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JP7110946B2 - Dies for joining fuel cell single cells - Google Patents
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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。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a joining die for manufacturing a fuel cell single cell, and more particularly to a joining die for joining a pair of separators to both surfaces of a membrane electrode assembly constituting a fuel cell single cell.

従来から、膜電極接合体の周りに接着剤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)。 Conventionally, a pair of separators are placed on both sides of an electrode assembly in which a resin frame is provided around a membrane electrode assembly with an adhesive interposed therebetween, and the resin frame and each separator are joined by heat and pressure to form a single fuel cell. (see, for example, Patent Document 1).

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。 For such joining, for example, a joining mold composed of first and second molds is generally used. At the time of joining, the electrode assembly having the separators arranged on both sides is placed between the first and second molds, and is hot-pressed by the first and second molds, so that the resin frame adheres to each separator. is welded to

特開2017-126457号公報JP 2017-126457 A

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。これに加えて、樹脂フレームに形成された開口縁から、セパレータに溶着される樹脂フレームの樹脂が過度に流出するおそれがあった。 However, when the separator is joined to the electrode assembly by the first and second molds, a moment acts on the resin frame with respect to the membrane electrode assembly, and the edge of the opening formed in the resin frame is displaced by the membrane electrode assembly. I used to float up from Due to this floating, a gap is formed between the membrane electrode assembly and the resin frame, and the fuel gas or oxidant gas flowing to the membrane electrode assembly may leak from these gaps. In addition, there is a risk that the resin of the resin frame welded to the separator may flow excessively from the edge of the opening formed in the resin frame.

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、膜電極接合体から樹脂フレームが浮き上がることを抑制できるとともに、樹脂フレームの樹脂が、樹脂フレームの開口縁から過度に流出することを防止することが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。 The present invention has been made in view of such problems. Provided is a joining mold for manufacturing a fuel cell single cell that can prevent the frame from rising and prevent the resin of the resin frame from excessively flowing out from the opening edge of the resin frame.

前記目的を達成すべく、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する延在部を備えるとともに、前記延在部には、前記開口縁に対向する部位に、前記他方のセパレータとの接触を防止する凹部が形成されている。 In order to achieve the above object, a bonding mold for manufacturing a single fuel cell according to the present invention includes a membrane electrode assembly having gas diffusion layers laminated on both sides, and and a resin frame adhered to the membrane electrode assembly, and a pair of separators are placed on both sides of the electrode assembly, and the pair of separators are hot-pressed to the resin frame. A bonding mold for manufacturing a fuel cell unit cell with separators bonded together, the bonding mold comprising a first mold that contacts one separator and a second mold that contacts the other separator. and the first mold includes a central receiving portion that receives a central region of the one separator that contacts the electrode assembly, and a central receiving portion that surrounds the central receiving portion and is welded to the resin frame. and an outer periphery receiving portion that receives the welded region of the one separator, and the second mold includes an inner mold that presses a central region of the other separator that contacts the electrode assembly, and a mold that surrounds the inner mold. and an outer mold configured to heat-press the welding region of the other separator to be welded to the resin frame, wherein the inner mold extends from the central region to the opening formed in the resin frame. an extending portion extending to a region on the outer peripheral side of the electrode assembly so as to press the resin frame through the other separator to a region on the outer peripheral side of the electrode assembly; is formed with a recess for preventing contact with the other separator at a portion facing the edge of the opening.

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、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とができる。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ことができる。 According to the joining mold for manufacturing the fuel cell single cell of the present invention, first, one separator, a membrane electrode assembly having gas diffusion layers laminated on both sides, and the other separator are laminated in order on the first mold. can do. At this time, one separator is placed so that the center region of one separator is received by the central receiving portion of the first mold, and the welding region to be welded to the resin frame is received by the outer peripheral receiving portion of the first mold. can be placed.

