(57)【要約】【課題】燃料電池用セルを構成する各層同士が適切に接合した状態で確実に保持された燃料電池用セルを提供する。【解決手段】それぞれに貫通孔１２Ａ、１１Ａ、１３Ａを形成したアノードセパレータ１２、電解質膜１１、カソードセパレータ１３を重ねてホットプレスし、連通する貫通孔１２Ａ、１１Ａ、１３Ａに積層体補強部材２０を挿入し、積層体補強部材２０の両端部を熱カシメを施して積層体補強部材２０の中間部より太い径寸法となるように膨大化させて、積層体１４を構成する各層を保持するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の一方の主面にアノードセパレータを積層し、前記電解質膜の他方の主面にカソードセパレータを積層して積層体を構成し、前記積層体をホットプレスする工程と、
前記積層体の厚み方向に貫通する貫通孔に、電気絶縁性を有する樹脂でなる積層体補強部材を挿入する工程と、
前記積層体補強部材を加熱して溶融させた後、冷却する工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池用セルの製造方法。
【請求項２】
電解質膜の一方の主面にアノードセパレータを積層し、前記電解質膜の他方の主面にカソードセパレータを積層して積層体を構成し、前記積層体をホットプレスする工程と、
前記積層体の厚み方向に貫通する貫通孔に、電気絶縁性を有する樹脂を溶融した状態で充填する工程と、
前記樹脂を冷却して積層体補強部材を形成する工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池用セルの製造方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載された燃料電池用セルの製造方法であって、
前記積層体補強部材の両端部に中間部より径寸法の大きい膨大頭部を形成することを特徴とする燃料電池用セルの製造方法。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池用セルの製造方法であって、
前記積層体の積層方向両側の最外層の表面に、前記膨大頭部を埋設する凹部を形成することを特徴とする燃料電池用セルの製造方法。
【請求項５】
電解質膜の一方の主面にアノードセパレータが接合され、前記電解質膜の他方の主面にカソードセパレータが接合された積層体の厚み方向に貫通する貫通孔に、電気絶縁性を有する樹脂でなる積層体補強部材が埋め込まれると共に、前記積層体補強部材の両端に、前記貫通孔の中間部の径寸法より大きい径寸法の膨大頭部が形成されていることを特徴とする燃料電池用セル。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池用セルであって、
前記貫通孔の両端は、前記積層体補強部材の前記膨大頭部を収納する凹部形状とされていることを特徴とする燃料電池用セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用セル及び燃料電池用セルの製造方法に関し、さらに詳しくは、電解質膜とその両面に配置されるセパレータとの剥離防止技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池用セルは燃料電池の単位セルであり、複数の燃料電池用セルを積み重ねてスタック構造とすることにより燃料電池が構成されている。このような燃料電池用セルは、電解質膜の一方の表面に、燃料流路を形成したセパレータを接合させ、且つ電解質膜の他方の表面に、酸化剤流路を形成した板状のセパレータを接合させることにより構成されている。
【０００３】
燃料電池用セルのスタッキング方法として、電解質膜とこれを挟むセパレータを順次積層して複数の燃料電池用セルを構成する積層体（単位ブロック）を構成し、さらに複数の積層体を積み上げた状態で保持、固定する方法が知られている（例えば、特許文献１など参照）。
【０００４】
図６は、このスタッキング方法を示している。この方法で用いる電解質膜１やセパレータ２、３には、所定位置に位置決め用の貫通孔が形成されている。先ず、図６（ａ）では、電解質膜１やセパレータ２、３の貫通孔を中間アダプタ４に積層の順を考慮してはめ合わせ、図６（ｂ）に示すような単位ブロック５を作製する。
【０００５】
次に、このように作製された複数の単位ブロック５を積み重ね、連通させた複数の中間アダプタ４の筒孔内にシャフト６を挿入する。
【０００６】
その後、このシャフト６の両端側から固定部材で、これら複数の単位ブロック５が圧接するように締め付ける。このようにして、燃料電池スタックが製造される。
【０００７】
