JP2020024794A - 燃料電池セルの製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セパレータと樹脂枠とを加圧する型がガスケットと接しない形状に形成されていても、燃料電池セパレータと樹脂枠とを均一に加熱して接着することができる燃料電池セルの製造装置を提供する。【解決手段】ガスケット１４が取り付けられたカソード側セパレータ１３と、ＭＥＧＡ１１が取り付けられた樹脂枠１２と、を接着する燃料電池セル１０の製造装置２０であって、ガスケット１４と接しない形状に形成された上型２１と、超音波振動を発生する超音波振動装置振動２３と、を少なくとも備え、カソード側セパレータ１３と樹脂枠１２とを積層した状態で上型２１をカソード側セパレータ１３に当て、超音波振動装置振動２３により、上型２１に超音波振動を付与することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池セパレータと樹脂枠とを接着する燃料電池セルの製造装置に関する。

この種の燃料電池セルの製造装置として、一対の燃料電池セパレータと、各燃料電池セパレータの間に挟まれて一対の燃料電池セパレータを接着する樹脂枠と、を上型および下型の間に配置し、一対の燃料電池セパレータと樹脂枠とを熱圧着するものが開示されている（特許文献１参照）。また、従来の燃料電池セルの製造装置として、図２（ａ）および図３に示すように、温度の調節が可能な温調定盤からなる上型１と下型２との間にガスケットＧが取り付けられた一方の燃料電池セパレータ３と樹脂枠４と、図示しない他方の燃料電池セパレータとを挟み込んだ積層体５を加熱するとともに加圧して接着し、冷却するものがある。従来の燃料電池セルの製造装置は、上型１にはプレス中子１ａと中子バネ１ｂとが設けられており、プレス中子１ａで積層体５を押圧するように構成されている。また、従来の燃料電池セルの製造装置は、図２（ｂ）に示すように、加熱１、加熱２の工程および冷却１、冷却２の工程がそれぞれ設けられ積層体５を接着するようにしている。

特開２０１７−１０３０６９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池セルの燃料電池セパレータには、シール性を向上させるためのガスケットが取り付けられている。そのため、製造装置の型を燃料電池セパレータ全体に接するような形状とした場合、ガスケットの熱伝導率が低いことにより、ガスケット部分の接着強度が低下し、ガスケットの潰れが発生してしまうという問題がある。このような問題を解決するため、型のガスケットへの接触を回避することが可能な型形状とした場合、樹脂枠全体を均等に加熱することができず、接着強度の低下の問題を解消することができない。

図２（ａ）に示す従来の燃料電池セルの製造装置においても、特許文献１に記載の燃料電池セルの製造装置と同様の問題がある。即ち、図３に示すように、上型１が、ガスケットＧの部分と接しないよう逃げの部分１ｃを設け、プレス中子１ａで積層体５を押圧するように構成されている。この構成により、上型１が加圧されるとプレス中子１ａを介して一方の燃料電池セパレータ３と樹脂枠４とが加圧され加熱される。したがって、一方の燃料電池セパレータ３と樹脂枠４とがプレス中子１ａにより直接加圧および加熱された領域、即ち、図３に示す一方の燃料電池セパレータ３の斜線で示される領域は、接着強度が確保される。しかしながら、図３に示すガスケットＧに対向する一方の燃料電池セパレータ３の〇印で示される領域は、一方の燃料電池セパレータ３と樹脂枠４とがプレス中子１ａにより直接加圧および加熱されないので、加熱が不十分となってしまう。その結果、接着強度が低下してしまうという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、燃料電池セパレータと樹脂枠とを加圧する型がガスケットと接しない形状に形成されていても、燃料電池セパレータと樹脂枠とを均一に加熱して接着することができる燃料電池セルの製造装置を提供することを課題とする。

本発明に係る燃料電池セルの製造装置は、ガスケットが取り付けられた燃料電池セパレータと、膜電極ガス拡散層接合体が取り付けられた樹脂枠と、を接着する燃料電池セルの製造装置であって、前記ガスケットと接しない形状に形成された型と、超音波振動を付与する振動付与手段と、を少なくとも備え、前記燃料電池セパレータと前記樹脂枠とを積層した状態で前記型を前記燃料電池セパレータに当て、前記振動付与手段により、前記型に前記超音波振動を付与することを特徴とする。

