JP2018190535A - Manufacturing method and device of polymer electrolyte with resin frame/electrode structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質膜・電極構造体の外周部に樹脂枠部材が設けられてなる樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法及び装置に関する。 The present invention relates to a method and an apparatus for manufacturing an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame in which a resin frame member is provided on the outer periphery of an electrolyte membrane / electrode structure.
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体(MEA)を備える。 In general, a polymer electrolyte fuel cell employs a polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. The fuel cell includes an electrolyte membrane / electrode structure (MEA) in which an anode electrode is disposed on one surface of a solid polymer electrolyte membrane and a cathode electrode is disposed on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane.
電解質膜・電極構造体は、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持されることにより、発電セル(単位燃料電池)が構成されている。発電セルは、所定の数だけ積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。 The electrolyte membrane / electrode structure is sandwiched between separators (bipolar plates) to form a power generation cell (unit fuel cell). The power generation cells are used as, for example, an in-vehicle fuel cell stack by stacking a predetermined number of power generation cells.
近年、比較的高価な固体高分子電解質膜の使用量を削減するとともに、薄膜状で強度が低い固体高分子電解質膜を保護するために、外周に樹脂枠部材を組み込んだ樹脂枠付きMEAが採用されている(例えば、特許文献1を参照)。 In recent years, in order to reduce the amount of relatively expensive solid polymer electrolyte membranes used and to protect thin polymer electrolyte membranes with low strength, MEA with a resin frame incorporating a resin frame member on the outer periphery has been adopted. (For example, refer to Patent Document 1).
ところで、樹脂枠付きMEAの製造工程では、電解質膜・電極構造体と樹脂枠部材とはホットプレスにより一体化される。 By the way, in the manufacturing process of the MEA with a resin frame, the electrolyte membrane / electrode structure and the resin frame member are integrated by hot pressing.
本発明は上述した従来技術に関連してなされたものであり、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を効率良く製造することが可能な樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法及び装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in connection with the above-described prior art, and provides a method and apparatus for producing an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame capable of efficiently producing an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame. The purpose is to provide.
上記の目的を達成するため、本発明の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法は、第1電極と該第1電極が一方面に設けられた電解質膜とを有するシート状部材を、内周部に前記シート状部材が接合された樹脂枠部材により支持して、圧着装置へと直線的に搬送する第1搬送工程と、回転テーブルにより第2電極を前記圧着装置へと搬送する第2搬送工程と、前記圧着装置により前記第1電極及び前記第2電極を上下から加熱及び押圧して、前記第1電極と前記第2電極とを一体化する圧着工程と、を含む。 In order to achieve the above object, the method for producing an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame of the present invention comprises a sheet-like member having a first electrode and an electrolyte membrane having the first electrode provided on one surface thereof. A first conveying step in which the sheet-like member is supported on the inner peripheral portion and supported linearly to the crimping device, and a second electrode is conveyed to the crimping device by a rotary table. 2 conveyance process and the crimping | compression-bonding process which heats and presses said 1st electrode and said 2nd electrode from the upper and lower sides with the said crimping | compression-bonding apparatus, and integrates the said 1st electrode and the said 2nd electrode.
前記第1搬送工程では、複数個分の樹脂枠部材を構成する帯状の枠部材素材シートにより複数の前記シート状部材を搬送することが好ましい。 In the first conveying step, it is preferable to convey a plurality of the sheet-like members by a belt-like frame member material sheet constituting a plurality of resin frame members.
前記回転テーブルは、前記第2電極を載置可能なワーク載置部を回転軸周りに3つ以上有することが好ましい。 It is preferable that the rotary table has three or more work placement portions around the rotation axis on which the second electrode can be placed.
前記回転テーブルは、ワーク載置部と、前記ワーク載置部の下部に隣接した孔部とを有し、鉛直な回転軸を中心に回転するように構成され、前記ワーク載置部には、前記第2電極を載置可能な支持パッドが配置され、前記圧着工程では、前記孔部を介して、前記圧着装置の上金型と下金型とにより前記第1電極及び前記第2電極を上下から挟み込むことが好ましい。 The rotary table has a workpiece placement portion and a hole adjacent to a lower portion of the workpiece placement portion, and is configured to rotate around a vertical rotation axis. A support pad on which the second electrode can be placed is disposed, and in the crimping step, the first electrode and the second electrode are moved by the upper mold and the lower mold of the crimping apparatus through the hole. It is preferable to sandwich from above and below.
また、本発明の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造装置は、第1電極と該第1電極が一方面に設けられた電解質膜とを有するシート状部材を、内周部に前記シート状部材が接合された樹脂枠部材により支持して、圧着装置へと直線的に搬送する第1搬送装置と、回転テーブルを有し、前記回転テーブルにより第2電極を前記圧着装置へと搬送する第2搬送装置と、前記第1搬送装置により搬送された前記第1電極と、前記第2搬送装置により搬送された前記第2電極とを、上下から加熱及び押圧して、前記第1電極と前記第2電極とを一体化する前記圧着装置と、を備える。 The apparatus for producing an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame according to the present invention includes a sheet-like member having a first electrode and an electrolyte membrane provided with the first electrode on one surface, and the sheet on the inner periphery. A first carrier device that is supported by a resin frame member to which a cylindrical member is bonded and linearly conveys to a crimping device; and a rotary table, and the second electrode is conveyed to the crimping device by the rotary table. Heating and pressing the second transport device, the first electrode transported by the first transport device, and the second electrode transported by the second transport device from above and below, The crimping device for integrating the second electrode.