上述した中間アダプタ４は、積層された各層同士を繋ぎ止める機能とシール剤としての機能を有する。このような中間アダプタ４は、樹脂材料で形成されている。この樹脂材料としては、熱硬化性を有する樹脂やシリコーン樹脂等がある。また、単位ブロック５を作製するには、一般的には、加圧と加熱を施して樹脂を硬化させる手法が行われている。このようなスタッキング方法では、図７に示すように、単位ブロック５を載置する載置板７と、単位ブロック５を上から加圧する加圧板８とを備えた周知のホットプレス９が用いられている。なお、載置板７と加圧板８には、図示しない加熱用ヒータが内蔵されている。
【特許文献１】特開２００１−５７２２６号公報（第３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した燃料電池用セルの製造方法にあっては、積層体をホットプレスにて加圧及び加熱した後に、加圧板８を積層体から離して圧力を解放したときに、加圧により生じていた反発力により戻りが発生して、中間アダプタ４と各層の内壁部分とのシールが剥がれ（分離し）易くなるという問題点があった。この問題は、積層体を冷却した後に、圧力を解放しても同様に発生するものであった。この理由は、中間アダプタ４が各層と貫通孔の内壁面だけの面接触でシールされており、各層が中間アダプタ４の軸方向へずれ易いためである。
【０００９】
また、この従来方法では、このように中間アダプタ４と各層とのシールが剥がれることにより、電解質膜１とセパレータ２、３との間の接合も剥がれてしまうという問題点がある。
【００１０】
そこで、本発明は、燃料電池用セルを構成する層同士の剥がれを防止すると共に、作業工数の少ない燃料電池用セルの製造方法、及び耐久性の高い燃料電池用セルを提供すること目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記した課題を解決するために、本発明は、燃料電池用セルの製造方法において、電解質膜の一方の主面にアノードセパレータを積層し、この電解質膜の他方の主面にカソードセパレータを積層して積層体を構成する。そして、この積層体をホットプレスした後、積層体の厚み方向に貫通する貫通孔に、電気絶縁性を有する樹脂でなる積層体補強部材を挿入する。その後、この積層体補強部材を加熱して溶融させた後、冷却する。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、燃料電池用セルを構成する電解質膜、アノードセパレータ及びカソードセパレータの各層同士が適切に接合した状態で確実に保持された燃料電池用セルを提供することができる。また、この発明によれば、燃料電池用セルを少ない工数で製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態に係る燃料電池用セルの製造方法及び燃料電池用セルについて説明する。
【００１４】
先ず、本発明を適用した燃料電池用セルの製造方法及び燃料電池用セルの構成について概略する。
【００１５】
本実施の形態に係る燃料電池用セルを製造するに際しては、電解質膜、アノードセパレータ及びカソードセパレータとして、それぞれこれらを積層したときに相対応する位置に貫通孔が形成されたものを用いる。そして、電解質膜の一方の主面にアノードセパレータを接合するように積層し、この電解質膜の他方の主面にカソードセパレータを接合するように積層して積層体を作製する。なお、この積層体の積層方向両側の表面には、貫通孔と一体であり、貫通孔に連通する凹部を形成する。この凹部は、貫通孔の径よりも大きく形成する。
【００１６】
次に、この積層体をホットプレスした後、冷間プレスにて冷却する。その後、冷間プレスした状態を保持しながら、連通している貫通孔に、電気絶縁性を有する樹脂でなる膨大頭部を有するビス形状の積層体補強部材を挿入する。このとき、積層体補強部材の膨大頭部は、積層体の積層方向の一方の最外層に形成された凹部に収納される。
【００１７】
次いで、貫通孔に挿入した状態で、積層体補強部材を加熱して溶融させた後、冷却する。このとき、積層体補強部材の他方の端部は、積層体の積層方向の他方の最外層に形成された凹部内に溶融して収納され、その状態で冷却して硬化される。
【００１８】
このような工程を経て製造された燃料電池用セルは、積層体を構成する電解質膜、アノードセパレータ及びカソードセパレータの各層が、積層方向に貫通して設けられた、いわゆるこれら各層の剥がれ防止用補強部材として機能する各積層体補強部材で保持される構造となる。特に、本実施の形態では、積層体補強部材の両端がいわゆるフランジ形状であるため、積層体は接合方向に圧接した状態で保持される。
【実施例１】
【００１９】
次に、図面を参照して本発明の実施例に係る燃料電池用セル及び燃料電池用セルの製造方法について詳細に説明する。但し、図面は模式的なものであり、各部材の寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。
【００２０】
