KUSAKABE HIROKI
MATSUMOTO TOSHIHIRO
KAWABATA NORIHIKO
YOSHIMURA MITSUO
MORIMOTO TAKASHI
KUSAKABE HIROKI
MATSUMOTO TOSHIHIRO
KAWABATA NORIHIKO
YOSHIMURA MITSUO
| WO2008001755A1 | 2008-01-03 |
| JP2007095669A | 2007-04-12 | |||
| JP2004311254A | 2004-11-04 | |||
| JP2001336640A | 2001-12-07 |
| 高分子電解質膜の縁を枠体で支持した燃料電池セルであって、 前記枠体を、高分子電解質膜の縁を間に挟んで接合された一方の枠と他方の枠とで構成し、 前記他方の枠は、前記一方の枠よりもヤング率が小さい樹脂材料で形成されており、かつ前記一方の枠の前記他方の枠との接合面とは反対側の面に、前記他方の枠と同じ材質のシール部を形成した 燃料電池セル。 |
| 前記他方の枠には、前記高分子電解質膜が露出する開口が形成されている 請求項1記載の燃料電池セル。 |
| 請求項1または請求項2記載の燃料電池セルを複数個直列に接続された積層構造のスタックに対して、各燃料電池セルのアノード極とカソード極に燃料ガスと酸化ガスを供給するよう構成した 燃料電池。 |
| 高分子電解質膜の縁を枠体で支持した燃料電池セルを製造するに際し、 高分子電解質膜にアノード極とカソード極を設けて形成された電極部の外周に露出している高分子電解質膜の縁を、前記枠体を構成する一方の枠の上面に載せ、 前記一方の枠の上面に、前記一方の枠よりもヤング率が小さい樹脂材料を注入して前記枠体を構成する他方の枠を成形すると共に、前記一方の枠の下面に、前記他方の枠と同じ材質のシール部を同時に成形する 燃料電池セルの製造方法。 |
| 高分子電解質膜の縁を枠体で支持した燃料電池セルを製造するに際し、 高分子電解質膜にアノード極とカソード極を設けて形成された電極部の外周に露出している高分子電解質膜の縁を、前記枠体を構成する一方の枠の上面に載せ、 押圧部材で高分子電解質膜の縁を前記一方の枠の上面に押し付けながら、前記一方の枠の上面に、前記一方の枠よりもヤング率が小さい樹脂材料を注入して前記枠体を構成する他方の枠を成形すると共に、前記一方の枠の下面に、前記他方の枠と同じ材質のシール部を同時に成形する 燃料電池セルの製造方法。 |
| オレフィン系樹脂材料を注入して前記一方の枠を形成し、 ヤング率が前記一方の枠よりも小さいオレフィン系エラストマ樹脂材料を注入して前記他方の枠と前記一方の枠の下面にシール部を形成する 請求項4または請求項5記載の燃料電池セルの製造方法。 |
| 前記一方の枠にこの一方の枠の両面を接続する貫通孔が形成されており、前記前記他方の枠と前記シール部が、前記貫通孔に充填された樹脂材料によって連結されている 請求項1記載の燃料電池セル。 |
| 前記一方の枠の上面に樹脂材料を注入して前記他方の枠を成形する際に、前記一方の枠に形成された貫通孔を介して前記他方の枠とは反対側の面に樹脂材料を注入して前記シール部を成形する 請求項4記載の燃料電池セルの製造方法。 |
固体高分子電解質型燃料電池(PEFC)などに 成部品として使用されている燃料電池セル 、特に電解質膜-電極接合体に関するもので ある。
固体高分子電解質型燃料電池は、図7に示 すように構成されている。
スタック30は、燃料電池セルが複数個直 に接続された積層構造を有している。外部 らこのスタック30に、燃料ガスAと酸素含有 スBとが供給されて、これを電気化学的に反 させることで電力、熱、及び水が同時に発 する。スタック30にて発電された電気は、 気出力部41を介して取り出されている。
スタック30の各燃料電池セルは、図8に示 ように、電解質膜-電極接合体42を中央にし 2枚のセパレータ43a,43bで挟んで構成されて る。電解質膜-電極接合体42は、図9(e)にも示 ように、高分子電解質膜44の外周を枠体45で 保持した構造であって、高分子電解質膜44の 方の面にアノード極(燃料極)46a、高分子電 質膜44の他方の面にはカソード極(酸化剤極)4 6bが設けられている。セパレータ43aとアノー 極(燃料極)46aとの間には燃料ガスAの流路が 成され、セパレータ43bとカソード極(酸化剤 極)46bとの間には酸素含有ガスBの流路が形成 れている。
この電解質膜-電極接合体42は、特許文献1 などに見られるように図9(a)~図9(e)の工程で製 造されている。