前記回転テーブルは、前記第2電極を載置可能なワーク載置部を回転軸周りに3つ以上有することが好ましい。 It is preferable that the rotary table has three or more work placement portions around the rotation axis on which the second electrode can be placed.
前記回転テーブルは、ワーク載置部と、前記ワーク載置部の下部に隣接した孔部とを有し、鉛直な回転軸を中心に回転するように構成され、前記ワーク載置部には、前記第2電極を載置可能な支持パッドが配置され、前記圧着装置は、前記孔部を介して前記第1電極及び前記第2電極を上下から挟み込んで加熱及び押圧する上金型及び下金型を有することが好ましい。 The rotary table has a workpiece placement portion and a hole adjacent to a lower portion of the workpiece placement portion, and is configured to rotate around a vertical rotation axis. A support pad on which the second electrode can be placed is disposed, and the crimping device includes an upper die and a lower die that sandwich and heat and press the first electrode and the second electrode through the hole. It is preferable to have a mold.
本発明の樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法及び装置によれば、樹脂枠部材を利用して第1電極及び電解質膜を直線的に搬送する一方、第2電極を回転テーブルにより搬送し、圧着装置にて第1電極と第2電極とを圧着して一体化する。このため、電解質膜の両側に第1電極及び第2電極が配置されてなる電解質膜・電極構造体と、当該電解質膜・電極構造体の外周部に接合された樹脂枠部材とを備えた樹脂枠付き電解質膜・電極構造体を、効率良く製造することが可能となる。 According to the manufacturing method and apparatus for an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame of the present invention, the first electrode and the electrolyte membrane are linearly conveyed using a resin frame member, while the second electrode is conveyed by a rotary table. Then, the first electrode and the second electrode are crimped and integrated with a crimping device. Therefore, a resin comprising an electrolyte membrane / electrode structure in which the first electrode and the second electrode are arranged on both sides of the electrolyte membrane, and a resin frame member joined to the outer periphery of the electrolyte membrane / electrode structure. The framed electrolyte membrane / electrode structure can be efficiently manufactured.
以下、本発明に係る樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法及び装置について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the method and apparatus for producing an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1及び図2に示すように、発電セル(燃料電池)12は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体10(以下、「樹脂枠付きMEA10」という)と、樹脂枠付きMEA10の両側に配置された第1セパレータ14及び第2セパレータ16とを備える。発電セル12は、例えば、横長(又は縦長)の長方形状の固体高分子型燃料電池である。複数の発電セル12は、例えば、矢印A方向(水平方向)又は矢印C方向(重力方向)に積層されて燃料電池スタック11が構成される。燃料電池スタック11は、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車(図示せず)に搭載される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the power generation cell (fuel cell) 12 is disposed on both sides of an electrolyte membrane /
発電セル12では、樹脂枠付きMEA10が第1セパレータ14及び第2セパレータ16により挟持される。第1セパレータ14及び第2セパレータ16は、横長(又は縦長)の長方形状を有する。第1セパレータ14及び第2セパレータ16は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板や、カーボン部材等で構成される。
In the
樹脂枠付きMEA10は、電解質膜・電極構造体10a(以下、「MEA10a」という)と、MEA10aの外周部に接合されるとともに該外周部を周回する樹脂枠部材24とを備える。MEA10aは、電解質膜18と、電解質膜18の一方の面18aに設けられたアノード電極20と、電解質膜18の他方の面18bに設けられたカソード電極22とを有する。アノード電極20は、第1電極及び第2電極の一方を構成する。カソード電極22は、第1電極及び第2電極の他方を構成する。
The
