JP2009206074A

JP2009206074A - 燃料電池膜電極接合体のホットプレス金型

Info

Publication number: JP2009206074A
Application number: JP2008201714A
Authority: JP
Inventors: Hwa Feng Chang; 張華峰; Hsiang Po Tsai; 蔡相伯; Chung-Ping Wang; 王仲平
Original assignee: Optodisc Tech Corp
Current assignee: Optodisc Tech Corp
Priority date: 2008-02-27
Filing date: 2008-08-05
Publication date: 2009-09-10
Also published as: TW200937711A; US20090214692A1

Abstract

【課題】積層材料の位置合わせを容易にし、加熱完了後他所に移動して冷却することができるため冷却待ちにかかる工程時間を減少し、同時に加熱、冷却の過程を繰り返すことを回避して作業装置の使用寿命を延長することができる、燃料電池膜電極接合体のホットプレス金型の提供すること。
【解決手段】燃料電池膜電極接合体のホットプレス金型は、第一位置決め部を含む第一金型と、第二位置決め部を含む第二金型と、第一金型と第二金型の外縁二設置され、第一金型と第二金型を固定する固定リングを含み、前記第二金型上に第一電極、薄膜及び第二電極が重ねて配置され、第一位置決め部と第二位置決め部が相互に結合されて第一金型と第二金型が重ね合わせられ、第一電極、薄膜及び第二電極が第一金型と第二金型の間に位置決めされる。
【選択図】図１Ｂ

Description

本発明はホットプレス金型に関し、特に、燃料電池膜電極接合体のホットプレス金型に関する。

世界の工業の迅速な発展に伴い、地球上の利用可能な資源が不足しつつあり、エネルギー技術は低汚染、繰り返し使用が可能、優れたエネルギー変換効率の目標に向かって発展している。
このため、高エネルギー変換効率を有する燃料電池がエネルギー技術の発展の焦点となっている。
各種燃料電池において、プロトン交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，ＰＥＭＦＣ）は起動速度が速く、作業温度が比較的低く、且つ高い電力密度で、電解液の腐蝕と漏れの問題がないため、歓迎されている。

プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）の構造は、プロトン交換膜（Membrane）、電極及び気体拡散層を組み合わせた膜電極接合体（ＭＥＡ）を主としており、膜電極接合体のホットプレス工程は、まずそのうち一つの電極を熱伝導材料上に配置し、さらに順にプロトン交換膜ともう一つの電極を重ね、続いて別の熱伝導材料を最上方に配置し、さらにそれをすでに設定温度に到達した作業装置上に配置する。
作業装置は加圧して熱伝導加熱を開始し、電極とプロトン交換膜が熱と圧力の作用により相互に貼り合わせられて膜電極接合体（ＭＥＡ）となる。
作業装置は設定時間の加熱と加圧を行った後冷却を開始し、冷却完了後２つの平面を開いて膜電極接合体の完成品を熱伝導材料の中から取り出す。

しかしながら、このような方式での膜電極接合体（ＭＥＡ）の製作は、電極とプロトン交換膜を重ねて配置するときに滑りが発生しやすく、膜電極接合体（ＭＥＡ）の寸法誤差につながり、ホットプレスの移動時も滑りが起こり、内部の積層材料にずれが生じやすい。
さらに、加熱完了後、膜電極接合体（ＭＥＡ）を取り出して別の場所で冷却を行うと、取り出し後圧力が失われるため膜電極接合体（ＭＥＡ）の寸法精度と粘着力に不良が生じるため、同じ圧力を保ちながら冷却する必要があり、冷却完了後でなければ取り出すことができず、時間がかかり生産効率が低くなってしまう。
このほか、同一の作業装置を使用して加熱、冷却及び加圧の作業手順を行うため、作業装置は絶え間なく加熱と冷却の間で切り換えが行われ、たくさんの工程時間が無駄となり、且つ加熱、冷却の繰り返しの過程が作業装置の損耗を招き、作業装置の使用寿命が大幅に短縮されてしまう。

