JP4878418B2

JP4878418B2 - 燃料電池用膜・電極接合体トリム装置

Info

Publication number: JP4878418B2
Application number: JP2001206709A
Authority: JP
Inventors: 哲夫石井; 晃広大杉
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-07-06
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2021-07-06
Also published as: JP2003022832A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トリム中の膜・電極接合体の横ずれを防止するのに好適な燃料電池用膜・電極接合体トリム装置に関する。
【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：ＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＭｅｍｂｒａｎｅ）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：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）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の製造装置を用いて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（ａ），（ｂ）はＭＥＡのトリム装置及びトリム処理の要領を説明する説明図であり、（ａ）において、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】
（ｂ）において、切断が終了したら、矢印のようにプレス装置１２４を上昇させる。
切断を終了したＰＥＭ１０１及び電極１０２，１０３からなるＭＥＡ１０８には、白抜き矢印に示すように横ずれが発生していることがあり、トリムが完了する前に横ずれを起こせば、トリムの精度が悪くなり、燃料電池の品質を損ねる。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、燃料電池用膜・電極接合体トリム装置を改良することにより、トリム中の膜・電極接合体の横ずれを防止することにある。
【００１０】
【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、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・電極接合体トリム装置において、このトリム装置は、膜・電極接合体を載せるプレス下型と、このプレス下型の上方に配置され下面に前記トリム刃を備えたプレス上型と、このプレス上型に昇降可能に吊され前記トリム刃が前記高分子電解質膜をトリムする際に前記プレス下型へ前記高分子電解質膜を押さえる吸着保持装置で構成し、この吸着保持装置に、一方のカーボン電極を収納してこのカーボン電極の水平方向のずれを防止する凹部を備えると共にこの凹部の底面に前記カーボン電極を吸着させる吸着孔を備えることを特徴とする。
【００１１】
高分子電解質膜のトリム中に、吸着手段でカーボン電極を吸着することで、カーボン電極と凹部の底面との間で発生する摩擦力により、カーボン電極、ひいては膜・電極接合体の横ずれを防止することができる。
【００１２】
請求項２は、凹部の底面に多孔質板を取付け、この多孔質板を介してカーボン電極を吸着孔で吸着することを特徴とする。
【００１３】
凹部内の空気を多孔質板を介して吸着することができ、カーボン電極を吸着装置で局部的に吸着する場合に比べて、多孔質板の全体に分布する孔部によって多孔質板の表面の全体でほぼ均一な吸着力でカーボン電極を吸着することができ、カーボン電極を傷めることがない。
【００１４】
また、多孔質板であるから、カーボン電極を吸着したときの多孔質板とカーボン電極との間の摩擦力を大きくすることができ、カーボン電極の横ずれ防止効果をより一層高めることができる。
【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】
もし、カーボン電極１１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１１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る。
【００２０】
下型用吸着部２３は、載置部２１に開けた吸着孔３１・・・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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
第１凹部４２は、パッド４３を介してカーボン電極１２を収納する部分である。
【００２３】
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。
【００２４】
上型用第１吸着部４４は、第１凹部４２の底面４２ａ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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
図３（ａ）〜（ｃ）は本発明に係るＭＥＡトリム装置の作用を説明する第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。
【００３０】
（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の位置決めを行う。これにより、載置部２１に対するＰＥＭ１３ａの位置決めを行うことができる。（（ｂ）では説明の都合上、カーボン電極１２は図示していない。）
【００３１】
図４（ａ），（ｂ）は本発明に係るＭＥＡトリム装置の作用を説明する第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。
【００３２】
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。
このとき、カーボン電極１２をパッド４３を介して上型用第１吸着部４４で吸着すると、カーボン電極１２の上面には、矢印Ｎで示す吸着による力（この力を力Ｎとする。）が作用し、この状態でカーボン電極１２がパッド４３の表面を横ずれしようとすると、カーボン電極１２とパッド４３との間に力Ｎによって矢印Ｆ１又は矢印Ｆ２で示す摩擦力Ｆ１又は摩擦力Ｆ２が発生する。
【００３３】
即ち、パッド４３に対してカーボン電極１２が図の右方に横ずれしようとすれば摩擦力Ｆ１が発生し、カーボン電極１２が左方に横ずれしようとすれば、摩擦力Ｆ２が発生するというように、カーボン電極１２の移動方向と反対の方向に摩擦力が発生する。
このように、上記した摩擦力Ｆ１又は摩擦力Ｆ２によって、トリム中のカーボン電極１２の横ずれを防止することができる。
【００３４】
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。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１２及びＰＥＭ１３の吸着を継続し、図示せぬ積層ステーションへ搬送する。
【００３５】
ＰＥＭ１３ａを切断して不用になった枠状部材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。
【００３６】
以上の図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を貼り合わせてなる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トリム装置１０において、このトリム装置１０は、ＭＥＡ６５ａを載せるトリム下型１４と、トリム刃１５を備えたトリム上型１６とで構成し、このトリム上型１６にカーボン電極１２を収納する第１凹部４２及び収納したカーボン電極１２をパッド４３を介して第１凹部４２の底面４２ａに吸着させる上型用第１吸着部４４を備え、トリム中に、ＭＥＡ６５ａの横ずれを防止できるようにしたことを特徴とする。
【００３７】
ＰＥＭ１３ａのトリム中に、上型用第１吸着部４４でカーボン電極１２を吸着することで、カーボン電極１２とパッド４３との間で発生する摩擦力Ｆ１又は摩擦力Ｆ２により、カーボン電極１２、ひいてはＭＥＡ６５ａの横ずれを防止することができる。従って、トリム精度を高めることができ、燃料電池の品質を向上させることができる。
【００３８】
また、例えば、このＭＥＡトリム装置１０でＭＥＡ６５ａの横ずれが防止できれば、このトリム工程から次の工程、例えばＭＥＡ６５をセパレータと積層する積層工程にＭＥＡ６５を搬送する場合に、ＭＥＡトリム装置１０から所定距離離れた積層ステーションまで、その距離を精度よく移動するように制御することで、積層ステーションで特に位置決めを行わなくても積層ステーションでのＭＥＡ６５の位置決めを精度よく行うことができる。
【００３９】
本発明は第２に、第１凹部４２の底面４２ａにパッド４３を取付け、このパッド４３を用いてカーボン電極１２を吸着することを特徴とする。
【００４０】
第１凹部４２内の空気をパッド４３を介して吸着することができ、カーボン電極１２を吸着装置で局部的に吸着する場合に比べて、パッド４３の全体に分布する孔部によってパッド４３の表面の全体でほぼ均一な吸着力でカーボン電極１２を吸着することができ、カーボン電極１２を傷めることがない。
【００４１】
また、パッド４３は多孔質材料であるから、カーボン電極１２を吸着したときのパッド４３とカーボン電極１２との間の摩擦力を大きくすることができ、カーボン電極１２の横ずれ防止効果をより一層高めることができる。
【００４２】
図５は本発明に係るＭＥＡトリム装置の作用を説明する第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。
【００４３】
図６は本発明に係るＭＥＡトリム装置の作用を説明する第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。
【００４４】
図７（ａ），（ｂ）は本発明に係るＭＥＡトリム装置の作用を説明する第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の上面がトリム刃１５の刃先１５ａに倣い、ＰＥＭ１３ａの上面が刃先１５ａにほぼ平行になって、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。
【００４５】
尚、本発明では、凹部の底面に多孔質板を取付けたが、これに限らず、多孔質板の代わりに、樹脂製板材の吸着手段側の面に凹状の空気溜まりを設け、この空気溜まりから電極側の面へ通じる複数の小孔を開け、この樹脂製板材をプレス上型の凹部の底面に取付けてもよい。
【００４６】
【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の燃料電池用膜・電極接合体トリム装置は、膜・電極接合体を載せるプレス下型と、トリム刃を備えたプレス上型とで構成し、このプレス上型に一方のカーボン電極を収納する凹部及び収納したカーボン電極を凹部の底面に吸着させる吸着手段を備えたので、高分子電解質膜のトリム中に、吸着手段でカーボン電極を吸着することで、カーボン電極と凹部の底面との間で発生する摩擦力により、カーボン電極、ひいては膜・電極接合体の横ずれを防止することができる。従って、トリム精度を高めることができ、燃料電池の品質を向上させることができる。
【００４７】
請求項２の燃料電池用膜・電極接合体トリム装置は、凹部の底面に多孔質板を取付け、この多孔質板を用いて前記カーボン電極を吸着するので、凹部内の空気を多孔質板を介して吸着することができ、カーボン電極を吸着装置で局部的に吸着する場合に比べて、多孔質板の全体に分布する孔部によって多孔質板の表面の全体でほぼ均一な吸着力でカーボン電極を吸着することができ、カーボン電極を傷めることがない。
【００４８】
また、多孔質板であるから、カーボン電極を吸着したときの多孔質板とカーボン電極との間の摩擦力を大きくすることができ、カーボン電極の横ずれ防止効果をより一層高めることができる。
【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トリム装置の作用を説明する第１作用図
【図４】本発明に係るＭＥＡトリム装置の作用を説明する第２作用図
【図５】本発明に係るＭＥＡトリム装置の作用を説明する第３作用図
【図６】本発明に係るＭＥＡトリム装置の作用を説明する第４作用図
【図７】本発明に係るＭＥＡトリム装置の作用を説明する第５作用図
【図８】燃料電池のセルの断面図
【図９】膜・電極接合体のトリム装置及び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、１１，１２…カーボン電極、１３…高分子電解質膜、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）、４２…凹部（第１凹部）、４２ａ…凹部の底面、４３…多孔質板（パッド）、４４…吸着手段（上型用第１吸着部）、６５…膜・電極接合体。

