JP3910380B2 - 燃料電池の膜・電極接合体トリム方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高分子電解質膜を切断する場合に、膜・電極接合体を傷めずに位置決め及び固定を行い、しかも燃料電池の性能を向上させるのに好適な燃料電池の膜・電極接合体トリム方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水の電気分解の逆の原理を利用し、水素と酸素とを反応させて水を得る過程で電気を得ることができる電池である。一般に、水素に燃料ガスを置き換え、酸素に空気や酸化剤ガスを置き換えるので、燃料ガス、空気、酸化剤ガスの用語を使用することが多い。
【０００３】
このような燃料電池としては、例えば、特開２０００−１２３８４８公報「燃料電池」が知られている。
同公報の図１及び図２を基に作成した次図で燃料電池のセルについて説明する。なお、符号は振り直した。
【０００４】
図８は燃料電池のセルの断面図であり、セル１００は、電解質膜１０１の両面に、アノード側電極１０２とカソード側電極１０３とを貼り合わせ、これらのアノード側電極１０２及びカソード側電極１０３を２枚のセパレータ１０４，１０５で挟み込み、セパレータ１０４に、アノード側電極１０２へ燃料である水素ガスを供給するための複数の流路溝１０６を形成し、セパレータ１０５に、カソード１０３へ酸化剤である酸素ガスを供給するための複数の流路溝１０７を形成した構造のものであり、このセル１００を多数積層することで所望の電圧を得る。ここで、１１１，１１２は電解質膜１０１と各セパレータ１０４，１０５との間をシールするためのシール材（ガスケット）である。
【０００５】
電解質膜１０１は、高分子化合物からなる高分子電解質膜（ＰＥＭ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）である。この電解質膜１０１を以下ＰＥＭ１０１と記す。
また、ＰＥＭ１０１、アノード側電極１０２及びカソード側電極１０３は、膜・電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１０８を構成するものである。この膜・電極接合体１０８を以下ＭＥＡ１０８と記す。
【０００６】
上記公報には、ＭＥＡ１０８の製造方法は記載されていないが、一般的に、▲１▼最終成形する外形よりも大きく裁断されたＰＥＭの表裏の各面に、このＰＥＭよりも小さい面積のアノード側電極１０２及びカソード側電極１０３を圧着し、▲２▼ＰＥＭの縁をトリム刃で切断（トリム）して最終成形する方法が知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等は、ＭＥＡ１０８の上記製造を試みたが、▲２▼に示したＰＥＭのトリムの際に、図９に示すような課題が発生した。
図９はＭＥＡのトリム処理の要領を説明する説明図であり、まず、載置台１２１に、両面に電極１０２，１０３を貼り合わせたＰＥＭ１０１ａ（切断後のＰＥＭ１０１と区別するために切断前のＰＥＭの符号を便宜上１０１ａとする。）を載せ、ＰＥＭ１０１ａの縁を載置台１２１に、例えば、クランプ部材１２２・・・（・・・は複数個を示す。以下同様。）で固定する。
そして、ＰＥＭ１０１ａの上方から、トリム刃１２３を取付けたプレス装置１２４を矢印のように下降させ、トリム刃１２３でＰＥＭ１０１ａを切断する。
【０００８】
ＰＥＭ１０１ａを固定するために、上記したクランプ部材１２２を用いると、例えば、クランプ部材１２２を締め付けるときに、クランプ部材１２２が動いて膜状のワークであるＰＥＭ１０１ａに皺を発生させたり、クランプ部材１２２同士でＰＥＭ１０１ａを引張り合ってＰＥＭ１０１ａを引き延ばしたりすることがあり、ＰＥＭ１０１ａの品質を損ねることになる。
【０００９】
また、初めに載置台１２１にＰＥＭ１０１ａを位置決めするときにも、膜状のワークであるから傷つけないような方法で行わなければならない。
更に、電極１０２，１０３に金属イオンが付着すると、この金属イオンと電子とが結合し、カーボン電極に金属が析出する。これにより、析出した金属が水素と酸素との反応を妨げ、燃料電池の性能を低下させることがあり、燃料電池の性能向上のために、電極１０２，１０３への金属イオンの付着を防止することが望まれる。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、燃料電池の膜・電極接合体トリム方法において、高分子電解質膜を切断する場合に、膜・電極接合体を傷めずに位置決め及び固定を行い、しかも燃料電池の性能を向上させることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１は、高分子電解質膜の両面にこれより小面積のカーボン電極を貼り合わせてなる膜・電極接合体をトリム対象として、高分子電解質膜の縁をトリム刃で切断する燃料電池用膜・電極接合体トリム方法において、プレス下型に、底面を非金属板で構成する凹部を設け、この凹部内にカーボン電極を収納するとともにこのカーボン電極の位置決めを凹部の隣り合う２つの側壁で行った後に、プレス下型へ高分子電解質膜の縁を吸着するとともにトリム刃で高分子電解質膜を切断するようにしたことを特徴とする。
