JP2005158293A - 固体高分子膜型燃料電池セルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池セル組立まで電解質膜への異物等の付着を阻止できる燃料電池セルの製造方法を提供する。
【解決手段】 セル組立ステージ３にアノード電極側セパレータ２０とカソード電極側セパレータ２０を所定空間をあけて配置し、両セパレータ２０間の空間に電解質膜５を供給し、電解質膜５の両面に一対のセパレータ２０を接合して燃料電池セルを形成する燃料電池セルの製造方法であり、電解質膜送出し装置７から送出される電解質膜５の両面に沿って供給方向に流れる搬送気流を発生する搬送手段９により、電解質膜５を一対のセパレータ２０間の空間に搬送するようにした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、固体高分子膜型燃料電池セルの製造方法にするものである。

従来から触媒層・電解質接合体の製造、さらには、および触媒層・電解質接合体の製造から単セル化までの製造を連続的に行う固体高分子膜型燃料電池セルの製造方法が提案されている（特許文献１、２参照）。

前記特許文献１では、電極材料粉末を複写方式あるいはスクリーン＋スキージ方式にてドラム上に所定パターンをもって保持させ、ドラム上の電極材料粉末を電解質または拡散層からなる膜に転写し、転写された所定パターンの電極材料粉末を膜に定着させる方法、および、静電気による電極材料粉末の膜上への塗布を複数回実行し、電極の構成を厚さ方向に変化させる方法、更には、電極材料粉末をドラムを介することなく直接、膜に塗布する方法が示されている。

前記特許文献２では、触媒層塗布工程において、電解質膜上へ触媒層を形成し、ホットロールにより触媒層・電解質接合体を一体化し、次に、拡散層一体化工程において、電解質溶液が塗布され乾燥された拡散層を、前記触媒層・電解質接合体の両面に配置してホットロールにより拡散層を接合し、次に、単セル一体化工程において、セパレータ・セル枠接合体を、前記触媒層・電解質接合体・拡散層一体化物の両面に載置し、ホットロールにて一体化することにより、単セルを連続的に得るようにしている。
特開２００３−１６３０１１号公報 特開２００１−２３６９７１号公報

しかしながら、上記従来例では、いずれも対となって回転する複数の搬送ローラに直接接触させながら電解質膜を搬送するものであるため、電解質膜にしわやたるみが生じないように全ての搬送ローラを同期させて回転制御する必要があり、製造装置が高価となり、また、搬送時に電解質膜が傷付いたり異物が付着したりすることがあり品質が安定しない虞がある。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、燃料電池セル組立まで電解質膜への異物等の付着を阻止できる固体高分子膜型燃料電池セルの製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、セル組立ステージにアノード電極側セパレータとカソード電極側セパレータを所定空間をあけて配置し、両セパレータ間の空間に電解質膜を供給し、電解質膜の両面に一対のセパレータを接合して燃料電池セルを形成する燃料電池セルの製造方法であり、電解質膜送出し手段から送出される電解質膜の両面に沿って供給方向に流れる搬送気流を発生する搬送手段により、電解質膜を一対のセパレータ間の空間に搬送するようにした。

したがって、本発明では、アノード電極側セパレータとカソード電極側セパレータを所定空間をあけて配置し、両セパレータ間の空間に電解質膜を供給し、電解質膜の両面に一対のセパレータを接合して燃料電池セルを形成する燃料電池セルの製造方法であり、電解質膜送出し手段から送出される電解質膜の両面に沿って供給方向に流れる搬送気流を発生する搬送手段により、電解質膜を一対のセパレータ間の空間に搬送するようにしたため、電解質膜は搬送ローラ等の直接接触するものを必要とせずに一対のセパレータ間の空間に搬送でき、損傷を受けることなく、しわやたるみを搬送気流により除去しつつ安定して所定位置に送込め、組立てられる燃料電池セルの性能を安定させることができる。また、搬送気流を電解質膜の両側に搬送方向に発生させるのみのシンプルな装置構成でよく安価な製造装置とすることができる。

以下、本発明の燃料電池セルの製造方法を一実施形態に基づいて説明する。図１および図２は、本発明を適用した燃料電池セルの製造方法の第１実施形態を示し、図１は本実施形態の燃料電池セルの製造工程を説明する工程図、図２はセル組立工程を説明する概略図である。

