专利名称：固体高分子膜燃料电池的制造方法
技术领域：
本发明涉及固体高分子膜燃料电池的制造方法。
背景技术：
日本特许厅2001年发行的JP2001-236971A中公开了一种固体高分子膜燃料电池的制造方法。
根据该制造方法，首先在固体高分子膜的两表面涂敷催化剂、并使其干燥，得到膜电极接合体(MEA)。另一方面，在预先准备的两个气体扩散层(GDL)上涂敷电解质溶液，用两个GDL夹持膜电极接合体，通过热压辊使其一体化，以使得涂敷面与MEA接触。将该一体化而成的部件称作第1单元。
另一方面，分别在两个隔板接合单元框，并用热压辊对其加热加压，从而形成两个第2单元。
最后，用两个第2单元夹持第1单元，并用热压辊进行加热加压，从而完成固体高分子膜燃料电池。
发明内容
根据以往技术，由于按顺序进行使气体扩散层与膜电极接合体一体化而得到第1单元的工序、使第1单元和第2单元一体化而得到固体高分子膜燃料电池的工序，所以制造工序变长。
因此，本发明的目的在于缩短固体高分子膜燃料电池的制造工序。
为了实现以上的目的，本发明提供一种固体高分子膜燃料电池的制造方法，该固体高分子膜燃料电池包括固体高分子膜、层叠在固体高分子膜的一表面的第1气体扩散层和第1隔板、层叠在固体高分子膜的另一表面的第2气体扩散层和第2隔板。
该固体高分子膜燃料电池的制造方法是这样得到燃料电池的在第1隔板的与第1气体扩散层的接触面涂敷粘接剂；在第2隔板的与第2气体扩散层的接触面涂敷粘接剂；在一对压紧夹具之间按照记载顺序重叠配置第1隔板、第1气体扩散层、固体高分子膜、第2气体扩散层和第2隔板；通过用压紧夹具对第1隔板和第2隔板一边进行加压一边进行加热，从而得到一体化的燃料电池。
本发明的细节和其他特征或优点在说明书及说明书以后的记载中说明，并且表示在附图中。
图1是说明本发明的固体高分子膜燃料电池的制造工序的制造装置的概略构成图。
图2是说明向制造装置供给隔板的构造的供给机构的概略俯视图。
图3是说明本发明的热压工序的制造装置的概略构成图。
图4是固体高分子膜燃料电池和压紧夹具的分解纵剖视图。
图5类似于图4，但表示关于压紧夹具的另一实施例。
图6类似于图4，但表示关于压紧夹具的再一实施例。
具体实施例方式
参照图3，固体高分子膜燃料电池是通过使用一对压紧夹具113和123，使膜电极复合体(MEA)9、第1气体扩散层(GDL)6A、第2气体扩散层(GDL)6B、第1隔板7A和第2隔板7B一体化而制造的。MEA9、气体扩散层6A、6B、隔板7A、7B都具有矩形的平面形状。
MEA9是在由全氟磺酸乙酯(Perfluoro ethylene sulfonicacid)树脂膜形成的固体高分子膜5的两表面以一定间隔形成了第1催化剂层8A和第2催化剂层8B而成的。催化剂层8A、8B是通过预先在固体高分子膜5涂敷包含作为催化剂的铂的电解质液而形成的。
催化剂层8A、8B中的一催化剂层构成燃料电池的阳极，另一催化剂层构成燃料电池的阴极。第1催化剂层8A、第1GDL6A及第1隔板7A配置于固体高分子膜5的下方，第2催化剂层8B、第2GDL6B及第2隔板7B配置于固体高分子膜5的下方。压紧夹具123从下方与第1隔板7A抵接，压紧夹具113从上方与第2隔板7B抵接。
如图1所示，MEA9作为卷体100而被供给。为了保护催化剂层8A、8B，MEA9以由保护膜覆盖表面的状态被卷成卷体。
GDL6A、6B是对碳布或碳纸进行防水处理而成的，具有使从隔板7A、7B供给的阳极气体和阴极气体朝向催化剂层8A、8B扩散渗透的作用。GDL6A、6B以分别预先安装于由电绝缘材料构成的框架6C的内侧的状态供给。
