JP6315408B2 - 樹脂フレーム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池のセルを構成する膜電極接合体の外縁に設けられる樹脂フレームに関する。
燃料電池を構成するセルの構造として、外周が樹脂フレームで囲われた膜電極接合体を一対のセパレータで挟んだものが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。
特開２０１２−２０４００１号公報 特開２０１３−２５１２５３号公報
上記構造のセルは、膜電極接合体（ＭＥＡ）の表裏にセパレータを積層させ、治具によって両面から熱プレスすることで、熱可塑性樹脂からなる樹脂フレームの表面を溶融させ、セパレータと接着させることで製造される。
このように、樹脂フレームは、セルの構造体であるとともに接着材料でもある。このため、セルの製造時に、治具に設けられた位置決めピンをセパレータ及び樹脂フレームに形成された位置決め孔へ挿通させることで、これらのセパレータ及び樹脂フレームを互いに位置決めして一体化することが行われる。
ところで、樹脂フレームの位置決め孔は、高精度な位置決めのために、位置決めピンの外周との間にほとんどクリアランスが生じない内径に形成される。このため、位置決めピンを位置決め孔へ挿通させて治具上に配置させる際に、位置決めピンに位置決め孔の縁部が干渉して引っかかり、組み立て作業が円滑に行われないおそれがある。
また、溶融した樹脂フレームの樹脂が位置決めピンと位置決め孔との間に入り込んで樹脂フレームが位置決めピンに貼り付き、組み立てたセルを治具から円滑に取り外すことが困難となるおそれがある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、熱プレスしてセルを組み立てる際の組み立て作業を円滑に行うことが可能な樹脂フレームを提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明の樹脂フレームは、
膜電極接合体の外縁に配置された樹脂フレームであって、
前記樹脂フレームは、
前記膜電極接合体及び樹脂フレームの両面にセパレータを配置した状態で一対の治具によって熱プレスされることで、前記セパレータに接着固定される、熱可塑性樹脂からなり、
前記セパレータに設けられたセパレータ位置決め孔と連通し、該セパレータ位置決め孔とともに前記治具に設けられた位置決めピンが挿通される樹脂フレーム位置決め孔を有し、
前記樹脂フレーム位置決め孔の外周が第１の領域とされ、前記第１の領域の周囲が第２の領域とされ、
前記第２の領域が、前記セパレータの積層方向への厚みが厚い厚肉部とされ、前記第１の領域が、前記厚肉部とされた前記第２の領域よりも前記セパレータの積層方向への厚みが薄い薄肉部とされている。
この構成の樹脂フレームによれば、樹脂フレーム位置決め孔の外周の第１の領域が薄肉部とされているので、樹脂フレーム位置決め孔の縁部が位置決めピンと干渉しても第１の領域が容易に弾性変形する。このため、位置決めピンが円滑に樹脂フレーム位置決め孔へ挿通される。これにより、高精度な位置決めのために、樹脂フレーム位置決め孔の内径を位置決めピンの外周との間にほとんどクリアランスが生じない内径に形成しても、位置決めピンへの樹脂フレーム位置決め孔の縁部の引っかかりを抑制することができ、組み立て作業を円滑に行うことができる。
また、樹脂フレーム位置決め孔の外周の第１の領域が薄肉部とされているため、樹脂フレーム位置決め孔の外周を加熱源から離すことができる。これにより、位置決めピン周りにおける熱プレスの際の樹脂フレームの溶融量を抑えて位置決めピンと樹脂フレーム位置決め孔との間への溶融樹脂の入り込みを抑制することができる。したがって、樹脂フレームの位置決めピンへの貼り付きを抑制でき、組み立て作業を円滑に行うことができる。
本発明の樹脂フレームによれば、熱プレスしてセルを組み立てる際の組み立て作業を円滑に行うことができる。
本実施形態に係る樹脂フレームを備えた膜電極接合体及びセパレータからなるセルの分解斜視図である。 本実施形態に係る樹脂フレームを備えた膜電極接合体及びセパレータからなるセルの概略平面図である。 樹脂フレームの樹脂フレーム位置決め孔及びその外周の断面図である。 熱プレス工程を説明する図であって、（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ樹脂フレーム、膜電極接合体及びセパレータからなる積層体と熱プレス装置の概略断面図である。 比較例に係る樹脂フレームの下側治具への設置時の状態を示す樹脂フレーム位置決め孔及びその周辺の断面図である。 比較例に係る樹脂フレームの熱プレスの状態を示す樹脂フレーム位置決め孔及びその周辺の断面図である。 本実施形態に係る樹脂フレームの下側治具への設置時の状態を示す樹脂フレーム位置決め孔及びその周辺の断面図である。 本実施形態に係る樹脂フレームの熱プレスの状態を示す樹脂フレーム位置決め孔及びその周辺の断面図である。
