JP2010118237A

JP2010118237A - 燃料電池の製造方法

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Publication number: JP2010118237A
Application number: JP2008290195A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Taniwaki; 和宏谷脇
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-11-12
Filing date: 2008-11-12
Publication date: 2010-05-27
Anticipated expiration: 2028-11-12
Also published as: JP5348388B2

Abstract

【課題】燃料電池を構成するセル構成部材間の位置決め精度を高め、高精度に燃料電池を製造することを可能とする。
【解決手段】電解質膜５０の少なくとも片面に固定され電解質膜５０と一体化される補強フィルム５２の、電解質膜露出用開口５４の周辺部位にアライメントマーク５６を付与する。このアライメントマーク５６を基準として、電解質膜５０に対するその他のセル構成部材の位置決めを行う。補強フィルム５２は、ＰＥＮ、ＰＥＴ、テフロン（登録商標）系ＰＴＰＥ等、燃料電池の運転環境に適し、なおかつ、燃料電池の製造工程において変形し難い素材からなるものであり、付与されたアライメントマーク５６の変形や位置ずれが生じ難い。従って、アライメントマーク５６を視覚的に認識することで、電解質膜５０に対するその他のセル構成部材の位置決めを、正確且つ確実に行うことが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の製造方法に関するものである。

燃料電池は、図２に示されるように、複数種類のセル構成部材が積層されることによって、セル（単セル）１０が構成され、なおかつ、セル１０が複数枚積層された燃料電池スタック１１を構成することで、必要な電圧が確保されるものである。セル１０の構造例としては、図３に示されるように、膜・電極接合体１２（Membrane Electrode Assembly：以下、「ＭＥＡ」という。）がセル１０の厚み方向の中心部に配置され、その両面に、ガス拡散層１４（アノード側/カソード側のガス拡散層１４Ａ、１４Ｃ）、ガス流路１６（アノード側/カソード側のガス流路１６Ａ、１６Ｃ）、セパレータ１８が夫々配置された構造となっている。なお、ＭＥＡ１２とガス拡散層１４とが一体となった膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode ＆Gas Diffusion Layer Assembly）が用いられる例もある。

又、膜・電極接合体１２は、電解質膜と触媒層とを含むものであり、通常は電解質膜の表面に触媒を塗布することで触媒層を形成する。この、電解質膜に触媒を塗布する工程では、電解質膜に対する触媒の位置決めが重要であり、位置決め精度を高める手法として、電解質膜にアライメントマークを配置し、このアライメントマークを基準に触媒の塗布位置の決定を行うことが考えられる。しかしながら、電解質膜はヤング率が高く、触媒塗布工程中に電解質膜に伸びが生ずると、必要な位置精度が確保されないといった欠点がある。又、電解質膜は温度・湿度変化にも敏感であり、かかる変化によっても形状が変化してしまい、必要な位置精度を得ることは容易ではない。
そこで、電解質膜の保護シートにアライメントマークを配置し、このアライメントマークを基準に触媒の塗布位置の決定を行う手法も考案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１８３１８２号公報

さて、電解質膜の保護シートにアライメントマークを配置し、このアライメントマークを基準に触媒の塗布位置の決定を行う手法によれば、電解質膜の物性に起因する触媒層の位置決め精度の低下を防ぐことが可能であるが、保護シートは他のセル構成部材と積層される際には、電解質膜と分離回収されるものであり、電解質膜とその他のセル構成部材との位置決め精度の向上には何ら寄与するものではない。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池を構成するセル構成部材間の位置決め精度を高め、高精度に燃料電池を製造することを可能とするところにある。

（発明の態様）
以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、更に他の構成要素を付加したものについても、本願発明の技術的範囲に含まれ得るものである。

（１）電解質膜の表面に触媒層を形成し、拡散層その他のセル構成部材を前記電解質膜と共に積層して燃料電池を製造する方法であって、前記電解質膜以外の、燃料電池の構成部材として最終的にセル内に残る部材ないし部位に対し、他のセル構成部材と共に積層する以前にアライメントマークを付与し、該アライメントマークを視覚認識し、前記アライメントマークを基準に、前記電解質膜に対するその他のセル構成部材の位置決めを行う燃料電池の製造方法（請求項１）。
本項に記載の燃料電池の製造方法は、前記電解質膜以外の、燃料電池の構成部材として最終的にセル内に残る部材ないし部位に対し、他のセル構成部材と共に積層する以前にアライメントマークを付与し、このアライメントマークを基準として、電解質膜に対するその他のセル構成部材の位置決めを、正確且つ確実に行うものである。