本実施例に係る燃料電池用セルの製造方法では、図１に示すように、電解質膜１１と、この電解質膜１１の一方の主面に配置されるアノードセパレータ１２と、電解質膜１１の他方の主面に配置されるカソードセパレータ１３とからなる積層体１４を燃料電池用セルとする場合に、本発明を適用して説明する。なお、アノードセパレータ１２には、図示しない燃料（水素リッチガス）流路が形成され、カソードセパレータ１３には、図示しない、空気を流通させる酸化剤流路が形成されている。
【００２１】
図１（ａ）に示すように、本実施例では、積層体１４を構成する電解質膜１１、アノードセパレータ１２、カソードセパレータ１３のそれぞれ対応する所定位置（電池機能領域以外の位置）に同形・同寸法の貫通孔１１Ａ、１２Ａ、１３Ａを形成する。なお、本実施例では、これら貫通孔１１Ａ、１２Ａ、１３Ａを、各電解質膜１１、アノードセパレータ１２及びカソードセパレータ１３の四隅にそれぞれ形成する。また、アノードセパレータ１２の積層方向と反対側（外側）の表面における貫通孔１２Ａの開口周縁部には、貫通孔１２Ａの径を広げるように円形状の凹部１２Ｂが形成されている。同様に、カソードセパレータ１３の積層方向と反対側（外側）の表面における貫通孔１３Ａの開口周縁部には、貫通孔１３Ａの径を広げるように円形状の凹部１３Ｂが形成されている。
【００２２】
本実施例では、図１（ａ）に示すように、順次、アノードセパレータ１２、電解質膜１１、カソードセパレータ１３を互いの貫通孔１２Ａ、１１Ａ、１３Ａが合致するように積層して積層体１４とする。
【００２３】
次に、図１（ａ）に示すように、この積層体１４をホットプレス装置１５でホットプレスする。このホットプレス装置１５は、積層体１４を載置する載置板１６と、積層体１４を加圧する昇降可能な加圧板１７を備えている。載置板１６及び加圧板１７は、ヒータ等の加熱手段と冷却手段とを備えている。また、これら載置板１６及び加圧板１７には、積層体１４の連通する貫通孔１１Ａ、１２Ａ、１３Ａと対応する位置（例えば４箇所）に、後述する熱カシメ治具１８、１９を挿入させる治具挿入孔１６Ａ、１７Ａが開設されている。このような構成のプレス装置１５に対して、積層体１４を、連通する貫通孔１１Ａ、１２Ａ、１３Ａが載置板１６の治具挿入孔１６Ａと相対応するようにして載置する。
【００２４】
ホットプレス工程が終了したら積層体１４をプレス装置１５で加圧した状態にて、載置板１６と加圧板１７とを冷却手段で冷却して冷間プレスする。その後、冷間プレスを保持しないがら、図１（ｂ）に示すように、積層体補強部材２０をカソードセパレータ１３側から挿入する。この積層体補強部材２０は、例えばポリブチレン・テレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等の絶縁性樹脂をリベット形状に形成したものであり、一方の端部にフランジ形状の膨大頭部２０Ａが形成されている。
【００２５】
この膨大頭部２０Ａは、カソードセパレータ１３に形成された凹部１３Ｂ内の空間形状と略同じか或いは若干小さくされている。また、積層体補強部材２０の長さは、図１（ｂ）に示すように、積層体１４に挿入したときに、挿入した端部がアノードセパレータ１２の外側面から突出するような長さに設定されている。さらに詳しくは、積層体補強部材２０のアノードセパレータ１２の凹部１２Ｂの底面から突出する部分の体積は、この凹部１２Ｂの容積と略同じに設定されている。
【００２６】
次に、図１（ｂ）に示すように、載置板１６及び加圧板１７の治具挿入孔１６Ａ、１７Ａに熱カシメ治具１８、１９を挿入して積層体補強部材２０の両端に押し当てて積層体補強部材２０の端部に熱を加えて加締める。このとき、積層体補強部材２０におけるアノードセパレータ１２から突出する端部は、図１（ｃ）に示すようなフランジ形状の膨大頭部２０Ｂに加工され、凹部１２Ｂに埋設された状態となる。その後、積層体１４に冷間プレスを施す。このとき、加熱された積層体補強部材２０を構成する絶縁性樹脂の冷却時の収縮により発生する圧縮力が積層体１４に作用し、この収縮力によって積層体１４が積層方向に強固に保持される。その後、プレス装置１５から取り出すことにより、図１（ｃ）に示すような積層体１４の完成品（燃料電池用セル）の製造が終了する。
【００２７】
このように製造された複数の積層体（燃料電池用セル）１４同士を重ねて燃料電池を製造するには、図２に示すように、積層体１４（燃料電池用セル）同士の間に例えばゴムシール２１を介在させて合わせればよい。
【００２８】
本実施例に係る燃料電池用セルの製造方法では、積層体１４をプレス装置１５に載置した状態で燃料電池用セルを完成させることができるため、工数を減らすことができる。
【００２９】
また、積層体１４は、積層体補強部材２０の両端の膨大頭部で接合状態が保持されるため、各層が剥がれることを防止できる。
【００３０】