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、開口縁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。このため、第2金型の内型の押圧により、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の接着部分が、樹脂フレームの開口縁から剥離することを回避することができる。 Next, the inner mold of the second mold presses (heats if necessary) the central region of the other separator, and then the outer mold of the second mold heat-presses the welding region of the other separator. , the pair of separators are welded together with the melted resin of the resin frame. At this time, even if the welding region of the other separator is pressurized by the outer mold of the second mold, the inner mold of the second mold separates the resin frame portion outside the opening edge from the electrode assembly. are pressing. Therefore, it is possible to reduce the moment acting on the resin frame with respect to the membrane electrode assembly due to the pressing force of the inner mold of the second mold. As a result, it is possible to prevent the adhesive portion between the resin frame and the membrane electrode assembly from peeling off from the edge of the opening of the resin frame.

また、延在部のうち、樹脂フレームの開口縁に対向する部位には、凹部が形成され、この部位は、他方のセパレータに接触しない。このため、開口縁近傍の樹脂フレームの加熱が抑制され、開口縁近傍の樹脂フレームが、開口縁からセパレータの流路へ過度に流出することを防ぐことができる。 In addition, a concave portion is formed in a portion of the extending portion that faces the edge of the opening of the resin frame, and this portion does not contact the other separator. Therefore, heating of the resin frame in the vicinity of the opening edge is suppressed, and the resin frame in the vicinity of the opening edge can be prevented from excessively flowing out from the opening edge into the flow path of the separator.

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。1 is a perspective view of a main part showing functions of an embodiment of a joining mold for manufacturing a single fuel cell according to the present invention; FIG. 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。2 is a schematic perspective view of an electrode assembly that constitutes the single fuel cell shown in FIG. 1. FIG. 図2Aに示すA-A線に沿う要部断面図である。FIG. 2B is a cross-sectional view of a main part taken along line AA shown in FIG. 2A; 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。2 is a schematic perspective view of one separator that constitutes the single fuel cell shown in FIG. 1. FIG. 図3Aに示すB-B線に沿う要部断面図である。FIG. 3B is a cross-sectional view of a main part taken along line BB shown in FIG. 3A; 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。2 is a schematic perspective view of the other separator that constitutes the single fuel cell shown in FIG. 1. FIG. 図4Aに示すC-C線に沿う要部断面図である。FIG. 4B is a cross-sectional view of the essential parts along line CC shown in FIG. 4A; 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とを接合した単セルの要部断面図である。FIG. 4B is a cross-sectional view of a main part of a single cell in which the electrode assembly shown in FIG. 2B, one separator shown in FIG. 3B, and the other separator shown in FIG. 4B are joined; 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。FIG. 6 is a cross-sectional view of a main part of a joining mold for manufacturing the unit cell shown in FIG. 5; 図6A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。FIG. 6B is a cross-sectional view of a main part of a state in which the single cell shown in FIG. 5 is joined with the joining mold shown in FIG. 6A;

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。 An embodiment of a joining mold for manufacturing a single fuel cell according to the present invention will now be described in detail with reference to the drawings.

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。
1. Fuel Battery Single Cell 1 First, the fuel battery single cell 1 will be described with reference to FIGS. 1 to 5. FIG. As shown in FIG. 1, a single fuel cell 1 includes an electrode assembly 10 and a pair of separators 20 and 30 bonded to both sides of the electrode assembly 10 so as to sandwich the electrode assembly 10 therebetween. A joining die 40 for joining these includes a first die 41 that contacts one separator 20 and a second die 45 that contacts the other separator 30 .

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。 First, the electrode assembly 10 that constitutes the fuel cell single cell 1 will be described with reference to FIGS. 2A and 2B. The electrode assembly 10 includes a membrane electrode assembly 11 having gas diffusion layers 13a and 13b laminated on both sides thereof, and is fixed to the membrane electrode assembly 11 via an adhesive portion 15a so as to encircle the outer periphery of the membrane electrode assembly 11. and a resin frame 15.

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。 As shown in FIG. 2A, the membrane electrode assembly 11 has a rectangular shape, and has an anode electrode bonded to one surface of a solid polymer electrolyte membrane and a cathode electrode bonded to the other surface. Furthermore, gas diffusion layers 13a and 13b are laminated on both sides of the membrane electrode assembly 11 . The central portion of the membrane electrode assembly 11 is rectangular, and gas diffusion layers 13a and 13b are formed on both sides of this portion to form a power generation region 14. As shown in FIG.