このため、ホットプレス金型の構造をいかに改善し、積層材料の位置合わせを容易にし、ずれによる誤差を発生しないようにすると共に、加熱完了後他所に移動して冷却することができ、冷却待ちにかかる工程時間を減少し、同時に加熱、冷却の過程を繰り返すことで作業装置に損耗を引き起こす問題を回避して作業装置の使用寿命を延長するかが、解決に一刻を争う課題となっている。

本発明は以上の点に鑑みて成されたもので、本発明の目的は、積層材料の位置合わせを容易にし、加熱完了後他所に移動して冷却することができるため冷却待ちにかかる工程時間を減少し、同時に加熱、冷却の過程を繰り返すことを回避して作業装置の使用寿命を延長することができる、燃料電池膜電極接合体のホットプレス金型を提供することにある。

本発明の燃料電池膜電極接合体のホットプレス金型は、第一位置決め部を含む第一金型と、第二位置決め部を含む第二金型と、第二金型上に積層された第一電極、薄膜及び第二電極と、前記第一金型と第二金型の外縁に設置され、第一金型と第二金型を固定する固定リングを含み、前記第一位置決め部と第二位置決め部が相互に結合され、第一金型と第二金型が重ね合わせられて前記第一電極、薄膜及び第二電極が第一金型と第二金型の間に位置決めされる。

本発明は、第二金型に電極位置決め槽と薄膜位置決め槽が設けられ、これにより第二電極と薄膜を配置し、且つ電極位置決め板により第一電極を薄膜上に配置することができ、各材料の積層が容易であり、位置合わせを正確に行うことができ、第一金型と第二金型が滑り各材料の位置合わせ寸法に影響するということがない。

前記第一金型と第二金型の間には複数組の第一電極、薄膜及び第二電極を配置することができるため、同時に複数の膜電極接合体を製作でき、膜電極接合体の生産効率を大幅に向上することができる。

このほか、前記第一金型と第二金型は加熱完了後、固定リングを回転させて第一金型と第二金型の間隔を調整するだけで、冷却装置上に移動させて冷却を行うことができ、膜電極接合体の生産にかかる工程時間を効果的に減少することができる。
また、外部管路から流体を第一金型または第二金型に注入することができ、さらには同時に流体を第一金型と第二金型に注入することもできるため、これにより冷却効率を高め、温度低下に必要な時間を短縮できる。

以下、本発明の最良の実施例及びその効果について、図面に基づき詳細に説明する。

図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄに本発明の実施例１を示す。図１Ａに組み立て後の外観図、図１Ｂに組み立て前の分解図、図２Ａに第一金型の構造図、図２Ｂに第二金型の構造図、図２Ｃに電極位置決め板の構造図、図２Ｄに固定リングの構造図をそれぞれ示す。

燃料電池膜電極接合体のホットプレス金型は、第一金型１０、第二金型３０、固定リング４０を含む。

第一金型１０は略円形の本体１１を備え、本体１１の一面に複数の第一位置決め部１２が設けられ、他面に凸部１４が設けられる。

第二金型３０は略円形の本体３１を備え、本体３１上に複数の第二位置決め部３２が設けられ、且つ本体３１外縁に第二雄ネジ３３が設置され、さらに本体３１上には電極位置決め槽３４と薄膜位置決め槽３５を設けることができ、且つ薄膜位置決め槽３５の一部面積は電極位置決め槽３４と相互に重なり合うものとする。

前述の第一位置決め部１２は第一位置決め突起とすることができ、第二位置決め部３２は第二位置決め孔とすることができ、第一金型１０と第二金型３０を相互に重ね合わせるとき、第一位置決め突起を第二位置決め孔に嵌入させ、第一金型１０と第二金型３０を位置決めすることができる。
第一位置決め部１２を第一位置決め孔とし、第二位置決め部３２を第二位置決め突起としてもよく、第一金型１０と第二金型３０を相互に重ね合わせるとき、第二位置決め突起を第一位置決め孔に嵌入させ、第一金型１０と第二金型３０を位置決めすることもできる。
以下では第一位置決め部１２を第一位置決め孔とし、第二位置決め部３２を第二位置決め突起とした例を用いて説明するが、これに限られないものとする。