【００１２】
高分子電解質膜の縁をプレス下型へ吸着により固定するようにしたことで、高分子電解質膜の縁を切断する際に、膜状のワークである高分子電解質膜を傷める心配がなく、膜・電極接合体の品質を向上させることができる。
また、カーボン電極の位置決めを凹部の隣り合う２つの側壁で行うことで、高分子電解質膜及びカーボン電極を傷めずに位置決めを行うことができる。
【００１３】
更に、底面を非金属板で構成する凹部内にカーボン電極を収納することで、カーボン電極に金属イオンが付着する心配がなく、燃料電池の性能を向上させることができる。
【００１４】
請求項２は、高分子電解質膜の吸着を、高分子電解質膜の切断後の不用部分に対して実施することを特徴とする。
トリム後に高分子電解質膜の必要な部分をプレス下型から他に移動させれば、高分子電解質膜の不用になった部分のみをプレス下型に残しておくことができるため、不用部分の吸着を止めれば、不用部分のプレス下型からの除去作業を効率的に行うことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係る燃料電池用膜・電極接合体トリム装置の断面図であり、膜・電極接合体トリム装置１０（以下「ＭＥＡトリム装置１０」と記す。）は、カーボンペーパーからなるカーボン電極１１，１２を各面に圧着した高分子電解質膜１３ａ（以下「ＰＥＭ１３ａ」と記す。後述する切断後のＰＥＭ１３と区別するために、切断前のＰＥＭをこのようにＰＥＭ１３ａとする。）を載せるプレス下型としてのトリム下型１４と、上記のＰＥＭ１３ａの縁を切り取る、即ちトリムを行うトリム刃１５を備えたプレス上型としてのトリム上型１６と、カーボン電極１２及びＰＥＭ１３ａを吸着・保持するためにトリム上型１６に連結した吸着保持装置１７と、トリム上型１６を下降させるシリンダ装置１８とからなる。２枚のカーボン電極１１，１２は、同一のものであるが、便宜上、符号を別にした。
【００１６】
トリム下型１４は、ＰＥＭ１３ａの位置決め部を兼ねる載置部２１と、この載置部２１を支持する下型支持部２２と、ＰＥＭ１３ａの周縁部を吸着する下型用吸着部２３とからなる。
【００１７】
載置部２１は、下部支持部２２の底部２２ａに設けた下部受け部材２５と、この下部受け部材２５の上方に配置することでＰＥＭ１３ａを載せる上部受け部材２６とからなり、この上部受け部材２６の中央部にカーボン電極１１の位置決めを行うための凹部としての位置決め収納部２７を設け、下部受け部材２５の上部で且つ位置決め収納部２７の下方に非金属板としての樹脂板２８を配置したものである。
【００１８】
下部受け部材２５は、材質をポリウレタン等のフォーム状弾性体とし、上部受け部材２６は、材質をＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）材等の軟質材としたものである。樹脂板２８は、カーボン電極１１が下部受け部材２５に接触しないようにして、下部受け部材２５に金属イオンが付着していた場合に、金属イオンがカーボン電極１１に付着しないようにするための部材である。
【００１９】
下型用吸着部２３は、載置部２１に開けた吸着孔３１・・・（・・・は複数個を示す。以下同様。）と、この吸着孔３１・・・にそれぞれジョイント３２・・・を介して連結させた連結管３３・・・とからなり、これらの連結管３３・・・を図示せぬ吸引装置に接続することで、吸着孔３１・・・から空気を吸引し、ＰＥＭ１３ａを吸着するものである。
【００２０】
トリム刃１５は、平面視略矩形状のものであり、カーボン電極１１，１２より外側のＰＥＭ１３ａの周縁部を切り落とす部材である。
トリム上型１６は、トリム刃１５と、このトリム刃１５を固定するトリム刃固定部３５とからなる。
【００２１】
吸着保持装置１７は、ＰＥＭ１３ａのトリム時にＰＥＭ１３ａを押えて位置決めしたり、ＰＥＭ１３ａのトリム後の搬送時に横ずれを防止するために、トリム刃固定部３５にロッド３６・・・を介して連結するとともにトリム刃固定部３５との間にスプリング３７を介在させて下方に押圧するようにしたものであり、トリム時にＰＥＭ１３ａを押える押え部４１と、この押え部４１の内側に設けた第１凹部４２と、この第１凹部４２内に配置した多孔質材からなるパッド４３と、このパッド４３を介してカーボン電極１２を吸着する上型用第１吸着部４４と、上記した押え部４１の位置でＰＥＭ１３ａを吸着する上型用第２吸着部４５とからなる。なお、１７ａ・・・はロッド３６・・・をガイドするためにトリム刃固定部３５に設けたガイド孔、１７ｂ・・・は連結管４８，５２・・・を通すための通孔、４３ａはカーボン電極１２を収納するためにパッド４３の下部に設けた第２凹部である。
【００２２】
パッド４３は、多孔質樹脂材料であり、通気性を有するもので、しかも上記したトリム下型１４の樹脂板２８と同様に、カーボン電極１２に金属イオンが付着しないようにするためのものでもある。
上型用第１吸着部４４は、第１凹部４２の底に開けた吸着孔４７と、この吸着孔４７にジョイント３２を介して連結させた連結管４８とからなり、この連結管４８を図示せぬ吸引装置に接続することで、第１凹部４２内の空気をパッド４３及び吸着孔４７を通じて吸引し、カーボン電極１２を吸着するものである。
【００２３】
