JP2013091254A - 樹脂材の溶着方法及びその装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】反りやうねりが存在する樹脂材であったとしても、該樹脂材と別の樹脂材との当接面における当接面積を十分に確保して、前記当接面を十分に溶着させる。
【解決手段】シール６０、６２（樹脂材）同士を重畳した重畳部８２を、支持部材７０と透光性押圧部材７４で挟持し、さらに、透光性押圧部材７４と重畳部８２との間（又は支持部材７０と重畳部８２との間)に弾性材７２を介装する。さらに、支持部材７０及び透光性押圧部材７４を介して重畳部８２に荷重を付与するとともに、透光性押圧部材７４を介して、シール６０、６２同士の当接面にレーザ光Ｌを照射する。
【選択図】図４

Description

本発明は、樹脂材からなる部位同士の当接面をレーザ光によって溶着する樹脂材の溶着方法及びその装置に関する。
固体高分子形燃料電池においては、固体高分子からなる電解質膜の両側にアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極接合体と、該電解質膜・電極接合体を挟持する１組のセパレータとから構成される単位セルが設けられる。一般的には、この単位セルが所定数だけ積層され、燃料電池スタックとして使用されている。
このような構成の単位セルにおいて、セパレータの両面縁部には、ゴム又は樹脂からなるシールが形成される。燃料電池の運転に際しては、前記電解質膜・電極接合体を構成するアノード側電極に対して水素を含んだ燃料ガスが供給されるとともに、カソード側電極に対して酸素を含んだ酸化剤ガスが供給される。さらには、冷却媒体が供給されることもある。前記シールは、これら燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体が燃料電池の外部に漏出することを防止するためのものである。なお、シールは、射出成形によって形成される。
１組のセパレータの各々に設けられたシール同士は、互いに接合されて一体化される。一体化は、例えば、特許文献１に示されるように、シール同士の当接面をレーザ光によって溶着することで行われる。
具体的には、図６に示すように、支持部材１と、アクリル板等からなる透光性押圧部材２とを具備する溶着装置が用いられる。すなわち、シール３を外周縁部に設けたセパレータ４と、電解質膜・電極接合体５と、シール６を外周縁部に設けたセパレータ７とをこの順に重畳した重畳部８を、支持部材１と透光性押圧部材２とで挟持する。重畳部８には、シール３とシール６が互いに当接した当接面が形成される。
次に、支持部材１ないし透光性押圧部材２を介して当接面に荷重を付与した状態で、溶着装置を構成する図示しないレーザ光照射手段からレーザ光Ｌを照射する。レーザ光Ｌは、透光性押圧部材２を通過し、シール３とシール６の当接面に到達する。
当接面は、レーザ光Ｌによって一旦溶融され、その後、冷却に伴って互いに接合する。これにより、当接面が互いに溶着されてシール３、６が一体化するに至る。
特開２００６−９２８８９号公報
シール３、６の端面には、図６に示すように、反りやうねりが存在することが一般的である。このような場合、支持部材１と透光性押圧部材２で重畳部８を挟持し、さらに荷重を付与しても、例えば、シール３の上端面に当接していないシール６の反りやうねりの谷部に荷重が行き渡らず、このためにシール３に対するシール６の当接面積が十分でなくなる懸念がある。その結果としてシール３、６の境界面に互いに当接しない部分、すなわち、間隙が形成されてしまうと、上記の溶着が不十分となる一因となる。
仮に、溶着が不十分となると、シール３、６の接合強度が不十分となったり、シール３、６が一体化した後のシール性能が不十分となったりするという不具合が惹起されてしまう。
本発明は上記した問題を解決するためになされたものであり、樹脂材に反りやうねりが存在していたとしても、該樹脂材同士の当接面における当接面積を十分に確保し得、このために該当接面を十分に溶着させることが可能な樹脂材の溶着方法及びその装置を提供することを目的とする。
前記の目的を達成するために、本発明は、樹脂材からなる部位同士を重畳して形成した重畳部を、支持部材と、透光性押圧部材とで挟持し、この状態で、前記透光性押圧部材を介して前記部位同士の当接面にレーザ光を照射することで、前記当接面を互いに溶着する樹脂材の溶着方法であって、
前記支持部材と前記重畳部との間、又は前記透光性押圧部材と前記重畳部との間に弾性材を介装するとともに、前記支持部材及び前記透光性押圧部材を介して前記重畳部に荷重を付与しながらレーザ光を照射することを特徴とする。
支持部材又は透光性押圧部材を介して荷重が付与された際、弾性材が弾性変形を起こして延伸する。これにより、延伸した弾性材に沿って荷重が分散するとともに、該弾性材を介して樹脂材に伝達される。このため、樹脂材の全体にわたって荷重が略均等に分配され、且つ作用する。