（２）上記（１）項において、前記燃料電池の構成部材として最終的にセル内に残る部材は、前記電解質膜の少なくとも片面に固定され前記電解質膜と一体化される補強フィルムであり、該補強フィルムに形成される電解質膜露出用開口の周辺部位に、前記アライメントマークを付与する燃料電池の製造方法（請求項２）。
本項に記載の燃料電池の製造方法は、電解質膜の少なくとも片面に固定され前記電解質膜と一体化される補強フィルムの、電解質膜露出用開口の周辺部位にアライメントマークを付与することで、このアライメントマークを基準として、電解質膜に対するその他のセル構成部材の位置決めを、正確且つ確実に行うものである。

（３）上記（２）項において、ロール状に巻き取られた電解質膜を当該ロールから巻き出して前記補強フィルムを接合し、この接合工程の前又は後に、補強フィルムに対するアライメントマークの付与を行う工程を実施し、該アライメントマークを視覚認識して、前記アライメントマークを基準に、それ以降の工程におけるセル構成部材又はセル構成部位の間の位置決めを行う燃料電池の製造方法（請求項３）。
本項に記載の燃料電池の製造方法は、ロール状に巻き取られた電解質膜を当該ロールから巻き出して前記補強フィルムを接合し、この接合工程の前又は後に、補強フィルムに対するアライメントマークの付与を行う工程を実施することで、アライメントマークの付与後は、このアライメントマークを基準として、電解質膜に対するその他のセル構成部材の位置決めを、正確且つ確実に行うものである。

（４）上記（３）項において、前記アライメントマークを基準にセル構成部材又はセル構成部位の間の位置決めを行う工程には、前記補強フィルムに電解質膜露出用開口を形成する工程、電解質膜に触媒層を形成する工程、拡散層を接合する工程、必要な電極形状に切断する工程のうちの少なくととも一つを含む燃料電池の製造方法（請求項４）。
本項に記載の燃料電池の製造方法は、補強フィルムに形成する電解質膜露出用開口の位置精度、電解質膜に対する触媒層の位置精度、電解質膜に対する拡散層の位置精度、電解質膜を基準とする電極形状の外形の精度を、補強フィルムに付与したアライメントマークを基準として、高精度に得るものである。

（５）上記（１）項において、前記燃料電池の構成部材として最終的にセル内に残る部位は、電解質膜の表面に形成される触媒層である燃料電池の製造方法。
本項に記載の燃料電池の製造方法は、電解質膜の表面に形成される触媒層にアライメントマークを付与することで、このアライメントマークを基準として、電解質膜に対するその他のセル構成部材の位置決めを、正確且つ確実に行うものである。電解質膜単体では、その物性に起因してアライメントマークの位置精度を確保することが困難であるが、電解質膜に触媒層が形成された状態では、触媒層を構成する材料（白金等）のヤング率は電解質膜よりも低く、温度・湿度変化にも強いことから、触媒層に付与されたアライメントマークは、電解質膜に対するその他のセル構成部材の位置決め基準として機能するものである。

本発明はこのように構成したので、燃料電池を構成するセル構成部材間の位置決め精度を高め、高精度に燃料電池を製造することが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。なお、従来技術と同一部分若しくは相当する部分については、詳しい説明を省略する。
図１には、本発明の実施の形態に係る燃料電池の製造方法に係る製造ライン２０が概略的に示されている。この製造ライン２０は、触媒膜ロール２２をセットする軸２４、触媒膜ロール２２から巻き出された触媒膜２６の巻き出し長さを検出するエンコーダ２８、拡散層１４を触媒膜２６に積層するための積層ロボット３０、触媒膜２６を撮影するカメラ３２、製造ライン２０を制御するための、電子計算機によって構成された制御手段３４を含むものである。

又、触媒膜２６は、後述のように、電解質膜５０の少なくとも片面に補強フィルム５２が固定され電解質膜５０と一体化され、なおかつ、電解質膜５０の表面に触媒が塗布された状態となっている。そして、触媒膜２６はロール状に巻かれ、触媒膜ロール２２として製造ライン２０に搬入されるものである。
なお、図１の製造ライン２０では、補強フィルム５２に拡散層１４を熱圧プレスによって接合する装置の一例として、ベルトプレス装置が用いられており、図中、符号３６はベルト、符号３８はベルト３６の案内ローラ、符号４０はベルト３６を介して触媒膜２６及び拡散層１４に対し熱と圧力とを付与するプレスローラである。