図１により、本実施形態の燃料電池セルの製造工程を説明する。図１に示す製造工程においては、２つのサブ組立ライン１Ａ、１Ｂによりセパレータ２０とガス拡散層２１とを合体させるセパレータ・ガス拡散層組立体２が組立てられ、セル組立ステージ３において、電解質膜供給手段４からの電解質膜５とサブ組立ライン１において組立てられたセパレータ・ガス拡散層組立体２とを合体させて燃料電池セルに組立てるよう構成している。

前記２つのサブ組立ライン１Ａ、１Ｂは、一方は燃料電池セルのアノード極を構成するセパレータ・ガス拡散層組立体２を組立てるラインであり、他方は燃料電池セルのカソード極を構成するセパレータ・ガス拡散層組立体２を組立てるラインである。いずれの組立ライン１においても、図示しないセパレータ製造ラインにおいて焼成されたセパレータ２０を、ガス拡散層接合工程１６、シール組込工程１７を経由して、セル組立ステージ３まで搬送するセパレータ搬送装置１８を備える。

前記ガス拡散層接合工程１６では、塗布された電解質溶液（触媒を含む）を乾燥させたガス拡散層２１がラインサイドから供給され、組立治具２２がラインサイドからガス拡散層２１を把持して搬送中のセパレータ２０に、接合させてセパレータ・ガス拡散層組立体２を形成する。ガス拡散層２１はその電解質溶液が塗布された面とは反対の面がセパレータ２０のガス流路を覆う状態でセパレータ２０に重ねられ、セパレータ２０と接合されるようにしている。

前記シール組込工程１７では、ガス拡散層２１が接合されたセパレータ・ガス拡散層組立体２のガス拡散層２１の周囲のセパレータ２０上にシール２３を接着などにより接合してセパレータ・ガス拡散層２を完成させる。

前記セル組立ステージ３では、セパレータ搬送装置１８により搬送されたセパレータ・ガス拡散層組立体２が、他方のサブ組立ライン１のセパレータ・ガス拡散層組立体２とガス拡散層２１の電極部が互いに対面する状態で位置決めされ、両者間の隙間に、前記電解質膜供給手段４より電解質膜５が供給されるようにしている。そして、前記対面したセパレータ・ガス拡散層組立体２同士を図示しない治具により互いに接近させ、両者により電解質膜５を挟んで三者を一体に接合させ、燃料電池セルを組立てる。

前記電解質膜供給手段４は、図２に拡大して図示するように、ロール状の電解質膜５を巻戻して送出す送出し装置７と、ロール状の電解質膜５を巻戻した際に保護膜６を電解質膜５から除去する保護膜除去気流を電解質膜５と保護膜６の間に噴出するノズル８Ａを備える剥離装置８と、送出された電解質膜５を予め仮組みされた一組のセパレータ・ガス拡散層組立体２の間に案内するよう電解質膜５の搬送方向に搬送気流を噴出するノズル９Ａおよび搬送気流をガイドして整流する整流板９Ｂとを備える搬送装置９と、搬送方向の下流側において搬送気流を吸引する吸引装置１０と、から構成している。

前記送出し装置７は、所定の処理が施されて保護膜６と共にロール状に巻かれて投入される電解質膜５を、ロール状態から図示しないサーボモータにより巻戻し方向に徐々に回転させて、巻端から電解質膜５を保護膜６と共に送出すよう構成している。保護膜６は、電解質膜５がロール状に巻かれる際に電解質膜５同士が接触することによる生じる不具合と搬送保管される際の電解質膜５の湿度劣化を防止するために、電解質膜５と共に巻かれている。

電解質膜５は、先行する組立時に先端側が燃料電池セルに組立てられる度に、組立ステージ３の入口で切断され、組立ステージ３に対向したセパレータ・ガス拡散層組立体２がセットされる度に、対向したセパレータ・ガス拡散層組立体２間に挿入が開始され、挿入端が対向したセパレータ・ガス拡散層組立体２の端部に達するとき停止される１ストローク分だけ送出される。前記１ストローク分だけサーボモータにより送られた後は、次に組立ステージ３にセパレータ・ガス拡散層組立体２がセットされるまで停止され、組立ステージ３での組立作動に同期して断続的に送られる。また、１ストローク分だけ一度に電解質膜５を送ることもできるが、１ストローク中に何回か停止させて間歇的に送るようにしてもよい。