その結果、反りやうねりの谷部に対しても荷重が行き渡る。従って、谷部が押圧されて相手材に当接するようになり、その結果、樹脂材同士の当接面積が大きくなる。この状態で樹脂材同士の当接面にレーザ光を照射することにより、該当接面を十分に溶着することができる。従って、一体化した後の接合強度に優れ、また、シールであるときにはシール性能にも優れることになる。
透光性押圧部材と重畳部との間に弾性材を介装するときには、該弾性材は、透光性を有するものであることが好ましい。この場合、透光性押圧部材から入射したレーザ光が当接面に到達することが妨げられることがないからである。
また、弾性材は、樹脂材の形状が転写された形状であることが好ましい。この場合、弾性材が樹脂材に密着するので、樹脂材の形状に影響を受けることなく、荷重を樹脂材の全体にわたって略均等に伝達することができる。
なお、樹脂材は、特に限定されるものではないが、アノード側電極とカソード側電極の間に電解質を介装した電解質・電極接合体を１組のセパレータで挟持して構成される燃料電池の前記セパレータの外周縁部に設けられたものを具体例として挙げることができる。この場合、シール（樹脂材）は、燃料ガス及び酸化剤ガス、さらには冷却媒体が漏出することを防止する。
また、本発明は、樹脂材からなる部位同士を重畳して形成した重畳部における前記部位同士の当接面を互いに溶着する樹脂材の溶着装置であって、
前記重畳部を挟持する支持部材及び透光性押圧部材と、
前記透光性押圧部材を通過して前記当接面に到達するレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、
前記支持部材又は前記透光性押圧部材を介して前記重畳部に荷重を付与する荷重付与手段と、
前記支持部材と前記重畳部との間、又は前記透光性押圧部材と前記重畳部との間に介装される弾性材と、
を備えることを特徴とする。
このような構成とすることにより、反りやうねりが存在するような樹脂材であっても、その全体に対して略均等に荷重を行き渡らせることができる。従って、反りやうねりの谷部を押圧して相手材に当接させることが可能となるので、樹脂材同士の当接面積を大きくした状態で溶着を行うことができる。
このようにして溶着され、接合一体化した部位は接合強度に優れ、樹脂材がシールであるときには、シール性能にも優れる。
なお、上記した理由から、弾性材は、樹脂材の形状が転写された形状であることが好ましい。
本発明によれば、弾性材を用いて荷重を付与するようにしているので、荷重が樹脂材全体に対して略均等に伝達される。このため、樹脂材同士の当接面積が大きくなるので、当接面にレーザ光を照射することにより、樹脂材同士を十分に溶着することができる。従って、接合一体化された樹脂材同士の接合強度が良好となる。樹脂材がシールであるときには、シール性能にも優れる。
燃料電池の概略全体斜視図である。 図１の燃料電池を構成する単位セルの分解斜視説明図である。 本実施形態に係る溶着装置によって図２の単位セルのシール（樹脂材）同士を溶着する方法を説明する要部縦断面図である。 前記溶着装置によって前記シール同士を溶着している状態を示す要部縦断面図である。 別の実施の形態に係る樹脂材の溶着方法及びその装置を説明する要部縦断面図である。 従来技術に係るシール同士の溶着方法を説明する要部縦断面図である。
以下、本発明に係る樹脂材の溶着方法につき、それを実施する溶着装置との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施の形態では、燃料電池のシール同士を溶着する例について説明するが、特にこれに限定されるものではなく、樹脂材同士の溶着であれば同様に適用することができる。
先ず、燃料電池につき図１及び図２を参照して概略説明する。
図１は、燃料電池１０の概略全体斜視図であり、図２は、前記燃料電池１０を構成する単位セル１２の分解斜視説明図である。なお、単位セル１２は、実際には組立物として構成されているが、図２では、理解を容易にするべく、分解した状態を示している。
燃料電池１０は、複数個の単位セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層されたユニット１４を備え、該ユニット１４の積層方向両端部には、第１及び第２ターミナルプレート１６ａ、１６ｂと、第１及び第２絶縁プレート１８ａ、１８ｂと、第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂとが、順次、設けられる。なお、燃料電池１０は、図示しないが、例えば、締め付けボルト等により締め付け保持される。
図２に示すように、単位セル１２は、互いに積層される電解質膜・電極接合体２２と、第１及び第２セパレータ２４、２６とを備える。なお、第１及び第２セパレータ２４、２６は、例えば、金属からなるが、カーボンからなるものであってもよい。