電解質膜18は、例えば、固体高分子電解質膜(陽イオン交換膜)である。固体高分子電解質膜は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である。電解質膜18は、アノード電極20及びカソード電極22に挟持される。電解質膜18は、フッ素系電解質の他、HC(炭化水素)系電解質を使用することができる。
The
アノード電極20は、電解質膜18及びカソード電極22よりも大きな平面寸法(外形寸法)を有する。なお、上記の構成に代えて、アノード電極20は、電解質膜18及びカソード電極22よりも小さな平面寸法を有するように構成してもよい。
The
アノード電極20は、電解質膜18の一方の面18aに接合される第1電極触媒層20aと、第1電極触媒層20aに積層される第1ガス拡散層20bとを有する。第1電極触媒層20a及び第1ガス拡散層20bは、互いに同一の平面寸法を有するとともに、電解質膜18及びカソード電極22よりも大きな平面寸法に設定される。
The
カソード電極22は、電解質膜18の面18bに接合される第2電極触媒層22aと、第2電極触媒層22aに積層される第2ガス拡散層22bとを有する。第2電極触媒層22a及び第2ガス拡散層22bは、互いに同一の平面寸法を有するとともに、電解質膜18と同一の平面寸法に設定される。従って、電解質膜18の面方向(図2で矢印C方向)において、カソード電極22の外周端22eは、電解質膜18の外周端18eと同じ位置にある。
The
カソード電極22は、アノード電極20よりも小さい平面寸法に設定される。カソード電極22の外周端22e及び電解質膜18の外周端18eは、アノード電極20の外周端20eよりも内方に位置する。
The
なお、カソード電極22は、アノード電極20よりも大きな平面寸法に設定され、カソード電極22の外周端22eは、アノード電極20の外周端20eよりも外方に位置してもよい。あるいは、アノード電極20とカソード電極22は、同一の平面寸法に設定され、アノード電極20の外周端20eと、カソード電極22の外周端22eは、電解質膜18の面方向(図2で矢印C方向)において、同一位置にあってもよい。
The
第1電極触媒層20aは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、イオン導電性高分子バインダとともに第1ガス拡散層20bの表面に一様に塗布されて形成される。第2電極触媒層22aは、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、イオン導電性高分子バインダとともに第2ガス拡散層22bの表面に一様に塗布されて形成される。
The first
第1ガス拡散層20b及び第2ガス拡散層22bは、カーボンペーパ又はカーボンクロス等から形成される。第2ガス拡散層22bの平面寸法は、第1ガス拡散層20bの平面寸法よりも小さく設定される。第1電極触媒層20a及び第2電極触媒層22aは、電解質膜18の両面に形成される。
The first
樹脂枠部材24は、厚さの異なる2枚の枠状シートを有する。具体的には、樹脂枠部材24は、内周部24anがMEA10aの外周部に接合された第1枠状シート24aと、第1枠状シート24aに接合された第2枠状シート24bとを有する。第1枠状シート24aと第2枠状シート24bとは、接着剤24dからなる接着層24cにより、厚さ方向に互いに接合されている。第2枠状シート24bは、第1枠状シート24aの外周部に接合される。これにより、樹脂枠部材24の外周部は、樹脂枠部材24の内周部25よりも厚く構成される。なお、第1枠状シート24aと第2枠状シート24bとは、同じ厚さを有していてもよい。
The
第1枠状シート24a及び第2枠状シート24bは樹脂材料により構成される。第1枠状シート24a及び第2枠状シート24bの構成材料としては、例えば、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、PPA(ポリフタルアミド)、PEN(ポリエチレンナフタレート)、PES(ポリエーテルサルフォン)、LCP(リキッドクリスタルポリマー)、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、m−PPE(変性ポリフェニレンエーテル樹脂)、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PBT(ポリブチレンテレフタレート)又は変性ポリオレフィン等が挙げられる。
The first frame-
樹脂枠部材24の内周部25(第1枠状シート24aの内周部24an)は、アノード電極20の外周部20cとカソード電極22の外周部22cとの間に配置される。具体的に、樹脂枠部材24の内周部25は、電解質膜18の外周部18cとアノード電極20の外周部20cとの間に挟持される。樹脂枠部材24の内周部25と電解質膜18の外周部18cとは、接着層24cを介して接合される。なお、樹脂枠部材24の内周部25は、電解質膜18とカソード電極22との間に挟持されてもよい。
The inner
上述したアノード電極20には、第1枠状シート24aの内周端24aeに対応する位置に段差が設けられる。具体的に、アノード電極20は、第1枠状シート24aの内周部24anに重なる領域21aと電解質膜18に重なる領域21bとの間に、電解質膜18に対して傾斜した傾斜領域21cを有する。従って、傾斜領域21cでは、第1電極触媒層20a及び第1ガス拡散層20bは、電解質膜18に対して傾斜する。
The
アノード電極20において、第1枠状シート24aの内周部24anに重なる領域21aの第1セパレータ14側の面は、電解質膜18に重なる領域21bの第1セパレータ14側の面よりも、電解質膜18から離間した位置にある。
In the
一方、カソード電極22は、電解質膜18に重なる領域23bから第1枠状シート24aの内周部24anに重なる領域23aに亘って、平坦状に形成される。従って、電解質膜18に重なる領域23bから第1枠状シート24aの内周部24anに重なる領域23aに亘って、第2電極触媒層22a及び第2ガス拡散層22bは、電解質膜18と平行である。
On the other hand, the
なお、上記構成と異なり、アノード電極20が、電解質膜18に重なる領域21bから第1枠状シート24aの内周部24anに重なる領域21aに亘って平坦状に形成され、カソード電極22が、電解質膜18に重なる領域23bと第1枠状シート24aの内周部24anに重なる領域23aとの間に、電解質膜18に対して傾斜する傾斜領域を有してもよい。
Unlike the above configuration, the
