JP2017103069A - 燃料電池セルの製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シール部材がセパレーターに溶着される工程に要する時間が長くなることを防止できる。【解決手段】燃料電池セルの製造装置であって、セパレーターとシール部材とが積層される位置を決めることによって積層体を準備する位置決め部と、前記積層体を把持できる把持部を含み、前記積層体を把持させた状態において、前記積層体を搬送する搬送部と、搬送された前記積層体を熱圧着する熱圧着部と、を備え、前記位置決め部は、前記積層体を支持するとともに昇降させる昇降部と、前記昇降部が上昇した際に前記把持部を開かせる第１の接触部と、を有し、前記熱圧着部は、前記積層体が載置される下型部と、前記積層体を前記下型部とともに挟むことによって熱圧着する上型部と、前記上型部が前記下型部とともに前記積層体を挟んでいる際に、前記把持部を開かせる第２の接触部と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池セルの製造装置に関する。

燃料電池セルは、電解質膜の両面に電極を接合された膜電極接合体や、膜電極接合体の両面にガス拡散層を接合された膜電極ガス拡散層接合体を、セパレーターで挟持することによって構成される。このような燃料電池セルには、膜電極ガス拡散層接合体の外周部に配されたシール部材がセパレーターに溶着されたものがある。

特開２０１３−２５１２５３号公報

特許文献１の燃料電池セルの製造装置は、セパレーターとシール部材とが積層された状態（以下、積層体とする）でベルトコンベアにより搬送され、予熱を加えてからプレスされることによって、セパレーターにシール部材を溶着する装置である。このような燃料電池セルの製造においては、ベルトコンベアによる搬送に代えて、チャックによる搬送を採用した方が設備の小型化を実現できる場合がある。しかし、チャックによる搬送では、セパレーターとシール部材とが積層される際の位置決めと、積層体の搬送と、積層体におけるシール部材の溶着とに加え、積層体を把持するチャックの開閉が製造工程に含まれる。このため、ベルトコンベアによる搬送と比べて、シール部材がセパレーターに溶着される工程に要する時間が長くなる虞があるという課題があった。このような課題を解決するために、シール部材がセパレーターに溶着される工程においてチャックによる搬送を採用した燃料電池セルの製造装置において、シール部材がセパレーターに溶着される工程に要する時間が長くなることを防止できる技術が望まれていた。

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、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の一形態によれば、燃料電池セルの製造装置が提供される。この燃料電池セルの製造装置は、膜電極接合体および前記膜電極接合体の両面に設けられたガス拡散層を有する膜電極ガス拡散層接合体を挟持するセパレーターと、前記セパレーターの間において前記膜電極ガス拡散層接合体の外周部に配されるとともに前記セパレーターと溶着できるシール部材と、を溶着する燃料電池セルの製造装置であって、前記セパレーターと前記シール部材とが積層される位置を決めることによって前記セパレーターと前記シール部材とが積層された積層体を準備する位置決め部と、前記積層体を把持できるとともに、重力方向下側から押圧された際に前記把持を開かせる被接触部を有する把持部を含み、前記積層体を前記把持部に把持させた状態において、前記積層体を搬送する搬送部と、前記搬送部によって搬送された前記積層体における前記セパレーターと前記シール部材とを熱圧着する熱圧着部と、を備え、前記位置決め部は、前記セパレーターと前記シール部材とが積層されるときの位置を決めるピンを含み、前記ピンに位置決めされた前記積層体を支持しつつ昇降する昇降部と、前記昇降部が上昇した際に、前記被接触部を押圧することによって前記把持部を開かせることができる第１の接触部と、を有し、前記熱圧着部は、前記積層体が載置される下型部と、前記下型部と向かい合う位置に配され、前記積層体を熱圧着する際に、前記下型部に載置された前記積層体を前記下型部とともに挟むことによって前記積層体における前記セパレーターと前記シール部材とを熱圧着する上型部と、前記上型部が前記下型部とともに前記積層体を挟んでいる際に、前記被接触部を押圧することによって前記把持部を開かせることができる第２の接触部と、を有する。この形態によれば、セパレーターとシール部材とが積層される際の位置決めと積層体を把持するチャック（把持部に相当する）の開閉とを並行して行うことができるとともに、積層体におけるシール部材の溶着と積層体を把持するチャックの開閉とを並行して行うことができる。よって、シール部材がセパレーターに溶着される工程においてチャックによる搬送を採用した燃料電池セルの製造装置において、ベルトコンベアによる搬送と比べて、シール部材がセパレーターに溶着される工程に要する時間が長くなることを防止できる。