上型用第２吸着部４５は、押え部４１に開けた吸着孔５１・・・と、これらの吸着孔５１・・・にそれぞれジョイント３２・・・を介して連結させた連結管５２・・・とからなり、これらの連結管５２・・・を図示せぬ吸引装置に接続することで、吸着孔５１・・・から空気を吸引し、ＰＥＭ１３ａを吸着するものである。
【００２４】
シリンダ装置１８は、シリンダ本体６１と、このシリンダ本体６１に移動可能に収納した図示せぬピストンと、このピストンに取付けたピストンロッド６２と、このピストンロッド６２の下端に取付けた押圧部６３とからなる。
【００２５】
以上に述べたＭＥＡトリム装置１０によるＭＥＡのトリム処理を含む燃料電池セルの製造の要領を次に説明する。
図２は本発明に係るＭＥＡトリム装置によるトリム処理を含む燃料電池セルの製造の流れを説明するフローである。なお、ＳＴ××はステップ番号を示す。
ＳＴ０１…カーボン電極を貼り付けたＰＥＭをトリム下型に載置する。
ＳＴ０２…ＰＥＭを位置決めする。
ＳＴ０３…ＰＥＭをトリムし、ＭＥＡを造る。
【００２６】
ＳＴ０４…ＭＥＡを積層ステーションに搬送する。
ＳＴ０５…セパレータにシール材を塗布する。
ＳＴ０６…シール材を塗布したセパレータとＭＥＡとを積層し、セルを造る。
そして、このセルを複数積層することで所望電圧の燃料電池ができあがる。
上記したＳＴ０１〜ＳＴ０３の各工程を以下で詳述する。
【００２７】
図３（ａ）〜（ｃ）は本発明に係るＭＥＡトリム方法を説明する第１作用図であり、（ａ），（ｂ）は平面図、（ｃ）は（ｂ）のｃ−ｃ線断面図である。
まず、（ａ）において、トリム下型１４の載置部２１にカーボン電極１１，１２（カーボン電極１１はＰＥＭ１３ａの奥側）を貼り付けたＰＥＭ１３ａを載せる。
【００２８】
（ｂ）及び（ｃ）において、載置部２１の位置決め収納部２７の２つの側壁２７ａ，２７ｂにカーボン電極１１の二辺を当てて、載置部２１に対するカーボン電極１１の位置決め、即ち、載置部２１に対するＰＥＭ１３ａの位置決めを行う。（（ｂ）では説明の都合上、カーボン電極１２は図示していない。）
【００２９】
図４（ａ），（ｂ）は本発明に係るＭＥＡトリム方法を説明する第２作用図である。
載置部２１に対するＰＥＭ１３ａの位置決めを行った後に、図１の状態から、図４（ａ）において、下型用吸着部２３でＰＥＭ１３ａの周縁部の吸着を開始し、この吸着の状態で、シリンダ装置１８を作動させ、このシリンダ装置１８の押圧部６３を下降させて、トリム上型１６のトリム刃固定部３５を下方へ押し下げる。
これにより、カーボン電極１２を第２凹部４３ａ内に収納するとともに、吸着保持装置１７の押え部４１でスプリング３７の弾性力によりＰＥＭ１３ａを押え付け、この後に、トリム刃１５でＰＥＭ１３ａの周縁部を切断する。
【００３０】
ＰＥＭ１３ａの周縁部を切断中及び切断後は、上型用第１吸着部４４でカーボン電極１２を吸着するとともに、上型用第２吸着部４５でＰＥＭ１３ａを吸着する。この後、（ｂ）において、シリンダ装置１８の押圧部６３を上昇させ、トリム上型１６を上昇させる。この後、上型用第１吸着部４４及び上型用第２吸着部４５では、カーボン電極１１，１２及びＰＥＭ１３の搬送のために吸着を継続する。
【００３１】
ＰＥＭ１３を切断して不用になった不用部分としての枠状部材１３ｂは、下型用吸着部２３での吸着を止めてトリム下型１４から取除く。
ここでは、周縁部を切断したＰＥＭ１３及びカーボン電極１１，１２の接合体を膜・電極接合体６５、即ちＭＥＡ６５とする。なお、周縁部を切断する前のＭＥＡをＭＥＡ６５と区別するためにＭＥＡ６５ａとする。
【００３２】
図５は本発明に係るＭＥＡトリム方法を説明する第３作用図であり、ＰＥＭ１３ａを示す平面図において、想像線６７で示す位置を図４（ａ）に示したトリム刃１５で切断することを示す。
上記切断位置は、カーボン電極１１，１２（奥側のカーボン電極１１は不図示）の輪郭よりも外側の部分である。
【００３３】
図６は本発明に係るＭＥＡトリム方法を説明する第４作用図である。
ＰＥＭ１３ａの周縁部を切断する場合、トリム刃１５の刃先１５ａに、例えばうねりが生じていても、トリム下型１４の上部受け部材２６が軟質材であるために、トリム刃１５の刃先１５ａが上部受け部材２６に食い込み、刃先１５ａのうねりの最上部、例えば点ＡをＰＥＭ１３ａの下面よりも下位にすることができ、刃先１５ａの全体でＰＥＭ１３ａを切断することができる。
従って、比較的小荷重でもＰＥＭ１３ａを確実に切断することができる。
【００３４】
図７（ａ），（ｂ）は本発明に係るＭＥＡトリム方法を説明する第５作用図である。
（ａ）において、例えば、トリム下型１４の載置部２１の上面（上部受け部材２６の上面）に対して、トリム上型１６のトリム刃１５の刃先１５ａが角度θだけ傾き、且つ刃先１５ａが直線的である場合、即ち載置部２１とトリム刃１５の刃先１５ａとの平行度が大きい場合に、（ｂ）に示すように、ＰＥＭ１３ａを切断するときに、弾性体である下部受け部材２５の圧縮が部分的に大きくなって上部受け部材２６及びＰＥＭ１３ａのそれぞれの上面がトリム刃１５の刃先１５ａに倣い、刃先１５ａがＰＥＭ１３ａの全面に当たるようになる。従って、ＰＥＭ１３ａを小荷重で確実に切断することができる。
【００３５】
