JP2006147231A - 膜電極接合体の接合装置及び膜電極接合体の接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 アノード電極及びカソード電極と高分子電解質膜との間にしわを発生させることなく接合させる。
【解決手段】 アノード電極１７及びカソード電極１８からはみ出た固体高分子電解質膜１６を挟み込む下側外プレス２０及び上側外プレス２１と、固体高分子電解質膜１６を挟んでその両面に配置されたアノード電極１７とカソード電極１８を挟み込む下側内プレス２６及び上側内プレス２７と、アノード電極１７を上側内プレス２７の押圧面２７ａに吸着保持させまたは該押圧面２７ａから剥離させるエアー孔２８及びエアーポンプ２９からなる加減圧手段と、外プレスと内プレスとの間の密閉空間を加湿する噴き出し孔３０と蒸気供給部３１からなる加湿手段とを備え、外プレスで固体高分子電解質膜１６を挟み込んだ後、内プレスでアノード電極１７及びカソード電極１８を固体高分子電解質膜１６に対して押圧して接合させる。
【選択図】 図７

Description

本発明は、膜電極接合体の接合装置及び膜電極接合体の接合方法に関する。

燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（酸素）を供給することにより発電する燃料電池は、高分子電解質膜の両面にアノード電極とカソード電極を配置して接合一体化してなる膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly）を有し、その膜電極接合体をアノードセパレータとカソードセパレータで挟み込んで燃料電池単セルを構成し、その燃料電池単セルの複数個を積層することで燃料電池スタックを構成している。

例えば、前記膜電極接合体は、高分子電解質膜の上に、アノード電極またはカソード電極となる触媒層及びガス拡散層を配置した後、これらを挟み込んでホットプレス機で圧着することにより接合一体化される（例えば、特許文献１など参照）。
特開２００２−２１６７８９号公報（第４頁および第５頁、第１図から第３図）

しかしながら、前記触媒層及びガス拡散層と高分子電解質膜とを圧着する際には、ホットプレス機にてこれら全体に同じ圧力をかけてプレスするため、これら触媒層、ガス拡散層及び高分子電解質膜の各熱膨張の違いにより、これらの接合境界にしわが発生する。また、これら触媒層及びガス拡散層と高分子電解質膜は、しわになったままで圧着されることがある。

そこで、本発明は、アノード電極及びカソード電極と高分子電解質膜との間にしわを発生させることなく接合させることのできる膜電極接合体の接合装置及び膜電極接合体の接合方法を提供することを目的とする。

本発明に係る膜電極接合体の接合装置は、アノード電極及びカソード電極からはみ出た高分子電解質膜を、その膜厚方向から挟み込む外プレスと、高分子電解質膜を挟んでその両面に配置されたアノード電極とカソード電極を、その膜厚方向から挟み込む内プレスとを備える。そして、この接合装置では、外プレスで高分子電解質膜を挟み込んだ後、内プレスでアノード電極及びカソード電極を前記高分子電解質膜に対して押圧して接合させる。

本発明の接合装置によれば、外プレスで高分子電解質膜を挟み込んだ後、内プレスでアノード電極及びカソード電極を高分子電解質膜に対して押圧して接合する構造としているので、ホットプレス時の熱によって高分子電解質膜が収縮してしまうのを外プレスで押さえることができる。

したがって、本発明によれば、アノード電極またはカソード電極と高分子電解質膜との接合境界にしわが発生することもなく、また、高分子電解質膜が引っ張られた状態なるのでしわが生じたままこの上にアノード電極またはカソード電極が接合されることもない。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

「燃料電池スタックの構成」
先ず、燃料電池を構成する燃料電池スタックの構成について簡単に説明する。図１は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。

燃料電池スタック１は、図１に示すように、燃料ガスと酸化剤ガスの反応により起電力を生じる単位電池としての燃料電池単セル２を所定数だけ積層した積層体３とされ、その積層体３の両端に集電板４、絶縁板５およびエンドプレート６を配置し、該積層体３の内部に貫通した貫通孔（図示は省略する）にタイロッド７を貫通させ、そのタイロッド７の端部にナット（図示は省略する）を螺合させることで構成されている。

