JP2020047511A - 燃料電池セルの製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セルの製造装置１０において、膜電極ガス拡散層接合体１１０とその外周部に配されたシール部材１３０とそれらを挟持する一対のセパレータ１２０とからなる積層体１０５を、積層体形成部２０から熱圧着部４０に搬送する過程において、搬送される積層体１０５に撓みが生じるのを回避する。
【解決手段】積層体１０５を積層体形成部２０から熱圧着部４０に搬送する搬送部３０はエア吹き付け部３５を備える。両端部をクランプ３３、３３で把持されて搬送される積層体１０５には、裏面からエア吹き付け部３５からのエアが吹き付けられる。それにより、積層体１０５が下方に向けて撓むのが阻止される。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池セルの製造装置に関する。

燃料電池セルは、電解質膜の両面に電極が接合された膜電極接合体または前記膜電極接合体の両面にガス拡散層を接合した膜電極ガス拡散層接合体である発電部を、一対のセパレータで挟持することによって構成される。燃料電池セルは、通常、前記発電部の外周部にシール部材が配され、そのシール部材が一対のセパレータに溶融一体化されている。

前記した形態の燃料電池セルを製造するための製造装置が、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の燃料電池セルの製造装置は、上下一対のセパレータとその間に配された膜電極接合体または膜電極ガス拡散層接合体である発電部およびその外周部のシール部材とからなる積層体を形成するための積層体形成部と、積層体形成部で形成された積層体を加熱プレスしてセパレータとシール部材とを溶融一体化するための熱圧着部と、積層体を積層体形成部から熱圧着部に搬送する搬送部とを備えている。熱圧着部は上金型および下金型を備え、両金型間で積層体を熱圧着する。

特開２０１７−１０３０６９号公報

一般に、燃料電池セルにおいて、膜電極接合体または膜電極ガス拡散層接合体である発電部およびその外周部に配されたシール部材と、その両面に配置された一対のセパレータとからなる積層体は、厚みが薄いものであり、自己姿勢保持性が低く、撓みやすい。そのために、前記積層体をその両側端部を把持した状態で水平な姿勢とすると、積層体の幅方向中央部が下方に撓んだ姿勢となる恐れがある。

前記した形態の燃料電池セルの製造装置において、搬送部で搬送される積層体にそのような下方に向けた撓みが生じると、熱圧着部である上金型と下金型の間に積層体を搬入するときに、積層体の一部が下金型に衝接することが起こり得る。積層体と金型との間に衝接による干渉が生じると、セパレータの変形やシール部材である熱可塑性樹脂の付着による金型汚染が発生する。

それを回避するために、起こり得る撓み量を予め考慮して、待機時の上金型と下金型の間隔を広くしておくことが考えられるが、背反として、金型のストロークが長くなることから、熱圧着までの時間が長くなり、生産性の低下を招く恐れがある。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池セルの製造装置において、発電部とその外周部に配されたシール部材とそれらを挟持する一対のセパレータとからなる積層体を、積層体形成部から熱圧着部に搬送する過程において、搬送される積層体に撓みが生じるのを回避できるようにした燃料電池セルの製造装置を開示することを課題とする。

本発明による燃料電池セルの製造装置は、膜電極接合体または膜電極ガス拡散層接合体である発電部と前記発電部の外周部に配されたシール部材と前記発電部と前記シール部材を挟持する一対のセパレータとからなる積層体を形成するための積層体形成部と、前記積層体形成部で形成された前記積層体を加熱プレスして前記セパレータと前記シール部材とを溶融一体化するための上金型および下金型を備えた熱圧着部と、前記積層体を前記積層体形成部から前記熱圧着部に搬送する搬送部と、を備えた燃料電池セルの製造装置であって、前記搬送部は前記積層体の両端部を把持する把持部と前記把持部で把持された前記積層体の裏面側に向けてエアを吹き付けることのできるエア吹き付け部とを備えることを特徴とする。

本発明による燃料電池セルの製造装置では、把持部で把持された積層体の裏面側に向けてエアを吹き付けることのできるエア吹き付け部を備えることで、搬送時での、積層体（膜電極接合体または膜電極ガス拡散層接合体である発電部とその外周部に配されたシール部材と発電部と前記シール部材を挟持する一対のセパレータとからなる積層体）に下方に向けた撓みが生じるのを回避することができる。それにより、高い生産性でもって、燃料電池セルを製造することが可能となる。