以下、本発明に係る樹脂フレームの実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る樹脂フレームを備えた膜電極接合体及びセパレータからなるセルの分解斜視図である。図２は、本実施形態に係る樹脂フレームを備えた膜電極接合体及びセパレータからなるセルの概略平面図である。図３は、樹脂フレームの樹脂フレーム位置決め孔及びその外周の断面図である。
図１及び図２に示すように、本実施形態に係る樹脂フレーム１１は、燃料電池のセル１を構成する構造体である。燃料電池は、セル１を積層させたスタック構造を有している。セル１は、燃料電池における発電を行う単位モジュールであり、水素ガスと空気に含まれる酸素との電気化学反応により発電を行う。各セル１は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１２と、この膜電極接合体１２の両面に設けられたセパレータ１３とを有している。
膜電極接合体１２は、電解質膜の両面に触媒層が形成された膜電極接合体基板２１と、この膜電極接合体基板２１の両面に設けられたガス拡散層２２とを有している。
樹脂フレーム１１は、膜電極接合体１２の外縁を構成しており、例えば、ポリアミドなどの熱可塑性樹脂から形成されている。樹脂フレーム１１の長手方向の端部には、開口部１１ａが形成されている。開口部１１ａは、燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化ガス供給マニホールド、酸化ガス排出マニホールド、冷媒供給マニホールド及び冷媒排出マニホールドを形成するために用いられる。
樹脂フレーム１１には、その一側部近傍における両端近傍に、樹脂フレーム位置決め孔３１が形成されている。これらの樹脂フレーム位置決め孔３１には、後述する熱プレス装置５０の下側治具５１の位置決めピン５３が挿通される。この樹脂フレーム位置決め孔３１は、位置決めピン５３の外径よりも僅かに大きい内径を有している。
図３に示すように、樹脂フレーム１１は、セパレータ１３との積層方向に厚みが異なる薄肉部３２と厚肉部３３とを備えている。薄肉部３２は、厚肉部３３よりも厚みが薄くされている。薄肉部３２は、樹脂フレーム１１の厚さ方向の略中央に形成されている。樹脂フレーム１１は、樹脂フレーム位置決め孔３１の外周が第１の領域Ａ１とされており、この第１の領域Ａ１が薄肉部３２とされている。樹脂フレーム１１は、薄肉部３２の周囲が第２の領域Ａ２とされており、この第２の領域Ａ２が厚肉部３３とされている。
セパレータ１３は、膜電極接合体１２とほぼ同じ大きさの金属またはカーボンからなる板である。セパレータ１３は、膜電極接合体１２の樹脂フレーム１１に形成された開口部１１ａと対応する位置に開口部１３ａを有している。セパレータ１３の開口部１３ａは、樹脂フレーム１１の開口部１１ａと同様に、燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化ガス供給マニホールド、酸化ガス排出マニホールド、冷媒供給マニホールド及び冷媒排出マニホールドを形成するために用いられる。
各セパレータ１３には、その一側部近傍における両端近傍に、セパレータ位置決め孔４１が形成されている。セパレータ位置決め孔４１には、後述する熱プレス装置５０の下側治具５１の位置決めピン５３が挿通される。このセパレータ位置決め孔４１は、位置決めピン５３の外径よりも僅かに大きい内径を有している。セパレータ１３のセパレータ位置決め孔４１は、樹脂フレーム１１にセパレータ１３を積層させることで、樹脂フレーム１１の樹脂フレーム位置決め孔３１と連通される。
次に、外縁に樹脂フレーム１１が設けられた膜電極接合体１２の両面にセパレータ１３を組み付ける熱プレス工程を説明する。
図４は、熱プレス工程を説明する図であって、（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ樹脂フレーム、膜電極接合体及びセパレータからなる積層体と熱プレス装置の概略断面図である。
図４（ａ）に示すように、熱プレス工程では、熱プレス装置５０が用いられる。熱プレス装置５０は、下側治具５１と、下側治具５１に対して昇降される上側治具５２とを有している。下側治具５１には、一対の位置決めピン５３が立設されており、上側治具５２には、位置決めピン５３が挿入されるピン受け穴５４が形成されている。
この熱プレス装置５０で膜電極接合体１２にセパレータ１３を組み付けるには、まず、膜電極接合体１２の表裏にセパレータ１３を重ね合わせた積層体を下側治具５１にセットする。このとき、セパレータ１３のセパレータ位置決め孔４１及び樹脂フレーム１１の樹脂フレーム位置決め孔３１に位置決めピン５３を挿通させる。
