JP4922505B2

JP4922505B2 - 燃料電池用セパレータのシール材塗布方法

Info

Publication number: JP4922505B2
Application number: JP2001211333A
Authority: JP
Inventors: 明仁町田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-07-11
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2021-07-11
Also published as: JP2003031239A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シール材塗布品質やシール性の低下を防止する燃料電池用セパレータのシール材塗布方法に関する。
【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によれば、電解質膜１８（符号は公報に記載されているものを使用した。以下同様。）にアノード側電極２０及びカソード側電極２２を添わせ、これらをガスケット２４，２６を介して第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６で挟むことでセルモジュールを構成する。
【０００４】
詳細には、第１セパレータ１４の面１４ａに燃料ガスの流路となる第１流路３８が形成され、第２セパレータ１６の面１６ａに酸化剤ガスの流路となる第２流路４６が形成され、各々中央の電解質膜１８に燃料ガスと酸化剤ガスとを臨ませる構造である。
【０００５】
図１に記載の１個のセルモジュールで得る電気出力はごく小さいので、このようなセルモジュールを多数個積層することで、所望の電気出力を得る。従って、第１・第２セパレータ１４，１６は隣のセルに燃料ガスや酸化剤ガスが洩れないようにする分離部材であることから「セパレータ」と呼ばれる。
【０００６】
第１セパレータ１４は面１４ａに燃料ガスのための流路３８を備え、第２セパレータ１６は面１６ａに酸化剤ガスのための流路４６を備えるが、ガスを効果的にアノード側電極２０及びカソード側電極２２に接触させる必要があり、そのために、流路３８，４６はごく浅い溝を多数本条設する必要がある。
【０００７】
そして、第１・第２セパレータ１４，１６は、流路３８，４６に燃料ガス又は酸化剤ガスを供給するために一端部にそれぞれ燃料ガス供給孔部３２ａ、酸化剤ガス供給孔部３４ａを備え、他端部にそれぞれ燃料ガス排出孔部３２ｂ、酸化剤ガス排出孔部３４ｂを備え、また、冷却水を通すための冷却水供給孔部３６ａを一端部に備え、冷却水排出孔部３６ｂを他端部に備える。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等は、ガスケット２４，２６の代わりに液状シール材をセパレータに塗布し、２枚のセパレータで電解質膜及び電極からなる膜・電極接合体を挟んでセルモジュールの製造を種々試みたが、次に示す課題が発生した。
【０００９】
図１０は従来のシール材塗布要領を説明する作用図であり、セパレータ１０１にシール材塗布ガン１０２でシール材１０３を塗布する場合、シール材１０３の塗り終わり部分１０４で塗布を終了するためにシール材塗布ガン１０２の駆動部を停止させると、シール材塗布ガン１０２のノズル部１０５内に残っていたシール材１０３が垂れ落ちることがある。これは、シール材塗布品質の低下やシール材厚さ不均一によるシール性の低下に繋がる。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、燃料電池用セパレータのシール材塗布方法を改良することで、シール材塗布品質やシール性の低下を防止することにある。
【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、モータと、このモータで駆動するシール材押出し手段と、このシール材押出し手段の先端に設けたノズル部とからなるシール材塗布手段を用いて、セパレータのガス通路及び水通路の周囲に液状のシール材を塗布する燃料電池用セパレータのシール材塗布方法において、セパレータに、シール材を塗布するシール溝を設け、このシール溝の幅を、シール材の塗り始め部分及び塗り終わり部分で、これらの塗り始め部分及び塗り終わり部分以外よりも大きくし、シール材の塗り始め部分と塗り終わり部分とを、シール溝の幅を大きくした箇所で交差させるようにしたことを特徴とする。