この燃料電池スタック１においては、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水をそれぞれ各燃料電池単セル２のセパレータ（図示は省略する）に形成された流路溝に流通させるための燃料ガス導入口８、燃料ガス排出口９、酸化剤ガス導入口１０、酸化剤ガス排出口１１、冷却水導入口１２および冷却水排出口１３を、一方のエンドプレート６に形成している。

燃料ガスは、燃料ガス導入口８より導入されてセパレータに形成された燃料ガス供給用の流路溝を流れた後、燃料ガス排出口９より排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口１０より導入されてセパレータに形成された酸化剤ガス供給用の流路溝を流れた後、酸化剤ガス排出口１１より排出される。冷却水は、冷却水導入口１２より導入されてセパレータに形成された冷却水供給用の流路溝を流れた後、冷却水排出口１３より排出される。

燃料電池単セル２は、図２に示すように、膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly）１４と、この膜電極接合体１４の両面にそれぞれ配置されるセパレータ１５とから構成される。図２に示す燃料電池単セル２の構成は、その一例を示すもので、この構成に限定されるものではない。

膜電極接合体１４は、例えば水素イオンを通す高分子電解質膜である固体高分子電解質膜１６と、この固体高分子電解質膜１６のアノード側に配置されるアノード電極１７と、該固体高分子電解質膜１６のカソード側に配置されるカソード電極１８とからなる。かかる膜電極接合体１４は、固体高分子電解質膜１６の両面にアノード電極１７とカソード電極１８を配置しホットプレスことにより接合一体化される。

アノード電極１７は、図３に示すように、アノード触媒１７Ａとミル層（カーボン層）１７Ｂとガス拡散層１７Ｃとからなる。カソード電極１８は、カソード触媒１８Ａとミル層１８Ｂとガス拡散層１８Ｃとからなる。なお、ミル層１７Ｂ、１８Ｂは、必要に応じて設けても良いし或いは無くても良い。

アノード側に配置されるセパレータ１５は、固体高分子電解質膜１６に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路を有している。カソード側に配置されるセパレータ１５は、固体高分子電解質膜１６に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路を有している。また、セパレータ１５には、前記した燃料ガス導入口８、燃料ガス排出口９、酸化剤ガス導入口１０、酸化剤ガス排出口１１、冷却水導入口１２および冷却水排出口１３と連通するそれぞれのマニホールド（図示は省略する）が形成されている。さらに、セパレータ１５には、タイロッド７を貫通させるスタッキング孔が形成されている。

このように構成された膜電極接合体１４とセパレータ１５とは、該膜電極接合体１４の両面にセパレータ１５を積層し、これらの間をシール部材１９でシールすることで燃料電池単セル２を構成し、その各燃料電池単セル２の複数個を積層することで燃料電池スタック１が構成される。

「膜電極接合体の接合装置」
次に、膜電極接合体の接合装置について説明する。図４はアノード電極及びカソード電極を固体高分子電解質膜に接合させた状態を示す接合装置の正面図、図５はアノード電極及びカソード電極を固体高分子電解質膜に接合する前の初期状態を示す接合装置の正面図、図６は固体高分子電解質膜を配置した状態を示す接合装置の正面図、図７はアノード電極及びカソード電極を内パンチに保持した状態を示す接合装置の正面図、図８は外パンチで固体高分子電解質膜を挟み込んだ状態を示す接合装置の正面図である。

本実施の形態の膜電極接合体の接合装置は、図４及び図５に示すように、アノード電極１７及びカソード電極１８からはみ出た固体高分子電解質膜１６をその膜厚方向から挟み込む外プレスと、固体高分子電解質膜１６を挟んでその両面に配置されたアノード電極１７とカソード電極１８をその膜厚方向から挟み込む内プレスと、アノード電極１７またはカソード電極１８の何れかを内プレスの押圧面に吸着保持させまたは押圧面から剥離させる加減圧手段と、外プレスと内プレスとの間の密閉空間を加湿する加湿手段とを備える。