本発明に係る燃料電池セルの製造装置は、ガスケットと接しない形状に形成された型と、超音波振動を付与する振動付与手段とを少なくとも備えている。この構成により、燃料電池セパレータに当てる型がガスケットと接しない形状に形成されているので、ガスケットが型で押されることはなくガスケットが型で潰されることはない。また、燃料電池セパレータに対して型が当てられた状態で、振動付与手段により、型に超音波振動が付与されると、型の全体が振動することで、型で押されている燃料電池セパレータの全体が振動する。燃料電池セパレータの全体が振動すると、燃料電池セパレータと樹脂枠との接触面の全体に摩擦熱が発生し、燃料電池セパレータと樹脂枠との接触面の全体が均一に加熱される。

本発明によれば、燃料電池セパレータを加圧する型がガスケットと接しない形状に形成されていても、燃料電池セパレータと樹脂枠との界面全体を均一に加熱して接着することができる燃料電池セルの製造装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池セルの製造装置の断面の一部を示す模式図であり、図１（ａ）は、カソード側セパレータと樹脂枠が上型と下型に挟まれた状態を示し、図１（ｂ）は、カソード側セパレータと樹脂枠が加熱された状態を示す。 従来の燃料電池セルの製造装置の図であり、図２（ａ）は、製造装置の断面を表す模式図を示し、図２（ｂ）は、加熱および冷却の工程を表す工程図を示す。 従来の燃料電池セルの製造装置の断面の一部および一部を拡大した断面を示す模式図。

本発明に係る燃料電池セルの製造装置を適用した実施形態に係る燃料電池セル１０の製造装置２０について図面を参照して説明する。まず、製造装置２０により製造される燃料電池セル１０の構成について説明する。

燃料電池セル１０は、図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode ＆ Gas Diffusion Layer Assembly、以下ＭＥＧＡという。）１１が取り付けられた樹脂枠１２と、カソード側セパレータ１３と、ガスケット１４と、図示しないアノード側セパレータとにより構成されている。燃料電池セル１０は、複数個が積層されて図示しない燃料電池を構成する。なお、実施形態に係る燃料電池セル１０のカソード側セパレータ１３は、本発明に係る燃料電池セルの燃料電池セパレータに対応する。

ＭＥＧＡ１１は、図示しない膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly、以下ＭＥＡという。)と、カソード側ガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer、以下ＧＤＬという。）と、アノード側ＧＤＬとにより構成されている。

ＭＥＡは、図示しない電解質膜と、カソード側触媒層と、アノード側触媒層との接合体で構成されている。電解質膜は、パーフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）アイオノマーなどの固体高分子材料である高分子電解質樹脂で形成されており、イオン伝導性を有する高分子膜を電解質とするイオン交換膜からなる。電解質膜は、電子および気体の流通を阻止するとともに、プロトンをアノード側触媒層からカソード側触媒層に移動させる機能を有している。

カソード側触媒層は、白金や白金合金などの触媒を担持した導電性の担体からなり、例えば、触媒担持カーボン粒子などのカーボン粒子を、プロトン伝導性を有するアイオノマーで被覆して形成された電極触媒層からなる。なお、アイオノマーは、電解質膜と同質のフッ素系樹脂などの固体高分子材料である高分子電解質樹脂からなり、イオン交換基によりプロトン伝導性を有する。カソード側触媒層は、プロトンと電子と酸素から水を生成する機能を有している。

アノード側触媒層は、カソード側触媒層と同様の材料で形成されているが、カソード側触媒層と異なり、水素ガス（Ｈ_２）をプロトンと電子に分解する機能を有している。カソード側ＧＤＬは、ガス透過性および導電性を有する材料、例えば、カーボンペーパーなどの炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。カソード側ＧＤＬは、カソード側触媒層の外側に接合されており、酸化剤ガスとしての空気を拡散させて均一にし、カソード側触媒層に行き渡らせる機能を有している。

アノード側ＧＤＬは、カソード側ＧＤＬと同様に、ガス透過性および導電性を有する材料、例えば、カーボンペーパーなどの炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。アノード側ＧＤＬは、アノード側触媒層の外側に接合されており、燃料ガスとしての水素ガスを拡散させて均一にし、アノード側触媒層に行き渡らせる機能を有している。

樹脂枠１２は、合成樹脂で枠状に形成されたコア材と、コア材の表面および裏面に形成された各接着層を有する３層構造の接着シートで構成されており、カソード側セパレータ１３およびアノード側セパレータを接着するとともに、ＭＥＧＡ１１を構成する膜電極接合体と接着されている。樹脂枠１２は、燃料極の水素ガス（Ｈ_２）や空気極の酸素ガス（Ｏ_２）が、微量ながら電解質膜を通過してしまうという、いわゆるクロスリークや触媒電極同士の電気的短絡を防ぐための機能を有している。接着層は、電解質膜よりも高い剛性、弾性や粘性を有する接着部材からなる。接着部材としては、熱可塑性の合成樹脂、例えばエポキシ樹脂からなる接着剤が挙げられる。