樹脂フレーム15は、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂からなるフレーム本体となる主層と、その両面に熱可塑性樹脂からなる接着層が形成された3層シート構造であり、接着層が、溶融する(軟化)することにより、樹脂フレームは、セパレータ20、30に融着される。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の一方の面に融着されている。図5では、膜電極接合体11と樹脂フレーム15とは、接着剤を介して接着されており、樹脂フレーム15の開口縁15bから、接着剤の一部が接着部15aとして、樹脂フレーム15の開口縁15bに沿って内周側にはみ出している。 The resin frame 15 has a three-layer sheet structure in which a main layer made of a thermoplastic resin or a thermosetting resin, which serves as a frame body, and adhesive layers made of a thermoplastic resin are formed on both sides of the main layer, and the adhesive layer melts. By (softening) the resin frame is fused to the separators 20 and 30 . An opening is formed in the center of the resin frame 15 so as to surround the outer periphery of the membrane electrode assembly 11 . The resin frame 15 is fused to one surface of the membrane electrode assembly 11 . In FIG. 5, the membrane electrode assembly 11 and the resin frame 15 are adhered via an adhesive, and a part of the adhesive acts as an adhesive portion 15a from the opening edge 15b of the resin frame 15. It protrudes to the inner peripheral side along the opening edge 15b.

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。 The resin frame 15 has openings 16a and 16b forming fuel gas flow paths, openings 17a and 17b forming oxidant gas flow paths, and an opening 18a forming a coolant flow path, on the outer peripheral side of the central opening. , 18b are formed. In this embodiment, the opening 16a on one side is the inlet for the fuel gas, and the opening 16b on the other side is the outlet for the fuel gas. The opening 17a on one side is an inlet for the oxidizing gas, and the opening 17b on the other side is an outlet for the oxidizing gas. Further, the central opening 18a on one side is an inlet for coolant such as cooling water, and the central opening 18b on the other side is an outlet for coolant. Flow paths for the fuel gas, oxidant gas, and coolant are partitioned by sealing materials (not shown) formed between the electrode assembly 10 and the pair of separators 20 and 30 .

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。 A pair of separators 20, 30 joined to both sides of the electrode assembly 10 will now be described with reference to FIGS. 3A-4B. The separators 20 and 30 basically have the same configuration and are composed of an anode separator and a cathode separator.

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。 The separators 20 and 30 are members molded from rectangular metal thin plates, and partition the membrane electrode assembly 11 between the fuel cell unit cells 1 in a stacked state, and separate the membrane electrode assembly from each other. It plays a role of collecting the electric power generated by 11. Separators 20, 30 are made of metal such as titanium, titanium alloy, or stainless steel.

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。 The separators 20 and 30 have a plurality of grooves formed along the longitudinal direction on both sides of the central region corresponding to the power generation region 14 located in the center of the membrane electrode assembly 11 of the electrode assembly 10 . A fuel gas such as hydrogen gas or an oxidant gas such as air flows through the grooves on the side facing the membrane electrode assembly 11, and a coolant flows through the grooves on the side where the separators face each other in the stacked state. . As a result, the fuel gas is supplied from one side of the membrane electrode assembly 11 and the oxidant gas is supplied from the other side, so that the membrane electrode assembly 11 generates electricity.

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。 As shown in FIG. 3A, one separator 20 has three openings formed on both sides in the longitudinal direction. These openings are formed in the same shape at positions corresponding to the openings formed on both sides of the electrode assembly 10 in the longitudinal direction. Specifically, the opening 25a on one side is an inlet for the fuel gas, and the opening 25b on the other side is an outlet for the fuel gas. The opening 26a on one side is an inlet for the oxidizing gas, and the opening 26b on the other side is an outlet for the oxidizing gas. Furthermore, the opening 27a on one side is an inlet for the coolant, and the opening 27b on the other side is an outlet for the coolant.

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、樹脂フレーム15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。 One separator 20 has a welding area 22 formed on the outer peripheral side so as to surround the central area 21 , and the resin of the resin frame 15 is welded in this welding area 22 . In this embodiment, as shown in FIG. 3B, a stepped region 23 is formed between the central region 21 and the welding region 22 . As shown in FIG. 5, the stepped region 23 is recessed on the side facing the electrode assembly 10. In this stepped region 23, the electrode assembly 10 (specifically, the gas diffusion layer 13a adhered to the resin frame 15) is recessed. part) is in a non-contact state.