実施の形態における燃料電池セルの製造装置が製造する燃料電池セルを示す断面図。 燃料電池セルの製造装置を上方から見て示す図。 燃料電池セルの製造装置を積層体形成部側の側面から見た側面図。 搬送部によって搬送される積層体の状態を示す図。 積層体が熱圧着部に搬入された状態を示す図。 積層体が下金型に載った状態を示す図。 積層体熱圧着部で熱圧着される状態を示す図。

図１は、本発明の実施の形態における燃料電池セルの製造装置１０が製造する燃料電池セル１００を断面で示している。燃料電池セル１００は、反応ガスを用いた電気化学反応によって発電する。燃料電池セル１００が用いる反応ガスは、水素および酸素である。燃料電池セル１００は、膜電極ガス拡散層接合体１１０と、セパレータ１２０ａと、セパレータ１２０ｂと、シール部材１３０と、を備える。

膜電極ガス拡散層接合体１１０は、膜電極接合体１１２の両面にガス拡散層１１４およびガス拡散層１１６が設けられたユニットである。膜電極接合体１１２は、電解質膜を一対の電極層で挟んだ部材である。ガス拡散層１１４は、膜電極接合体１１２におけるアノード側（Ｚ軸方向の＋側）に設けられ、反応ガスである水素を膜電極接合体１１２へ拡散させる多孔質の層である。ガス拡散層１１６は、膜電極接合体１１２におけるカソード側（Ｚ軸方向の−側）に設けられ、反応ガスである酸素を膜電極接合体１１２へ拡散させる多孔質の層である。

セパレータ１２０ａは、ガス拡散層１１４の表面にＺ軸方向の＋側から積層される。セパレータ１２０ｂは、ガス拡散層１１６の表面にＺ軸方向の−側から積層される。なお、本実施の形態の説明では、セパレータ１２０ａおよびセパレータ１２０ｂの各々を総称する場合には符号「１２０」を使用する。セパレータ１２０は、発電された電気を集電するのに十分な導電性を有するとともに、反応ガスおよび冷却水を流す上で十分な耐久性、耐熱性、ガス不透過性を有する材料から主に構成される。

シール部材１３０は、セパレータ１２０の間において膜電極ガス拡散層接合体１１０の外周部に配されるとともに、セパレータ１２０と溶着されている。本実施の形態では、シール部材１３０は、エチレン−プロピレンゴム（ＥＰＭ）で構成される。シール部材１３０は、熱圧着することで硬化する他のゴム材料であってもよい。

燃料電池セル１００は、以下の工程で作成される。すなわち、膜電極ガス拡散層接合体１１０とシール部材１３０とが接着されて一体化されて、一体化部材１０３とされる。次に、一体化部材１０３が、セパレータ１２０で挟持される。その後、セパレータ１２０の外側から内側に向けて熱圧着されることによって、燃料電池セル１００とされる。なお、本実施の形態では、一体化部材１０３がセパレータ１２０で挟持されて熱圧着される前のものを積層体１０５と呼ぶ。

実施の形態における燃料電池セルの製造装置１０は、図２に示すように、積層体形成部２０と、搬送部３０と、熱圧着部４０と、を備え、それらは基台１１の上に備えられている。

積層体形成部２０は、一体化部材１０３とセパレータ１２０とが積層された積層体１０５を形成する。図３に示すように、積層体形成部２０は基台２１を有する。基台２１の上面は平坦面である。積層体１０５の形成に当たっては、最初に、基台２１の上面にセパレータ１２０ｂを配置する。配置したセパレータ１２０ｂの上（Ｚ軸＋方向）に、膜電極ガス拡散層接合体１１０とシール部材１３０とが接着されて一体化された一体化部材１０３を配置し、その上に、セパレータ１２０ａを配置する。

積層体形成部２０のＸ軸方向の両側部に、搬送部３０が位置している。搬送部３０は、Ｙ軸方向に延出するスクリュー軸３１と、スクリュー軸３１に基部が螺号している移動体３２とを備える。移動体３２は、スクリュー軸３１の回転により、スクリュー軸３１に沿ってＹ軸方向に往復動する。移動体３２のＹ軸方向の幅は、積層体形成部２０の基台２１のＹ軸方向の幅にほぼ等しい。移動体３２は、Ｙ軸方向での幅方向の両端に把持部としてのクランプ３３、３３を有する。各クランプは下クランプ片と上クランプ片とを備える。クランプ３３、３３のＹ軸方向の間隔は、積層体形成部２０の基台２１の上面に形成配置された積層体１０５のＹ軸方向での幅とほぼ等しい。