以上の図１、図３（ｂ）及び図４（ａ），（ｂ）で説明したように、本発明は第１に、ＰＥＭ１３ａの両面にこれより小面積のカーボン電極１１，１２を貼り合わせたＭＥＡ６５ａをトリム対象として、ＰＥＭ１３ａの縁をトリム刃１５で切断する燃料電池用ＭＥＡトリム方法において、トリム下型１４に、底面を樹脂板２８で構成する位置決め収納部２７を設け、この位置決め収納部２７内にカーボン電極１１を収納するとともにこのカーボン電極１１の位置決めを位置決め収納部２７の隣り合う２つの側壁２７ａ，２７ｂで行った後に、トリム下型１４へＰＥＭ１３ａの縁を吸着するとともにトリム刃１５でＰＥＭ１３ａを切断するようにしたことを特徴とする。
【００３６】
ＰＥＭ１３ａの縁をトリム下型１４へ吸着することで、ＰＥＭ１３ａの縁を切断する際に、膜状のワークであるＰＥＭ１３ａを傷める心配がなく、ＭＥＡ６５の品質を向上させることができる。
また、カーボン電極１１の位置決めを位置決め収納部２７の隣り合う２つの側壁２７ａ，２７ｂで行うことで、ＰＥＭ１３ａ及びカーボン電極１１を傷めずに且つ簡単に、しかも確実に位置決めを行うことができる。
【００３７】
更に、位置決め収納部２７内にカーボン電極１１を収納することで、カーボン電極１１に金属イオンが付着する心配がない。
従って、燃料電池の性能を向上させることができる。
【００３８】
本発明は第２に、ＰＥＭ１３の吸着を、ＰＥＭ１３の切断後の不用部分である枠状部材１３ｂに対して実施することを特徴とする。
トリム後にＭＥＡ６５をトリム下型１４から他に移動させれば、枠状部材１３ｂのみをトリム下型１４に残しておくことができる。
【００３９】
従来は、枠状部材１３ｂの吸着を行っていなかったために、トリム下型１４からＭＥＡ６５を移動するときに、枠状部材１３ｂがＭＥＡ６５と伴に移動したり、トリム下型１４から離れた位置に散らばったりして除去に手間取っていた。本発明では、枠状部材１３ｂを吸着することで、常に一定の場所に枠状部材１３ｂを留（とど）めておくことができ、枠状部材１３ａの吸着を止（や）めれば、枠状部材１３ｂのトリム下型１４からの除去作業を効率的に行うことができる。
【００４０】
尚、本発明の非金属板としては、材質として樹脂の他に、ゴム、ガラス、陶器、石材等でもよい。
【００４１】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１の燃料電池の膜・電極接合体トリム方法は、プレス下型に、底面を非金属板で構成する凹部を設け、この凹部内にカーボン電極を収納するとともにこのカーボン電極の位置決めを凹部の隣り合う２つの側壁で行った後に、プレス下型へ高分子電解質膜の縁を吸着するとともにトリム刃で高分子電解質膜を切断するようにしたので、高分子電解質膜の縁を下型へ吸着により固定することによって、膜・電極接合体の高分子電解質膜の縁を切断する際に、膜状のワークである高分子電解質膜を傷める心配がなく、膜・電極接合体の品質を向上させることができる。
また、カーボン電極の位置決めを凹部の隣り合う２つの側壁で行うことで、高分子電解質膜及びカーボン電極を傷めずに位置決めを行うことができる。
【００４２】
更に、非金属板で構成する凹部内にカーボン電極を収納することで、カーボン電極に金属イオンが付着するのを防止することができる。
従って、燃料電池の性能を向上させることができる。
【００４３】
請求項２の膜・電極接合体トリム方法は、高分子電解質膜の吸着を、高分子電解質膜の切断後の不用部分に対して実施するので、トリム後に高分子電解質膜の必要な部分をプレス下型から他に移動させれば、高分子電解質膜の不用になった部分のみをプレス下型に残しておくことができるため、不用部分の吸着を止めれば、不用部分のプレス下型からの除去作業を効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池用膜・電極接合体トリム装置の断面図
【図２】本発明に係るＭＥＡトリム装置によるトリム処理を含む燃料電池セルの製造の流れを説明するフロー
【図３】本発明に係るＭＥＡトリム方法を説明する第１作用図
【図４】本発明に係るＭＥＡトリム方法を説明する第２作用図
【図５】本発明に係るＭＥＡトリム方法を説明する第３作用図
【図６】本発明に係るＭＥＡトリム方法を説明する第４作用図
【図７】本発明に係るＭＥＡトリム方法を説明する第５作用図
【図８】燃料電池のセルの断面図
【図９】ＭＥＡのトリム処理の要領を説明する説明図
【符号の説明】
１０…膜・電極接合体トリム装置、１１…カーボン電極、１２…カーボン電極、１３…高分子電解質膜、１３ａ…トリム前の高分子電解質膜、１３ｂ…高分子電解質膜の不用部分（枠状部材）、１４…（プレス下型）トリム下型、１５…トリム刃、１６…プレス上型（トリム上型）、２７…凹部（位置決め収納部）、２７ａ，２７ｂ…側壁、２８…非金属板（樹脂板）、６５…膜・電極接合体、６５ａ…トリム前の膜・電極接合体。
【発明の属する技術分野】
本発明は、高分子電解質膜を切断する場合に、膜・電極接合体を傷めずに位置決め及び固定を行い、しかも燃料電池の性能を向上させるのに好適な燃料電池の膜・電極接合体トリム方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水の電気分解の逆の原理を利用し、水素と酸素とを反応させて水を得る過程で電気を得ることができる電池である。一般に、水素に燃料ガスを置き換え、酸素に空気や酸化剤ガスを置き換えるので、燃料ガス、空気、酸化剤ガスの用語を使用することが多い。