外プレスは、固体高分子電解質膜１６、アノード電極１７及びカソード電極１８である被接合体を挟んで下側に配置される下側外プレス２０と、上側に配置される上側外プレス２１とからなる。

下側外プレス２０は、プレス機のホルダに取り付けられる下プレート２２に固定されている。この下側外プレス２０には、後述する下側内プレスを内部に可動自在とさせるための収容部２２が形成されている。上側外プレス２１は、プレス機のラムに取り付けられる上プレート２３に対して弾性部材などのコイルバネ２４を介して被接合体に接近離反方向に上下動するように取り付けられている。この上側外プレス２１には、先の下側外プレス２０と同様、後述する上側内プレスを内部に可動自在とさせるための収容部２５が形成されている。

内プレスは、被接合体を挟んで下側に配置される下側内プレス２６と、上側に配置される上側内プレス２７とからなる。

下側内プレス２６は、下側外プレス２０の収容部２２内に配置され、図示を省略する可動手段によって図４中矢印Ａで示す上下方向に可動自在とされている。同様に、上側内プレス２７は、上側外プレス２１の収容部２５内に配置され、図示を省略する可動手段によって図４中矢印Ｂで示す上下方向に可動自在とされている。そして、これら下側内プレス２６及び上側内プレス２７の押圧面２６ａ、２７ａは、共に平坦な面とされている。

加減圧手段は、図５に示すように、上側内プレス２７に形成された複数のエアー孔２８と、このエアー孔２８を介してエアーを吸引しまたは該エアー孔２８からエアーを噴出させるエアーポンプ２９とからなる。エアー孔２８は、押圧面２７ａに複数開口して形成され、エアーポンプ２９と接続されている。エアーポンプ２９が減圧されると、エアー孔２８を介してエアーが吸い込まれ、その押圧面２７ａにアノード電極１７が固定保持される。一方、エアーポンプ２９が加圧されると、エアー孔２８を介してエアーが吹き出され、押圧面２７ａに固定保持したアノード電極１７を剥離させる。

加湿手段は、図５に示すように、上側外プレス２１に形成された複数の噴き出し孔３０と、これら噴き出し孔３０に蒸気を供給する蒸気供給部３１とからなる。噴き出し孔３０は、上側内プレス２７を取り囲む周壁の内面２１ａに形成されており、押圧面２７ａに吸着保持させたアノード電極１７に対して均一に蒸気を噴出させるようになされている。かかる噴き出し孔３０は、蒸気を供給するための蒸気供給部３１と接続されている。

「接合方法」
次に、上記した接合装置を使用して固体高分子電解質膜１６にアノード電極１７とカソード電極１８を接合する方法について説明する。以下に、その接合方法の一例を示す。なお、接合手順は一例であり、これに限定されることはない。

先ず、図６に示すように、下側外プレス２０と下側内プレス２６が平面をなすように、図示を省略する可動手段によって下側内プレス２６を上昇させる。そして、水平となった下側外プレス２０と下側内プレス２６の押圧面２６ａに固体高分子電解質膜１６を載せる。固体高分子電解質膜１６を載せるに際しては、しわが生じないように該固体高分子電解質膜１６を延ばした状態で配置する。

次に、図７に示すように、下側内プレス２６を下降させた後、この下側内プレス２６の押圧面２６ａにカソード電極１８を配置する。その一方、上側内プレス２７の押圧面２７ａに、エアーポンプ２９を減圧してエアー孔２８からエアーを吸い込むことによりアノード電極１７を吸着保持させる。

次に、ラムを下降させて上側外プレス２１を下側外プレス２０に対して接近するように下降させる。すると、図８に示すように、上側外プレス２１が上側内プレス２７に先行して下降し、前記固体高分子電解質膜１６を下側外プレス２０と上側外プレス２１とで挟み込む。