搬送部３０の初期位置は、移動体３２に設けられたクランプ３３、３３が、積層体形成部２０の基台２１の上面に形成配置された積層体１０５のＹ軸方向での両側部とほぼ一致する位置とされる。その位置において、クランプ３３、３３は開いた姿勢にあるとともに、下クランプ片は、積層体１０５の下位に位置している。前記のようにして積層体１０５を配置した後、図示しない制御部によってクランプは閉じられる。それにより積層体１０５の四隅は、下クランプ片と上クランプ片とによって、すなわち、搬送部３０を構成する把持部によって把持された状態となる。移動体３２は、Ｚ軸方向の回転軸３６を備えている。各クランプ３３、３３は、回転軸３６の回転によってＺ軸方向に移動可能に、回転軸３６と駆動連結している。

移動体３２は、Ｚ軸方向の下方部に、エアを吹き付けることのできるエア吹き付け部３５を有する。好ましくは、エア吹き付け部３５は、移動体３２のＹ軸方向の幅中央部に備えられる。エア吹き付け部３５はノズルを有し、ノズルは図示しないエア圧送部に接続している。ノズルの先端はＺ軸方向上方に向けられている。図示しない制御部がエア吹き付け部３５に対してエア圧送部からエアを圧送すると、圧送されたエアはノズル先端から上方に向けて噴出する。

図２に示すように、積層体形成部２０の後方側、すなわち搬送部３０の移動体３２がＹ軸＋方向に送られる送り方向側には、熱圧着部４０が位置している。図５に示すように、熱圧着部４０は、基台１１に固定した下金型４１を有する。下金型４１の平面視の形状は矩形状であり、その上面側には、積層体１０５の平面視形状にほぼ等しい突出部４２が形成されている。突出部４２の上面４３は平坦面である。下金型４１のＸ軸方向の幅は、積層体形成部２０の基台２１のＸ軸方向の幅とほぼ等しい。

搬送部３０のスクリュー軸３１は、熱圧着部４０の下金型４１のＸ軸方向の両側に沿って、Ｙ軸方向に延出している。スクリュー軸３１の回転により、搬送部３０の移動体３２は、積層体形成部２０の基台２１の側面位置である初期位置から、熱圧着部４０の下金型４１の側面位置まで、移動する。

熱圧着部４０は、図５に示すように、下金型４１のＺ軸方向上方であって、下金型４１に対向する位置に上金型４５を有している。上金型４５の平面視形状は、下金型４１と同じである。上金型４５は、Ｚ軸方向下方側に形成された突出部４６を有する。突出部４６の平面視形状は、下金型４１の突出部４２と同じであり、突出部４６の下面４７は平坦面である。

熱圧着部４０は、基台１１に立設した支柱１２と、その上方に配置した横架材１３を有する。横架材１３の上には、例えばピストンとシリンダーを備えた油圧装置４８が固定されている。上金型４５は、油圧装置４８の可動部材４９に連接している。油圧装置４８を作動させると、上金型４５は、可動部材４９とともに、Ｚ軸方向に往復移動する。

なお、図２には、図を分かり易くするために、熱圧着部４０を構成する上金型４５のみが図示されている。また、下金型４１および上金型４５は、適宜の加熱手段が備えられている。

燃料電池セルの製造装置１０の作動を説明する。燃料電池セル１００の製造に当たり、最初に、スクリュー軸３１を作動して、搬送部３０の移動体３２を積層体形成部２０のＸ軸方向側方位置にセットする。クランプ３３、３３は、上クランプ片が上方に立ち上がった姿勢である、開放姿勢としておく。その状態で、積層体形成部２０の基台２１の上面位置に、積層体１０５を形成する。

積層体１０５を形成した後、制御部を作動して、クランプ片を閉じる。それにより、積層体１０５の４隅は、移動体３２に設けられたクランプ３３、３３によって、把持された状態となる。この状態が、図３に示される。この時点では、移動体３２に設けたエア吹き付け部３５からのエアの噴出は行わない。

制御部は、移動体３２に備えられたＺ軸方向の回転軸３６を回転駆動して、クランプ３３、３３をわずかに上方に移動する。上方への移動と同時に、制御部は、スクリュー軸３１を回転駆動し、移動体３２を熱圧着部４０に向けて移動させる。移動体３２の移動と共に、把持手段であるクランプ３３、３３によってＸ軸方向の両側部を把持されている積層体１０５は、Ｙ軸方向である熱圧着部４０に向けて移動を開始する。

制御部は、移動体３２の移動開始と同時に、エア圧送部を作動させて、エア吹き付け部３５のノズルからエアを噴出させる。その状態が、図４に示される。噴出するエアによって、積層体形成部２０から熱圧着部４０まで搬送部３０によって搬送される積層体１０５には、その裏面側から上方へ向けた付勢力が与えられる。それにより、搬送中の積層体１０５は下から支えられた状態となり、下方に向けて撓もうとするのを、効果的に阻止される。