【０００３】
このような燃料電池としては、例えば、特開２０００−１２３８４８公報「燃料電池」が知られている。
同公報の図１及び図２を基に作成した次図で燃料電池のセルについて説明する。なお、符号は振り直した。
【０００４】
図８は燃料電池のセルの断面図であり、セル１００は、電解質膜１０１の両面に、アノード側電極１０２とカソード側電極１０３とを貼り合わせ、これらのアノード側電極１０２及びカソード側電極１０３を２枚のセパレータ１０４，１０５で挟み込み、セパレータ１０４に、アノード側電極１０２へ燃料である水素ガスを供給するための複数の流路溝１０６を形成し、セパレータ１０５に、カソード１０３へ酸化剤である酸素ガスを供給するための複数の流路溝１０７を形成した構造のものであり、このセル１００を多数積層することで所望の電圧を得る。ここで、１１１，１１２は電解質膜１０１と各セパレータ１０４，１０５との間をシールするためのシール材（ガスケット）である。
【０００５】
電解質膜１０１は、高分子化合物からなる高分子電解質膜（ＰＥＭ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）である。この電解質膜１０１を以下ＰＥＭ１０１と記す。
また、ＰＥＭ１０１、アノード側電極１０２及びカソード側電極１０３は、膜・電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１０８を構成するものである。この膜・電極接合体１０８を以下ＭＥＡ１０８と記す。
【０００６】
上記公報には、ＭＥＡ１０８の製造方法は記載されていないが、一般的に、▲１▼最終成形する外形よりも大きく裁断されたＰＥＭの表裏の各面に、このＰＥＭよりも小さい面積のアノード側電極１０２及びカソード側電極１０３を圧着し、▲２▼ＰＥＭの縁をトリム刃で切断（トリム）して最終成形する方法が知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等は、ＭＥＡ１０８の上記製造を試みたが、▲２▼に示したＰＥＭのトリムの際に、図９に示すような課題が発生した。
図９はＭＥＡのトリム処理の要領を説明する説明図であり、まず、載置台１２１に、両面に電極１０２，１０３を貼り合わせたＰＥＭ１０１ａ（切断後のＰＥＭ１０１と区別するために切断前のＰＥＭの符号を便宜上１０１ａとする。）を載せ、ＰＥＭ１０１ａの縁を載置台１２１に、例えば、クランプ部材１２２・・・（・・・は複数個を示す。以下同様。）で固定する。
そして、ＰＥＭ１０１ａの上方から、トリム刃１２３を取付けたプレス装置１２４を矢印のように下降させ、トリム刃１２３でＰＥＭ１０１ａを切断する。
【０００８】
ＰＥＭ１０１ａを固定するために、上記したクランプ部材１２２を用いると、例えば、クランプ部材１２２を締め付けるときに、クランプ部材１２２が動いて膜状のワークであるＰＥＭ１０１ａに皺を発生させたり、クランプ部材１２２同士でＰＥＭ１０１ａを引張り合ってＰＥＭ１０１ａを引き延ばしたりすることがあり、ＰＥＭ１０１ａの品質を損ねることになる。
【０００９】
また、初めに載置台１２１にＰＥＭ１０１ａを位置決めするときにも、膜状のワークであるから傷つけないような方法で行わなければならない。
更に、電極１０２，１０３に金属イオンが付着すると、この金属イオンと電子とが結合し、カーボン電極に金属が析出する。これにより、析出した金属が水素と酸素との反応を妨げ、燃料電池の性能を低下させることがあり、燃料電池の性能向上のために、電極１０２，１０３への金属イオンの付着を防止することが望まれる。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、燃料電池の膜・電極接合体トリム方法において、高分子電解質膜を切断する場合に、膜・電極接合体を傷めずに位置決め及び固定を行い、しかも燃料電池の性能を向上させることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１は、高分子電解質膜の両面にこれより小面積のカーボン電極を貼り合わせてなる膜・電極接合体をトリム対象として、高分子電解質膜の縁をトリム刃で切断する燃料電池用膜・電極接合体トリム方法において、プレス下型に、底面を非金属板で構成する凹部を設け、この凹部内にカーボン電極を収納するとともにこのカーボン電極の位置決めを凹部の隣り合う２つの側壁で行った後に、プレス下型へ高分子電解質膜の縁を吸着するとともにトリム刃で高分子電解質膜を切断するようにしたことを特徴とする。
【００１２】
高分子電解質膜の縁をプレス下型へ吸着により固定するようにしたことで、高分子電解質膜の縁を切断する際に、膜状のワークである高分子電解質膜を傷める心配がなく、膜・電極接合体の品質を向上させることができる。
また、カーボン電極の位置決めを凹部の隣り合う２つの側壁で行うことで、高分子電解質膜及びカーボン電極を傷めずに位置決めを行うことができる。
【００１３】