ここで、本発明の実施の形態に係る燃料電池の製造手順を、図１を参照しながら説明する。まず、一般にロール状に巻かれた電解質膜５０をロールから巻き出し、補強フィルム５２と接合する。ここで用いられる補強フィルム５２は、後述する燃料電池の製造工程において変形し難い素材であって、なおかつ、温度・湿度変化にも強く、燃料電池の運転環境に適した材料（例えば、ＰＥＮ、ＰＥＴ、テフロン（登録商標）系ＰＴＰＥ等）が用いられる。又、補強フィルム５２には、電解質膜５０と一体化される以前に、電解質膜露出用開口５４が加工され、アライメントマーク５６が付与される。
アライメントマーク５６は、図示の例では十字マークであり、補強フィルム５２に対し、プリント、刻印等、視覚的に視認可能な形態で付与されるものである。電解質膜露出用開口５４の加工と、アライメントマーク５６の付与とは、いずれを先に補強フィルム５２に実施してもよい。しかしながら、アライメントマーク５６を先に付与しておけば、電解質膜露出用開口５４を加工する際にも、アライメントマーク５６を基準として用いることができる。アライメントマーク５６を用いた位置確認作業については、後述する拡散層１４の積層工程と同じであり、詳しい説明は拡散層１４の積層工程を参照されたい。
なお、補強フィルム５２が接合された電解質膜５０は、一般にはロール状に巻かれて後工程へと送られる。

続いて、補強フィルム５２が接合された電解質膜５０をロールから巻き出し、電解質膜露出用開口５４から露出する部分に、触媒を塗布して触媒膜２６を製造する。そして、一般に触媒膜２６はロール状に巻かれ、触媒膜ロール２２として取り扱われる。この際にも、カメラ（図１の符号３２参照）を用いてアライメントマーク５６を視覚認識して、アライメントマーク５６を基準に触媒を塗布する位置を特定し、ダイヘッド、スプレー等の触媒塗布手段を制御し、高精度に触媒を塗布する。なお、アライメントマーク５６を用いた位置確認作業についても、後述する拡散層１４の積層工程と同じであり、詳しい説明は拡散層１４の積層工程を参照されたい。

続いて、図１に示されるように、触媒膜ロール２２は軸２４にセットされ、触媒膜ロール２２から巻き出された触媒膜２６の巻き出し長さが、エンコーダ２８により検出される。又、触媒膜ロール２２から巻き出された触媒膜２６のアライメントマーク５６は、カメラ３２によって撮影される。そして、カメラ３２によって得られた画像は、制御手段３４において符号３４Ａで示される表示画面のごとく画像処理され、エンコーダ２８により検出される触媒膜２６の巻き出し長さに係る情報と合わせて、触媒膜２６に付されたアライメントマーク５６の位置が正確に特定される。この、アライメントマーク５６の位置情報に基づき、制御手段３４により積層ロボット３０を制御する。拡散層１４は積層ロボット３０に対し正確に位置決めされた状態で搬送され、拡散層１４を触媒膜２６の適切な位置に積層される。そして、補強フィルム５２に拡散層１４を熱圧プレスによって接合することで、ＭＥＧＡが構成される。

これ以降の工程、すなわち、必要な電極形状に切断する工程についても、同様にカメラ（図１の符号３２参照）を用いてアライメントマーク５６を視覚認識し、アライメントマーク５６を基準に切断位置を特定し、制御手段３４によりレーザーカッター等の切断装置を制御することにより、必要な電極形状を高精度に切り出すことができる。更に、ガス流路１６、セパレータ１８等（図３参照）のセル構成部材を積層する際にも、同様にしてアライメントマーク５６を基準に位置決めを行うことができる。
このようにして製造されたセル１０を、複数枚積層して固定することにより、燃料電池スタック１１（図２参照）を得ることができる。

上記構成をなす、本発明の実施の形態によれば、次のような作用効果を得ることが可能である。まず、本発明の実施の形態に係る燃料電池の製造方法は、電解質膜５０以外の、燃料電池の構成部材として最終的にセル内に残る部材ないし部位に対し、他のセル構成部材と共に積層する以前にアライメントマーク５６を付与し、このアライメントマーク５６を基準として、電解質膜５０に対するその他のセル構成部材の位置決めを、正確且つ確実に行うものである。

