤74の温度を推定することで、接着剤74による接着の開始及び/又は終了を判定してもよい。また、積層体80から排出されたときの高温流体の圧力を測定し、この圧力値から接着剤74による接着が正常に行われているかを判断してもよい。また、燃料電池の製造が終了した後に、流路26〜30に流体を流して、接着剤74による接着が正常に行われてリークがないかをチェックしてもよい。
In Examples 1 and 2, the temperature at which the high-temperature fluid flowing through the
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例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要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the examples of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to such specific examples, and various modifications and modifications are made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.
10 膜電極接合体
12 電解質膜
14a アノード触媒層
14c カソード触媒層
16a アノードガス拡散層
16c カソードガス拡散層
18a アノードセパレータ
18c カソードセパレータ
20 膜電極ガス拡散層接合体
22 外周縁部
24 領域
26〜30 流路
29、31 孔
40、40a セパレータ組立体
42〜52 貫通孔
54、54a、56、56a 突起部
55、57 山部
58a〜58d 空間
60 絶縁フレーム
62〜72 貫通孔
74 接着剤
80 積層体
90 容器
92 配管
94 調圧弁
10
Claims (1)
複数の膜電極接合体の外周縁部に配置された枠状で且つ前記マニホールドを形成する第2貫通孔を有する複数の絶縁フレームに前記突起部が熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を含む接着剤を介して接するように、前記複数の膜電極接合体及び前記複数の絶縁フレームと前記複数のセパレータ組立体とを交互に積層して積層体を形成する工程と、
前記突起部が変形するように前記積層体を積層方向に押圧する工程と、
前記突起部が変形した状態で前記流路に前記熱硬化性樹脂の硬化温度又は前記熱可塑性樹脂の融点以上の高温流体を流す工程と、を備える燃料電池の製造方法。 An anode separator and a cathode separator having a first through hole forming a manifold and a protrusion formed on at least one of a portion surrounding the first through hole and a portion surrounding a region corresponding to a power generation region, respectively, A plurality of separator sets in which the protrusions of the above project to the opposite side and a space formed between the protrusions of the above is joined so as to communicate with a flow path for flowing a fluid introduced into the manifold into the power generation region. The process of preparing the solid and
An adhesive containing a thermosetting resin or a thermoplastic resin in a plurality of insulating frames having a frame-like shape and second through holes forming the manifold and having the protrusions arranged on the outer peripheral edge of the plurality of membrane electrode assemblies. A step of alternately laminating the plurality of membrane electrode assemblies, the plurality of insulating frames, and the plurality of separator assemblies to form a laminate so as to be in contact with each other.
A step of pressing the laminated body in the laminating direction so that the protruding portion is deformed, and
A method for manufacturing a fuel cell, comprising a step of flowing a high-temperature fluid having a curing temperature of the thermosetting resin or a melting point of the thermoplastic resin or higher in the flow path in a deformed state of the protrusion.
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