【００１２】
本発明では、上記したようにセパレータに、シール材を塗布するシール溝を設け、このシール溝の幅を、シール材の塗り始め部分及び塗り終わり部分で、これらの塗り始め部分及び塗り終わり部分以外よりも大きくしたので、シール材の塗り始め部分及び塗り終わり部分で、シール材の塗布位置の自由度を増すことができ、塗り始め部分と塗り終わり部分とを繋ぐ場合に、塗り始め部分と塗り終わり部分との隙間がなくなるようにシール材の塗布位置を設定することができて、シール性を向上させることができる。
また、シール材の塗り始め部分と塗り終わり部分とを交差させるようにしたことで、塗り始め部分と塗り終わり部分との密着性を高めることができ、単に塗り始め部分の先端と塗り終わり部分の先端とを繋ぐのに比べて、塗り始め部分と塗り終わり部分との間に隙間を無くすことができて、シール性を向上させることができる。
【００１３】
【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セパレータのシール塗布積層装置の正面図であり、シール塗布積層装置１０は、セパレータにシール材を塗布するシール材塗布ステーション１１と、シール材を塗布したセパレータに膜・電極接合体を積層する積層ステーション１２とを備える。なお、１３はシール材塗布ステーション１１へセパレータを投入する投入ステーション、１４は膜・電極接合体をトリミングするトリミングステーションである。
【００１４】
膜・電極接合体は、高分子化合物からなる高分子電解質膜の両面に、カーボンペーパーからなるアノード側電極及びカソード側電極をそれぞれ貼り合わせたものである。
【００１５】
図２は本発明に係るシール材塗布ステーションの要部拡大正面図であり、シール材塗布ステーション１１は、ベース部２１に取付けたセパレータ載置台２２と、ベース部２１に取付けたアーム部２３と、このアーム部２３に取付けたシール材塗布ガン２４と、このシール材塗布ガン２４の先端に近接させて配置した非接触式センサ２５とからなる。
【００１６】
シール材塗布ガン２４は、シール材を蓄えるとともに交換可能としたシール材カートリッジ２７と、このシール材カートリッジ２７に取付けたシール材供給ホース２８と、このシール材供給ホース２８の先端を連結したシール材押出し部３１と、このシール材押出し部３１を駆動する電動モータ３２と、シール材を吐出するためにシール材押出し部３１の先端に取付けたノズル部３３とからなる。
【００１７】
非接触式センサ２５は、ノズル部３３のほぼ下方のセパレータ面に、例えばレーザを照射することで、シール材をセパレータに塗布中に、既に塗布したシール材を非接触の状態で検知するものであり、図示せぬ制御装置は、この非接触式センサ２５からの信号に基づいて、アーム部２３を駆動し、シール材塗布ガン２４の水平移動や昇降を制御する。
【００１８】
シール材塗布ガン２４のシール材押出し部３１は、後述するように、螺旋状の溝を設けたスクリューをシリンダ内に挿入したものであり、電動モータ３２でスクリューを回転させることで、シール材カートリッジ２７内のシール材をシール材供給ホース２８を介して吸引するとともに、シリンダ内壁とスクリューの溝との間でシール材を押出し、ノズル部３３から吐出させる。また、シール材押出し部３１は、後述するように、スクリューを上記とは逆に回転させることで、シリンダ内壁とスクリューとの間でシール材を押し上げ、ノズル部３３から吸引する。
【００１９】
図３は図２の３矢視図であり、シール材塗布ガン２４の後部に背板３５を取付け、この背板３５の下端からステー３６，３６（奥側のステー３６は不図示）を斜め下方に延ばし、これらのステー３６，３６の先端に非接触式センサ２５を取付けたことを示す。
非接触式センサ２５は、先端をノズル部３３の下方に向けたものである。
【００２０】