本発明の形態は、燃料電池セルの製造装置に限るものではなく、例えば、燃料電池セルの製造方法などの種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の実施形態における燃料電池セルの製造装置が製造する燃料電池セルを示した説明図である。 本発明の実施形態における位置決め部および搬送部を示す説明図である。 把持部が積層体を把持している状態を示す説明図である。 本発明の実施形態における熱圧着部を示す説明図である。 把持部が積層体に対する把持を開いている状態を示す説明図である。 参考例における燃料電池セルの製造装置を示す説明図である。 把持部が積層体に対する把持を開いている状態を示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の実施形態における燃料電池セルの製造装置１０が製造する燃料電池セル１００を示した説明図である。図１には、相互に直交するＸＹＺ軸が図示されている。図１のＸＹＺ軸は、他の図のＸＹＺ軸に対応する。燃料電池セル１００は、反応ガスを用いた電気化学反応によって発電する。燃料電池セル１００が用いる反応ガスは、水素および酸素である。燃料電池セル１００は、膜電極ガス拡散層接合体１１０と、セパレーター１２０ａと、セパレーター１２０ｂと、シール部材１３０と、を備える。

膜電極ガス拡散層接合体１１０は、膜電極接合体１１２の両面にガス拡散層１１４およびガス拡散層１１６を設けられたユニットである。膜電極接合体１１２は、電解質膜を一対の電極層で挟んだ部材である。ガス拡散層１１４は、膜電極接合体１１２におけるアノード側（Ｚ軸方向の＋側）に設けられ、反応ガスである水素を膜電極接合体１１２へ拡散させる多孔質の層である。ガス拡散層１１６は、膜電極接合体１１２におけるカソード側（Ｚ軸方向の−側）に設けられ、反応ガスである酸素を膜電極接合体１１２へ拡散させる多孔質の層である。

セパレーター１２０ａは、ガス拡散層１１４の表面にＺ軸方向の＋側から積層される。セパレーター１２０ｂは、ガス拡散層１１６の表面にＺ軸方向の−側から積層される。尚、本実施形態の説明では、セパレーター１２０ａおよびセパレーター１２０ｂの各々を総称する場合には符号「１２０」を使用する。セパレーター１２０は、発電された電気を集電するのに十分な導電性を有するとともに、反応ガスおよび冷却水を流す上で十分な耐久性，耐熱性，ガス不透過性を有する材料から主に構成される。

シール部材１３０は、セパレーター１２０の間において膜電極ガス拡散層接合体１１０の外周部に配されるとともにセパレーター１２０と溶着されている。本実施形態では、シール部材１３０は、エチレン−プロピレンゴム（ＥＰＭ）で構成される。他の実施形態では、シール部材１３０は、熱圧着することで硬化する他のゴム材料であってもよい。

燃料電池セル１００は、以下の工程で作成される。すなわち、膜電極ガス拡散層接合体１１０とシール部材１３０とが接着されて一体化される。次に、一体化された膜電極ガス拡散層接合体１１０とシール部材１３０とが、セパレーター１２０で挟持される。その後、セパレーター１２０の外側から内側に向けて熱圧着されることによって、燃料電池セル１００は作成される。