また、本発明によれば、電解質膜１１をアノードセパレータ１２とカソードセパレータ１３で挟み込んでなる積層体１４に形成した貫通孔に絶縁樹脂からなる積層体補強部材２０を挿入し、その積層体補強部材２０を熱かしめすることによって積層体１４を積層方向に締め付けているので、積層体プレス加圧後の加圧力解放時に、該積層体補強部材２０がその加圧より戻ろうとする力を押さえることになり、これら各層の剥がれを確実に防止することができる。
【実施例２】
【００３１】
図３は、本発明の実施例２に係る燃料電池用セルの製造方法を示している。この実施例２では、電解質膜１１、アノードセパレータ１２、カソードセパレータ１３の形状は、上述の実施例１と同様のものである。
【００３２】
本実施例では、実施例１のような積層体補強部材２０を用いずに、積層体１４に形成されている連通する貫通孔１１Ａ、１２Ａ、１３Ａ及び凹部１３Ｂ、１２Ｂへ溶融した樹脂を注入して封止する手法を用いる。
【００３３】
この樹脂は、図３に示すように、プレス装置１５の加圧板２３に形成した湯口２３Ａから注入するようになっている。なお、図示しないが、積層体１４を載置する載置板２２には、樹脂の充填に伴って空気を逃がす小孔が形成されている。
【００３４】
本実施例では、積層体１４を載置板２２と加圧板２３で加圧している状態で、ホットプレス工程、冷却工程、樹脂の充填工程、及び樹脂の冷却工程を一貫して行うことができるため、円滑な製造を行うことができる。このようにして製造した積層体１４は、前記実施例１と同様の作用効果を奏することはもちろんのことである。
［変形例］
【００３５】
図４及び図５は、完成品としての積層体（燃料電池用セル）１４の変形例の断面を示している。
【００３６】
図４に示す変形例は、積層体補強部材２０の膨大頭部２０Ａと挿入した端部の膨大頭部がカソードセパレータ１３やアノードセパレータ１２の外側面に当接するようにしたものである。これに伴い、アノードセパレータ１２とカソードセパレータ１３の表面には、凹部１２Ｂ、１３Ｂを形成する必要がない。
【００３７】
この変形例では、カソードセパレータ１３やアノードセパレータ１２の外側面から積層体補強部材２０の端部が突出する構造となるが、積層体１４同士を重ねる際に介在されるゴムシール材の厚みでこの突出部を吸収させることができるため燃料電池の製造には差し支えない。なお、この変形例は、上述した実施例１の方法で製造することができる。
【００３８】
また、図５に示す変形例は、積層体補強部材２０の一端の膨大頭部２０Ｃと他端の膨大頭部２０Ｄが端面から積層体補強部材２０の中間部へ向けて漸次細くなる形状である。また、この膨大頭部２０Ｃと膨大頭部２０Ｄは、カソードセパレータ１３及びアノードセパレータ１２に形成された凹部に埋設されてこれらのセパレータ１３、１２の表面から突出しないようになっている。なお、これら凹部は、すり鉢状のテーパ面を有している。この変形例は、上述した実施例１及び実施例２の方法で製造することができる。
【００３９】
（その他の実施例）
以上、実施例について説明したが、この実施例の開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではなく、構成の要旨に付随する様々な変更が可能である。
【００４０】
例えば、上述した実施例１及び実施例２では、１組の燃料電池用セルを構成する、アノードセパレータ１２、電解質膜１１、及びカソードセパレータ１３の３枚をホットプレスしたが、複数組の燃料電池用セルを構成する枚数を一度にホットプレスしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施例１に係る燃料電池用セルの製造方法を示す工程断面図である。
【図２】本発明の実施例１で製造された燃料電池用セルを積層した構造を示す断面図である。
【図３】本発明の実施例２に係る燃料電池用セルの製造方法を示す工程断面図である。
【図４】本発明の実施例１で製造される燃料電池用セルの変形例を示す断面図である。
【図５】本発明の実施例１及び実施例２で製造される燃料電池用セルの変形例を示す断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は、従来の燃料電池の製造工程を示す斜視図である。
【図７】従来の燃料電池の製造方法におけるホットプレス工程を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４２】
１１……電解質膜、１２……アノードセパレータ、１３……カソードセパレータ、１４……積層体、１５……プレス装置、２０……積層体補強部材、２０Ａ……膨大頭部、２０Ｂ……膨大頭部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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