第1隔板7A在面向第1GDL6A的一表面具有槽状的气体通路7C。为了阻止来自气体通路7C的气体泄漏，在第1隔板7A上沿着外周形成有填充密封用的密封垫片10的密封槽7E。另外，在第1隔板7A的另一表面形成有填充槽状的冷却液通路7D和密封用的密封垫片10的密封槽7E。
第2隔板7B在面向第2GDL6B的一表面具有槽状的气体通路7C。为了阻止来自气体通路7C的气体泄漏，在第2隔板7A上沿着外周形成有填充密封用的密封垫片10的密封槽7E。第2隔板7B的另一面形成为平面。
第1隔板7A的冷却液通路7D取决于制造的燃料电池的规格，并不一定必须形成。这时，可以使第1隔板7A和第2隔板7B为相同规格。根据燃料电池的规格，也可以形成层叠时相邻的其他燃料电池用的气体通路，代替冷却液通路7D。
混合石墨粉和塑料粉，并通过由金属模具的加热加压对其进行加压成形，从而形成隔板7A、7B。或者也可以对膨胀石墨薄片进行加压成形而形成隔板。还可以使用金属形成隔板。
所希望的隔板7A、7B的特性是电阻小、透气性低。并且，为了减少隔板7A、7B的厚度，最好其机械强度优良。金属制的隔板能满足这些要求，但由于隔板7A、7B暴露在氧化气氛和还原气氛这两种气氛中，所以最好使用耐腐蚀性金属，或实施金属电镀的表面处理。
参照图1，本发明使用具有压紧夹具113和123的压力机101，组装如以上那样构成的MEA1和GDL6A、6B和隔板7A、7B。
MEA9是通过由输送辊102、传送带103及排出辊104构成的输送机构被从卷体100沿大致水平方向朝向压力机101输送。最好在MEA9的两侧部以恒定间隔形成输送孔，在输送辊102和排出辊104以相等的角度间隔形成与输送孔结合的突起。通过这样的构成，能防止MEA9在输送途中的松弛，与催化剂层8的形成间隔相符合地、精度良好地每次一定长度地向压力机101供给MEA9。此外，最好在MEA9上标注与催化剂层8A、8B的位置对应的标记，在压力机101上配置读取标记的传感器。根据传感器读取的标记，进行MEA9的送出，从而能把催化剂层8A、8B正确地配置在压力机101内规定的作业位置。
覆盖MEA9的表面的保护膜，在从卷体100送出MEA1时，由保护膜卷取辊105卷取。
第1GDL6A通过由输送辊106A、传送带107及排出辊108构成的输送机构，通过MEA9的下方，被供给到压力机101。第2GDL6B通过相同构成的输送机构，通过MEA9的上方，被供给到压力机101。
第1GDL6A和第2GDL6B的输送的初始位置分别是横跨输送辊106和传送带107的位置。GDL6A、6B向这两个初始位置的输入由图2所示的供给机构200进行。
参照图2，供给机构200配置在输送辊106和传送带107的侧方。供给机构200具有输入台201和机械手203。机械手203具有回转式机械臂202。输入到输入台201上的GDL6A、6B由回转式机械臂202把持，设置在所希望的位置。机械手203采用能把GDL6A、6B设置在MEA1的第1GDL6A的初始位置和第2GDL6B的初始位置这两个位置的构造。
再参照图1，第1隔板7A被由输送辊109、传送带110、排出辊111构成的输送机构向压力机101送出。第2隔板7B也被相同构成的另一输送机构向压力机101送出。
第1隔板7A的输送机构配置在第1GDL6A的输送机构的更下方。第2隔板7B的输送机构配置在第2GDL6B的输送机构的更上方。
第1隔板7A和第2隔板7B的输送的初始位置分别是横跨输送辊109和传送带110的位置。隔板7A、7B向这两个初始位置的输入由与GDL6A、6B的供给机构同样构成的供给机构进行。隔板7A、7B的供给机构为了不与GDL6A、6B的供给机构干涉，最好是隔着输送机构，配置在与GDL6A、6B的供给机构相反的一侧。