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。 As shown in FIG. 4A, the other separator 30 has three openings formed on both sides in the longitudinal direction. These openings are formed in the same shape at positions corresponding to the openings formed on both longitudinal sides of the electrode assembly 10 and one separator 20 . Specifically, the opening 35a on one side is an inlet for the fuel gas, and the opening 35b on the other side is an outlet for the fuel gas. The opening 36a on one side is an inlet for the oxidizing gas, and the opening 36b on the other side is an outlet for the oxidizing gas. Furthermore, the opening 37a on one side is an inlet for the coolant, and the opening 37b on the other side is an outlet for the coolant.

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、樹脂フレーム15の開口縁15bおよびその近傍)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。 The upper separator 30 has a welding area 32 formed on the outer peripheral side so as to surround the central area 31 , and the resin of the resin frame 15 is welded in this welding area 32 . In this embodiment, as shown in FIG. 4B, a step region 33 is formed between the central region 31 and the welding region 32 . As shown in FIG. 5, the step region 33 is recessed on the side facing the electrode assembly 10, and in this step region 33, the electrode assembly 10 (specifically, the opening edge 15b of the resin frame 15 and its vicinity) is recessed. is in a non-contact state. The upper separator 30 contacts the electrode assembly 10 on the outer peripheral side of the separator 30 relative to the stepped region 33 and the inner peripheral side of the welding region 32 , specifically, in the region where the gasket 34 described later is arranged.

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。 The other separator 30 has a gasket 34 on the surface opposite to the surface facing the electrode assembly 10 , that is, the outer surface of the fuel cell single cell 1 . The gasket 34 is arranged inside the welding region 32 so as to surround the central region 31 and the openings 37a and 37b. The gasket 34 has a flat portion 34a and a projecting portion 34b protruding from the flat portion 34a on the outer peripheral side of the flat portion 34a. When a fuel cell stack (not shown) is formed by stacking and fixing a large number of fuel cell single cells 1, the gasket 34 is deformed by pressing the projecting portion 34b to ensure sealing with the adjacent separator 20. be able to. This allows the coolant to flow between the separators 20 and 30 sealed by the gasket 34 .

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、樹脂フレーム15の開口縁15bに位置するガス拡散層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は樹脂フレーム15の開口縁15bから離間している。 The electrode assembly 10, in which the resin frame 15 is fixed to the membrane electrode assembly 11 shown in FIG. configured to That is, the gas diffusion layer 13a is in contact with the central region 21 of the separator 20, the resin frame 15 is in contact with the welding region 22, and the step region 23 is the portion of the gas diffusion layer 13a located at the opening edge 15b of the resin frame 15. away. Further, the gas diffusion layer 13b is in contact with the central region 31 of the separator 30, the upper surface of the resin frame 15 is in contact with the welding region 32, and the stepped region 33 is separated from the opening edge 15b of the resin frame 15.

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。
2. Joining Mold 40 Next, the joining mold 40 for manufacturing the fuel cell single cell 1 configured as described above will be described with reference to FIGS. 6A and 6B. The bonding mold 40 of the present embodiment is a mold for manufacturing the single cell 1 by bonding the separators 20 and 30 to both surfaces of the electrode assembly 10. It has a mold 41 and a second mold 45 that is in contact with the upper part of the separator 30 of the single cell 1 . A first mold 41 positioned below is formed as a single mold and placed on a pedestal or the like (not shown). The upper second mold 45 is composed of two parts, an outer mold 45A and an inner mold 45B.

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。 The first mold 41 is formed so as to surround a central receiving portion 41a that receives the central region 21 of one separator 20 that is in contact with the electrode assembly 10, and to surround the central receiving portion 41a, and is welded to the resin frame 15. and an outer periphery receiving portion 41b that receives the welded region 22 of the separator 20 below.

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。 Specifically, the central receiving portion 41a is formed so as to support the central region 21 of the separator 20 in which a groove portion forming a flow path for circulating the fuel gas or the oxidant gas is formed, and the outer peripheral receiving portion 41b It is formed to receive a peripheral weld region 22 . A depressed portion 41c is further formed along the outer periphery of the central receiving portion 41a between the central receiving portion 41a and the outer peripheral receiving portion 41b.