第2枠状シート24bは、第1枠状シート24aの外周部に接着剤24dにより接合される。第2枠状シート24bの内周端24beは、第1枠状シート24aの内周端24aeよりも外方(MEA10aから離れる方向)に位置するとともに、アノード電極20の外周端20e及びカソード電極22の外周端22eよりも外方に位置する。
The second frame-
接着層24cは、第1枠状シート24aの第2枠状シート24b側(カソード側)の面24asに、全面に亘って設けられる。従って、接着層24cは、内周部25にも設けられる。接着層24cを構成する接着剤24dとしては、例えば、液状シールやホットメルト剤が設けられる。なお、接着剤24dは、液体や固体、熱可塑性や熱硬化性等に制限されない。
The
なお、樹脂枠部材24は、第1枠状シート24aと第2枠状シート24bとが接着層24cを介して接合された構成に限らず、全体が一体成形された部材であってもよい。また、樹脂枠部材24は、相対的に薄肉の内周部と相対的に厚肉の外周部とを有する段付き形状に限らず、内周部から外周部に亘って段差のない(略平坦状の)形状であってもよい。
The
図1に示すように、発電セル12の矢印B方向(水平方向)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、酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体入口連通孔32a及び燃料ガス出口連通孔34bが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔30aは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、冷却媒体入口連通孔32aは、冷却媒体を供給する。燃料ガス出口連通孔34bは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔30a、冷却媒体入口連通孔32a及び燃料ガス出口連通孔34bは、矢印C方向(鉛直方向)に配列して設けられる。
As shown in FIG. 1, one end edge of the
発電セル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燃料ガス入口連通孔34a、冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔32b、及び酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔30bが設けられる。燃料ガス入口連通孔34a、冷却媒体出口連通孔32b及び酸化剤ガス出口連通孔30bは、矢印C方向に配列して設けられる。
The other end edge of the
第2セパレータ16の樹脂枠付きMEA10に向かう面16aには、酸化剤ガス入口連通孔30aと酸化剤ガス出口連通孔30bとに連通する酸化剤ガス流路36が設けられる。具体的に、酸化剤ガス流路36は、第2セパレータ16と樹脂枠付きMEA10との間に形成される。酸化剤ガス流路36は、矢印B方向に延在する複数本の直線状流路溝(又は波状流路溝)を有する。
An oxidant
第1セパレータ14の樹脂枠付きMEA10に向かう面14aには、燃料ガス入口連通孔34aと燃料ガス出口連通孔34bとに連通する燃料ガス流路38が設けられる。具体的に、燃料ガス流路38は、第1セパレータ14と樹脂枠付きMEA10との間に形成される。燃料ガス流路38は、矢印B方向に延在する複数本の直線状流路溝(又は波状流路溝)を有する。
A
互いに隣接する第1セパレータ14の面14bと第2セパレータ16の面16bとの間には、冷却媒体入口連通孔32aと冷却媒体出口連通孔32bとに連通する冷却媒体流路40が、矢印B方向に延在して形成される。
Between the
図2に示すように、第1セパレータ14の面14a(樹脂枠付きMEA10と対向する面)には、燃料ガス流路38を形成する凸部39が複数設けられる。凸部39は、アノード電極20側に向かって膨出するとともにアノード電極20に当接する。第2セパレータ16の面16a(樹脂枠付きMEA10と対向する面)には、酸化剤ガス流路36を形成する凸部37が複数設けられる。凸部37は、カソード電極22側に向かって膨出するとともにカソード電極22に当接する。凸部37、39間に、MEA10aが挟持される。
As shown in FIG. 2, the
第1セパレータ14の面14aには、この第1セパレータ14の外周部を周回する第1シールライン42(メタルビードシール)が設けられる。第1シールライン42は、樹脂枠部材24に向かって膨出するとともに、第1枠状シート24a(第2枠状シート24bと重なる領域)に気密及び液密に当接する。第1シールライン42は、外側ビード部42aと、外側ビード部42aよりも内側に設けられた内側ビード部42bとを有する。
The
内側ビード部42bは、燃料ガス流路38、燃料ガス入口連通孔34a及び燃料ガス出口連通孔34bを周回し且つこれらを連通させる。各ビード部42a、42bの断面形状は、先端側(樹脂枠部材24側)に向かって先細り形状である。各ビード部42a、42bの先端は、平坦形状(湾曲形状でもよい)を有する。
The
第1シールライン42よりも内方(MEA10a側)で、第1セパレータ14と樹脂枠部材24との間に形成された流路38aは、燃料ガス流路38と連通する。従って、当該流路38aには、燃料ガスが供給される。
A
第2セパレータ16の面16aには、この第2セパレータ16の外周部を周回する第2シールライン44(メタルビードシール)が設けられる。第2シールライン44は、樹脂枠部材24に向かって膨出するとともに、第2枠状シート24bに気密及び液密に当接する。第1シールライン42と第2シールライン44は樹脂枠部材24を介して対向する。樹脂枠部材24は、第1シールライン42と第2シールライン44との間に挟持される。第2シールライン44は、外側ビード部44aと、外側ビード部44aよりも内側に設けられた内側ビード部44bとを有する。
The
内側ビード部44bは、酸化剤ガス流路36、酸化剤ガス入口連通孔30a及び酸化剤ガス出口連通孔30bを周回し且つこれらを連通させる。各ビード部44a、44bの断面形状は、先端側(樹脂枠部材24側)に向かって先細り形状である。各ビード部44a、44bの先端は、平坦形状(湾曲形状でもよい)を有する。
The
第2シールライン44よりも内方(MEA10a側)で、第2セパレータ16と樹脂枠部材24との間に形成された流路36aは、酸化剤ガス流路36と連通する。従って、当該流路36aには、酸化剤ガスが供給される。
A
このように構成される発電セル12を含む燃料電池スタック11の動作について、以下に説明する。
The operation of the