通过以上的构成，依次将第1隔板7A、第1GDL6A、MEA9、第2GDL6B及第2隔板7B供给到压力机101。
压力机101由升降台112、固定在其上方的支承具120构成。
升降台112具有载置第1隔板7A、第1GD L6A、MEA9、第2GDL6B及第2隔板7B的压紧夹具113、支撑压紧夹具113的垂直轴113A。在轴113A形成有齿条114。升降台112还具有与齿条114啮合的小齿轮115、驱动小齿轮115旋转的伺服电动机116、引导轴113A的上下运动的轴承117。在压紧夹具113中内置有加热器118。
支承具120具有朝下支承升降台112所抬起的燃料电池的构成构件的压紧夹具123。在压紧夹具123埋设加热器121。相对于MEA9的输送方向，在支承具120的前表面和背面安装用于切断MEA9的一对刀具122。
然后，参照图3说明由压力机101进行的热压工序。
在两个GDL6A和6B的与MEA9相对的表面，预先在被限定的规定位置分别涂敷包含酚醛系或环氧系的热固化树脂的粘接剂。粘接剂的涂敷在供给机构200进行，或者在由输送机构进行的GDL6A、6B的输送过程中进行。
关于第2GDL6B，由于要在其下表面涂敷粘接剂，所以粘接剂的涂敷位置设定在不与输送辊102、传送带103及排出辊104干涉的位置。
在两个隔板7A、7B的与GDL6A、6B相对的表面，预先分别涂敷包含酚醛系或环氧系的热固化树脂的粘接剂。具体而言，在图3中，在隔板7A、7B的位于气体通路7C之间的隔壁部7F涂敷粘接剂。粘接剂的涂敷在隔板7A、7B的供给机构进行，或者在由输送机构进行的隔板7A、7B的输送过程中进行。关于隔板7A，由于要在其下表面涂敷粘接剂，所以粘接剂的涂敷位置设定在不与输送辊109、传送带110、排出辊111干涉的位置。
热压是对MEA9、GDL6A、6B及隔板7A、7B进行加热并加压，通过热压接或热粘接而使这些构件一体化的工序。
各输送机构在按照第1隔板7A、第1GDL6A、MEA9、第2GDL6B及第2隔板7B的顺序将它们层叠到压紧夹具113上后，如图3所示，压力机101通过伺服电动机116的运转，驱动小齿轮115旋转，通过齿条114和轴113A，向支承具120抬起压紧夹具113。
参照图4，由于压紧夹具113的上升，位于层叠体的最上部的第2隔板7B与支承具120的压紧夹具123抵接。压紧夹具123由加热器121预先加热到80℃～150℃的范围，压紧夹具113由加热器118预先加热到80℃～150℃的范围。另外，在图中为了说明，MEA9、GDL6A、6B及隔板7A、7B分别相分开，但实际上在压紧夹具113上升时，这些构件是以层叠着的状态上升。
第2隔板7B与压紧夹具123抵接后，对在压紧夹具113与压紧夹具123之间层叠状态的MEA9、GDL6A、6B及隔板7A、7B从上下方向作用规定的压力和热。结果，涂敷在GDL6A、6B上的粘接剂与MEA9热粘接。具体而言，粘接剂中包含的热固化剂由于加热而固化，从而牢固地粘接MEA9和GDL6A、6B。
如上所述，粘接剂不是涂敷在GDL6A、6B的整面上，只涂敷在所限定的地方。因此，在完成后的燃料电池中，气体从GDL6A、6B向催化剂层8A、8B的扩散和渗透不受粘接剂阻碍地进行。对于未涂敷粘接剂的面，构成催化剂层8A、8B的电解质热压接在GDL6A、6B上，由锚固效果而使GDL6A、6B和催化剂层8A、8B无间隙地紧密贴合。