具体的には、電解質膜５０の少なくとも片面に固定され電解質膜５０と一体化される補強フィルム５２の、電解質膜露出用開口５４の周辺部位にアライメントマーク５６を付与することで、このアライメントマーク５６を基準として、電解質膜５０に対するその他のセル構成部材の位置決めを行うものである。補強フィルム５２は、ＰＥＮ、ＰＥＴ、テフロン（登録商標）系ＰＴＰＥ等、燃料電池の運転環境に適し、なおかつ、燃料電池の製造工程において変形し難い素材からなるものであり、付与されたアライメントマーク５６の変形や位置ずれが生じ難く、これを視覚的に認識することで、電解質膜５０に対するその他のセル構成部材の位置決めを、正確且つ確実に行うことが可能となる。

又、必要に応じ、ロール状に巻き取られた電解質膜５０を当該ロールから巻き出して補強フィルム５２を接合し、この接合工程の前又は後に、補強フィルム５２に対するアライメントマーク５６の付与を行う工程を実施することで、アライメントマーク５６の付与後は、このアライメントマーク５６を基準として、電解質膜５０に対するその他のセル構成部材の位置決めを、正確且つ確実に行うことができる。

すなわち、補強フィルム５２に形成する電解質膜露出用開口５４の位置精度、電解質膜５０に対する触媒層の位置精度、電解質膜５０に対する拡散層１４の位置精度、電解質膜５０を基準とする電極形状の外形の精度を、各々補強フィルム５２に付与したアライメントマーク５６を基準として、高精度に得ることが可能となる。更には、ガス流路１６、セパレータ１８等のセル構成部材の位置決めも、同様にして正確且つ確実に行うことが可能となる。

本発明の実施の形態に係る燃料電池電極の製造方法に係る製造装置を、模式的に示した図である。燃料電池スタックの立体模式図である。図２に示される燃料電池スタックを構成するセルの、構成部材を示す模式図である。

符号の説明

１０：セル、１１：燃料電池スタック、１２：膜・電極接合体、１４、１４Ａ、１４Ｃ：ガス拡散層、１６、１６Ａ、１６Ｃ：ガス流路、１８：セパレータ、２０：燃料電池の製造ライン、２２：触媒膜ロール、２４：軸、２６：触媒膜、２８：エンコーダ、３０：積層ロボット、３２：カメラ、３４：制御手段、３４Ａ：表示画面、３６：ベルト、３８：案内ローラ、４０：プレスローラ、５０：電解質膜、５２：補強フィルム、５４：電解質膜露出用開口、５６：アライメントマーク

Claims

電解質膜の表面に触媒層を形成し、拡散層その他のセル構成部材を前記電解質膜と共に積層して燃料電池を製造する方法であって、
前記電解質膜以外の、燃料電池の構成部材として最終的にセル内に残る部材ないし部位に対し、他のセル構成部材と共に積層する以前にアライメントマークを付与し、該アライメントマークを視覚認識し、前記アライメントマークを基準に、前記電解質膜に対するその他のセル構成部材の位置決めを行うことを特徴とする燃料電池の製造方法。
前記燃料電池の構成部材として最終的にセル内に残る部材は、前記電解質膜の少なくとも片面に固定され前記電解質膜と一体化される補強フィルムであり、該補強フィルムに形成される電解質膜露出用開口の周辺部位に、前記アライメントマークを付与することを特徴とする請求項１記載の燃料電池の製造方法。
ロール状に巻き取られた電解質膜を当該ロールから巻き出して前記補強フィルムを接合し、この接合工程の前又は後に、補強フィルムに対するアライメントマークの付与を行う工程を実施し、該アライメントマークを視覚認識して、前記アライメントマークを基準に、それ以降の工程におけるセル構成部材又はセル構成部位の間の位置決めを行うことを特徴とする請求項２記載の燃料電池の製造方法。
前記アライメントマークを基準にセル構成部材又はセル構成部位の間の位置決めを行う工程には、前記補強フィルムに電解質膜露出用開口を形成する工程、電解質膜に触媒層を形成する工程、拡散層を接合する工程、必要な電極形状に切断する工程のうちの少なくととも一つを含むことを特徴とする請求項３記載の燃料電池の製造方法。