Claims

高分子電解質膜（１３ａ）の両面にこれより小面積のカーボン電極（１１、１２）を貼り合わせてなる膜・電極接合体（６５ａ）をトリム対象として、前記高分子電解質膜（１３ａ）の縁をトリム刃（１５）で切断する燃料電池用膜・電極接合体トリム装置（１０）において、
このトリム装置（１０）は、膜・電極接合体（６５ａ）を載せるプレス下型（１４）と、このプレス下型（１４）の上方に配置され下面に前記トリム刃（１５）を備えたプレス上型（１６）と、このプレス上型（１６）に昇降可能に吊され前記トリム刃（１５）が前記高分子電解質膜（１３ａ）をトリムする際に前記プレス下型（１４）へ前記高分子電解質膜（１３ａ）を押さえる吸着保持装置（１７）で構成し、
この吸着保持装置（１７）に、一方のカーボン電極を収納してこのカーボン電極（１２）の水平方向のずれを防止する凹部（４２）を備えると共にこの凹部（４２）の底面に前記カーボン電極（１２）を吸着させる吸着孔（４７）を備えることを特徴とする燃料電池用膜・電極接合体トリム装置。
前記凹部（４２）の底面に多孔質板（４３）を取付け、この多孔質板（４３）を介して前記カーボン電極（１２）を前記吸着孔（４７）で吸着することを特徴とする請求項１記載の燃料電池用膜・電極接合体トリム装置。