更に、底面を非金属板で構成する凹部内にカーボン電極を収納することで、カーボン電極に金属イオンが付着する心配がなく、燃料電池の性能を向上させることができる。
【００１４】
請求項２は、高分子電解質膜の吸着を、高分子電解質膜の切断後の不用部分に対して実施することを特徴とする。
トリム後に高分子電解質膜の必要な部分をプレス下型から他に移動させれば、高分子電解質膜の不用になった部分のみをプレス下型に残しておくことができるため、不用部分の吸着を止めれば、不用部分のプレス下型からの除去作業を効率的に行うことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係る燃料電池用膜・電極接合体トリム装置の断面図であり、膜・電極接合体トリム装置１０（以下「ＭＥＡトリム装置１０」と記す。）は、カーボンペーパーからなるカーボン電極１１，１２を各面に圧着した高分子電解質膜１３ａ（以下「ＰＥＭ１３ａ」と記す。後述する切断後のＰＥＭ１３と区別するために、切断前のＰＥＭをこのようにＰＥＭ１３ａとする。）を載せるプレス下型としてのトリム下型１４と、上記のＰＥＭ１３ａの縁を切り取る、即ちトリムを行うトリム刃１５を備えたプレス上型としてのトリム上型１６と、カーボン電極１２及びＰＥＭ１３ａを吸着・保持するためにトリム上型１６に連結した吸着保持装置１７と、トリム上型１６を下降させるシリンダ装置１８とからなる。２枚のカーボン電極１１，１２は、同一のものであるが、便宜上、符号を別にした。
【００１６】
トリム下型１４は、ＰＥＭ１３ａの位置決め部を兼ねる載置部２１と、この載置部２１を支持する下型支持部２２と、ＰＥＭ１３ａの周縁部を吸着する下型用吸着部２３とからなる。
【００１７】
載置部２１は、下部支持部２２の底部２２ａに設けた下部受け部材２５と、この下部受け部材２５の上方に配置することでＰＥＭ１３ａを載せる上部受け部材２６とからなり、この上部受け部材２６の中央部にカーボン電極１１の位置決めを行うための凹部としての位置決め収納部２７を設け、下部受け部材２５の上部で且つ位置決め収納部２７の下方に非金属板としての樹脂板２８を配置したものである。
【００１８】
下部受け部材２５は、材質をポリウレタン等のフォーム状弾性体とし、上部受け部材２６は、材質をＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）材等の軟質材としたものである。樹脂板２８は、カーボン電極１１が下部受け部材２５に接触しないようにして、下部受け部材２５に金属イオンが付着していた場合に、金属イオンがカーボン電極１１に付着しないようにするための部材である。
【００１９】
下型用吸着部２３は、載置部２１に開けた吸着孔３１・・・（・・・は複数個を示す。以下同様。）と、この吸着孔３１・・・にそれぞれジョイント３２・・・を介して連結させた連結管３３・・・とからなり、これらの連結管３３・・・を図示せぬ吸引装置に接続することで、吸着孔３１・・・から空気を吸引し、ＰＥＭ１３ａを吸着するものである。
【００２０】
トリム刃１５は、平面視略矩形状のものであり、カーボン電極１１，１２より外側のＰＥＭ１３ａの周縁部を切り落とす部材である。
トリム上型１６は、トリム刃１５と、このトリム刃１５を固定するトリム刃固定部３５とからなる。
【００２１】
吸着保持装置１７は、ＰＥＭ１３ａのトリム時にＰＥＭ１３ａを押えて位置決めしたり、ＰＥＭ１３ａのトリム後の搬送時に横ずれを防止するために、トリム刃固定部３５にロッド３６・・・を介して連結するとともにトリム刃固定部３５との間にスプリング３７を介在させて下方に押圧するようにしたものであり、トリム時にＰＥＭ１３ａを押える押え部４１と、この押え部４１の内側に設けた第１凹部４２と、この第１凹部４２内に配置した多孔質材からなるパッド４３と、このパッド４３を介してカーボン電極１２を吸着する上型用第１吸着部４４と、上記した押え部４１の位置でＰＥＭ１３ａを吸着する上型用第２吸着部４５とからなる。なお、１７ａ・・・はロッド３６・・・をガイドするためにトリム刃固定部３５に設けたガイド孔、１７ｂ・・・は連結管４８，５２・・・を通すための通孔、４３ａはカーボン電極１２を収納するためにパッド４３の下部に設けた第２凹部である。
【００２２】
パッド４３は、多孔質樹脂材料であり、通気性を有するもので、しかも上記したトリム下型１４の樹脂板２８と同様に、カーボン電極１２に金属イオンが付着しないようにするためのものでもある。
上型用第１吸着部４４は、第１凹部４２の底に開けた吸着孔４７と、この吸着孔４７にジョイント３２を介して連結させた連結管４８とからなり、この連結管４８を図示せぬ吸引装置に接続することで、第１凹部４２内の空気をパッド４３及び吸着孔４７を通じて吸引し、カーボン電極１２を吸着するものである。
【００２３】
上型用第２吸着部４５は、押え部４１に開けた吸着孔５１・・・と、これらの吸着孔５１・・・にそれぞれジョイント３２・・・を介して連結させた連結管５２・・・とからなり、これらの連結管５２・・・を図示せぬ吸引装置に接続することで、吸着孔５１・・・から空気を吸引し、ＰＥＭ１３ａを吸着するものである。
【００２４】
シリンダ装置１８は、シリンダ本体６１と、このシリンダ本体６１に移動可能に収納した図示せぬピストンと、このピストンに取付けたピストンロッド６２と、このピストンロッド６２の下端に取付けた押圧部６３とからなる。