固定リング４０は略円形を呈し、中心箇所に穿通孔４１が設けられ、且つ第二雄ネジ３３と螺合される雌ネジ４２が設けられ、第一金型１０と第二金型３０の外縁に設置し、第一金型１０と第二金型３０を固定するために用いられる。

前述の第一金型１０は、実際の構造に基づいて本体１１の外縁に第一雄ネジ（図示しない）を増設し、雌ネジ４２と螺合させ、第一金型１０と固定リング４０を固定するようにしてもよい。

本発明の燃料電池膜電極接合体のホットプレス金型はさらに、第一金型１０と第二金型３０の間に位置する電極位置決め板２０を含むことができ、前記電極位置決め板２０は電極位置決め槽３４と相互に対応する電極導引路２１が設けられ、且つ複数の通孔２２が形成され、前記第一位置決め部１２と第二位置決め部３２のいずれかが前記通孔２２に穿通され、第一位置決め部１２が第一位置決め突起であるとき、第一位置決め部１２が通孔２２に穿通され、第二位置決め部３２と相互に結合され、第二位置決め部３２が第二位置決め突起であるとき、第二位置決め部３２が通孔２２に穿通され、第一位置決め部１２と相互に結合される。

膜電極接合体（ＭＥＡ）の製作時は、まず第二電極５０ｂを電極位置決め槽３４内に配置し、且つ薄膜５１を薄膜位置決め槽３５内に配置し、さらに電極位置決め板２０を第二金型３０上に重ねて設置し、電極導引路２１を経由して第一電極５０ａを薄膜５１上に重ね、これにより第一電極５０ａ、薄膜５１及び第二電極５０ｂを順に第二金型３０上に積層することができ、積層完了後に前記電極位置決め板２０を取り出す。
その後、第一金型１０を第二金型３０上に重ね、第二位置決め部３２を通孔２２に穿通させて第一位置決め部１２と相互に結合させ、第一電極５０ａ、薄膜５１及び第二電極５０ｂを第一金型１０と第二金型３０の間に位置決めし、続いて固定リング４０を第一金型１０と第二金型３０に被せ、第一金型１０の凸部１４を固定リング４０の穿通孔４１に穿入させ、固定リング４０を回転させて第二雄ネジ３３を雌ネジ４２に螺合し、第一金型１０と第二金型３０を位置決めする。

そのうち、凸部１４の一面は穿通孔４１から露出されることを最良とするが、これに限らないものとし、凸部１４の一面は固定リング４０の一面と水平面を形成し、穿通孔４１から露出されなくともよい。
さらに、前述の薄膜５１はプロトン交換膜とすることができるが、これに限らないものとする。

完了後、本発明のホットプレス金型をホットプレス装置に移動し、ホットプレスを行うことができ、第一金型１０の穿通孔４１から露出された凸部１４と第二金型３０がそれぞれホットプレス装置と接触し、第一電極５０ａ、薄膜５１及び第二電極５０ｂが熱と圧力の作用によって相互に貼り合わされて膜電極接合体（ＭＥＡ）を形成する。
ホットプレス完了後、再度固定リング４０を回転させて第一金型１０と第二金型３０を固定すると、本発明のホットプレス金型を他所に移動させて冷却することができる。
冷却装置は水冷、気体冷却、接触冷却等の方式で冷却を行うことができる。
冷却後は固定リング４０を回転させて第一金型１０と第二金型３０を分離し、膜電極接合体（ＭＥＡ）を取り出すことができる。
これにより、従来の同一装置でホットプレス後に冷却するためにかかっていた工程時間を減少し、且つ加熱、冷却の過程を繰り返すことで引き起こされる作業装置の損耗を回避することができる。
このほか、本発明は積層された第一電極５０ａ、薄膜５１及び第二電極５０ｂの位置合わせを容易にすることができ、ずれによる誤差を生じることがない。