搬送される積層体１０５は、下方に向けて撓むのが押えられていることにより、搬送中の積層体１０５が占めるＺ軸方向の有効厚みを、積層体１０５の実厚みとほぼ同程度に抑えることができる。図５は、そのようにして搬送されてくる積層体１０５が、熱圧着部４０に搬入される状態を示している。油圧装置４８を作動させることで、上金型４５は、図示の上位の位置に保持されており、下金型４１と上金型４５との間には、距離ｈの隙間が形成されている。前記のように、搬送されてくる積層体１０５は下方に向いた撓みが抑制されており、前記距離ｈを、積層体１０５の実厚みよりもわずかに広い幅の距離とすることで、積層体１０５を、下金型４１との間で干渉を生じさせることなく、下金型４１と上金型４５の間に搬入することが可能となる。

下金型４１と上金型４５の間の所定の位置に積層体１０５を搬入した時点で、制御部はエア吹き付け部３５からのエアの噴出を停止する。そして、移動体３２に備えたＺ軸方向の回転軸３６を再び回転駆動させ、挟持している積層体１０５が下金型４１の上面に載る位置まで、クランプ３３、３３を下降させる。その状態が図６に示される。

次に、横架材１３の上に固定配置した油圧装置４８を作動して、上金型４５を下金型４１の上面に載っている積層体１０５に当接させるとともに、積層体１０５に所定の圧力が付加されるまで、さらに下降させる。その状態が図７に示される。その状態を所定時間にわたって保持することにより、積層体１０５を形成するシール部材１３０とセパレータ１２０とは溶着一体化する。溶着一体化した後に、油圧装置４８での加圧を解除し、金型（上金型４５と下金型４１）を開き、クランプ３３、３３を開いて、積層体１０５を取り出す。取り出した積層体１０５が、図１に示した燃料電池セル１００となる。

上記のように、実施の形態の燃料電池セルの製造装置１０では、積層体形成部２０から熱圧着部４０まで搬送される積層体１０５は、搬送の過程で、その裏面側にエア吹き付け部３５からのエアが吹き付けられる。それにより、積層体１０５に下方への撓みが生じるのが抑制される。そのために、熱圧着部４０に搬入されるときの上金型４５と下金型４１の距離を狭く設定することが可能となる。結果、熱圧着時での金型のストロークを短くすることができ、作業時間の短縮化が可能となり、生産性の向上がもたらされる。

なお、上記の実施の形態では、熱圧着部４０の下金型４１を固定型、上金型４５を可動型としたが、下金型４１を可動型、上金型４５を固定型としてもよい。また、両金型を可動型としてもよい。また、膜電極ガス拡散層接合体１１０とシール部材１３０とが接着されて一体化されたものを一体化部材１０３として説明したが、膜電極ガス拡散層接合体１１０に変えて、電解質膜を一対の電極層で挟んだ部材であるガス拡散層を備えない膜電極接合体１１２とシール部材１３０とが接着されて一体化されたものを、一体化部材１０３として用いることもできる。

１０…燃料電池セルの製造装置、
１１…基台、
１２…基台に立設した支柱、
１３…横架材、
２０…積層体形成部、
２１…基台、
３０…搬送部、
３１…スクリュー、
３２…移動体、
３３…把持部としてのクランプ、
３５…エア吹き付け部、
３６…回転軸、
４０…熱圧着部、
４１…下金型、
４５…上金型、
４８…油圧装置、
４９…可動部材、
１００…燃料電池セル、
１０５…積層体、
１１０…膜電極ガス拡散層接合体、
１１２…膜電極接合体、
１２０…セパレータ、
１３０…シール部材。

Claims (1)

1. 膜電極接合体または膜電極ガス拡散層接合体である発電部と前記発電部の外周部に配されたシール部材と前記発電部と前記シール部材を挟持する一対のセパレータとからなる積層体を形成するための積層体形成部と、前記積層体形成部で形成された前記積層体を加熱プレスして前記セパレータと前記シール部材とを溶融一体化するための上金型および下金型を備えた熱圧着部と、前記積層体を前記積層体形成部から前記熱圧着部に搬送する搬送部と、を備えた燃料電池セルの製造装置であって、
   前記搬送部は前記積層体の両端部を把持する把持部と前記把持部で把持された前記積層体の裏面側に向けてエアを吹き付けることのできるエア吹き付け部とを備えることを特徴とする燃料電池セルの製造装置。

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