図1に示すように、酸化剤ガス入口連通孔30aには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔34aには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔32aには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
As shown in FIG. 1, an oxidant gas such as an oxygen-containing gas is supplied to the oxidant gas
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔30aから第2セパレータ16の酸化剤ガス流路36に導入され、矢印B方向に移動してMEA10aのカソード電極22に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔34aから第1セパレータ14の燃料ガス流路38に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路38に沿って矢印B方向に移動し、MEA10aのアノード電極20に供給される。
Therefore, the oxidant gas is introduced from the oxidant gas
従って、MEA10aでは、カソード電極22に供給される酸化剤ガスと、アノード電極20に供給される燃料ガスとが、第2電極触媒層22a及び第1電極触媒層20a内で電気化学反応により消費されて、発電が行われる。
Therefore, in the
次いで、図1において、カソード電極22に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔30bに沿って矢印A方向に排出される。同様に、アノード電極20に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔34bに沿って矢印A方向に排出される。
Next, in FIG. 1, the oxidant gas consumed by being supplied to the
また、冷却媒体入口連通孔32aに供給された冷却媒体は、第1セパレータ14と第2セパレータ16との間の冷却媒体流路40に導入された後、矢印B方向に流通する。この冷却媒体は、MEA10aを冷却した後、冷却媒体出口連通孔32bから排出される。
The cooling medium supplied to the cooling medium
次いで、本実施形態に係る樹脂枠付きMEA10の製造方法について、以下に説明する。
Subsequently, the manufacturing method of
樹脂枠付きMEA10の製造方法は、樹脂枠付きMEA10の一方の電極である第1電極(本実施形態では、カソード電極22)及び電解質膜18を有する第1シート状部材56と樹脂枠部材24とを第1接合装置54(図4)を用いて熱圧着により接合する第1接合工程と、第1シート状部材56を樹脂枠部材24により支持して第2接合装置60(以下「圧着装置60」という)(図5)へと搬送する第1搬送工程と、樹脂枠付きMEA10の他方の電極である第2電極(本実施形態では、アノード電極20)を圧着装置60へと搬送する第2搬送工程と、圧着装置60により、第1電極と第2電極とを熱圧着により接合する第2接合工程(以下、「圧着工程」という)とを含む。
The manufacturing method of the
第1接合工程では、例えば、図3A及び図3Bに示すように、複数個分の樹脂枠部材24を構成する枠部材素材シート50が用いられる。具体的に、枠部材素材シート50は、図3Bに示すように、複数の樹脂枠部材24が直列に配置された構成を有する帯状の部材である。樹脂枠部材24の内周端24aeを形成する複数の開口部24eが、枠部材素材シート50の長さ方向に間隔を置いて設けられている。
In the first joining step, for example, as shown in FIGS. 3A and 3B, a frame
枠部材素材シート50は、ロール体52(第1ロール体)から巻き出されて、第1接合工程を行う第1接合装置54(図4)に供給される。ロール体52では、枠部材素材シート50と図示しない層間フィルム(保護フィルム)とが重ねられた状態でロール状に巻かれている。ロール体52からの枠部材素材シート50の巻出しに伴い、層間フィルムも巻き出される。巻き出された層間フィルムは、図示しない巻取ロールによって巻き取られる。枠部材素材シート50は、接着層24c(図2)が設けられた面を上方に向けた状態で、図4の第1接合装置54に供給される。
The frame
図4に示すように、第1接合装置54には、カソード電極22と電解質膜18とを有する長方形状の第1シート状部材56が供給される。第1シート状部材56は、第1支持シート58と、第1支持シート58に支持されたカソード電極22と、一方面にカソード電極22が設けられた電解質膜18とを有する。第1支持シート58は、例えば、カーボンペーパにより構成される。
As shown in FIG. 4, the first joining
例えば、第1支持シート58、カソード電極22及び電解質膜18からなる帯状の多層シートがロール状に巻かれたロール体(以下、「第2ロール体」という)が用いられる。第2ロール体から、多層シートが巻き出される。そして、巻き出された多層シートをカッタ(例えば、ローラカッタ)により所定間隔で切断することで、所定寸法に切り出された長方形状の第1シート状部材56が得られる。
For example, a roll body (hereinafter referred to as “second roll body”) in which a strip-shaped multilayer sheet composed of the
第1シート状部材56は、電解質膜18を下方に向けた状態で第1接合装置54に供給され、樹脂枠部材24(枠部材素材シート50)上に載置される(第1シート状部材56配置工程)。この場合、第1シート状部材56は、電解質膜18が樹脂枠部材24の開口部24eに対向するとともに、電解質膜18の外周部18cが樹脂枠部材24の内周部25に全周に亘って重なり合うように、樹脂枠部材24上に配置される。
The first sheet-
第1接合工程では、第1シート状部材56と樹脂枠部材24とを、電解質膜18の外周部18cと、樹脂枠部材24の第1面24s1(接着層24cが設けられた面)における内周部25とを全周に亘って接合するように熱圧着する。具体的に、第1接合工程では、カソード電極22の外周部22cの形状に沿った枠形状の金型(上金型54a及び下金型54b)を備えた第1接合装置54を用い、電解質膜18の外周部18cと樹脂枠部材24の内周部25とが重なり合う箇所を上下から挟み込んで熱圧着(加熱及び加圧)する。