図３Ａと図３Ｂに本発明の実施例２を示す。図３Ａに組み立て時の断面図１、図３Ｂに組み立て時の断面図２をそれぞれ示す。

本実施例において、第一金型１０は本体１１の一面に電極導引路２１と相互に対応する突起体１５が設けられ、その寸法はちょうど電極導引路２１内に配置できる大きさとする（図３Ａ参照）。
電極位置決め板２０を第二金型３０上に重ねて配置し、第一電極５０ａ、薄膜５１及び第二電極５０ｂの積層が完了した後、第一金型１０を第二金型３０上に重ねて配置し、第二位置決め部３２を通孔２２に穿通させて第一位置決め部１２と相互に結合させ、突起体１５を電極導引路２１内に穿入させて第一電極５０ａを押さえるようにし、第一電極５０ａ、薄膜５１及び第二電極５０ｂが第一金型１０と第二金型３０の間に位置決めされる。

このほか、突起体１５の寸法は、電極位置決め槽３４、薄膜位置決め槽３５の間の大きさとすることもでき（図３Ｂ参照）、突起体１５の高さは電極位置決め槽３４と薄膜位置決め槽３５の深さの総和より大きいものとする。
電極位置決め板２０を第二金型３０上に重ねて配置し、第一電極５０ａ、薄膜５１及び第二電極５０ｂの積層が完了した後、電極位置決め板２０を取り出し、その後第一金型１０を第二金型３０上に重ねて配置し、第二位置決め部３２を通孔２２に穿通させて第一位置決め部１２と相互に結合させ、突起体１５を電極導引路２１内に穿入させて第一電極５０ａを押さえるようにし、第一電極５０ａ、薄膜５１及び第二電極５０ｂが第一金型１０と第二金型３０の間に位置決めされる。

図４Ａと図４Ｂに本発明の実施例３を示す。図４Ａに第二金型の構造図、図４Ｂに電極位置決め板の構造図をそれぞれ示す。

本実施例において、第二金型３０は本体３１上に複数の電極位置決め槽３４と複数の薄膜位置決め槽３５を設けることができ、電極位置決め板２０には複数の電極位置決め槽３４と相互に対応する複数の電極導引路２１を設ける。
そのうち、電極位置決め槽３４、薄膜位置決め槽３５及び電極導引路２１の和は実際の必要に応じて定めるものとし、これにより複数の膜電極接合体（ＭＥＡ）を同時に製作することができ、膜電極接合体（ＭＥＡ）の生産効率を大幅に向上することができる。
本実施例では第二金型３０に５つの電極位置決め槽３４と５つの薄膜位置決め槽３５を設け、電極位置決め板２０に５つの電極導引路２１を設けたものを例として説明しているが、これに限らないものとし、その数量は実際の設計上の必要と第二金型３０、電極位置決め板２０の寸法に応じて変更することができることをここで述べておく。

第一金型１０も数量、位置が電極導引路２１の数量、位置と相互に対応する複数の突起体１５を設け、各電極導引路２１内の第一電極５０ａを押さえられるようにすることができる。

図５に本発明の実施例４の第二金型の構造図を示す。

第二金型３０は本体３１上に複数の溝部３６を設けることができ、第一金型１０と第二金型３０を重ね合わせたとき、溝部３６が電極位置決め槽３４、薄膜位置決め槽３５と外界空間に連通され、加熱と加圧を行うとき、電極位置決め槽３４と薄膜位置決め槽３５内で発生した気体を溝部３６から排出することができる。
第二金型３０に電極位置決め槽３４のみを設置する場合は、第一金型１０と第二金型３０を重ね合わせたとき、溝部３６が電極位置決め槽３４と外界空間に連通され、加熱と加圧を行うとき、電極位置決め槽３４内で発生した気体を溝部３６から排出することができる。