【００２５】
以上に述べたＭＥＡトリム装置１０によるＭＥＡのトリム処理を含む燃料電池セルの製造の要領を次に説明する。
図２は本発明に係るＭＥＡトリム装置によるトリム処理を含む燃料電池セルの製造の流れを説明するフローである。なお、ＳＴ××はステップ番号を示す。
ＳＴ０１…カーボン電極を貼り付けたＰＥＭをトリム下型に載置する。
ＳＴ０２…ＰＥＭを位置決めする。
ＳＴ０３…ＰＥＭをトリムし、ＭＥＡを造る。
【００２６】
ＳＴ０４…ＭＥＡを積層ステーションに搬送する。
ＳＴ０５…セパレータにシール材を塗布する。
ＳＴ０６…シール材を塗布したセパレータとＭＥＡとを積層し、セルを造る。
そして、このセルを複数積層することで所望電圧の燃料電池ができあがる。
上記したＳＴ０１〜ＳＴ０３の各工程を以下で詳述する。
【００２７】
図３（ａ）〜（ｃ）は本発明に係るＭＥＡトリム方法を説明する第１作用図であり、（ａ），（ｂ）は平面図、（ｃ）は（ｂ）のｃ−ｃ線断面図である。
まず、（ａ）において、トリム下型１４の載置部２１にカーボン電極１１，１２（カーボン電極１１はＰＥＭ１３ａの奥側）を貼り付けたＰＥＭ１３ａを載せる。
【００２８】
（ｂ）及び（ｃ）において、載置部２１の位置決め収納部２７の２つの側壁２７ａ，２７ｂにカーボン電極１１の二辺を当てて、載置部２１に対するカーボン電極１１の位置決め、即ち、載置部２１に対するＰＥＭ１３ａの位置決めを行う。（（ｂ）では説明の都合上、カーボン電極１２は図示していない。）
【００２９】
図４（ａ），（ｂ）は本発明に係るＭＥＡトリム方法を説明する第２作用図である。
載置部２１に対するＰＥＭ１３ａの位置決めを行った後に、図１の状態から、図４（ａ）において、下型用吸着部２３でＰＥＭ１３ａの周縁部の吸着を開始し、この吸着の状態で、シリンダ装置１８を作動させ、このシリンダ装置１８の押圧部６３を下降させて、トリム上型１６のトリム刃固定部３５を下方へ押し下げる。
これにより、カーボン電極１２を第２凹部４３ａ内に収納するとともに、吸着保持装置１７の押え部４１でスプリング３７の弾性力によりＰＥＭ１３ａを押え付け、この後に、トリム刃１５でＰＥＭ１３ａの周縁部を切断する。
【００３０】
ＰＥＭ１３ａの周縁部を切断中及び切断後は、上型用第１吸着部４４でカーボン電極１２を吸着するとともに、上型用第２吸着部４５でＰＥＭ１３ａを吸着する。この後、（ｂ）において、シリンダ装置１８の押圧部６３を上昇させ、トリム上型１６を上昇させる。この後、上型用第１吸着部４４及び上型用第２吸着部４５では、カーボン電極１１，１２及びＰＥＭ１３の搬送のために吸着を継続する。
【００３１】
ＰＥＭ１３を切断して不用になった不用部分としての枠状部材１３ｂは、下型用吸着部２３での吸着を止めてトリム下型１４から取除く。
ここでは、周縁部を切断したＰＥＭ１３及びカーボン電極１１，１２の接合体を膜・電極接合体６５、即ちＭＥＡ６５とする。なお、周縁部を切断する前のＭＥＡをＭＥＡ６５と区別するためにＭＥＡ６５ａとする。
【００３２】
図５は本発明に係るＭＥＡトリム方法を説明する第３作用図であり、ＰＥＭ１３ａを示す平面図において、想像線６７で示す位置を図４（ａ）に示したトリム刃１５で切断することを示す。
上記切断位置は、カーボン電極１１，１２（奥側のカーボン電極１１は不図示）の輪郭よりも外側の部分である。
【００３３】
図６は本発明に係るＭＥＡトリム方法を説明する第４作用図である。
ＰＥＭ１３ａの周縁部を切断する場合、トリム刃１５の刃先１５ａに、例えばうねりが生じていても、トリム下型１４の上部受け部材２６が軟質材であるために、トリム刃１５の刃先１５ａが上部受け部材２６に食い込み、刃先１５ａのうねりの最上部、例えば点ＡをＰＥＭ１３ａの下面よりも下位にすることができ、刃先１５ａの全体でＰＥＭ１３ａを切断することができる。
従って、比較的小荷重でもＰＥＭ１３ａを確実に切断することができる。
【００３４】
図７（ａ），（ｂ）は本発明に係るＭＥＡトリム方法を説明する第５作用図である。
（ａ）において、例えば、トリム下型１４の載置部２１の上面（上部受け部材２６の上面）に対して、トリム上型１６のトリム刃１５の刃先１５ａが角度θだけ傾き、且つ刃先１５ａが直線的である場合、即ち載置部２１とトリム刃１５の刃先１５ａとの平行度が大きい場合に、（ｂ）に示すように、ＰＥＭ１３ａを切断するときに、弾性体である下部受け部材２５の圧縮が部分的に大きくなって上部受け部材２６及びＰＥＭ１３ａのそれぞれの上面がトリム刃１５の刃先１５ａに倣い、刃先１５ａがＰＥＭ１３ａの全面に当たるようになる。従って、ＰＥＭ１３ａを小荷重で確実に切断することができる。
【００３５】
以上の図１、図３（ｂ）及び図４（ａ），（ｂ）で説明したように、本発明は第１に、ＰＥＭ１３ａの両面にこれより小面積のカーボン電極１１，１２を貼り合わせたＭＥＡ６５ａをトリム対象として、ＰＥＭ１３ａの縁をトリム刃１５で切断する燃料電池用ＭＥＡトリム方法において、トリム下型１４に、底面を樹脂板２８で構成する位置決め収納部２７を設け、この位置決め収納部２７内にカーボン電極１１を収納するとともにこのカーボン電極１１の位置決めを位置決め収納部２７の隣り合う２つの側壁２７ａ，２７ｂで行った後に、トリム下型１４へＰＥＭ１３ａの縁を吸着するとともにトリム刃１５でＰＥＭ１３ａを切断するようにしたことを特徴とする。