次に、図４（ｂ）に示すように、上側治具５２を下降させ、下側治具５１にセットされた膜電極接合体１２とセパレータ１３とからなる積層体上に配置させ、上側治具５２のピン受け穴５４に下側治具５１の位置決めピン５３を挿入させる。
そして、下側治具５１及び上側治具５２を、それぞれの内部に設けられたヒータ（図示略）によって発熱させることで、膜電極接合体１２とセパレータ１３とからなる積層体を加熱させるとともに、下側治具５１へ向かって上側治具５２を押し付ける。このようにすると、膜電極接合体１２の樹脂フレーム１１の両面が溶融する。
ヒータによる加熱を終了させると、樹脂フレーム１１の溶融した樹脂が硬化し、これにより、樹脂フレーム１１にセパレータ１３が固着し、よって、膜電極接合体１２の両面にセパレータ１３が組み付けられ、燃料電池のセル１が構成される。
その後、上側治具５２を上昇させ、膜電極接合体１２とセパレータ１１とからなるセル１を下側治具５１から取り出す。
ところで、樹脂フレーム１１の樹脂フレーム位置決め孔３１は、高精度な位置決めのために、位置決めピン５３の外周との間にほとんどクリアランスが生じない内径に形成される。このため、図５に示すように、樹脂フレーム位置決め孔３１の外周に薄肉部３２が設けられていない樹脂フレーム１１では、位置決めピン５３を樹脂フレーム位置決め孔３１へ挿通させて下側治具５１上に膜電極接合体１２を配置させる際に、位置決めピン５３に樹脂フレーム位置決め孔３１の縁部が干渉して引っかかり（図５のＡ部参照）、組み立て作業が円滑に行われないおそれがある。
また、図６に示すように、樹脂フレーム位置決め孔３１の外周に薄肉部３２が設けられていない樹脂フレーム１１では、樹脂フレーム位置決め孔３１の外周で溶融した樹脂が樹脂フレーム位置決め孔３１と位置決めピン５３との間へ入り込んでしまう。そして、この樹脂フレーム位置決め孔３１と位置決めピン５３との間へ入り込んだ樹脂が硬化すると、樹脂フレーム１１が位置決めピン５３に貼り付いてしまい（図６のＢ部参照）、組み立てたセル１を下側治具５１から円滑に取り外すことが困難となるおそれがある。
これに対して、本実施形態に係る樹脂フレームによれば、樹脂フレーム位置決め孔３１の外周の第１の領域Ａ１が薄肉部３２とされているので、図７に示すように、樹脂フレーム位置決め孔３１の縁部が位置決めピン５３と干渉しても第１の領域Ａ１が容易に弾性変形する。このため、位置決めピン５３が円滑に樹脂フレーム位置決め孔３１へ挿通される。これにより、高精度な位置決めのために、樹脂フレーム位置決め孔３１の内径を位置決めピン５３の外周との間にほとんどクリアランスが生じない内径に形成しても、位置決めピン５３への樹脂フレーム位置決め孔３１の縁部の引っかかりを抑制することができ、組み立て作業を円滑に行うことができる。
また、樹脂フレーム位置決め孔３１の外周の第１の領域Ａ１が薄肉部３２とされているため、図８に示すように、樹脂フレーム位置決め孔３１の外周を加熱源である下側治具５１及び上側治具５２から離すことができる。これにより、位置決めピン５３周りにおける熱プレスの際の樹脂フレーム１１の溶融量を抑えて位置決めピン５３と樹脂フレーム位置決め孔３１との間への溶融樹脂の入り込みを抑制することができる。したがって、樹脂フレーム１１の位置決めピン５３への貼り付きを抑制でき、組み立て作業を円滑に行うことができる。
１ セル
１１ 樹脂フレーム
１２ 膜電極接合体
１３ セパレータ
３１ 樹脂フレーム位置決め孔
３２ 薄肉部
３３ 厚肉部
４１ セパレータ位置決め孔
５１ 下側治具（治具）
５２ 上側治具（治具）
５３ 位置決めピン
Ａ１ 第１の領域
Ａ２ 第２の領域

Claims (1)

  1. 膜電極接合体の外縁に配置された樹脂フレームであって、
    前記樹脂フレームは、
    前記膜電極接合体及び樹脂フレームの両面にセパレータを配置した状態で一対の治具によって熱プレスされることで、前記セパレータに接着固定される、熱可塑性樹脂からなり、
    前記セパレータに設けられたセパレータ位置決め孔と連通し、該セパレータ位置決め孔とともに前記治具に設けられた位置決めピンが挿通される樹脂フレーム位置決め孔を有し、
    前記樹脂フレーム位置決め孔の外周が第１の領域とされ、前記第１の領域の周囲が第２の領域とされ、
    前記第２の領域が、前記セパレータの積層方向への厚みが厚い厚肉部とされ、前記第１の領域が、前記厚肉部とされた前記第２の領域よりも前記セパレータの積層方向への厚みが薄い薄肉部とされている樹脂フレーム。
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