図9(a)の枠体一次成形工程では、前記枠体 45の一部となる一方の枠47aが成形される。
図9(b)では、高分子電解質膜44にアノード (燃料極)46aとカソード極(酸化剤極)46bを設け て電極部が形成される。
図9(c)(d)では、電極部の外周に露出してい る高分子電解質膜44の縁を、前記一方の枠47a 上面に載せ、樹脂材料を注入して前記枠体4 5の一部となる他方の枠47bを成形して、一方 枠47aと他方の枠47bとで高分子電解質膜44を挟 持する。
図9(e)では、前記枠47a,47bよりもヤング率 小さい樹脂材料を注入して一方の枠47aと他 の枠47bの外側の面に、隣接する燃料電池セ に当接してシールする突部48a,48bが成形され いる。
また、特許文献2,特許文献6には、高分子 解質膜の周縁部を覆う枠体の弾性率を、2000 MPa以上2000000MPa以下とし、枠体とセパレータ 間に設けた弾性体の弾性率を200MPa以下にす ことが開示されている。
また、特許文献3には、高分子電解質膜の 周縁部で、その両面にガスケットを備えた電 解質膜-電極接合体が示されている。ガスケ トにはシール用の凸部が設けられている。
また、特許文献4には、弾性体からなるシ ール材が一体に成形された薄膜キャリアガス ケットが開示されており、キャリアの表裏面 には硬度または材質の異なるシール材が設け られている。
また、特許文献5には、高分子電解質膜の 周縁部に形成されたシール部材を、弾性率の 異なる材料を二層に重ねた構成が開示されて おり、高分子電解質膜の側のシール部材より その上に形成したシール部材(セパレータ側) 弾性率を低くして、セパレータの粗さを吸 している。
また、特許文献7には、電解質膜-電極接 体が高分子電解質膜とそれを挟持する電極 らなり、周縁部は弾性体からなるフレーム 囲まれており、フレームの上にシーリング リップが形成されている。
また、特許文献8,特許文献9には、シール部
を弾性率の異なる材料を二層に重ね、高分
電解質膜のシール部材の弾性率をセパレー
側のシール部材よりも高くすることが開示
れている。
図9(a)~(e)に示したように、成形の工程数 多くて作業性が悪いので、成形工程数の削 が要求されているのが現状である。
そこで、図10(a)に示すように金型100に電 部をセットして、ゲート101から樹脂材料102 注入して枠体45を一度の成形で成形すること が考えられるが、高分子電解質膜44が薄くて 撓性材料であるため、高分子電解質膜44の は、樹脂の注入によって図10(b)に示すように 樹脂圧によって片寄りして変形してしまって 、安定した支持状態を得られない問題がある 。
本発明は、成形の工程数が少なくて生産 が良好な燃料電池セルとこれを使用した燃 電池および燃料電池セルの製造方法を提供 ることを目的とする。
また、成形の工程数が少なくて作業性が 好で、しかも、高分子電解質膜の安定した 持状態を得られる燃料電池セルの製造方法 提供することを目的とする。
本発明の請求項1記載の燃料電池セルは、 高分子電解質膜の縁を枠体で支持した燃料電 池セルであって、前記枠体を、高分子電解質 膜の縁を間に挟んで接合された一方の枠と他 方の枠とで構成し、前記他方の枠は、前記一 方の枠よりもヤング率が小さい樹脂材料で形 成されており、かつ前記一方の枠の前記他方 の枠との接合面とは反対側の面に、前記他方 の枠と同じ材質のシール部を形成したことを 特徴とする。
本発明の請求項2記載の燃料電池セルは、 請求項1において、前記他方の枠には、前記 分子電解質膜が露出する開口が形成されて ることを特徴とする。
本発明の請求項3記載の燃料電池は、請求 項1または請求項2記載の燃料電池セルを複数 直列に接続された積層構造のスタック対し 、各燃料電池セルのアノード極(燃料極)と ソード極(酸化剤極)に燃料ガスと酸化ガスを 供給するよう構成したことを特徴とする。
本発明の請求項4記載の燃料電池セルの製 造方法は、高分子電解質膜の縁を枠体で支持 した燃料電池セルを製造するに際し、高分子 電解質膜にアノード極(燃料極)とカソード極( 酸化剤極)を設けて形成された電極部の外周 露出している高分子電解質膜の縁を、前記 体を構成する一方の枠の上面に載せ、前記 方の枠の上面に、前記一方の枠よりもヤン 率が小さい樹脂材料を注入して前記枠体を 成する他方の枠を成形すると共に、前記一 の枠の下面に、前記他方の枠と同じ材質の ール部を同時に成形することを特徴とする