図４は図３の４−４線断面図であり、シール材塗布ガン２４のシール材押出し部３１に第１シリンダ部４１及び第２シリンダ部４２を設け、これらの第１シリンダ部４１及び第２シリンダ部４２にそれぞれ第１スクリュー４３及び第２スクリュー４４を挿入したシール材押出し軸４５を電動モータ３２（図３参照）の出力軸に連結することを示す。
【００２１】
ここで、４７は第２シリンダ部４２と一体に形成したケース部、４８はシール材押出し軸４５を支持するためにケース部４７に設けた軸受部、５１はシール材供給ホース２８に連通させるためにケース部４７に形成したシール材導入室、５２はジョイント、５３，５３はホースバンドである。
【００２２】
図５は本発明に係るセパレータの平面図であり、セパレータ５７に図示せぬガス通路及び水通路を形成し、これらのガス通路及び水通路の周囲にシール材塗布溝５８を設け、このシール材塗布溝５８にシール材６１を塗布した状態を示す。
シール材塗布溝５８は、幅が他の部分より大きな拡張部６２を備えた平面視環状の溝であり、拡張部６２の溝幅をｗ１とし、拡張部６２以外の溝幅をｗ２とすると、ｗ１＞ｗ２である。
【００２３】
シール材６１は、シール溝５８の拡張部６２に直線状の塗り始め部分６３を塗布し、この塗り始め部分６３から順に、第１曲線部６４、第１直線部６５、第２曲線部６６、第２直線部６７、第３曲線部６８を塗布し、この第３曲線部６８に続く直線状の塗り終わり部分７１を拡張部６２に塗布したものである。
【００２４】
ここで、７２はシール材６１を塗布せずにシール材塗布ガン２４を水平移動する移動経路、８０〜８８はシール材６１の各部を塗布する際にシール材塗布ガン２４の移動の始点又は終点とするために、図５において、シール材塗布溝５８上に設けた架空の点、９１は第１曲線部６４上の点、９２は第１直線部６５上の点、９３は第２曲線部６６上の点、９４は第２直線部６７上の点、９５は第３曲線部６８上の点である。上記した点９１，９３，９５は、予め移動方向を教示したティーチングポイントである。
【００２５】
次にシール材塗布方法について説明する。
図６は本発明に係るシール材塗布方法を説明する第１作用図であり、シール材塗布ガン２４内のシール材の流れを説明する。
シール材６１の塗布を開始するには、電動モータを作動させることで、シール材押出し軸４５を白抜き矢印の方向へ回転させる。ここでの電動モータ及びシール材押出し軸４５の回転方向を正方向とする（正回転とする。）。
【００２６】
これにより、シール材カートリッジからシール材供給ホース２８を通じてシール材導入室５１内に吸引したシール材６１を、矢印に示すように、第１シリンダ部４１と第１スクリュー４３の溝との間及び第２シリンダ４２と第２スクリュー４４の溝との間から下方へ押出し、ノズル部３３から外部に吐出させ、セパレータ５７に塗布する。
【００２７】
図７（ａ）〜（ｇ）は本発明に係るシール材塗布方法を説明する第２作用図であり、シール材塗布ガンのノズル部の移動及びシール材の塗布動作を順に説明する。
（ａ）において、ノズル部３３の先端をセパレータ５７から所定距離ｄ１だけ離して配置する。
（ｂ）において、ノズル部３３を（ａ）の位置から所定距離ｄ２だけ下降させ、シール材の塗布を開始する。
【００２８】
（ｃ）において、シール材６１の塗布を開始してから所定時間ｔ１経過後に所定時間ｔ２の間、一旦、塗布を停止してシール材６１をセパレータ５７に十分に密着させる。
そして、上記所定時間ｔ２の後、ノズル部３３を所定速度ｖ１で（ａ）の位置まで上昇させる。
（ｄ）において、ノズル部３３を所定速度ｖ２で水平移動させながらセパレータ５７にシール材６１を塗布する。このときには非接触式センサからレーザ７４をセパレータ５７に照射している。
【００２９】
（ｅ）において、レーザ７４がシール材６１の塗り始め部分６３に当たって非接触式センサが塗り始め部分６３を検知すると、（ｆ）において、シール材塗布ガンはシール材吸引動作を行いながら（詳細は後述する。）所定速度ｖ３（ｖ３＜ｖ２）で水平移動するため、ノズル部３３からのシール材６１の吐出量が減少し、（ｇ）に示すように、やがてノズル部３３からのシール材６１の吐出は止まる。ノズル部３３が図５に示した点８７まで移動したら、シール材塗布ガンのシール材吸引動作を終了し、この点８７から点８８まで所定速度ｖ３で移動して、セパレータ５７へのシール材塗布工程を終了する。