前記剥離装置８は、前記送出し装置７から巻戻されて送出される電解質膜５とその保護膜６との間に保護膜除去気流を噴出するノズル８Ａを備える。前記ノズル８Ａは、その噴出する気流がロール状となっている電解質膜５と保護膜６との間を吹付け位置とする、即ち、凸状の曲率を持つ部分に気流を吹付けることで、気流が電解質膜５と保護膜６の間に入込みやすくなり、保護膜６の除去が容易となる。ノズル８Ａより噴出した気流は、保護膜６を電解質膜５から分離させ、電解質膜５のみを搬送装置９へ送ることができる。

電解質膜５は、ノズル８Ａより噴出する気流により保護膜６が剥離されるため、電解質膜５に直接接触するような部材がなく、電解質膜５を傷つける恐れなく、品質のよい電解質膜５を搬送装置９へ供給することができる。ここで吹付ける気流を、湿度管理したものとすることで、電解質膜５の品質を高い状態に維持できる。また、ノズル８Ａより噴出する気流は、後述する搬送装置９での電解質膜５に加えられる送出し力と対抗する（抵抗となる）方向に電解質膜５に作用するため、搬送装置９と送出し装置７との間の電解質膜５に適切な張力を与えてそのたるみを防止するようにも作用する。

前記搬送装置９は、送出された電解質膜５を予め仮組みされた一組のセパレータ・ガス拡散層組立体２の間に案内するよう電解質膜５の搬送方向に搬送気流を噴出するノズル９Ａと、搬送気流をガイドして整流する整流板９Ｂとを備える。前記ノズル９Ａは、電解質膜５の両側に電解質膜５に沿って噴出気流が流れる向きに夫々配置され、気流により電解質膜５を予め仮組みされた一組のセパレータ・ガス拡散層組立体２の間に案内する。

前記搬送装置９は、前記送出し装置７より電解質膜５が送出された場合にその搬送気流により電解質膜５を予め仮組みされた一組のセパレータ・ガス拡散層組立体２の間に搬送する。電解質膜５の両側に配置した整流板９Ｂはノズル９Ａから噴出された搬送気流の乱れを抑制し、電解質膜５はスムーズにセパレータ・ガス拡散層組立体２の間に搬送することができる。電解質膜５は、搬送気流がその両側に流れるため、搬送気流に沿って素直に延ばされ、そのしわやたるみが矯正されつつ搬送される。

前記搬送装置９のノズル９Ａに供給する気体は、図示しない湿度管理装置を通過させることによって、電解質膜５に適した湿度に管理して、電解質膜５を最小必要な範囲において湿度を適切な状態とすることができ、電解質膜５の品質を良好な状態に保ったまま組立ステージ３で燃料電池セルに組付けることができる。

前記吸引装置１０は、組立ステージ３の下流側に配置され、搬送装置９から噴出された搬送気流を搬送された電解質膜５と共に吸引するよう構成している。搬送気流を搬送された電解質膜５と共に吸引することにより、電解質膜５を下流側から引張るよう作用して搬送機能を向上させ、同時に電解質膜５にしわやたるみが生じるのを抑制できる。従って、電解質膜５の平面形状品質を良好な状態に保ったまま組立ステージ３で燃料電池セルに組付けることができる。

以上の構成の燃料電池セルの製造方法の動作について以下に説明する。本実施形態の燃料電池の製造方法においては、２つのサブ組立ライン１がガス拡散層接合工程１６およびシール組込工程１７を経てセパレータ・ガス拡散層組立体２を同期して製造し、セパレータ搬送装置１８によりセル組立ステージ３に順次搬送され、図１の対向した状態でセットされる。電解質膜供給手段４は、セパレータ・ガス拡散層組立体２がセル組立ステージ３にセットされたとき開始される電解質膜送出し搬送作動と、セル組立ステージ３でセル組立が開始される状態から次のセパレータ・ガス拡散層組立体２がセル組立ステージ３にセットされるまでの待機状態とを繰返す。

前記電解質膜供給手段４の待機状態においては、送出し装置７は停止しており、剥離装置８のノズル８Ａから噴出された気流により保護膜６が剥離された電解質膜５の先端は、組立ステージ３の手前の搬送装置９の整流板９Ｂの間を通過した部分に位置し、搬送装置９のノズル９Ａより噴出される搬送気流により引張られた状態となっている。剥離装置８のノズル８Ａからの気流は搬送装置９での電解質膜５に加えられる引張り力と対抗する方向に電解質膜５に作用し、搬送装置９までの電解質膜５に適切な張力を与えてそのたるみを防止している。

