JP2013187036A - 燃料電池用部材の製造装置及び燃料電池用部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】狙った場所のみを加熱し接着する。
【解決手段】燃料電池用部材の製造装置１０であって、第１の部材３００と、前記第１の部材上に載置され、熱により接着剤として機能する接着材料４００と、前記可塑性樹脂の上に載置される導電性材料で形成された第２の部材２００とを含む多層構造の前記第２の部材２００を電磁誘導により加熱するための誘導コイル１００と、前記第２の部材側に凹凸を有し、非導電性材料で形成されたプレス治具１２０と、前記多層構造に前記プレス治具を押圧する加圧装置１２０と、前記プレス治具と前記第２の部材との隙間に冷媒を供給する冷媒供給部１３０と、を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池セルを加圧しながら加熱して接着する燃料電池セルの製造装置及び製造方法に関する。

従来から、導電性材料で形成された板部材に接着剤を付着させたセルを積層し、セルに板状部材を重ね、さらに板状部材の上に誘導コイルを配置し、誘導コイルに電流を印加し、誘導コイル内に生じた磁界により板状部材に渦電流を発生させ、渦電流によって板状部材に発生する熱で接着剤を溶かし、その後冷却することにより接着剤を硬化させる技術が知られている（特許文献１）。

特開２００６−３０２７４１号公報

しかし、従来の方法では、狙った場所のみをすばやく接着することが難しかった。またセルを熱可塑性樹脂で接着する場合、荷重を掛けた状態で加熱と冷却を行わなければならい。しかし、コールドプレスなどの冷却しながらプレスする装置を用いずに、荷重を掛けた状態で加熱から短時間で冷却に移行することは難しく、量産性を向上させることが難しかった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、狙った場所のみを接着することを目的とする。さらに、荷重を掛けた状態で加熱から短時間で冷却に移行することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
燃料電池用部材の製造装置であって、第１の部材と、前記第１の部材上に載置され熱により接着剤として機能する接着材料と、前記接着材料の上に載置される導電性材料で形成された第２の部材とを含む多層構造の前記第２の部材を電磁誘導により加熱するための誘導コイルと、前記第２の部材側に凹凸を有し、非導電性材料で形成されたプレス治具と、前記多層構造に前記プレス治具を押圧する加圧装置と、前記プレス治具と前記第２の部材との隙間に冷媒を供給する冷媒供給部と、を備える、燃料電池用部材の製造装置。
この適用例によれば、プレス治具の凹凸により、狙った場所のみを加熱し接着することが可能となる。また、プレス治具の凹凸と、第２の部材との間の隙間に冷媒を供給することにより、荷重を掛けた状態で加熱から短時間で冷却に移行することが可能となる。

［適用例２］
燃料電池用部材の製造方法であって、（ａ）第１の部材と、導電性材料で形成された第２の部材との間に、熱により前記第１と第２の部材とを接着する接着材料を配置する工程と、（ｂ）前記第２の部材の一方の面に凹凸構造を有する非導電性材料で形成されたプレス治具を、前記凹凸構造が前記第２の部材側となるように配置する工程と、（ｃ）前記第２の部材を電磁誘導により加熱するための誘導コイルを配置する工程と、（ｄ）前記第１の部材から前記プレス治具までを加圧しながら、前記誘導コイルに誘導電流を流して前記第２の部材を加熱する工程と、（ｅ）前記加熱の終了後、前記加圧を維持しながら、前記凹凸構造による前記プレス治具と前記第２の部材との隙間に冷媒を供給して前記第２の部材を冷却する工程と、を備える、燃料電池用部材の製造方法。
この適用例によれば、プレス治具の凹凸により、狙った場所のみを加熱し接着することが可能となる。また、プレス治具の凹凸と、第２の部材との間の隙間に冷媒を供給することにより、荷重を掛けた状態で加熱から短時間で冷却に移行することが可能となる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池用部材の製造装置の他、燃料電池用部材の製造方法、熱圧接着装置等の形態で実現することができる。