此外，涂敷在隔板7A、7B的隔壁部7F上的粘接剂也由于热固化剂的固化，而牢固地粘接隔板7A、7B和GDL6A、6B。
这样按第1隔板7A、第1GDL6A、MEA9、第2GDL6B及第2隔板7B的顺序层叠的层叠体通过一次的热压工序而被一体化，在短时间中完成燃料电池。
在压力机101被一体化的燃料电池由图1和3所示的具有机械臂301的机械手300向堆积场所搬出。
以后再反复进行由各供给机构和输送机构进行的隔板7A、GDL6A、MEA9、GDL6B及隔板7B的向压力机101的供给、由压力机101进行的将这些构件一体化、由机械手300将一体化的燃料电池向堆积场所的搬出。
如上所述，由于本发明在一次的热压工序中使隔板7A、GDL6A、MEA9、GDL6B及隔板7B一体化，所以能缩短固体高分子膜燃料电池的制造工序。
在以上的实施例中，使用以恒定间隔在固体高分子膜5的两表面涂敷催化剂层8A、8B而成的MEA9，但是也可在GDL6A、6B的表面形成催化剂层8A、8B。这时，由输送辊102、传送带103及排出辊104构成的输送机构把单体的固体高分子膜5供给到压力机101。另一方面，GDL6A、6B的供给机构200在GDL6A、6B的面向固体高分子膜5的表面涂敷了催化剂层8A、8B后，把GDL6A、6B供给到输送初始位置。这时，通过压力机101的热压，使催化剂层8A、8B热压接于固体高分子膜5。在固体高分子膜5的输送工序中，也能在固体高分子膜5的规定位置涂敷催化剂层8A、8B。
本发明的燃料电池的制造方法的主题是由压力机101进行的热压，关于向压力机101供给构件和将一体化的燃料电池送出，可以使用任意的方法。
下面参照图5，说明与压力机101的压紧夹具113的形状相关的本发明的第2实施例。
本实施例的特征在于压紧夹具113的上表面的形状。在此，代替将压紧夹具113的上表面形成为平面，而形成与在第1隔板7A形成的槽状的冷却液通路7D配合的朝上的带状突起13。通过在压紧夹具113形成这样的带状突起13，从而能正确地进行隔板7A的定位。此外，在用石墨形成隔板7A时，因为石墨的脆性，压力机101难以对层叠体作用足够的加压力。如本实施例那样，通过压紧夹具113的带状突起13与隔板7A的槽状的冷却通路7D配合，从而能避免应力集中，并能对层叠体作用足够的加压力。
然后，参照图6，说明与压力机101的压紧夹具123的形状相关的本发明的第3实施例。
在本实施例中，在第2隔板7B的背面也形成冷却液通路7D，并且在压紧夹具113的上表面和压紧夹具123的下表面分别形成第2实施例的带状突起13。
根据本实施例，由于隔板7A、7B分别与压紧夹具113和压紧夹具123无间隙地接触，所以热压中的隔板7A、7B的支撑构造更稳定。
另外，第2实施例和第3实施例也能应用代替冷却液通路7D而形成气体通路的隔板。
在此通过引用，合并以2004年1月28日为申请日的日本国特愿2004-019743号的内容。
如上所述，通过几个特定的实施例说明了本发明，但是本发明并不局限于所述的各实施例。对于本领域技术人员，在权利要求书的技术范围中，能对这些实施例进行各种修正或变更。
适用产业领域根据本发明，能用一次热压使层叠的燃料电池的构成构件一体化。因此，能缩短固体高分子型燃料电池单体的制造工序，并且作为使用许多燃料电池的燃料电池堆栈的制造工序的一环，采用本发明，从而能取得特别理想的效果。
本发明的实施例包含的独占的性质或特征如权利要求书中所要求。
权利要求