本発明の請求項5記載の燃料電池セルの製 造方法は、高分子電解質膜の縁を枠体で支持 した燃料電池セルを製造するに際し、高分子 電解質膜にアノード極(燃料極)とカソード極( 酸化剤極)を設けて形成された電極部の外周 露出している高分子電解質膜の縁を、前記 体を構成する一方の枠の上面に載せ、押圧 材で高分子電解質膜の縁を前記一方の枠の 面に押し付けながら、前記一方の枠の上面 、前記一方の枠よりもヤング率が小さい樹 材料を注入して前記枠体を構成する他方の を成形すると共に、前記一方の枠の下面に 前記他方の枠と同じ材質のシール部を同時 成形することを特徴とする。
本発明の請求項6記載の燃料電池セルの製 造方法は、請求項4または請求項5において、 レフィン系樹脂材料を注入して前記一方の を形成し、ヤング率が前記一方の枠よりも さいオレフィン系エラストマ樹脂材料を注 して前記他方の枠と前記一方の枠の下面に ール部を形成することを特徴とする。
本発明の請求項7記載の燃料電池セルは、 請求項1において、前記一方の枠にこの一方 枠の両面を接続する貫通孔が形成されてお 、前記前記他方の枠と前記シール部が、前 貫通孔に充填された樹脂材料によって連結 れていることを特徴とする。
本発明の請求項8記載の燃料電池セルの製 造方法は、請求項4において、前記一方の枠 上面に樹脂材料を注入して前記他方の枠を 形する際に、前記一方の枠に形成された貫 孔を介して前記他方の枠とは反対側の面に 脂材料を注入して前記シール部を成形する とを特徴とする。
この構成によると、高分子電解質膜の安 した支持状態を得られる燃料電池セルを実 できる。また、一方の枠の上面に、前記一 の枠よりもヤング率が小さい樹脂材料を注 して他方の枠を成形すると共に、前記一方 枠の下面に、前記他方の枠と同じ材質のシ ル部を同時に成形するので、少ない工程数 燃料電池セルを作成できる。
以下、本発明の燃料電池セルの製造方法 具体的な各実施の形態に基づいて説明する
(実施の形態1)
図1と図2は本発明の実施の形態1を示す。
なお、図7~図10と同様の作用をなすものに は同一の符号を付けて説明する。
この燃料電池セルは、図2(a)~(d)の工程で 造される。
図2(a)の枠体一次成形工程では、前記枠体 45の一部となる一方の枠47aがオレフィン系の 成樹脂である例えばポリプロピレンによっ 成形される。
図2(b)では、高分子電解質膜44にアノード (燃料極)46aとカソード極(酸化剤極)46bを設け て電極部が形成される。
図2(c)(d)では、電極部の外周に露出してい る高分子電解質膜44の縁を、前記一方の枠47a 上面に載せ、金型(図示せず)にセットして この金型に前記一方の枠47aよりもヤング率 小さい樹脂材料として、オレフィン系エラ トマを注入する。
この金型での成形を詳しく説明する。
ここでは前記一方の枠47aとして株式会社 ライムポリマー製の商品名:プライムポリプ ロ,グレード:R-250G又はR-350Gを使用している。
金型には、前記一方の枠47aよりもヤング が小さい樹脂材料として、オレフィン系エ ストマである例えば三井化学株式会社製ミ ストマー(登録商標)M3800または三菱化学株式 会社製ゼラス(登録商標)MC616を注入して、前 枠体45の一部となる他方の枠47cを成形して、 一方の枠47aと他方の枠47cとで高分子電解質膜 44を挟持する。また、他方の枠47cを成形した 脂が一方の枠47aの下面に供給されてシール としての突起49が同時に成形される。
このようにして作成した電解質膜-電極接 合体42を中央にして2枚のセパレータ43a,43bで んで、セパレータ43aとアノード極(燃料極)46a との間には燃料ガスAの流路を形成し、セパ ータ43bとカソード極(酸化剤極)46bとの間には 酸素含有ガスBの流路を形成する。この燃料 池セルを複数個直列に接続された積層構造 スタック30に対して、各燃料電池セルのアノ ード極46aとカソード極46bに燃料ガスと酸化ガ スを供給することによって燃料電池を構成で きる。
この構成によると、図9に示した比較例と 比べて少ない工程数で燃料電池セルを作成で きる。
(実施の形態2)
図3と図4は本発明の実施の形態2を示す。
図3は実施の形態1の図1とは、高分子電解 膜44が露出する開口50が他方の枠47cに形成さ れている点が異なり、その他は同じである。
この開口50は燃料電池セルの製造工程に いて図4に示すように役立っている。
図4(a)の枠体一次成形工程では、前記枠体 45の一部となる一方の枠47aがオレフィン系の 成樹脂である例えばポリプロピレンによっ 成形される。