本実施形態では、膜電極ガス拡散層接合体１１０とシール部材１３０とが接着されて一体化されたものを、一体化部材１０３と呼ぶ。本実施形態では、一体化部材１０３がセパレーター１２０で挟持されて熱圧着される前のものを積層体１０５と呼ぶ。

図２は、本発明の実施形態における燃料電池セルの製造装置１０における位置決め部２０および搬送部３０を主に示す説明図である。燃料電池セルの製造装置１０は、セパレーター１２０とシール部材１３０とを溶着する装置である。燃料電池セルの製造装置１０は、位置決め部２０と、搬送部３０と、熱圧着部４０とを備える。尚、熱圧着部４０は、図２および図３には図示されていない。熱圧着部４０については、図４にて説明する。

位置決め部２０は、一体化部材１０３とセパレーター１２０とが積層される位置を決めることによって一体化部材１０３とセパレーター１２０とが積層された積層体１０５を準備する。位置決め部２０は、昇降部２２と、第１の接触部２６とを備える。

昇降部２２は、ピン２４を有する。ピン２４は、一体化部材１０３およびセパレーター１２０にそれぞれ形成されている位置決め孔に挿通されることによって、一体化部材１０３とセパレーター１２０とが積層されるときの位置を決める。本実施形態では、昇降部２２は、ピン２４を２本有する。他の実施形態では、昇降部２２は、ピン２４を１本有してもよいし、３本以上有してもよい。昇降部２２は、ピン２４に位置決めされた積層体１０５を支持しつつＺ軸方向に沿って昇降する。

第１の接触部２６は、昇降部２２が上昇した際に、搬送部３０における棒状部３４をＺ軸方向の−側から押圧することによって搬送部３０における把持部３２を開かせることができる。第１の接触部２６は、昇降部２２におけるＸ軸方向の両端部から外側方向に向けて突出して設けられている。

搬送部３０は、積層体１０５を搬送する。本実施形態における搬送部３０は、搬送部３０からＹ軸方向の＋側にある熱圧着部４０に積層体１０５を搬送する。搬送部３０は、把持部３２を有する。

把持部３２は、積層体１０５を把持できる。把持部３２は、上爪部３２ａと、下爪部３２ｂと、棒状部３４と、を有する。把持部３２は、バネが上爪部３２ａと下爪部３２ｂとを閉じさせる向きに付勢する付勢力によって、積層体１０５を把持できる。棒状部３４は、上爪部３２ａおよび下爪部３２ｂにそれぞれ形成された貫通孔を挿通している。棒状部３４は、Ｚ軸方向の−側から押圧された際には、下爪部３２ｂに対して上爪部３２ａをＺ軸方向の＋側に押し上げる。

図２における棒状部３４は、昇降部２２が上昇した際に第１の接触部２６から押圧されて上爪部３２ａをＺ軸方向の＋側に押し上げている状態である。すなわち、図２における把持部３２は、開いている状態である。本実施形態では、搬送部３０は、昇降部２２から見てＸ軸方向における外側に、把持部３２を２つ有する。他の実施形態では、搬送部３０は、把持部３２を１つ有してもよいし、３つ以上有してもよい。

本実施形態では、昇降部２２が上昇した際に把持部３２が開いている状態になってから、一体化部材１０３とセパレーター１２０とがＺ軸方向の＋側から昇降部２２上で積層される。

図３は、把持部３２が積層体１０５を把持している状態を示す説明図である。図２における把持部３２が開いている状態のときに昇降部２２上で準備された積層体１０５は、昇降部２２が下降するとともに把持部３２に対する第１の接触部２６からの押圧がなくなることで閉じる把持部３２によって、把持される。

図４は、本発明の実施形態における燃料電池セルの製造装置１０における熱圧着部４０を主に示す説明図である。熱圧着部４０は、搬送部３０によって搬送された積層体１０５のうちのセパレーター１２０とシール部材１３０とを熱圧着する。熱圧着部４０は、下型部４２と、第２の接触部４６と、上型部４８とを備える。