図６に本発明の実施例５の第二金型の構造図を示す。

第二金型３０は本体３１外縁に複数の挿入孔３７を設けることができ、固定リング４０を第一金型１０と第二金型３０の外縁に設置した後、ホットプレスまたは冷却作業手順を行いたいとき、工具を挿入孔３７内に嵌入し、本発明のホットプレス金型を移動することができる。

図７に本発明の実施例６の固定リングの構造図を示す。

固定リング４０の外縁に複数の挿入孔４４を設けることができ、固定リング４０を第一金型１０と第二金型３０に設置し、工具を挿入孔４に嵌入して固定リング４０を回転させ、第一金型１０と第二金型３０の少なくともいずれかと固定リング４０を相互に螺合することができるだけでなく、第一電極５０ａ、薄膜５１及び第二電極５０ｂをしっかりと押さえることができる。

図８Ａと図８Ｂに本発明の実施例７を示す。図８Ａに第一金型の構造図、図８Ｂに第二金型の構造図をそれぞれ示す。

放熱の目的を達するため、第一金型１０は本体１１にうねった形状の第一通路１８を設けることができ、且つ第一通路１８の両端にそれぞれ管路を接続して流体を注入するために用いる第一コネクタ１８１を設置し、第一通路１８内を流れる流体により第一金型１０の熱エネルギーを吸収することができる。
第二金型３０も本体３１にうねった形状の第二通路３８を設けることができ、且つ第二通路３８の両端にそれぞれ管路を接続して流体を注入するために用いる第二コネクタ３８１を設置し、第二通路３８内を流れる流体により第二金型３０の熱エネルギーを吸収することができ、これにより第一金型１０と第二金型３０の冷却効率を高め、温度を下げるために必要な時間を短縮することができる。

前述した説明は、本発明において同時に第一金型１０上に第一通路１８を設け、第二金型３０上に第二通路３８を設けなければならないことに制限されるものではなく、実際の設計の必要に応じて第一金型１０上のみに第一通路１８を設けたり、第二金型３０上のみに第二通路３８を設けたりすることができる。

本発明の技術内容は最良の実施例を以って上述のように開示したが、上述の説明は本発明を制限するものではなく、関連技術を知る技術者が本発明の要旨を逸脱しない範囲で行う変更や修飾はすべて本発明の範疇に含まれるものとし、このため、本発明の保護範囲は特許請求の範囲において定めるものとする。

本発明の実施例１の組み立て後の立体外観図である。本発明の実施例１の組み立て前の立体分解図である。本発明の実施例１の第一金型の構造図である。本発明の実施例１の第二金型の構造図である。本発明の実施例１の電極位置決め板の構造図である。本発明の実施例１の固定リングの構造図である。本発明の実施例２の組み立て時の断面図１である。本発明の実施例２の組み立て時の断面図２である。本発明の実施例３の第二金型の構造図である。本発明の実施例３の電極位置決め板の構造図である。本発明の実施例４の第二金型の構造図である。本発明の実施例５の第二金型の構造図である。本発明の実施例６の固定リングの構造図である。本発明の実施例７の第一金型の構造図である。本発明の実施例７の第二金型の構造図である。

符号の説明

１０第一金型
１１本体
１２第一位置決め部
１４凸部
１５突起体
１８第一通路
１８１第一コネクタ
２０電極位置決め板
２１電極導引路
２２通孔
３０第二金型
３１本体
３２第二位置決め部
３３第二雄ネジ
３４電極位置決め槽
３５薄膜位置決め槽
３６溝部
３７挿入孔
３８第二通路
３８１第二コネクタ
４０固定リング
４１穿通孔
４２雌ネジ
４４挿入孔
５０ａ第一電極
５０ｂ第二電極
５１薄膜