電解質膜・電極接合体２２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された電解質膜２８と、該電解質膜２８を挟持するアノード側電極３０及びカソード側電極３２とを備える。アノード側電極３０及びカソード側電極３２は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。
このように構成される電解質膜・電極接合体２２は、樹脂材からなる支持フレーム３４の開口３６に嵌合される。
図２に示すように、単位セル１２の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス（例えば、酸素含有ガス）を供給するための酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔４２ａ、及び燃料ガス（例えば、水素含有ガス）を排出するための燃料ガス出口連通孔４４ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
また、単位セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔４４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔４２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔４０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
第１セパレータ２４の電解質膜・電極接合体２２に臨む面２４ａには、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路４６が設けられる。酸化剤ガス流路４６は、複数の流路溝を有するとともに、酸化剤ガス入口連通孔４０ａに連通する複数の入口溝部４６ａと、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂに連通する複数の出口溝部４６ｂとを有する。
第２セパレータ２６の電解質膜・電極接合体２２に臨む面２６ａには、燃料ガス流路４８が設けられる。図２に示すように、燃料ガス流路４８は、酸化剤ガス流路４６と同様に、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝を有する。燃料ガス流路４８は、燃料ガス入口連通孔４４ａに連通する複数の入口溝部４８ａと、燃料ガス出口連通孔４４ｂに連通する複数の出口溝部４８ｂとを有する。
図２に示すように、第２セパレータ２６の面２６ｂには、矢印Ｂ方向に延在する冷却媒体流路５０が設けられる。冷却媒体流路５０は、冷却媒体入口連通孔４２ａに連通する複数の入口溝部５０ａと、冷却媒体出口連通孔４２ｂに連通する複数の出口溝部５０ｂとを有する。
図３に示すように、第１セパレータ２４には、樹脂材としての第１シール６０が設けられる。この第１シール６０は、酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂ、冷却媒体入口連通孔４２ａ、冷却媒体出口連通孔４２ｂ、燃料ガス入口連通孔４４ａ及び燃料ガス出口連通孔４４ｂをシールするとともに、第１セパレータ２４の外周縁部をシールしている。この第１シール６０は、レーザ光Ｌを吸収する樹脂等から、例えば、射出成形によって形成される。
一方の第２セパレータ２６にも、例えば、射出成形によって、樹脂材としての第２シール６２が設けられる。この第２シール６２は、酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂ、冷却媒体入口連通孔４２ａ、冷却媒体出口連通孔４２ｂ、燃料ガス入口連通孔４４ａ及び燃料ガス出口連通孔４４ｂをシールするとともに、第２セパレータ２６の外周縁部をシールしている。また、該第２シール６２は、レーザ光Ｌを透過する樹脂等からなる。
なお、第２シール６２の一端面には、支持フレーム３４の端部を挿入するべく、該支持フレーム３４の厚みＴに対応する寸法で第１シール６０に向かう突出部６４が突出形成される。この突出部６４の一端面が第１シール６０の一端面に当接すると、互いに離間した第１シール６０、第２シール６２の一端面同士の間に、支持フレーム３４を挿入するための挿入部６６となるクリアランスが形成される（図４参照）。
以上の構成において、第１シール６０、第２シール６２には、図３に示すように、反りないしうねりが生じている。
次に、第１シール６０、第２シール６２を接合一体化するための溶着装置について説明する。
図３及び図４に示すように、溶着装置は、支持部材７０と、弾性材７２と、アクリル板等からなる透光性押圧部材７４と、図示しないレーザ光照射手段とを具備する。なお、図４中の参照符号７６は、レーザ光Ｌを集光する集光レンズを示す。
支持部材７０は、例えば、プレス用金型である。該支持部材７０には、第１シール６０を挿入するための第１凹部７８が陥没形成される。第１シール６０の厚みは、第１凹部７８の深さに対応する寸法に設定されており、このため、第１シール６０が第１凹部７８に挿入されると、第１セパレータ２４の下端面は、支持部材７０の内側上面に載置される。