第１の実施例の燃料電池セル製造装置を模式的に示す説明図である。 燃料電池セル製造装置における加熱工程を示す説明図である。 燃料電池セル製造装置における冷却工程を示す説明図である。 燃料電池の単セルを展開して模式的に示す説明図である。 第２の実施例の燃料電池セル製造装置を模式的に示す説明図である。 変形例の燃料電池セル製造装置を模式的に示す説明図である。 燃料電池セル製造装置における加熱工程を示す説明図である。 燃料電池セル製造装置における冷却工程を示す説明図である。

Ａ．第１の実施例：
図１は、第１の実施例の燃料電池セル製造装置１０を模式的に示す説明図である。燃料電池セル製造装置１０は、誘導コイル１００と、交流電源１１０と、プレス治具１２０と、冷媒送出機１３０と、を備え、金属板２００と、基板３００とを、熱可塑性樹脂４００で接着する。熱可塑性樹脂４００としては、例えば、ポリプロピレンを用いることが出来る。

誘導コイル１００として、例えば、ソレノイド型のコイルを用いることが出来る。誘導コイル１００は、鉄心、フェライトなどの強磁性体を備えていても良い。本実施例では、誘導コイル１００を模式的に示し、プレス治具１２０の金属板２００と反対側にあるように記載しているが、後述するように金属板２００に渦電流を発生させることが出来れば、位置はどこにあっても良い。プレス治具１２０は、金属板２００側が凹凸である部材であり、金属板２００と、基板３００との間を加圧する加圧装置である。プレス治具１２０は、誘導コイルに交流が流れても渦電流が生じないように、非導電性材料、例えば、セラミックで形成されていることが好ましい。冷媒送出機１３０は、複数の冷媒送出口１３４を有する冷媒送風管１３２に接続されている。冷媒送出口１３４は、プレス治具１２０の凹部と金属板２００との隙間に冷媒を供給する。

図２は、燃料電池セル製造装置１０における加熱工程を示す説明図である。金属板２００は、プレス治具１２０の凸の先端に接するように配置される。その後、基板３００と金属板２００との間に圧力が掛けられてプレスされる。次に、誘導コイル１００に交流電源１１０により交流電流が流される。誘導コイル１００に電流が流されると誘導コイル１００の周りに磁界が生じる。ここで、誘導コイル１００に流される電流は交流のため、誘導コイル１００の周りに生じた磁界が変化する。金属板２００には、この磁界の変化により渦電流が生じ、ジュール熱を発生させる。

金属板２００の一部は、プレス治具１２０の凸の先端に接しているので、この金属板２００の一部に生じたジュール熱は、プレス治具１２０に流れる。したがって、プレス治具１２０と接している部分（プレス治具１２０の凸部分）の金属板２００は温度が下がる。一方、プレス治具１２０と接していない部分（プレス治具１２０の凸でない部分）の金属板２００は、熱が逃げる先がないので、温度が下がり難い。その結果、熱可塑性樹脂４００のうち、プレス治具１２０の凸でない部分の近傍の熱可塑性樹脂４１０は溶けて金属板２００と、基板３００と、を接着する。一方、プレス治具１２０の凸部分の近傍の熱可塑性樹脂４２０は溶け難いので、金属板２００と、基板３００と、を接着しない。このように、プレス治具１２０は、加圧装置であるが、放熱装置としても機能する。

図３は、燃料電池セル製造装置１０における冷却工程を示す説明図である。冷却工程では、基板３００と金属板２００との間のプレスが維持されたまま、交流電源１１０からの電流供給が停止され、次いで、冷媒送出口１３４から冷媒が供給される。冷媒は、空気や窒素などの気体の他、水などの液体であっても良い。これにより、加熱融解していた熱可塑性樹脂４１０が冷却されて固まり、金属板２００と、基板３００との接着が安定化する。

以上のように、本実施例によれば、プレス治具１２０は、金属板２００側に凹凸構造を有しており、凸部が金属板２００に接触している。そのため、誘導コイル１００により、金属板２００が加熱された場合、金属板２００のプレス治具１２０の凸部が接触している部分は、熱がプレス治具に逃げる。その結果、この部分では、温度が上がり難く、金属板２００と基板３００とは、熱可塑性樹脂４００により接着しない。一方、金属板２００のプレス治具１２０の凸部が接触していない部分は熱がプレス治具に逃げ難い。その結果、この部分では、温度が上がり、金属板２００と基板３００とは、熱可塑性樹脂４００により接着する。さらに、金属板２００の加熱される部分は、プレス治具１２０の凸部と接していない部分なので、金属板２００と、プレス治具１２０との間に隙間がある。この隙間に、冷媒送出口１３４から冷媒を供給するので、プレスを維持したまま、冷却することができる。