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。 A heating part 43 for joining the electrode assembly 10 and the separator 20 is built in the first mold 41 . As long as the heating unit 43 heats the first mold 41 , it may be of any type such as a steam type or an electric current type. The heating temperature is set so as to heat the separator 20 to a temperature at which the resin of the resin frame 15 of the electrode assembly 10 melts through the separator 20 .

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。 The second mold 45 includes an inner mold 45B that presses the central region 31 of the separator 30 in contact with the electrode assembly 10, and a separator that is formed to surround the inner mold 45B and welded to the resin frame 15 of the electrode assembly 10. and an outer mold 45A for hot-pressing the welded region 32 of 30 . The outer mold 45A has an outer peripheral pressurizing portion 45d that contacts the welded region 32 of the separator 30, and the welded region 32 of the separator 30 is thermally pressed by the outer peripheral pressurizing portion 45d.

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15b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。内型45Bの延在部45eには、樹脂フレーム15の開口縁15bに対向する部位に、他方のセパレータ30との接触を防止する凹部45gが形成されている。 The inner die 45B has a central pressurizing portion 45c that contacts and pressurizes the central region 31 of the separator 30 . The central pressurizing part 45 c presses the resin frame 15 via the separator 30 from the central region 31 of the separator 30 to the region on the outer peripheral side of the electrode assembly 10 relative to the opening edge 15 b formed in the resin frame 15 . , an extension portion 45e extending to the outer peripheral region is formed. The extended portion 45e of the inner die 45B is formed with a recess 45g at a portion facing the opening edge 15b of the resin frame 15 to prevent contact with the other separator 30. As shown in FIG.

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。 A clearance CL is formed on the outer periphery of the inner die 45B so that the inner die 45B positioned in the center of the second die 45 and the outer die 45A positioned on the outer periphery of the inner die 45B can move independently. ing. The inner die 45B and the outer die 45A are vertically movable by actuators (not shown), and are configured so that their respective pressing forces can be adjusted when joining the fuel cell single cells 1 together. In the bonding mold 40 of the present embodiment, the pressing force of the inner mold 45B that corrects warpage is set to be greater than the pressing force of the outer mold 45A that thermally presses the separator 30 .

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。本実施形態では、外側54Aに加熱部47を内蔵したが、たとえば、内型45Bにも加熱部を内蔵してもよい。 A heating portion 47 for heating the electrode assembly 10 and the separator 30 is incorporated in the outer mold 45A of the second mold 45 . As long as the heating unit 47 heats (the outer mold 45A of) the second mold 45, the heating unit 47 may be of any type such as a steam type or an electric current type. The heating part 47 heats the outer peripheral pressure part 45 d and sets the heating temperature so as to heat the separator 30 to a temperature at which the resin of the resin frame 15 of the electrode assembly 10 is melted. In this embodiment, the heating portion 47 is built in the outer side 54A, but the heating portion may be built in the inner mold 45B, for example.

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。 The first mold 41 has a flat bottom surface that is placed on a pedestal or the like. The contact surfaces of the first mold 41 with which the separator 20 contacts are the surface of the outer peripheral receiving portion 41b projecting so as to contact the welding region 22 of the separator 20 and the surface of the central receiving portion 41a contacting the central region 21. . The surface of the depressed portion 41c formed between the central receiving portion 41a and the outer peripheral receiving portion 41b is separated from the stepped region 23 of the separator 20 and is not in contact with the stepped region 23. As shown in FIG.

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。 In the second mold 45, the surfaces to which the separator 30 is pressurized or heat-pressed are the surface of the outer peripheral pressurizing portion 45d of the outer mold 45A and the surface of the central pressurizing portion 45c of the inner mold 45B. The width of the portion 45d is about several millimeters (1 to 3 mm). A concave portion 45f recessed upward is formed between the outer peripheral pressing portion 45d and the central pressing portion 45c. The space formed by the depressed portion 45f prevents the gasket 34 from coming into contact with the outer mold 45A during bonding, and the depressed portion 45f absorbs heat transferred from the outer peripheral pressure portion 45d to the separator 30. Heat can be dissipated in the formed space.