In the first joining step, the first sheet-
第1接合工程における第1シート状部材56と樹脂枠部材24との熱圧着では、第1接合工程後、圧着工程が開始する前までの間に、第1シート状部材56が樹脂枠部材24に対して動くことがない程度の接合力が得られればよい。すなわち、第1接合工程の熱圧着は、第1シート状部材56と樹脂枠部材24とを互いに比較的弱く接合する仮圧着(仮固定)である。第1接合工程の熱圧着温度は例えば、90〜110℃であり、押圧時間は数秒程度である。
In the thermocompression bonding of the first sheet-
図5に示す樹脂枠付きMEA10の製造装置74は、第1シート状部材56及び樹脂枠部材24を搬送する第1搬送装置76と、アノード電極20を搬送する第2搬送装置61と、カソード電極22とアノード電極20とを熱圧着により一体化する圧着装置60とを備える。
The
第1搬送装置76は、第1シート状部材56を樹脂枠部材24により支持して、圧着装置60へと直線的に搬送する第1搬送工程を行う。図5において、第1シート状部材56は、上述した第1接合工程により樹脂枠部材24(枠部材素材シート50)と一体化されたものであり、矢印X方向に搬送される。
The
第2搬送装置61は、ワーク保持用治具である回転テーブル62を有し、回転テーブル62によりアノード電極20を圧着装置60へと搬送する第2搬送工程を行う。回転テーブル62は、鉛直な回転軸aを中心に矢印R方向に回転するように構成されている。回転テーブル62の近傍には、アノード電極20を有する第2シート状部材72を回転テーブル62に移載する移載装置78が設置されている。
The
図6に示すように、第2シート状部材72では、第2支持シート70にアノード電極20が重ね合わされている。第2支持シート70は、例えば、カーボンペーパにより構成される。第2シート状部材72は、第2支持シート70及びアノード電極20からなる帯状の多層シートがロール状に巻かれたロール体(以下、「第3ロール体」という)から切り出される。具体的には、第3ロール体から上記多層シートが巻き出される。そして、巻き出された当該多層シートは、図示しないカッタ(例えば、ローラカッタ)により所定間隔で切断される。これにより、所定寸法に切り出された長方形状の第2シート状部材72が得られる。
As shown in FIG. 6, in the second sheet-
図5において、切り出された第2シート状部材72は、移載装置78により、移載位置P1で回転テーブル62に移載される。具体的には、第2シート状部材72は、アノード電極20が上方に向くように、回転テーブル62に配置されたクッションパッド68上に載置される。この場合、第2シート状部材72は、平面視で孔部66の範囲内に配置される。なお、第2シート状部材72は、クッションパッド68により支持されるため、孔部66へと落下することはない。そして、回転テーブル62の矢印R方向への回転に伴って、第2シート状部材72は、圧着装置60の内部に設定された圧着位置P2へと搬送される。
In FIG. 5, the cut-out second sheet-
図6に示すように、回転テーブル62には、支持面63a(段部)を有する長方形状のワーク保持溝63(ワーク載置部)と、ワーク保持溝63の下部に隣接した平面視で長方形状の孔部66とが形成されている。図5に示すように、ワーク保持溝63は、回転テーブル62の回転軸a周りに間隔を置いて3つ以上(図示例では、90°間隔で4つ)設けられている。
As shown in FIG. 6, the rotary table 62 has a rectangular work holding groove 63 (work placing part) having a
図6に示すように、各支持面63aには、孔部66を覆うように、外形寸法が孔部66よりも大きい長方形状のクッションパッド68(支持パッド)が載置されている。孔部66は、回転テーブル62の下面62bにて開口する。なお、クッションパッド68の上面には、第2シート状部材72を位置決めするための溝が設けられているとよい。
As shown in FIG. 6, a rectangular cushion pad 68 (support pad) having an outer dimension larger than that of the
第1接合工程により互いに接合された第1シート状部材56及び樹脂枠部材24(以下、「中間接合体59」という)は、圧着装置60内の圧着位置P2へと供給される。圧着装置60は、中間接合体59とアノード電極20とを上下から挟んで加熱及び押圧する上金型64a及び下金型64bを備える。
The first sheet-
上金型64a及び下金型64bは、上下方向に互いに離間し、ワーク保持溝63を介して対向配置されており、上下方向に移動可能に構成されている。下金型64bは、回転テーブル62の孔部66に挿入される。孔部66の開口寸法及び下金型64bの押圧面65bの外径寸法は、第1シート状部材56(カソード電極22及び電解質膜18)の外形寸法及び第2シート状部材72の外形寸法よりも大きい。上金型64aの押圧面65aの外形寸法は、樹脂枠部材24の開口部24eよりも大きく、且つ第1シート状部材56の外形寸法よりも若干だけ小さい。
The
圧着位置P2では、第2シート状部材72の上に、第1接合工程により得られた中間接合体59(第1シート状部材56及び樹脂枠部材24)が載置される。この場合、中間接合体59は、アノード電極20が樹脂枠部材24の開口部24eに対向するとともに、アノード電極20の外周部20cが樹脂枠部材24の第2面24s2における内周部25に全周に亘って重なり合うように、第2シート状部材72の上に配置される。これにより、第1シート状部材56の外周部(電解質膜18の外周部18c)と、第2シート状部材72の外周部(アノード電極20の外周部20c)とが、樹脂枠部材24の内周部25を介して重なり合う状態となる。
At the crimping position P2, the intermediate joined body 59 (the first sheet-
そして、圧着工程では、アノード電極20と樹脂枠部材24とを、アノード電極20の外周部20cと樹脂枠部材24の第2面24s2における内周部25とを全周に亘って接合するように熱圧着する。具体的に、圧着工程では、圧着装置60の上金型64a及び下金型64bにより、電解質膜18の外周部18cと、樹脂枠部材24の内周部25と、アノード電極20の外周部とが重なり合う箇所を上下から挟み込んで熱圧着(加熱及び押圧)する。また、この場合、圧着工程では、樹脂枠部材24の開口部24eを介してカソード電極22とアノード電極20とを熱圧着する。