次に、蒸気供給部３１から蒸気を供給し、その蒸気を上側外プレス２１に形成した噴き出し孔３０からアノード電極１７に向かって噴出させる。そして、かかる蒸気を噴出させながら上側内プレス２７を図８中矢印で示すように下降させ、該上側内プレス２７の押圧面２７ａに吸着保持したアノード電極１７を固体高分子電解質膜１６に押し付ける。このように、下側内プレス２６、上側内プレス２７、下側外プレス２０及び上側内プレス２７で囲まれた密閉空間は、噴き出し孔３０から吹き出される蒸気で満たされることになる。

図４に示すように、アノード電極１７とカソード電極１８で固体高分子電解質膜１６をその両面から押し付けるに際しては、これら外プレスと内プレスにそれぞれ最適な熱を加えて押圧する、いわゆるホットプレスを行う。所定時間の押圧を行った後、上側外プレス２１、上側内プレス２７及び下側内プレス２６をそれぞれ初期状態に戻すと、固体高分子電解質膜１６の両面にアノード電極１７とカソード電極１８が接合されてなる膜電極接合体１４が得られる。

このように、本実施の形態によれば、アノード電極１７とカソード電極１８からはみ出た固体高分子電解質膜１６の外周縁部をその膜厚方向から押さえ込んだ後に、ホットプレスしているので、ホットプレス時の熱によって固体高分子電解質膜１６が熱収縮してしまうのを防止することができると共に、アノード電極１７、カソード電極１８及び固体高分子電解質膜１６それぞれの熱膨張係数の違いによる影響で、それらの接合境界にしわが発生するのを防止できる。また、固体高分子電解質膜１６の外周縁部を挟み込んでピンと張った状態としているので、当該固体高分子電解質膜１６にしわが生じたままこの上にアノード電極１７及びカソード電極１８が接合されるのを防止できる。

また、本実施の形態によれば、外プレスと内プレスを別個独立した構成としているので、固体高分子電解質膜１６に適した温度の熱を外プレスにかけることができると共に、アノード電極１７及びカソード電極１８に適した温度の熱を内プレスにかけることができる。

また、本実施の形態によれば、ホットプレス前はアノード電極１７をエアー吸引によって上側内プレス２７の押圧面２７ａに吸着保持させることができ、ホットプレス後はエアー噴出によって固体高分子電解質膜１６に負担がかからないように上側内プレス２７の押圧面２７ａから固体高分子電解質膜１６を剥離させることができる。

また、本実施の形態によれば、上側外プレス２１の周壁に形成された噴き出し孔３０から蒸気を噴出させることによって、外プレスと内プレスとの間の密閉空間を加湿することができ、この加湿により固体高分子電解質膜１６に対するアノード電極１７及びカソード電極１８の密着効果を高めることができる。

「その他の実施の形態」
上述の実施の形態では、図６に示すように、平面をなすように下側内プレス２６を上昇させて固体高分子電解質膜１６を下側外プレス２０の上に配置させた後、下側内プレス２６を下降させてその押圧面２６ａにカソード電極１８を配置したが、最初にカソード電極１８を下側内プレス２６の押圧面２６ａに載せた後、この下側内プレス２６を上昇させ、該カソード電極１８及び下側外プレス２０の上に固体高分子電解質膜１６を載置させるようにしてもよい。このようにすれば、下側内プレス２６の動作を少なくすることができ、接合プロセスを削減することができる。

また、この他、図６に示すように、下側内プレス２６及び下側外プレス２０の上に固体高分子電解質膜１６を載置した後、上側内プレス２７にアノード電極１７を吸着保持させ、蒸気を吹き付けながらこのアノード電極１７を固体高分子電解質膜１６に押圧して接合させ、その後、この固体高分子電解質膜１６をひっくり返して他方の面にカソード電極１８を同様に押圧して接合するようにしてもよい。