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。
3. Joining Method Using Joining Die 40 A joining method using the joining die 40 will be described below. One separator 20 is placed on a first mold 41 placed on a pedestal or the like. The central region 21 of the separator 20 is supported by the central receiving portion 41a, and the welded region 22 formed so as to surround the central receiving portion 41a is supported by the outer peripheral receiving portion 41b. In addition, the surface of the recessed portion 41 c formed by a step between the central receiving portion 41 a and the outer peripheral receiving portion 41 b is separated from the separator 20 .

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に接着剤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、中央領域21は、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、これに対向するセパレータ20の部分とから離間している。 Next, the electrode assembly 10 is placed on the separator 20 placed on the first mold 41 . The resin frame 15 fixed to the electrode assembly 10 with an adhesive is in contact with the welding region 22 of the separator 20 and supported by the outer periphery receiving portion 41 b of the first mold 41 . The gas diffusion layer 13a of the membrane electrode assembly 11 is in contact with the central region 21 of the separator 20, and the central region 21 is supported by the central receiving portion 41a. The surface of the depressed portion 41c is separated from the gas diffusion layer 13a and the portion of the separator 20 that faces it.

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。 After that, the separator 30 is placed on the electrode assembly 10 . A central region 31 of the separator 30 contacts the gas diffusion layer 13 b formed on the membrane electrode assembly 11 of the electrode assembly 10 , and a welding region 32 of the separator 30 contacts the resin frame 15 .

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。 Next, the second mold 45 is lowered by the actuator, and the central pressure portion 45c of the inner mold 45B presses the central region 31 of the separator 30. As shown in FIG. Next, with the center region 31 of the separator 30 being pressed, the actuator lowers the outer mold 45A, and a strong pressing force is applied while the outer mold 45A is in contact with the welded region 32 of the separator 30 .

第1金型41では、外周受け部41bが加熱され、第2金型45では、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。 In the first mold 41, the outer periphery receiving portion 41b is heated, and in the second mold 45, the outer mold 45A is heated. Therefore, in a state in which the warping of the central regions 21 and 31 of the separators 20 and 30 is corrected, the resin of the resin frame 15 melts in the welded regions 22 and 32 on the outer periphery, and the welded regions 22 and 32 of the separator 20 melt. , is joined to the resin frame 15 of the electrode assembly 10 .

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。 When joining is performed by the joining die 40, the separator 20, the electrode assembly 10, and the separator 30 are first sandwiched between the central receiving portion 41a and the central pressing portion 45c of the inner mold 45B. Fixed. After that, the outer mold 45A is lowered to heat the welding regions 22 and 32 for joining, so that the separator 20, the electrode assembly 10, and the separator 30 are prevented from being dislocated and can be joined with high accuracy.

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、樹脂フレーム15の開口縁15b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。 In this manner, the welded region 22 of the separator 20 and the separator 20 are bonded to the resin frame 15 of the electrode assembly 10 by the outer peripheral receiving portion 41b of the first mold 41 and the outer peripheral pressing portion 45d of the outer mold 45A of the second mold 45. The welding area 32 of 30 is sandwiched and these are welded by hot pressing. During this heat pressing, a counterclockwise moment M shown in FIG. 6B acts on the resin frame 15 . Specifically, the moment M acts in a direction in which the adhesive portion 15 a between the resin frame 15 and the membrane electrode assembly 11 is separated from the opening edge 15 b of the resin frame 15 . In particular, when the gasket 34 is provided on the outer periphery of the central region 31 of the separator 30, it is difficult to secure the welding width of the welding region 32 surrounding the outer periphery of the gasket 34, so the welding width becomes narrow, and such a moment M is generated. easy.

しかしながら、第2金型45の内型45Bは、樹脂フレーム15の開口縁15b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、開口縁15bよりも外側の樹脂フレーム15の部分と、膜電極接合体11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、樹脂フレーム15の開口縁15bから剥離することを回避することができる。 However, since the inner mold 45B of the second mold 45 is provided with the extending portion 45e extending outward from the opening edge 15b of the resin frame 15, the extending portion 45e is located outside the opening edge 15b. can be pressed against the resin frame 15 and the membrane electrode assembly 11 . As a result, the moment acting on the resin frame 15 with respect to the membrane electrode assembly 11 is reduced, and the resin frame 15 can be prevented from floating with respect to the membrane electrode assembly 11 . As a result, it is possible to prevent the adhesive portion 15 a that bonds the resin frame 15 and the membrane electrode assembly 11 from peeling off from the opening edge 15 b of the resin frame 15 .