弾性材７２は、例えば、透光性のシリコーンゴムからなり、弾性とともに透光性を示す。すなわち、透光性押圧部材７４を通過したレーザ光Ｌは、弾性材７２を通過することも可能である。
また、弾性材７２は、荷重が付与された際、自身の弾性によって十分に延伸する。
透光性押圧部材７４は、例えば、アクリル板等からなり、透光性を示す。この透光性押圧部材７４には、弾性材７２及び第２シール６２を挿入するための第２凹部８０が鉛直上方に向かうようにして陥没形成されている。
第２シール６２及び弾性材７２の合計厚みは、第２凹部８０の深さに対応する寸法に設定されている。このため、第２シール６２が第２凹部８０に挿入されると、第２セパレータ２６の上端面は、透光性押圧部材７４の内側下面に当接される。
前記レーザ光照射手段は、例えば、ダイオード、イットリア−アルミナガーネット（ＹＡＧ）、炭酸ガスレーザ光照射装置等からなるが、レーザ光Ｌを発生するものであれば特に限定されるものではない。また、レーザ光Ｌの波長は、第１シール６０、第２シール６２、透光性押圧部材７４及び弾性材７２の透光度や、ランニングコスト等を考慮して設定すればよい。
溶着装置は、さらに、支持部材７０又は透光性押圧部材７４を介して荷重を付与することが可能な荷重付与手段を有する。この荷重付与手段については公知であるため、図示及び詳細な説明を省略する。
本実施の形態に係る溶着方法は、基本的には上記のように構成される溶着装置を用い、以下のようにして実施される。
はじめに、図４に示すように、重畳部８２を形成する。具体的には、第１シール６０を設けた第１セパレータ２４と、電解質膜・電極接合体２２を支持した支持フレーム３４と、第２シール６２を設けた第２セパレータ２６とをこの順に重畳する。これにより、第１シール６０と第２シール６２が互いに当接して当接面が形成される。また、支持フレーム３４の端部が、図４に示すように、第２シール６２の挿入部６６に挿入される。
次に、この重畳部８２を支持部材７０と透光性押圧部材７４とで挟持する。この際、透光性押圧部材７４と重畳部８２との間に弾性材７２を介装する。
重畳部８２には、前記荷重付与手段の作用下に、支持部材７０及び透光性押圧部材７４を介して荷重が付与される。
この荷重により、弾性材７２が弾性変形して延伸する。荷重は、この延伸した弾性材７２を伝播し、該弾性材７２に当接する第２シール６２に伝達される。このため、第２シール６２の略全体に対して荷重が略均等に伝達される。
従って、第２シール６２の下端面に反りやうねりが存在する場合であっても、該反りやうねりの頂部のみならず、谷部にも荷重が行き渡る。このため、第２シール６２の下端面が、第１シール６０の上端面に対して良好に密着する。すなわち、第１シール６０と第２シール６２の間に間隙が形成されることを回避することができるので、両シール６０、６２の当接面積を十分に大きくすることができる。
このようにしてシール６０、６２同士が密着するように荷重を付与した状態で、次に、透光性押圧部材７４の図４における上方から、シール６０、６２同士の当接面に対してレーザ光Ｌを照射する。
集光レンズ７６によって集光されたレーザ光Ｌは、透光性押圧部材７４及び弾性材７２を透過し、さらに、第２シール６２を透過する。レーザ光Ｌは、その後、第１シール６０の上端面における所定の部位に到達し、該部位の温度を上昇させて溶融する。この温度上昇に伴って、第２シール６２の下端面において、前記部位に当接した部位も温度上昇を起こして溶融する。
レーザ光Ｌが走査されて溶融部位から離間すると、該溶融部位の温度が下降する。これに伴って該溶融部位が冷却して固化することにより、点状の接合部が形成される。レーザ光Ｌの走査に伴って上記の過程が繰り返されることにより、第１シール６０の上端面と、第２シール６２の下端面とが互いに線状又は面状に接合される。
ここで、本実施の形態においては、第１シール６０の上端面と、第２シール６２の下端面との当接面積が大きい。弾性材７２を用いることにより、第１シール６０の上端面と、第２シール６２の下端面とに荷重が略均等に付与されるようにしているからである。
従って、第１シール６０と第２シール６２が互いに十分に溶着されて一体化する。その結果、第１シール６０と第２シール６２との接合強度が大きくなるとともに、第１シール６０と第２シール６２が一体化した後のシール性能が良好となる。このため、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体が燃料電池１０の外部に漏出することを効果的に防止することができる。
第２シールに何らかの形状が付与されている場合、弾性材として、この形状に対応する形状のものを用いることが好ましい。以下、この場合を第２実施形態として説明する。なお、図１〜図４に示す構成要素と同一の構成要素については同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図５は、第２実施形態に係る樹脂材の溶着方法及び溶着装置を説明するための要部断面図である。この場合、第２セパレータ２６に設けられた第２シール９０の上端面には、複数個の凹部９２及び凸部９４が交互に繰り返されるようにして形成されている。なお、このような形状の第２シール９０も、射出成形によって形成することができる。