下型部４２は、搬送部３０によって搬送された積層体１０５のうちのセパレーター１２０とシール部材１３０とが熱圧着される際に、積層体１０５が載置される構成である。本実施形態では、下型部４２は、ピン４４を有する。ピン４４は、積層体１０５におけるセパレーター１２０とシール部材１３０とが熱圧着される際に、一体化部材１０３およびセパレーター１２０にそれぞれ形成されている位置決め孔に挿通されることによって、セパレーター１２０とシール部材１３０との間におけるズレが生じるのを防止する。

上型部４８は、下型部４２から見てＺ軸方向の＋側に配されている。上型部４８は、Ｚ軸方向の−側に下降することによって、積層体１０５を下型部４２とともに挟む。上型部４８は、積層体１０５を熱圧着する際に、下型部４２に載置された積層体１０５を下型部４２とともに挟むことによって積層体１０５のうちのセパレーター１２０とシール部材１３０とを熱圧着する。

上型部４８は、押圧部４９を有する。押圧部４９は、下型部４２と上型部４８とが積層体１０５を挟む際に把持部３２をＺ軸方向の＋側から押圧することによって、把持部３２をＺ軸方向の−側へ押し下げる。

第２の接触部４６は、下型部４２と上型部４８とが積層体１０５を挟んでいる際に、棒状部３４をＺ軸方向の−側から押圧することによって把持部３２を開かせることができる。第２の接触部４６は、下型部４２におけるＸ軸方向の両端部から外側方向に向けて突出して設けられている。

図５は、第２の接触部４６からの押圧によって把持部３２が積層体１０５に対する把持を開いている状態を示す説明図である。下型部４２と上型部４８とが積層体１０５を挟む際、図４の状態から上型部４８が下降することで押圧部４９が把持部３２をＺ軸方向の＋側から押圧することによって、把持部３２をＺ軸方向の−側へ押し下げる。押し下げられた把持部３２における棒状部３４は、第２の接触部４６から押圧されることによって積層体１０５に対する把持を開く。

下型部４２と上型部４８とが積層体１０５を挟む際、把持部３２による積層体１０５に対する把持が開いていないと、下型部４２および上型部４８による積層体１０５の挟みと把持部３２による積層体１０５の把持との間において積層体１０５への歪みが生じる場合がある。しかし、上述したように、下型部４２と上型部４８とが積層体１０５を挟む際、把持部３２による積層体１０５に対する把持が開くことによって、そのような歪みが生じることを防止できる。

以上説明した実施形態によれば、セパレーター１２０とシール部材１３０とが積層される際の位置決めと積層体１０５を把持する把持部３２の開閉とを並行して行うことができるとともに、積層体１０５におけるシール部材１３０の溶着と積層体１０５を把持する把持部３２の開閉とを並行して行うことができる。よって、シール部材１３０がセパレーター１２０に溶着される工程において把持部３２による搬送を採用した燃料電池セルの製造装置１０において、ベルトコンベアによる搬送と比べて、シール部材１３０がセパレーター１２０に溶着される工程に要する時間が長くなることを防止できる。

Ｂ．参考例：
図６は、参考例における燃料電池セルの製造装置１０ａを示す説明図である。燃料電池セルの製造装置１０ａは、第１の接触部２６と、第２の接触部４６と、棒状部３４とを備えていない点を除いて、燃料電池セルの製造装置１０と同様の構成を備える。

図６は、一体化部材１０３とセパレーター１２０とが昇降部２２上で積層されるときの状態を示している。燃料電池セルの製造装置１０ａでは、昇降部２２が上昇する動きを制御部（図示しない）が確認しながら、アクチュエータ（図示しない）によって把持部３２は開いている状態となる。その状態において、一体化部材１０３とセパレーター１２０とが昇降部２２上で積層される。