図4(b)では、高分子電解質膜44にアノード (燃料極)46aとカソード極(酸化剤極)46bを設け て電極部が形成される。
これを金型(図示せず)にセットした状態 は、高分子電解質膜44の縁が、図4(c)に示す うに、先端が基端よりも細くなった押圧部 51によって前記一方の枠47aの上面に押し付け られる。
この状態になってから前記一方の枠47aよ もヤング率が小さい樹脂材料として、枠47a 樹脂材料として株式会社プライムポリマー の商品名:プライムポリプロ,グレード:R-250G はR-350Gを使用した場合、これよりもヤング が小さい樹脂材料として、オレフィン系エ ストマである例えば三井化学株式会社製ミ ストマー(登録商標)M3800または三菱化学株式 会社製ゼラス(登録商標)MC616を注入して、前 枠体45の一部となる他方の枠47cを成形して、 一方の枠47aと他方の枠47cとで高分子電解質膜 44を挟持する。また、他方の枠47cを成形した 脂が一方の枠47aの下面に供給されてシール としての突起49が同時に成形される。
前記他方の枠47cとシール部49の樹脂が硬 して前記金型を開いて製品を取り出すと、 4(e)に示すように前記開口50を有する電解質 -電極接合体42が完成する。
このようにして作成した電解質膜-電極接 合体42を中央にして2枚のセパレータ43a,43bで んで、セパレータ43aとアノード極(燃料極)46a との間には燃料ガスAの流路を形成し、セパ ータ43bとカソード極(酸化剤極)46bとの間には 酸素含有ガスBの流路を形成する。この燃料 池セルを複数個直列に接続された積層構造 スタック30に対して、各燃料電池セルのアノ ード極46aとカソード極64bに燃料ガスと酸化ガ スを供給することによって燃料電池を構成で きる。
この構成によると、図9に示した比較例と 比べて少ない工程数で燃料電池セルを作成で きるとともに、押圧部材51によって高分子電 質膜44の縁を前記一方の枠47aの上面に押し けた状態で樹脂を注入しているため、高分 電解質膜44の縁が樹脂圧によって片寄りする こともなく、安定した支持状態を得られる。
(実施の形態3)
図5は本発明の実施の形態3を示す。
図1と図2に示した実施の形態1では、一方 枠47aを境にして注入された樹脂によって他 の枠47cと突起49を成形したが、図5(a)に示す うに一方の枠47aに、この一方の枠47aの両面 接続する貫通孔52を形成しておくことによ て、一方の枠47aの樹脂を注入する際に、一 の樹脂が貫通孔52を介して反対側の面に注入 されて図5(b)に示すように突起49を形成できる 。その他は実施の形態1と同じである。
このように構成すると、実施の形態1の効 果に加えて、他方の枠47cと突起49が一方の枠4 7aの貫通孔52に充填された樹脂によって接続 れているため、一方の枠47aへの突起49の付着 強さを実施の形態1の場合よりも向上させる とができる。
(実施の形態4)
図6は本発明の実施の形態4を示す。
図3と図4に示した実施の形態2では、一方 枠47aを境にして注入された樹脂によって他 の枠47cと突起49を成形したが、図6(a)に示す うに一方の枠47aに、この一方の枠47aの両面 接続する貫通孔52を形成しておくことによ て、一方の枠47aの樹脂を注入する際に、一 の樹脂が貫通孔52を介して反対側の面に注入 されて図6(b)(c)に示すように突起49を形成でき る。その他は実施の形態2と同じである。
このように構成すると、実施の形態2の効 果に加えて、他方の枠47cと突起49が一方の枠4 7aの貫通孔52に充填された樹脂によって接続 れているため、一方の枠47aへの突起49の付着 強さを実施の形態2の場合よりも向上させる とができる。
なお、上記の各実施の形態において、枠4 7cに求められる条件(弾性変形を確実に行う条 件)としては、“JIS K 6253”で規定されるA50~A 90又はD37~D60の弾性を有することにある。
上記の何れかの実施の形態の燃料電池セ を複数個直列に接続された積層構造のスタ ク30を作成し、このスタック30に対して、各 燃料電池セルのアノード極46aとカソード極46b に燃料ガスと酸化ガスを供給するよう構成す ることによって、生産性が良好な燃料電池を 実現できる。
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池( PEFC)などに構成部品として使用されている燃 電池セルを少ない成型工程で作成すること でき、燃料電池の性能を落とすことなく燃 電池の低コスト化に寄与できる。