セル組立ステージ３にセパレータ・ガス拡散層組立体２が対向してセットされると、電解質膜供給手段４の電解質膜送出し搬送作動が開始される。送出し装置７のサーボモータによりロール状に巻かれている電解質膜５を巻戻し方向に回転させて電解質膜５を保護膜６と共に送出し、送り中に何回か停止させる間歇的な送りにより１ストローク分だけ送出す。剥離装置８は送出された電解質膜５から保護膜６を剥離させ、搬送装置９には電解質膜５のみが供給される。

搬送装置９はノズル９Ａの搬送気流により送出された電解質膜５を、整流板９Ｂの整流作用のもとで、対向したセパレータ・ガス拡散層組立体２同士の隙間に挿入してゆく。送りストローク中に何回か停止させる間歇的な送りにより、セル組立ステージ３のセパレータ・ガス拡散層組立体２間の隙間に挿入された電解質膜５は、送りが停止する度に搬送気流により平面状となるよう延ばされ、セル組立ステージ３の下流の吸引装置１０による搬送気流を吸込みにより電解質膜５は上記平面状への延ばし作用が強化される。従って、電解質膜５はしわやたるみが確実に延ばされ、セパレータ・ガス電解質膜組立体２に接触することがない。

送出し装置７が１ストローク分だけ電解質膜５を送出すと、電解質膜５はセル組立ステージ３の対向するセパレータ・ガス電解質膜組立体２同士の隙間の全域に位置され、搬送装置９の搬送気流によりセパレータ・ガス電解質膜組立体２の各表面から遊離している状態で停止される。

次いで、セル組立ステージ３でセル組立が開始され、前記対面したセパレータ・ガス拡散層組立体２同士を図示しない治具により互いに接近させ、両者により電解質膜５を挟んで三者を一体に接合させ、燃料電池セルを組立てる。同時に、図示しないカッタにより燃料電池セルに組立てられた電解質膜５と搬送装置９出口の電解質膜５とが分離され、燃料電池セルはセル組立ステージ３から搬出される。以上の作動が繰返されることで、次々と燃料電池セルが組立てられる。

なお、上記実施形態において、セル組立ステージ３に供給されるガス拡散層２１として、背面に夫々セパレータ２０を接合したセパレータ・ガス拡散層組立体２となるものについて説明しているが、図示はしないが、セパレータ２０を含まないガス拡散層２１がセル組立ステージ３に供給されるものであってもよい。

本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。

（ア）セル組立ステージ３にアノード電極側セパレータ２０とカソード電極側セパレータ２０を所定空間をあけて配置し、両セパレータ２０間の空間に電解質膜５を供給し、電解質膜５の両面に一対のセパレータ２０を接合して燃料電池セルを形成する燃料電池セルの製造方法であり、電解質膜送出し手段４から送出される電解質膜５の両面に沿って供給方向に流れる搬送気流を発生する搬送手段９により、電解質膜５を一対のセパレータ２０間の空間に搬送するようにしたため、電解質膜５は搬送ローラ等の直接接触するものを必要とせずに一対のセパレータ２０間の空間に搬送でき、損傷を受けることなく、しわやたるみを搬送気流により除去しつつ安定して所定の位置の送込め、組立てられる燃料電池セルの性能を安定させることができる。また、搬送気流を電解質膜５の両側に搬送方向に発生させるのみのシンプルな装置構成でよく安価な製造装置とすることができる。

（イ）搬送装置９の搬送気流は、一対のセパレータ２０間の空間を経由した下流側において、吸引装置１０により吸引されるため、搬送気流は搬送された電解質膜５と共に吸引され、電解質膜５を下流側から引張るよう作用して搬送機能を向上させ、同時に電解質膜５にしわやたるみが生じるのを抑制できる。従って、電解質膜５の平面形状品質を良好な状態に保ったまま組立ステージ３で燃料電池セルに組付けることができる。

（ウ）搬送装置９の搬送気流は、一対のセパレータ２０間の空間へ流入するまでに整流板９Ｂにより層状に整流されるため、さらに安定した気流状態とでき、電解質膜５の搬送位置精度を向上でき、しかも、電解質膜５のしわやたるみをさらに一層良好に除去することができる。