内型45Bの延在部45eに凹部45gを設けることにより、内型45Bとセパレータ30との接触面積を低減することができ、第2金型45の加熱部47からの熱が、セパレータ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。また、延在部45eのうち、樹脂フレーム15の開口縁15bに対向する部位には、凹部45gが形成されているため、この部位は、他方のセパレータ30に接触しない。このため、開口縁15b近傍の樹脂フレーム15の加熱が抑制され、開口縁15b近傍の樹脂フレームが溶融し、開口縁15bから他方のセパレータ30の流路へ過度に流出し、他方のセパレータ30の流路に流れ込むことを防止することができる。 By providing the recessed portion 45g in the extending portion 45e of the inner mold 45B, the contact area between the inner mold 45B and the separator 30 can be reduced. It is possible to suppress the transmission to the membrane electrode assembly 11 of the electrode assembly 10 via the electrode assembly 10 . As a result, deterioration in power generation performance of the single fuel cell 1 can be suppressed. Further, since the recessed portion 45g is formed in a portion of the extension portion 45e that faces the opening edge 15b of the resin frame 15, this portion does not come into contact with the other separator 30. As shown in FIG. Therefore, heating of the resin frame 15 in the vicinity of the opening edge 15b is suppressed, the resin frame in the vicinity of the opening edge 15b melts, excessively flows out from the opening edge 15b into the flow path of the other separator 30, and the other separator 30 melts. It is possible to prevent it from flowing into the channel.

また、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。 Further, by providing a clearance CL between the outer mold 45A and the inner mold 45B, the heat of the outer mold 45A is hardly transmitted to the inner mold 45B, so that the membrane electrode assembly 11 is prevented from being heated to a high temperature. be able to.

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。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various designs can be made without departing from the spirit of the invention described in the claims. Changes can be made.

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、15b:開口縁、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: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:第2金型、45A:外型、45B:内型、45c:中央加圧部、45d:外周加圧部、45e:延在部、45g:凹部 1: fuel cell single cell, 10: electrode assembly, 11: membrane electrode assembly, 13a, 13b: gas diffusion layer, 15: resin frame, 15b: opening edge, 20, 30: separator, 21, 31: central region, 22, 32: Welding region, 34: Gasket, 40: Joining mold, 41: First mold, 41a: Central receiving part, 41b: Peripheral receiving part, 43, 47: Heating part, 45: Second mold , 45A: outer mold, 45B: inner mold, 45c: central pressurizing part, 45d: outer peripheral pressurizing part, 45e: extension part, 45g: concave part

Claims (1)

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する延在部を備えるとともに、前記延在部には、前記開口縁に対向する部位に、前記他方のセパレータとの接触を防止する凹部が形成されていることを特徴とする接合用金型。
On both sides of an electrode assembly comprising a membrane electrode assembly having gas diffusion layers laminated on both sides, and a resin frame adhered to the membrane electrode assembly so as to surround the outer periphery of the membrane electrode assembly, A bonding mold for manufacturing a fuel cell single cell in which the pair of separators are bonded to the resin frame by hot pressing the pair of separators in a state where the separators are arranged,
The joining mold includes a first mold that contacts one separator and a second mold that contacts the other separator,
The first mold includes a central receiving portion that receives a central region of the one separator that contacts the electrode assembly, and the one separator that is formed so as to surround the central receiving portion and is welded to the resin frame. and a peripheral receiving portion that receives the welding region of
The second mold includes an inner mold that presses a central region of the other separator that contacts the electrode assembly, and the other separator that is formed to surround the inner mold and is welded to the resin frame. and an outer mold that heat-presses the welded area,
The inner die presses the resin frame through the other separator from the central region to a region on the outer peripheral side of the electrode assembly relative to the edge of the opening formed in the resin frame. and a concave portion that prevents contact with the other separator is formed in the extending portion at a portion facing the opening edge. Joining mold.
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