In the crimping step, the
圧着工程により、電解質膜18の両側にカソード電極22及びアノード電極20が配置されてなるMEA10a(図2)が得られるとともに、当該MEA10aの外周部に樹脂枠部材24(枠部材素材シート50)が接合によって一体化された状態が得られる。
Through the crimping process, an
圧着工程での熱圧着は、MEA10aの外周部に樹脂枠部材24が一体化された状態を得るために、中間接合体59と第2シート状部材72とを強固に接合する本圧着である。従って、圧着工程の熱圧着による接合強度は、第1接合工程の熱圧着による接合強度よりも高い。圧着工程の熱圧着温度は、例えば、160〜180℃である。圧着工程での押圧時間は、上述した第1接合工程での押圧時間よりも長いことが好ましい。
The thermocompression bonding in the pressure bonding step is a main pressure bonding in which the intermediate bonded
圧着工程の後、MEA10aと一体化された枠部材素材シート50が所定寸法の長方形状に切り出されることで、図1に示した樹脂枠付きMEA10が得られる。
After the crimping step, the frame
この場合、本実施形態に係る樹脂枠付きMEA10の製造方法は、以下の効果を奏する。
In this case, the manufacturing method of
樹脂枠付きMEA10の製造方法は、カソード電極22と電解質膜18とを有する第1シート状部材56を樹脂枠部材24により支持して、圧着装置60である圧着装置60へと直線的に搬送する第1搬送工程と、回転テーブル62によりアノード電極20を圧着装置60へと搬送する第2搬送工程と、圧着装置60によりカソード電極22及びアノード電極20を上下から加熱及び押圧して、カソード電極22とアノード電極20とを一体化する圧着工程とを含む。
In the manufacturing method of the
従って、樹脂枠付きMEA10の製造方法によれば、樹脂枠部材24を利用してカソード電極22及び電解質膜18を直線的に搬送する一方、アノード電極20を回転テーブル62により搬送し、圧着装置60にてカソード電極22とアノード電極20とを圧着して一体化する。このため、電解質膜18の両側にカソード電極22及びアノード電極20が配置されてなるMEA10aと、当該MEA10aの外周部に接合された樹脂枠部材24とを備えた樹脂枠付きMEA10を、効率良く製造することが可能となる。
Therefore, according to the manufacturing method of the
第1搬送工程では、複数個分の樹脂枠部材24を構成する帯状の枠部材素材シート50により複数の第1シート状部材56を搬送する。これにより、帯状に延びる枠部材素材シート50を間欠的に移動させることにより、複数の第1シート状部材56を圧着装置60へと順次搬送することができるため、樹脂枠付きMEA10を一層効率良く製造することが可能となる。
In the first conveying step, a plurality of first sheet-
図5に示すように、回転テーブル62は、アノード電極20を載置可能なワーク保持溝63を回転軸周りに3つ以上有する。このため、回転テーブル62の回転方向に沿った移載位置P1から圧着位置P2までの間の途中位置(第1中間位置P3)、又は、回転テーブル62の回転方向に沿った圧着位置P2から移載位置P1までの間の途中位置(第2中間位置P4)にて、他の工程を実施することが可能である。第1中間位置P3又は第2中間位置P4で当該他の工程を実施することで、スペースの有効利用を図ることができる。
As shown in FIG. 5, the
この場合、第1中間位置P3では、他の工程として、例えば、圧着装置60へ向けて搬送される途中のアノード電極20のクリーニング(エアブロー等)が実施される。また、第2中間位置P4では、他の工程として、例えば、圧着装置60から出たワーク保持溝63又はクッションパッド68(あるいは両方)のクリーニング(エアブロー等)が実施される。
In this case, at the first intermediate position P3, as another process, for example, cleaning (air blow or the like) of the
本実施形態では、ワーク保持溝63は、回転テーブル62に90°間隔で4つ設けられている。このため、90°間隔で1製品分のアノード電極20を確実に搬送することができる。90°間隔での搬送となるため、短時間での搬送が可能となる。
In the present embodiment, four
なお、第1シート状部材56は、カソード電極22に代えてアノード電極20が設けられ、第2シート状部材72は、アノード電極20に代えてカソード電極22が設けられてもよい。この場合、第1接合工程では、一方面にアノード電極20が設けられた電解質膜18の外周部18cが、樹脂枠部材24の第1面24s1における内周部25に熱圧着により接合される。圧着工程では、カソード電極22の外周部22cが、樹脂枠部材24の第2面24s2における内周部25に熱圧着により接合される。
The first sheet-
本実施形態では、2枚のセパレータで1枚のMEAを挟持するセルを積層するとともに、各セル間に冷却媒体を流通させる各セル冷却構造が採用されている。なお、複数のセル毎に冷却媒体を流通させる、所謂、間引き冷却構造が採用されてもよい。その際、セルは、3枚以上のセパレータと2枚以上のMEAを備えている。 In this embodiment, each cell cooling structure is used in which cells that sandwich one MEA with two separators are stacked and a cooling medium is circulated between the cells. A so-called thinning cooling structure in which a cooling medium is circulated for each of a plurality of cells may be employed. At that time, the cell includes three or more separators and two or more MEAs.