Ｂ．第２の実施例：
図４は、燃料電池の単セル５０を展開して模式的に示す説明図である。燃料電池の単セル５０は、膜電極接合体基板５００と、ガス拡散層５２０、５４０と、アノードセパレータプレート５６０と、カソードセパレータプレート５８０と、を備える。

膜電極接合体基板５００は、膜電極接合体５０５と、樹脂フレーム５１０とを備える。膜電極接合体５０５は、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマのようなプロトン導電性の電解質膜と、その両面に形成された触媒層を備える。樹脂フレーム５１０は、膜電極接合体５０５の外縁に形成されており、例えば、ポリアミドシートにより形成されている。本実施例では、樹脂フレーム５１０の長手方向の端部には、開口部５１１〜５１６が形成されている。なお、図４では、開口部５１２は、ガス拡散層５４０により隠されて見えない状態である。開口部５１１〜５１６は、それぞれ、燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化ガス供給マニホールド、酸化ガス排出マニホールド、冷媒供給マニホールド、冷媒排出マニホールドを形成するために用いられる。開口部５１１〜５１６の位置は、樹脂フレーム５１０の外縁であれば、長手方向の端部に限られない。

ガス拡散層５２０、５４０は、カーボン不織布を用いたカーボンクロスやカーボンペーパーを用いて形成されている。なお、カーボンクロスやカーボンペーパーの代わりに、金属性の多孔体を用いても良い。ガス拡散層５２０、５４０は、膜電極接合体基板５００の開口部５１１〜５１６と重ならないように配置される。

アノードセパレータプレート５６０は、膜電極接合体基板５００とほぼ同じ大きさの金属板である。アノードセパレータプレート５６０は、膜電極接合体基板５００の開口部５１１〜５１６と対応する位置に開口部５６１〜５６６を有している。同様に、図４では、開口部５６２は、ガス拡散層５２０により隠されて見えない状態である。開口部５６１〜５６６は、同様に、それぞれ、燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化ガス供給マニホールド、酸化ガス排出マニホールド、冷媒供給マニホールド、冷媒排出マニホールドを形成するために用いられる。

アノードセパレータプレート５６０のガス拡散層５２０と重なる部分には、プレスにより凹凸が形成されている。この凹凸により、ガス拡散層５２０側の面には、燃料ガス流路５７０が形成されている。なお、ガス拡散層５２０と反対側の面には、図４では見えない冷媒流路が形成されている。

カソードセパレータプレート５８０は、膜電極接合体基板５００とほぼ同じ大きさの金属板である。カソードセパレータプレート５８０は、膜電極接合体基板５００の開口部５１１〜５１６と対応する位置に開口部５８１〜５８６を有している。開口部５８１〜５８６は、同様に、それぞれ、燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化ガス供給マニホールド、酸化ガス排出マニホールド、冷媒供給マニホールド、冷媒排出マニホールドを形成するために用いられる。カソードセパレータプレート５８０のガス拡散層５４０と重なる部分には、プレスにより凹凸が形成されている。この凹凸により、ガス拡散層５４０と反対側の面には、冷媒流路５９５が形成されている。なお、ガス拡散層５２０側の面には、図４では見えない酸化ガス流路が形成されている。なお、アノードセパレータプレート５６０による冷媒流路と、カソードセパレータプレート５８０による冷媒流路５９５は、単セル５０が積層されたときには、一体の冷媒流路となる。