カソード側セパレータ１３は、鉄鋼板、ステンレス鋼板およびアルミニウム板などの金属板で形成されている。カソード側セパレータ１３は、カソード側ＧＤＬおよび樹脂枠１２に接着されており、カソード側ＧＤＬの表面に沿って酸化剤ガスとしての空気を流す酸化剤ガス流路が形成されている。カソード側セパレータ１３の表面は、チタン（Ｔｉ）薄膜が形成され、チタン薄膜に炭素層が形成されている。本実施形態のカソード側セパレータ１３は、本発明に係る燃料電池セルの製造装置の燃料電池セパレータに対応する。

アノード側セパレータは、カソード側セパレータ１３と同様、鉄鋼板、ステンレス鋼板およびアルミニウム板などの金属板で形成されている。アノード側セパレータは、アノード側ＧＤＬおよび樹脂枠１２に接着されており、アノード側ＧＤＬの表面に沿って燃料ガスとしての水素を流す燃料ガス流路が形成されている。アノード側セパレータの表面は、カソード側セパレータ１３の表面と同様、表面にチタン（Ｔｉ）薄膜が形成され、チタン薄膜に炭素層が形成されている。

ガスケット１４は、ゴムや熱可塑性エラストマーなどの弾性を有する材料で形成されており、他の燃料電池セルを構成するカソード側セパレータ１３の酸化剤ガス流路側および他の燃料電池セルを構成するアノード側セパレータの燃料ガス流路側に接着されている。

ガスケット１４は、複数個の燃料電池セル１０を積層した際に、隣接する他の燃料電池セル１０の表面に当接し、二つの燃料電池セル１０の間を封止するように構成されている。ガスケット１４により、燃料ガス、酸化剤ガスや冷却媒体の各流路からの漏洩が阻止される。

次いで、燃料電池セル１０の製造装置２０について、図面を参照して説明する。

製造装置２０は、図１（ａ）に示すように、上型２１と、下型２２と、超音波振動装置２３とを有しており、上型２１と下型２２とによりカソード側セパレータ１３とＭＥＧＡ１１が取り付けられた樹脂枠１２とを挟み込むように構成されている。カソード側セパレータ１３に上型２１が押し当てられ、ＭＥＧＡ１１が取り付けられた樹脂枠１２に下型２２が押し当てられる。なお、本実施形態の上型２１は、本発明の燃料電池セルの製造装置の本実施形態の型に対応し、本実施形態の超音波振動装置２３は、本発明の燃料電池セルの製造装置の振動付与手段に対応する。

上型２１は、昇降自在に構成されており、複数のプレス中子２１ａとガスケット逃げ部２１ｂとを有している。上型２１のプレス中子２１ａがカソード側セパレータ１３に押し当てられるように構成されている。ガスケット逃げ部２１ｂは、ガスケット逃げ部２１ｂの先端部から厚み方向に所定の深さで形成されており、ガスケット１４の全体が上型２１に接しないように形成されている。

超音波振動装置２３は、供給される電力に応じて超音波振動を出力する図示しない振動子を有しており、少なくとも２０ｋＨｚの所定の周波数（ｋＨｚ）の超音波振動を発生させるように構成されている。超音波振動装置２３は、上型２１と接続されており発生させた超音波振動を上型２１に伝達し、上型２１を超音波振動させる構成を有している。

なお、超音波振動の所定の周波数（ｋＨｚ）は、燃料電池セル１０の特性、カソード側セパレータ１３とＭＥＧＡ１１が取り付けられた樹脂枠１２の大きさ、形状、材質などの設定諸元や、実験値などのデータに基づいて適宜選択される。

次いで、燃料電池セル１０の製造装置２０によるカソード側セパレータ１３とＭＥＧＡ１１が取り付けられた樹脂枠１２との接着工程について、図面を参照して簡単に説明する。

まず、上型２１が下型２２から離隔する方向に上昇し、上型２１と下型２２とが離隔した状態で、ＭＥＧＡ１１が取り付けられた樹脂枠１２と、カソード側セパレータ１３とが、図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、カソード側セパレータ１３が上側になるようにして互いに積層され、下型２２の上に双方がセットされる。

次いで、上型２１が下型２２に近接する方向に下降し、上型２１のプレス中子２１ａの先端部がカソード側セパレータ１３の上面に当接し、上型２１によりカソード側セパレータ１３が下型２２の方向に押し付けられる。このとき、ガスケット１４は、ガスケット逃げ部２１ｂに収容され、上型２１に接することはない。