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
10…樹脂枠付き電解質膜・電極構造体 10a…電解質膜・電極構造体
12…発電セル 20…アノード電極
22…カソード電極 24…樹脂枠部材
24c…接着層
DESCRIPTION OF
Claims (7)
回転テーブルにより第2電極を前記圧着装置へと搬送する第2搬送工程と、
前記圧着装置により前記第1電極及び前記第2電極を上下から加熱及び押圧して、前記第1電極と前記第2電極とを一体化する圧着工程と、を含む、
ことを特徴とする樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法。 A sheet-like member having a first electrode and an electrolyte membrane provided on one surface of the first electrode is supported by a resin frame member having the sheet-like member joined to an inner peripheral portion, and linearly connected to a crimping device. A first transport step for transporting automatically,
A second transporting step of transporting the second electrode to the crimping device by a rotary table;
A pressure bonding step of heating and pressing the first electrode and the second electrode from above and below by the pressure bonding apparatus to integrate the first electrode and the second electrode,
A method for producing an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame, wherein:
前記第1搬送工程では、複数個分の樹脂枠部材を構成する帯状の枠部材素材シートにより複数の前記シート状部材を搬送する、
ことを特徴とする樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法。 In the manufacturing method of the electrolyte membrane and electrode structure with a resin frame of Claim 1,
In the first conveying step, a plurality of the sheet-like members are conveyed by a belt-like frame member material sheet constituting a plurality of resin frame members.
A method for producing an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame, wherein:
前記回転テーブルは、前記第2電極を載置可能なワーク載置部を回転軸周りに3つ以上有する、
ことを特徴とする樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法。 In the method for producing an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame according to claim 1 or 2,
The rotary table has three or more work placement portions around the rotation axis on which the second electrode can be placed.
A method for producing an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame, wherein:
前記回転テーブルは、ワーク載置部と、前記ワーク載置部の下部に隣接した孔部とを有し、鉛直な回転軸を中心に回転するように構成され、
前記ワーク載置部には、前記第2電極を載置可能な支持パッドが配置され、
前記圧着工程では、前記孔部を介して、前記圧着装置の上金型と下金型とにより前記第1電極及び前記第2電極を上下から挟み込む、
ことを特徴とする樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法。 In the method for producing an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame according to claim 1 or 2,
The rotary table has a workpiece placement portion and a hole adjacent to a lower portion of the workpiece placement portion, and is configured to rotate around a vertical rotation axis.
A support pad on which the second electrode can be placed is disposed on the work placement portion,
In the crimping step, the first electrode and the second electrode are sandwiched from above and below by the upper mold and the lower mold of the crimping device through the hole.
A method for producing an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame, wherein:
回転テーブルを有し、前記回転テーブルにより第2電極を前記圧着装置へと搬送する第2搬送装置と、
前記第1搬送装置により搬送された前記第1電極と、前記第2搬送装置により搬送された前記第2電極とを、上下から加熱及び押圧して、前記第1電極と前記第2電極とを一体化する前記圧着装置と、を備える、
ことを特徴とする樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造装置。 A sheet-like member having a first electrode and an electrolyte membrane provided on one surface of the first electrode is supported by a resin frame member having the sheet-like member joined to an inner peripheral portion, and linearly connected to a crimping device. A first transport device for transporting automatically,
A second transport device having a rotary table, and transporting the second electrode to the crimping device by the rotary table;
The first electrode transported by the first transport device and the second electrode transported by the second transport device are heated and pressed from above and below, so that the first electrode and the second electrode are The crimping device to be integrated,
An apparatus for manufacturing an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame, characterized in that:
前記回転テーブルは、前記第2電極を載置可能なワーク載置部を回転軸周りに3つ以上有する、
ことを特徴とする樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造装置。 In the manufacturing apparatus for an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame according to claim 5,
The rotary table has three or more work placement portions around the rotation axis on which the second electrode can be placed.
An apparatus for manufacturing an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame, characterized in that:
前記回転テーブルは、ワーク載置部と、前記ワーク載置部の下部に隣接した孔部とを有し、鉛直な回転軸を中心に回転するように構成され、
前記ワーク載置部には、前記第2電極を載置可能な支持パッドが配置され、
前記圧着装置は、前記孔部を介して前記第1電極及び前記第2電極を上下から挟み込んで加熱及び押圧する上金型及び下金型を有する、
ことを特徴とする樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造装置。 In the manufacturing apparatus for an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame according to claim 5,
The rotary table has a workpiece placement portion and a hole adjacent to a lower portion of the workpiece placement portion, and is configured to rotate around a vertical rotation axis.
A support pad on which the second electrode can be placed is disposed on the work placement portion,
The crimping device includes an upper mold and a lower mold that sandwich and heat and press the first electrode and the second electrode from above and below through the hole.
An apparatus for manufacturing an electrolyte membrane / electrode structure with a resin frame, characterized in that:
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