本実施例では、単セル５０の外縁部、例えば、図４の破線Ｘで囲まれた部分を加熱圧着する。図５は、第２の実施例の燃料電池セル製造装置１１を模式的に示す説明図である。燃料電池セル製造装置１１は、誘導コイル１００と、交流電源１１０と、プレス治具１２０と、冷媒送出機１３０と、冷媒送風管１３２と、冷媒送出口１３４と、をそれぞれ２組備えている。２つの誘導コイル１００と、プレス治具１２０と、冷媒送風管１３２は、アノードセパレータプレート５６０、熱可塑性樹脂４００、膜電極接合体基板５００、熱可塑性樹脂４００、カソードセパレータプレート５８０、の順に並べられた単セル５０の構成部材を挟んで、それぞれ対称位置に配置されている。ただし、２つのプレス治具１２０の凹凸の位置は、異なっていてもよい。また、冷媒送出口１３４の位置は、プレス治具１２０の凹凸の位置に依存するので、２つのプレス治具１２０の凹凸の位置は、必ずしも対称位置にはならない。また、本実施例では、交流電源１１０を２つ備えているが、これらを１つにして２つの誘導コイル１００に電流を流してもよい。冷媒送出機１３０についても同様である。

加熱工程では、２つのプレス治具１２０の間がプレスされるとともに、誘導コイル１００により、アノードセパレータプレート５６０と、カソードセパレータプレート５８０が加熱される。このときの圧力は、約１ＭＰａであり、アノードセパレータプレート５６０と、カソードセパレータプレート５８０の温度が約１４０℃となるように、誘導コイル１００に電流を流した。アノードセパレータプレート５６０と、カソードセパレータプレート５８０のうち、プレス治具１２０の凸部と接している部分は、熱がプレス治具１２０に逃げ易く、プレス治具１２０の凸部と接していない部分は、熱が逃げ難いので、プレス治具１２０の凸部と接していない部分が加熱される。そして、この部分の熱可塑性樹脂４００が溶け、アノードセパレータプレート５６０と、膜電極接合体基板５００と、カソードセパレータプレート５８０とを接着する。その後、冷媒送出口１３４から冷媒が供給される。これにより、加熱融解していた熱可塑性樹脂が冷却されて固まり、アノードセパレータプレート５６０と、膜電極接合体基板５００と、カソードセパレータプレート５８０との接着が安定化する。

以上、本実施例によれば、アノード側のプレス治具１２０は、アノードセパレータプレート５６０側に凹凸構造を有しており、凸部は、アノードセパレータプレート５６０に接触している。そのため、誘導コイル１００により、アノードセパレータプレート５６０が加熱された場合、アノードセパレータプレート５６０のプレス治具１２０の凸部が接触している部分は、熱がプレス治具１２０に逃げ易い。その結果、この部分では、温度が上がり難く、アノードセパレータプレート５６０と、膜電極接合体基板５００とは、熱可塑性樹脂４００により接着しない。一方、アノードセパレータプレート５６０のプレス治具１２０の凸部が接触していない部分は熱がプレス治具に逃げ難い。その結果、この部分では、温度が上がり、アノードセパレータプレート５６０と、膜電極接合体基板５００とは、熱可塑性樹脂４００により接着する。さらに、アノードセパレータプレート５６０の加熱される部分は、プレス治具１２０の凸部と接していない部分なので、アノードセパレータプレート５６０と、プレス治具１２０との間に隙間がある。この隙間に、冷媒送出口１３４から冷媒を供給するので、プレスを維持したまま、冷却することができる。カソード側についても同様である。

Ｃ．変形例：
図６は、変形例の燃料電池セル製造装置１２を模式的に示す説明図である。この燃料電池セル製造装置１２は、凹凸のあるセパレータプレート２０１を基板３００と接着するために用いられる。第１の実施例の燃料電池セル製造装置１０と比較すると、燃料電池セル製造装置１２は、プレス治具１２１のセパレータプレート２０１側が平面である点が異なっている。なお、本変形例では、セパレータプレート２０１の基板３００側に突き出た部分と「凸部２０１ａ」と呼び、基板３００から見て凹んだ部分（プレス治具１２１から見れば突き出た部分）を「凹部２０１ｂ」と呼ぶ。凸部２０１ａは、熱可塑性樹脂４００を介して基板３００と接し、凹部２０１ｂは、プレス治具１２１と接している。

図７は、燃料電池セル製造装置１２における加熱工程を示す説明図である。誘導コイル１００に交流電源１１０により交流電流が流されると、第１の実施例と同様に、セパレータプレート２０１に渦電流が生じ、ジュール熱を発生させる。セパレータプレート２０１の凹部２０１ｂは、プレス治具１２１と接しているので、凹部２０１ｂに生じた熱は、プレス治具１２１に移動する。一方、凸部２０１ａに生じた熱は、熱可塑性樹脂４００を溶かし、熱可塑性樹脂４００は、セパレータプレート２０１の凸部２０１ａと基板３００とを接着する。