【００３０】
図８は本発明に係るシール材塗布方法を説明する第３作用図であり、シール材塗布ガン２４の上記したシール材吸引動作について説明する。
電動モータを、図６で示した回転方向に対して逆回転させ、図８に示すようにシール材押出し軸４５を白抜き矢印の方向に回転させる。即ち、電動モータ及びシール材押出し軸４５の回転方向を逆方向とする（逆回転とする）。
【００３１】
これにより、第１シリンダ部４１と第１スクリュー４３の溝との間のシール材６１及び第２シリンダ部４２と第２スクリュー４４の溝との間のシール材６１を矢印のように上方に移動させ、ノズル部３３内のシール材６１を吸引する。
従って、ノズル部３３からのシール材６１の吐出量は減少し、やがてノズル部３３からのシール材６１の吐出は止まる。
【００３２】
以上に述べたシール材塗布ガン２４の動作のフローを次に説明する。
図９は本発明に係るシール材塗布ガンの動作を説明するフロー図である。ＳＴ××はステップ番号を示す。
ＳＴ０１…電動モータを作動させる。
ＳＴ０２…シール材押出し軸を正回転させ、シール材の塗布を開始する。
【００３３】
ＳＴ０３…非接触式センサにより塗り始め部分を検知する。
ＳＴ０４…シール材押出し軸を逆回転させ、ノズル部のシール材を吸引する。
ＳＴ０５…電動モータを停止させる。
これで、シール材塗布ガンによるシール材塗布を終了する。
【００３４】
以上の図２、図６及び図８で説明したように、本発明は第１に、電動モータ３２と、この電動モータ３２で駆動するシール材押出し軸４５と、このシール材押出し軸４５の先端に設けたノズル部３３とからなるシール材塗布ガン２４を用いて、セパレータ５７のガス通路及び水通路の周囲に液状のシール材６１を塗布する燃料電池用セパレータ５７のシール材塗布方法において、電動モータ３２を正回転させた場合には、シール材押出し軸４５でシール材６１を押出してノズル部３３からシール材６１を吐出し、電動モータ３２を逆回転させた場合には、シール材押出し軸４５でシール材６１を吸い上げてノズル部３３からシール材６１が垂れ落ちるのを防止するようにしたことを特徴とする。
【００３５】
シール材６１の塗り終わり部分７１（図５参照）で電動モータ３２を逆回転させれば、ノズル部３３内のシール材６１を吸い上げることができ、塗り終わり部分７１でのシール材６１が垂れ落ちるのを防止することができる。この結果、シール材６１の塗布厚さが不均一にならず、シール性を向上させることができるとともに、シール材の塗布品質を高めることができる。
【００３６】
従って、例えば、従来のように、シール材の塗り終わり部分でシール材が垂れ落ち、シール材の厚さが不均一となった場合に、シール材を塗布したセパレータを膜・電極接合体と積層して圧縮する際、硬化したシール材の厚さの不均一が原因でセパレータに亀裂が発生するようなことを本発明では防止することができる。
【００３７】
本発明は第２に、図７（ｄ），（ｆ）で説明したように、シール材６１の塗り終わり部分７１（図５参照）では、塗り終わり以前の水平移動速度ｖ２に対して、ノズル部３３の水平移動速度ｖ３を低速にするとともにシール材塗布量を減少させたことを特徴とする。
【００３８】
ノズル部３３の水平移動速度ｖ３を低速にすることで、シール材６１の塗り終わり部分７１で時間を掛けてシール材６１をセパレータ５７に、より密着しやすくすることができ、この塗り終わり部分７１をシール材６１の塗り始め部分６３に繋ぐ場合に、塗り終わり部分７１と塗り始め部分６３とがより密着し、塗り終わり部分７１と塗り始め部分６３との隙間を無くすことができ、シール性を向上させることができる。
【００３９】
また、シール材６１の塗り終わり部分７１でシール材塗布量を減少させたことで、水平移動速度ｖ３を低速にしたことによるシール材６１の外形寸法、例えば、高さや幅が大きくなるのを防止することができる。
【００４０】
本発明は第３に、図５で説明したように、セパレータ５７に、シール材６１を塗布するシール材塗布溝５８を設け、このシール材塗布溝５８の幅を、シール材６１の塗り始め部分６３及び塗り終わり部分７１で、これらの塗り始め部分６３及び塗り終わり部分７１以外よりも大きくしたことを特徴とする。