続いて、超音波振動装置２３に電力が供給され、所定の周波数（ｋＨｚ）の超音波振動が発生し、発生した超音波振動は上型２１に伝達され、図１（ａ）に示す複数の折れ線で模式的に示すように上型２１を振動させる。上型２１の超音波振動は、プレス中子２１ａの先端部を介してカソード側セパレータ１３に伝達され、カソード側セパレータ１３およびＭＥＧＡ１１が取り付けられている樹脂枠１２の全体が振動する。

カソード側セパレータ１３およびＭＥＧＡ１１が取り付けられている樹脂枠１２の全体が振動すると、カソード側セパレータ１３と樹脂枠１２との接触面、即ち、界面の全体に摩擦熱が発生し、カソード側セパレータ１３と樹脂枠１２との界面の全体が均一に加熱され接着（溶着）される。
以上のように構成された実施形態に係る燃料電池セル１０の製造装置２０の効果について説明する。

本実施形態に係る燃料電池セル１０の製造装置２０は、ガスケット１４が取り付けられたカソード側セパレータ１３と、ＭＥＧＡ１１が取り付けられた樹脂枠１２とを接着するように構成されている。燃料電池セル１０の製造装置２０は、ガスケット１４と接しない形状に形成された上型２１と、超音波振動装置振動２３とを備え、カソード側セパレータ１３と樹脂枠１２とを積層した状態で上型２１をカソード側セパレータ１３および樹脂枠１２に当て、超音波振動装置振動２３により、上型２１に超音波振動を付与するように構成されている。

この構成により、本実施形態に係る燃料電池セル１０の製造装置２０は、上型２１がガスケット１４と接しない形状、即ち、上型２１にガスケット逃げ部２１ｂが形成されているので、ガスケット１４が上型２１で押されることはなくガスケット１４が上型２１で潰されることはないという効果が得られる。

また、カソード側セパレータ１３および樹脂枠１２に対して上型２１が当てられた状態で、超音波振動装置振動２３により、上型２１に超音波振動が付与されると、上型２１の全体が振動することで、上型２１で押されているカソード側セパレータ１３の全体が振動する。カソード側セパレータ１３の全体が振動すると、カソード側セパレータ１３と樹脂枠１４との界面の全体に摩擦熱が発生し、カソード側セパレータ１３と樹脂枠１２との界面の全体が均一に加熱されるという効果が得られる。その結果、カソード側セパレータ１３および樹脂枠１２の全体が均一に接着（溶着）され、均一な接着強度を確保することができるという効果が得られる。

なお、カソード側セパレータ１３を加熱および接合する方法として、カソード側セパレータ１３を型によって加熱および加圧する、いわゆるホットプレスによる方法と、ホットプレスによらない方法とがある。本実施形態に係る燃料電池セル１０の製造装置２０は、ホットプレスによらない方法で構成されている。

ホットプレスによらない方法はさらに、型がカソード側セパレータ１３に接触して加熱エネルギーを付与する方法および型がカソード側セパレータ１３に非接触で加熱エネルギーを付与する方法があるが、本実施形態に係る燃料電池セル１０の製造装置２０においては、型がカソード側セパレータ１３に接触して加熱エネルギーを付与する方法により構成されており、加熱エネルギーとして超音波振動が付与され、カソード側セパレータ１３および樹脂枠１２の全体が均一に加熱され接着（溶着）されて、均一な接着強度を確保することができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１０・・・燃料電池セル、１１・・・ＭＥＧＡ、１２・・・樹脂枠、１３・・・カソード側セパレータ（燃料電池セパレータ）、１４・・・ガスケット、２０・・・製造装置(燃料電池セルの製造装置)、２１・・・上型（型）、２１ａ・・・プレス中子、２１ｂ・・・ガスケット逃げ部、２２・・・下型、２３・・・超音波振動装置(振動付与手段)

Claims (1)

1. ガスケットが取り付けられた燃料電池セパレータと、膜電極ガス拡散層接合体が取り付けられた樹脂枠と、を接着する燃料電池セルの製造装置であって、
   前記ガスケットと接しない形状に形成された型と、
   超音波振動を付与する振動付与手段と、を少なくとも備え、
   前記燃料電池セパレータと前記樹脂枠とを積層した状態で前記型を前記燃料電池セパレータに当て、前記振動付与手段により、前記型に前記超音波振動を付与することを特徴とする燃料電池セルの製造装置。

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