図７は、積層体１０５が熱圧着される際に、把持部３２が積層体１０５に対する把持を開いている状態を示す説明図である。下型部４２と上型部４８とが積層体１０５を挟む際、上型部４８の下降を制御部が確認しながら、アクチュエータ（図示しない）によって把持部３２は開いている状態となる。

燃料電池セルの製造装置１０ａでは、把持部３２の開閉動作にアクチュエータを用いていることによって、燃料電池セルの製造装置１０と比べて、装置自体が大型化する場合がある。また、昇降部２２が上昇する動きおよび上型部４８の下降を制御部が確認しながら把持部３２は開かれるため、シール部材１３０がセパレーター１２０に溶着される工程に要する時間が長くなる傾向にある。

これに対して、第１実施形態は、把持部３２の開閉動作にアクチュエータを用いていないため、装置自体の大型化を防止できる。また、昇降部２２が上昇する動きおよび上型部４８の下降と、把持部３２の開閉を並行して行うため、シール部材１３０がセパレーター１２０に溶着される工程に要する時間が長くなることを防止できる。

Ｃ．変形例：
第１実施形態では、燃料電池セル１００は、セパレーター１２０とシール部材１３０とが熱圧着されて作成されていたが、本発明はこれに限られない。例えば、燃料電池セル１００は、セパレーター１２０およびシール部材１３０に予熱を加えてからプレスされることによって作成されてもよい。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…製造装置
１０ａ…製造装置
２０…位置決め部
２２…昇降部
２４…ピン
２６…第１の接触部
３０…搬送部
３２…把持部
３２ａ…上爪部
３２ｂ…下爪部
３４…棒状部
４０…熱圧着部
４２…下型部
４４…ピン
４６…第２の接触部
４８…上型部
４９…押圧部
１００…燃料電池セル
１０３…一体化部材
１０５…積層体
１１０…膜電極ガス拡散層接合体
１１２…膜電極接合体
１１４…ガス拡散層
１１６…ガス拡散層
１２０…セパレーター
１２０ａ…セパレーター
１２０ｂ…セパレーター
１３０…シール部材

Claims (1)

1. 膜電極接合体および前記膜電極接合体の両面に設けられたガス拡散層を有する膜電極ガス拡散層接合体を挟持するセパレーターと、前記セパレーターの間において前記膜電極ガス拡散層接合体の外周部に配されるとともに前記セパレーターと溶着できるシール部材と、を溶着する燃料電池セルの製造装置であって、
   前記セパレーターと前記シール部材とが積層される位置を決めることによって前記セパレーターと前記シール部材とが積層された積層体を準備する位置決め部と、
   前記積層体を把持できるとともに、重力方向下側から押圧された際に前記把持を開かせる被接触部を有する把持部を含み、前記積層体を前記把持部に把持させた状態において、前記積層体を搬送する搬送部と、
   前記搬送部によって搬送された前記積層体における前記セパレーターと前記シール部材とを熱圧着する熱圧着部と、を備え、
   前記位置決め部は、
   前記セパレーターと前記シール部材とが積層されるときの位置を決めるピンを含み、前記ピンに位置決めされた前記積層体を支持しつつ昇降する昇降部と、
   前記昇降部が上昇した際に、前記被接触部を押圧することによって前記把持部を開かせることができる第１の接触部と、を有し、
   前記熱圧着部は、
   前記積層体が載置される下型部と、
   前記下型部と向かい合う位置に配され、前記積層体を熱圧着する際に、前記下型部に載置された前記積層体を前記下型部とともに挟むことによって前記積層体における前記セパレーターと前記シール部材とを熱圧着する上型部と、
   前記上型部が前記下型部とともに前記積層体を挟んでいる際に、前記被接触部を押圧することによって前記把持部を開かせることができる第２の接触部と、を有する、燃料電池セルの製造装置。

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