また、上述の実施の形態では、固体高分子電解質膜１６の上にアノード電極１７を配置すると共に固体高分子電解質膜１６の下にカソード電極１８を配置したが、固体高分子電解質膜１６の上にカソード電極１８を配置し、該固体高分子電解質膜１６の下にアノード電極１７を配置するようにしてもよい。

燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。 燃料電池単セルの一例を示す拡大断面図である。 膜電極接合体の一例を示す拡大断面図である。 アノード電極及びカソード電極を固体高分子電解質膜に接合させた状態を示す接合装置の正面図である。 アノード電極及びカソード電極を固体高分子電解質膜に接合する前の初期状態を示す接合装置の正面図である。 固体高分子電解質膜を配置した状態を示す接合装置の正面図である。 アノード電極及びカソード電極を内パンチに保持した状態を示す接合装置の正面図である。 外パンチで固体高分子電解質膜を挟み込んだ状態を示す接合装置の正面図である。

符号の説明

１…燃料電池スタック
２…燃料電池単セル
１４…膜電極接合体
１５…セパレータ
１６…固体高分子電解質膜（高分子電解質膜）
１７…アノード電極
１８…カソード電極
２０…下側外プレス（外プレス）
２１…上側外プレス（外プレス）
２６…下側内プレス（内プレス）
２７…上側内プレス（内プレス）
２６ａ、２７ａ…押圧面
２８…エアー孔（加減圧手段）
２９…エアーポンプ（加減圧手段）
３０…噴き出し孔（加湿手段）
３１…蒸気供給部（加湿手段）

Claims (7)

1. 高分子電解質膜の両面にアノード電極とカソード電極を配置し、これらを熱プレスして接合する膜電極接合体の接合装置において、
   前記アノード電極及びカソード電極からはみ出た前記高分子電解質膜を、その膜厚方向から挟み込む外プレスと、
   前記高分子電解質膜を挟んでその両面に配置された前記アノード電極とカソード電極を、その膜厚方向から挟み込む内プレスとを備え、
   前記外プレスで前記高分子電解質膜を挟み込んだ後、前記内プレスで前記アノード電極及びカソード電極を前記高分子電解質膜に対して押圧して接合させる
   ことを特徴とする膜電極接合体の接合装置。
2. 請求項１に記載の膜電極接合体の接合装置であって、
   前記アノード電極または前記カソード電極の何れかを、前記内プレスの押圧面に吸着保持させまたは該押圧面から剥離させる加減圧手段を備えた
   ことを特徴とする膜電極接合体の接合装置。
3. 請求項２に記載の膜電極接合体の接合装置であって、
   前記加減圧手段は、前記内プレスに形成された複数のエアー孔と、このエアー孔を介してエアーを吸引しまたは該エアー孔からエアーを噴出させるエアーポンプとからなる
   ことを特徴とする膜電極接合体の接合装置。
4. 少なくとも請求項１から請求項３の何れか一つに記載の膜電極接合体の接合装置であって、
   前記外プレスと前記内プレスとの間の密閉空間を加湿する加湿手段を備えた
   ことを特徴とする膜電極接合体の接合装置。
5. 請求項４に記載の膜電極接合体の接合装置であって、
   前記加湿手段は、前記外プレスに形成された複数の噴き出し孔と、これら噴き出し孔に蒸気を供給する蒸気供給部とからなる
   ことを特徴とする膜電極接合体の接合装置。
6. 高分子電解質膜の両面にアノード電極とカソード電極をホットプレスして接合するに際して、該高分子電解質膜の外周縁部をその膜厚方向から挟み込んだ後、少なくとも高分子電解質膜の一方の面にアノード電極またはカソード電極を配置し押圧して接合する
   ことを特徴とする膜電極接合体の接合方法。
7. 請求項６に記載の膜電極接合体の接合方法であって、
   前記アノード電極及びカソード電極を前記高分子電解質膜に押圧する前に、これらアノード電極、カソード電極及び高分子電解質膜に蒸気を吹き付ける
   ことを特徴とする膜電極接合体の接合方法。

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