【００３６】
ＰＥＭ１３ａの縁をトリム下型１４へ吸着することで、ＰＥＭ１３ａの縁を切断する際に、膜状のワークであるＰＥＭ１３ａを傷める心配がなく、ＭＥＡ６５の品質を向上させることができる。
また、カーボン電極１１の位置決めを位置決め収納部２７の隣り合う２つの側壁２７ａ，２７ｂで行うことで、ＰＥＭ１３ａ及びカーボン電極１１を傷めずに且つ簡単に、しかも確実に位置決めを行うことができる。
【００３７】
更に、位置決め収納部２７内にカーボン電極１１を収納することで、カーボン電極１１に金属イオンが付着する心配がない。
従って、燃料電池の性能を向上させることができる。
【００３８】
本発明は第２に、ＰＥＭ１３の吸着を、ＰＥＭ１３の切断後の不用部分である枠状部材１３ｂに対して実施することを特徴とする。
トリム後にＭＥＡ６５をトリム下型１４から他に移動させれば、枠状部材１３ｂのみをトリム下型１４に残しておくことができる。
【００３９】
従来は、枠状部材１３ｂの吸着を行っていなかったために、トリム下型１４からＭＥＡ６５を移動するときに、枠状部材１３ｂがＭＥＡ６５と伴に移動したり、トリム下型１４から離れた位置に散らばったりして除去に手間取っていた。本発明では、枠状部材１３ｂを吸着することで、常に一定の場所に枠状部材１３ｂを留（とど）めておくことができ、枠状部材１３ａの吸着を止（や）めれば、枠状部材１３ｂのトリム下型１４からの除去作業を効率的に行うことができる。
【００４０】
尚、本発明の非金属板としては、材質として樹脂の他に、ゴム、ガラス、陶器、石材等でもよい。
【００４１】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１の燃料電池の膜・電極接合体トリム方法は、プレス下型に、底面を非金属板で構成する凹部を設け、この凹部内にカーボン電極を収納するとともにこのカーボン電極の位置決めを凹部の隣り合う２つの側壁で行った後に、プレス下型へ高分子電解質膜の縁を吸着するとともにトリム刃で高分子電解質膜を切断するようにしたので、高分子電解質膜の縁を下型へ吸着により固定することによって、膜・電極接合体の高分子電解質膜の縁を切断する際に、膜状のワークである高分子電解質膜を傷める心配がなく、膜・電極接合体の品質を向上させることができる。
また、カーボン電極の位置決めを凹部の隣り合う２つの側壁で行うことで、高分子電解質膜及びカーボン電極を傷めずに位置決めを行うことができる。
【００４２】
更に、非金属板で構成する凹部内にカーボン電極を収納することで、カーボン電極に金属イオンが付着するのを防止することができる。
従って、燃料電池の性能を向上させることができる。
【００４３】
請求項２の膜・電極接合体トリム方法は、高分子電解質膜の吸着を、高分子電解質膜の切断後の不用部分に対して実施するので、トリム後に高分子電解質膜の必要な部分をプレス下型から他に移動させれば、高分子電解質膜の不用になった部分のみをプレス下型に残しておくことができるため、不用部分の吸着を止めれば、不用部分のプレス下型からの除去作業を効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池用膜・電極接合体トリム装置の断面図
【図２】本発明に係るＭＥＡトリム装置によるトリム処理を含む燃料電池セルの製造の流れを説明するフロー
【図３】本発明に係るＭＥＡトリム方法を説明する第１作用図
【図４】本発明に係るＭＥＡトリム方法を説明する第２作用図
【図５】本発明に係るＭＥＡトリム方法を説明する第３作用図
【図６】本発明に係るＭＥＡトリム方法を説明する第４作用図
【図７】本発明に係るＭＥＡトリム方法を説明する第５作用図
【図８】燃料電池のセルの断面図
【図９】ＭＥＡのトリム処理の要領を説明する説明図
【符号の説明】
１０…膜・電極接合体トリム装置、１１…カーボン電極、１２…カーボン電極、１３…高分子電解質膜、１３ａ…トリム前の高分子電解質膜、１３ｂ…高分子電解質膜の不用部分（枠状部材）、１４…（プレス下型）トリム下型、１５…トリム刃、１６…プレス上型（トリム上型）、２７…凹部（位置決め収納部）、２７ａ，２７ｂ…側壁、２８…非金属板（樹脂板）、６５…膜・電極接合体、６５ａ…トリム前の膜・電極接合体。
Claims (2)
- 高分子電解質膜の両面にこれより小面積のカーボン電極を貼り合わせてなる膜・電極接合体をトリム対象として、前記高分子電解質膜の縁をトリム刃で切断する燃料電池用膜・電極接合体トリム方法において、
プレス下型に、底面を非金属板で構成する凹部を設け、この凹部内に前記カーボン電極を収納するとともにこのカーボン電極の位置決めを前記凹部の隣り合う２つの側壁で行った後に、プレス下型へ前記高分子電解質膜の縁を吸着するとともに前記トリム刃で前記高分子電解質膜を切断するようにしたことを特徴とする燃料電池の膜・電極接合体トリム方法。 - 前記高分子電解質膜の吸着を、高分子電解質膜の切断後の不用部分に対して実施することを特徴とする請求項１記載の燃料電池の膜・電極接合体トリム方法。
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