Claims

燃料電池膜電極接合体のホットプレス金型であって、
少なくとも１つの第一位置決め部を含む第一金型と、
少なくとも１つの第二位置決め部を含む第二金型と、
前記第一金型と前記第二金型の外縁に設置され、前記第一金型と前記第二金型を固定する固定リングを含み、
前記第二金型上に第一電極、薄膜及び第二電極が重ねて配置され、
前記第一位置決め部と前記第二位置決め部が相互に結合されて前記第一金型と前記第二金型が重ね合わせられ、
前記第一電極、前記薄膜及び前記第二電極が前記第一金型と前記第二金型の間に位置決めされることを特徴とする、
燃料電池膜電極接合体のホットプレス金型。
前記第一位置決め部が第一位置決め突起であり、前記第二位置決め部が第二位置決め孔であり、前記第一位置決め突起を前記第二位置決め孔に嵌入し、前記第一金型と前記第二金型を重ね合わせることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池膜電極接合体のホットプレス金型。
前記第一位置決め部が第一位置決め孔であり、前記第二位置決め部が第二位置決め突起であり、前記第二位置決め突起を前記第一位置決め孔に嵌入し、前記第一金型と前記第二金型を重ね合わせることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池膜電極接合体のホットプレス金型。
前記第一金型がさらに凸部を含み、前記固定リングが穿通孔を含み、前記固定リングを前記第一金型に取り付けるとき、前記凸部が前記穿通孔内に位置し、そのうち前記凸部は、その一面を前記穿通孔から露出させるか、前記固定リングの一面と水平面を形成させるかのいずれかとすることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池膜電極接合体のホットプレス金型。
前記第一金型がさらに少なくとも１つの第一通路と複数の第一コネクタを含み、前記第一コネクタが前記第一通路の両端に位置し、管路を接続して流体を注入するために用いられることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池膜電極接合体のホットプレス金型。
前記第一金型がさらに少なくとも１つの突起体を含み、前記第一金型と前記第二金型を重ね合わせたとき、前記突起体が前記第一電極を押さえるために用いられることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池膜電極接合体のホットプレス金型。
前記第一金型がさらに第一雄ネジを含み、前記固定リングが雌ネジを含み、前記固定リングを前記第一金型に取り付けるとき、前記第一雄ネジを前記雌ネジに螺合することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池膜電極接合体のホットプレス金型。
前記第二金型がさらに第二雄ネジを含み、前記固定リングが雌ネジを含み、前記固定リングを前記第二金型に取り付けるとき、前記第二雄ネジを前記雌ネジに螺合することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池膜電極接合体のホットプレス金型。
前記第二金型がさらに、前記第二電極を配置するための少なくとも１つの電極位置決め槽と、少なくとも１つの溝部を含み、前記第一金型と前記第二金型を重ね合わせたとき、前記電極位置決め槽内の気体を前記溝部から排出することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池膜電極接合体のホットプレス金型。
前記２つの金型がさらに前記薄膜を配置するために用いる少なくとも１つの薄膜位置決め槽を含み、前記薄膜位置決め槽の一部面積と前記電極位置決め槽が相互に重なることを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池膜電極接合体のホットプレス金型。
前記第二金型がさらに少なくとも１つの第二通路と複数の第二コネクタを含み、前記第二コネクタが前記第二通路の両端に位置し、管路を接続して流体を注入するために用いられることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池膜電極接合体のホットプレス金型。
前記第二金型と前記固定リングの少なくともいずれかが、工具を嵌入させるために用いる少なくとも１つの挿入孔を含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池膜電極接合体のホットプレス金型。
前記第一金型と前記第二金型の間に位置する電極位置決め板と、前記電極位置決め板上に位置し、前記第一電極を導引して前記薄膜上に重ね合わせるために用いる少なくとも１つの電極導引路と、前記電極位置決め板上に位置する少なくとも１つの通孔を含み、前記第一位置決め部と前記第二位置決め部のいずれかが前記通孔に穿通され、前記第一位置決め部と前記第二位置決め部が相互に結合されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池膜電極接合体のホットプレス金型。