図８は、燃料電池セル製造装置１２における冷却工程を示す説明図である。冷却工程では、基板３００とセパレータプレート２０１との間のプレスが維持されたまま、交流電源１１０からの電流供給が停止され、次いで、冷媒送出口１３４から凸部２０１ａとプレス治具１２１との間の隙間に、冷媒が供給される。これにより、加熱融解していた熱可塑性樹脂が冷却されて固まり、セパレータプレート２０１と、基板３００との接着が安定化する。

以上、この変形例によれば、凹凸のあるセパレータプレート２０１と基板３００とを接着する場合にも適用可能である。この場合、プレス治具１２１は、凹凸のある形状ではなく、平板形状のものを用いることが出来る。

なお、ヒーターを用いてプレス治具１２１を加熱し、プレス治具１２１からセパレータプレート２０１を加熱するようにすると、プレス治具１２１とセパレータプレート２０１との間の隙間、及び、セパレータプレート２０１と基板３００との間の隙間も同時に加熱されるため、熱可塑性樹脂４００が必要以上に溶けて発電性能に悪影響を与える可能性も考えられるが、本変形例によれば、そのような可能性は起こり難い。

上記各実施例では、プレス治具１２０、１２１が加圧装置を兼ねる構成であったが、加圧装置は、プレス治具１２０、１２１と別個の装置としてもよい。すなわち、放熱機構と、加圧機構とを別の装置に担わせても良い。

上記各実施例では、金属板２００と基板３００とを接着するときの接着材料として熱可塑性樹脂４００を用い、セパレータプレート２０１と基板３００とを接着するときの接着材料として熱可塑性樹脂４００を用いていたが、接着材料として、熱可塑性樹脂４００の代わりに熱硬化性樹脂を用いても良い。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１０、１１、１２…燃料電池セル製造装置
５０…単セル
１００…誘導コイル
１１０…交流電源
１２０、１２１…プレス治具
１３０…冷媒送出機
１３２…冷媒送風管
１３４…冷媒送出口
２００…金属板
２０１…セパレータプレート
２０１ａ…凸部
２０１ｂ…凹部
３００…基板
４００、４１０、４２０…熱可塑性樹脂
５００…膜電極接合体基板
５０５…膜電極接合体
５１０…樹脂フレーム
５１１〜５１６、５６１〜５６６、５８１〜５８６…開口部
５２０、５４０…ガス拡散層
５６０…アノードセパレータプレート
５７０…燃料ガス流路
５８０…カソードセパレータプレート
５９５…冷媒流路

Claims (2)

1. 燃料電池用部材の製造装置であって、
   第１の部材と、前記第１の部材上に載置され熱により接着剤として機能する接着材料と、前記接着材料の上に載置される導電性材料で形成された第２の部材とを含む多層構造の前記第２の部材を電磁誘導により加熱するための誘導コイルと、
   前記第２の部材側に凹凸を有し、非導電性材料で形成されたプレス治具と、
   前記多層構造に前記プレス治具を押圧する加圧装置と、
   前記プレス治具と前記第２の部材との隙間に冷媒を供給する冷媒供給部と、
   を備える、燃料電池用部材の製造装置。
2. 燃料電池用部材の製造方法であって、
   （ａ）第１の部材と、導電性材料で形成された第２の部材との間に、熱により前記第１と第２の部材とを接着する接着材料を配置する工程と、
   （ｂ）前記第２の部材の一方の面に凹凸構造を有する非導電性材料で形成されたプレス治具を、前記凹凸構造が前記第２の部材側となるように配置する工程と、
   （ｃ）前記第２の部材を電磁誘導により加熱するための誘導コイルを配置する工程と、
   （ｄ）前記第１の部材から前記プレス治具までを加圧しながら、前記誘導コイルに誘導電流を流して前記第２の部材を加熱する工程と、
   （ｅ）前記加熱の終了後、前記加圧を維持しながら、前記凹凸構造による前記プレス治具と前記第２の部材との隙間に冷媒を供給して前記第２の部材を冷却する工程と、
   を備える、燃料電池用部材の製造方法。

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