第２実施形態においても、透光性押圧部材７４と重畳部９６との間に、弾性材９８が介装される。なお、この弾性材９８は、弾性材７２と同様に、弾性とともに透光性を示すもの、例えば、透光性のシリコーンゴム等からなる。
弾性材９８の図５における下端面には、第２シール９０の凹部９２及び凸部９４の形状に対応する形状の凸部１００及び凹部１０２とが設けられている。すなわち、弾性材９８は、第２シール９０の形状が転写された形状となっている。勿論、凸部１００は凹部９２に進入し、一方、凹部１０２には凸部９４が進入する。
この場合、支持部材７０及び透光性押圧部材７４を介して重畳部９６に荷重を付与すると、弾性材９８が弾性変形する。また、凸部１００が凹部９２に進入する一方で、凹部１０２に凸部９４が進入する。
以上のことが相俟って、第２シール９０に対して荷重が略均等に付与される。このため、第２シール９０の上端面に凹部９２及び凸部９４が形成され、且つ下端面に反りやうねりが存在する場合であっても、第１シール６０の上端面と、第２シール９０の下端面との当接面積を十分に大きくすることができる。その結果、上記と同様にシール６０、９０同士が十分に溶着して一体化し、接合強度及びシール性能に優れたものとなる。
本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、上記した実施の形態では、弾性材７２、９８を、透光性押圧部材７４と重畳部８２、９６との間に介装しているが、支持部材７０と重畳部８２、９６との間に介装するようにしても良い。この場合、弾性材７２、９８は、透光性を示さないものであっても差し支えない。レーザ光Ｌが弾性材７２、９８を通過する必要は特にないからである。
また、本発明は、燃料電池１０の第１セパレータ２４及び第２セパレータ２６に設けられたシール６０、６２（９０）同士を溶着する場合に限定されるものではなく、樹脂材同士を接合する場合一般に適用することが可能である。
１０…燃料電池 １２…単位セル
１４…ユニット ２２…電解質膜・電極接合体
２４、２６…セパレータ ２８…電解質膜
３０…アノード側電極 ３２…カソード側電極
３４…支持フレーム ６０、６２、９０…シール（樹脂材）
７０…支持部材 ７２、９８…弾性材
７４…透光性押圧部材 ８２、９６…重畳部
９２、１０２…凹部 ９４、１００…凸部
Ｌ…レーザ光

Claims (6)

  1. 樹脂材からなる部位同士を重畳して形成した重畳部を、支持部材と、透光性押圧部材とで挟持し、この状態で、前記透光性押圧部材を介して前記部位同士の当接面にレーザ光を照射することで、前記当接面を互いに溶着する樹脂材の溶着方法であって、
    前記支持部材と前記重畳部との間、又は前記透光性押圧部材と前記重畳部との間に弾性材を介装するとともに、前記支持部材及び前記透光性押圧部材を介して前記重畳部に荷重を付与しながらレーザ光を照射することを特徴とする樹脂材の溶着方法。
  2. 請求項１記載の溶着方法において、前記透光性押圧部材と前記重畳部との間に、透光性を有する弾性材を介装することを特徴とする樹脂材の溶着方法。
  3. 請求項１又は２記載の溶着方法において、前記弾性材として、前記樹脂材の形状が転写されたものを用いることを特徴とする樹脂材の溶着方法。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の溶着方法において、前記樹脂材は、アノード側電極とカソード側電極の間に電解質を介装した電解質・電極接合体を１組のセパレータで挟持して構成される燃料電池の前記セパレータの外周縁部に設けられたものであることを特徴とする樹脂材の溶着方法。
  5. 樹脂材からなる部位同士を重畳して形成した重畳部における前記部位同士の当接面を互いに溶着する樹脂材の溶着装置であって、
    前記重畳部を挟持する支持部材及び透光性押圧部材と、
    前記透光性押圧部材を通過して前記当接面に到達するレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、
    前記支持部材又は前記透光性押圧部材を介して前記重畳部に荷重を付与する荷重付与手段と、
    前記支持部材と前記重畳部との間、又は前記透光性押圧部材と前記重畳部との間に介装される弾性材と、
    を備えることを特徴とする樹脂材の溶着装置。
  6. 請求項５記載の溶着装置において、前記弾性材は、前記樹脂材の形状が転写されたものであることを特徴とする樹脂材の溶着装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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