1.一种固体高分子膜燃料电池的制造方法，该固体高分子膜燃料电池包括固体高分子膜(5)、层叠在固体高分子膜(5)的一表面的第1气体扩散层(6A)和第1隔板(7A)、层叠在固体高分子膜(5)的另一表面的第2气体扩散层(6B)和第2隔板(7B)，在该固体高分子膜燃料电池的制造方法中，在第1隔板(7A)的与第1气体扩散层(6A)的接触面涂敷粘接剂；在第2隔板(7B)的与第2气体扩散层(6B)的接触面涂敷粘接剂；在一对压紧夹具(113、123)之间按照记载顺序重叠配置第1隔板(7A)、第1气体扩散层(6A)、固体高分子膜(5)、第2气体扩散层(6B)和第2隔板(7B)；通过用压紧夹具(113、123)对第1隔板(7A)和第2隔板(7B)一边进行加压一边进行加热，从而得到一体化的燃料电池。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其中第1隔板(7A)具有面向第1气体扩散层(6A)的槽状的气体通路(7C)，涂敷于第1隔板(7A)的粘接剂被涂敷于划定气体通路(7C)的隔壁部(7F)；第2隔板(7B)具有面向第2气体扩散层(6B)的槽状的气体通路(7C)，涂敷于第2隔板(7B)的粘接剂被涂敷于划定气体通路(7C)的隔壁部(7F)。
3.根据权利要求1或2所述的制造方法，其中预先在固体高分子膜(5)的两表面涂敷第1催化剂层(8A)和第2催化剂层(8B)，通过压紧夹具(113、123)施加在第1隔板(7A)和第2隔板(7B)上的加压力和热，使第1气体扩散层(6A)热压接于第1催化剂层(8A)，使第2气体扩散层(6B)热压接于第2催化剂层(8B)。
4.根据权利要求3所述的制造方法，其中只在第1气体扩散层(6A)的面向第1催化剂层(8A)的一部分部位涂敷粘接剂，只在第2气体扩散层(6B)的面向第2催化剂层(8B)的一部分部位涂敷粘接剂，通过压紧夹具(113、123)施加于第1隔板(7A)和第2隔板(7B)的加压力和热，使第1气体扩散层(6A)热压接于第1催化剂层(8A)，使第2气体扩散层(6B)热压接于第2催化剂层(8B)。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其中粘接剂包含热固化性树脂。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其中第1隔板(7A)在面向压紧夹具(113)的表面具有凹部(7D)，压紧夹具(113)具有与第1隔板(7A)的凹部(7D)配合的凸部(13)。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其中凹部(7D)是燃料电池冷却液通路(7D)。
全文摘要
本发明涉及一种固体高分子膜燃料电池的制造方法，该固体高分子膜燃料电池是在膜电极复合体(9)的一表面层叠第1气体扩散层(6A)和第1隔板(7A)、并在膜电极复合体(9)的另一表面层叠第2气体扩散层(6B)和第2隔板(7B)而成的。在第1隔板(7A)的与第1气体扩散层(6A)的接触面涂敷粘接剂，在第2隔板(7B)的与第2气体扩散层(6B)的接触面涂敷粘接剂，在一对压紧夹具(113、123)之间按记载顺序重叠配置第1隔板(7A)、第1气体扩散层(6A)、膜电极复合体(9)、第2气体扩散层(6B)和第2隔板(7B)，用压紧夹具(113、123)对第1隔板(7A)和第2隔板(7B)一边进行加压一边进行加热，从而得到一体化的燃料电池。
文档编号H01M8/10GK1906787SQ20048004057
公开日2007年1月31日 申请日期2004年12月28日 优先权日2004年1月28日
发明者藤木章, 前川幸广, 清水健, 平尾隆行, 岩本雅则, 三木贞雄, 铃木晴彦, 斋藤宽 申请人:日产自动车株式会社