（エ）送出し装置７は、電解質膜５を一対のセパレータ２０間の空間へ送出す間において、間歇的に停止されるため、電解質膜５が送出し停止の度に、搬送気流により真直ぐ延ばされ、電解質膜５のしわやたるみをさらに一層良好に除去することができる。

（オ）搬送装置９の搬送気流は、予め設定値以上の湿度となるよう調整した気体を用いるため、電解質膜５の品質を維持したまま燃料電池セルとして組付けることができ、燃料電池セルを安定した品質と性能を持たせることができる。

（カ）送出し装置７から送出される電解質膜５は、保護膜６により保護されており、前記保護膜６は、送出し装置７に隣接した保護膜剥離装置８の気流により電解質膜５から分離されるため、電解質膜５に傷をつけることなく適切に保護膜６を除去でき、また、剥離の気流は搬送気流による搬送方向に対して抵抗となる方向であるため、電解質膜５の途中の搬送たるみを除去することができる。

（キ）送出し装置７は、電解質膜５を保護膜６とともに巻回したロール状電解質膜をサーボモータにより回転させて巻回端より巻戻して電解質膜５を供給するものであるため、電解質膜の製造と分離して本製造装置を構成することが可能となり、コンパクトな製造ラインを構成することができ、例えば、電解質膜５をロール状として搬送回転を燃料電池セルのスタッキングに同期して回転送出しさせることで、適切な保護膜６の除去を援助できるとともに、搬送気流による搬送を良好に補助することができる。

（ク）ガス拡散層２１は、各々背面にセパレータ２０を一体に接合して備えるものであるため、セル組立ステージ３でセパレータ２０も含めた燃料電池セルを構成することが一度に可能となる。

本発明の一実施形態の燃料電池セルの製造方法を示す製造工程図。 同じくセル組立工程を説明する概略図。

符号の説明

１ サブ組立ライン
２ セパレータ・ガス拡散層組立体
３ セル組立ステージ
４ 電解質膜供給手段
５ 電解質膜
６ 保護膜
７ 送出し装置、送出し手段
８ 剥離装置、剥離手段
９ 搬送装置、搬送手段
１０ 吸引装置、吸引手段
２１ ガス拡散層

Claims (9)

1. セル組立ステージにアノード電極側セパレータとカソード電極側セパレータを所定空間をあけて配置し、両セパレータ間の空間に電解質膜を供給し、電解質膜の両面に一対のセパレータを接合して燃料電池セルを形成する燃料電池セルの製造方法であり、
   電解質膜送出し手段から送出される電解質膜の両面に沿って供給方向に流れる搬送気流を発生する搬送手段により、電解質膜を一対のセパレータ間の空間に搬送するようにしたことを特徴とする固体高分子膜型燃料電池セルの製造方法。
2. 前記一対のセパレータは、セル組立ステージに配置される以前に、夫々電解質膜が接合される側にガス拡散層が接合されることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子膜型燃料電池セルの製造方法。
3. 前記搬送手段の搬送気流は、一対のセパレータ間の空間を経由した下流側において、吸引手段により吸引されることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の固体高分子膜型燃料電池セルの製造方法。
4. 前記搬送手段の搬送気流は、一対のセパレータ間の空間へ流入するまでに整流板により層状に整流されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の固体高分子膜型燃料電池セルの製造方法。
5. 前記送出し手段は、電解質膜を一対のセパレータ間の空間へ送出す間において、間歇的に停止されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の固体高分子膜型燃料電池セルの製造方法。
6. 前記搬送手段の搬送気流は、予め設定値以上の湿度となるよう調整した気体を用いることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の固体高分子膜型燃料電池セルの製造方法。
7. 前記送出し手段から送出される電解質膜は、保護膜により保護されており、前記保護膜は、前記送出し手段に隣接した保護膜剥離手段よりの気流により電解質膜から分離されることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一つに記載の固体高分子膜型燃料電池セルの製造方法。
8. 前記送出し手段は、電解質膜を保護膜とともに巻回したロール状電解質膜をサーボモータにより回転させて巻回端より巻戻して電解質膜を供給するものであることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一つに記載の固体高分子膜型燃料電池セルの製造方法。
9. 前記ガス拡散層は、各々背面にセパレータを一体に接合して備えるものであることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一つに記載の固体高分子膜型燃料電池セルの製造方法。
   

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