【００４１】
これにより、シール材６１の塗り始め部分６３及び塗り終わり部分７１で、シール材６１の塗布形状の自由度を増すことができ、塗り始め部分６３と塗り終わり部分７１とを繋ぐ場合に、塗り始め部分６３と塗り終わり部分７１との隙間がなくなるようにシール材６１の塗布位置を設定する、例えば、塗り始め部分６３と塗り終わり部分７１とを重ねたり、接触面積が大きくなるようにしたりすることができて、シール性を向上させることができる。
【００４２】
本発明は第４に、シール材６１の塗り始め部分６３と塗り終わり部分７１とを、シール材塗布溝５８の幅を大きくした拡張部６２で交差させるようにしたことを特徴とする。
【００４３】
シール材６１の塗り始め部分６３と塗り終わり部分７１とを交差させるようにしたことで、塗り始め部分６３と塗り終わり部分７１との密着性をより高めることができ、単に塗り始め部分の先端と塗り終わり部分の先端とを繋ぐのに比べて、塗り始め部分６３と塗り終わり部分７１との間に隙間を無くすことができて、シール性を向上させることができる。
【００４４】
尚、本発明では、モータを逆転させてノズル部からシール材が垂れ落ちるのを防止するようにしたが、モータの回転速度をも制御できるようにする、例えば、シール材の粘度が小さい場合（垂れ落ちやすい）にモータの逆回転速度を大きくし、シール材の粘度が大きい場合（垂れ落ちにくい）にモータの逆回転速度を小さくしてもよい。
【００４５】
【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の燃料電池用セパレータのシール材塗布方法は、モータと、このモータで駆動するシール材押出し手段と、このシール材押出し手段の先端に設けたノズル部とからなるシール材塗布手段を用いて、セパレータのガス通路及び水通路の周囲に液状のシール材を塗布する燃料電池用セパレータのシール材塗布方法において、セパレータに、シール材を塗布するシール溝を設け、このシール溝の幅を、シール材の塗り始め部分及び塗り終わり部分で、これらの塗り始め部分及び塗り終わり部分以外よりも大きくし、シール材の塗り始め部分と塗り終わり部分とを、シール溝の幅を大きくした箇所で交差させるようにした。
まず、セパレータに、シール材を塗布するシール溝を設け、このシール溝の幅を、シール材の塗り始め部分及び塗り終わり部分で、これらの塗り始め部分及び塗り終わり部分以外よりも大きくしたので、シール材の塗り始め部分及び塗り終わり部分で、シール材の塗布位置の自由度を増すことができ、塗り始め部分と塗り終わり部分とを繋ぐ場合に、塗り始め部分と塗り終わり部分との隙間がなくなるようにシール材の塗布位置を設定することができて、シール性を向上させることができる。
次に、シール材の塗り始め部分と塗り終わり部分とを、シール溝の幅を大きくした箇所で交差させるようにしたので、塗り始め部分と塗り終わり部分との密着性をより高めることができ、単に塗り始め部分の先端と塗り終わり部分の先端とを繋ぐのに比べて、塗り始め部分と塗り終わり部分との間に隙間を無くすことができて、シール性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池用セパレータのシール塗布積層装置の正面図
【図２】本発明に係るシール材塗布ステーションの要部拡大正面図
【図３】図２の３矢視図
【図４】図３の４−４線断面図
【図５】本発明に係るセパレータの平面図
【図６】本発明に係るシール材塗布方法を説明する第１作用図
【図７】本発明に係るシール材塗布方法を説明する第２作用図
【図８】本発明に係るシール材塗布方法を説明する第３作用図
【図９】本発明に係るシール材塗布ガンの動作を説明するフロー図
【図１０】従来のシール材塗布要領を説明する作用図
【符号の説明】
２４…シール材塗布手段（シール材塗布ガン）、３２…電動モータ、３３…ノズル部、４５…シール材押出し手段（シール材押出し軸）、５７…セパレータ、５８…シール溝（シール材塗布溝）、６１…シール材、６２…拡張部、６３…塗り始め部分、７１…塗り終わり部分、ｖ３…塗り終わり部分での水平移動速度（所定速度）、ｗ２…拡張部の溝幅。

Claims

モータと、このモータで駆動するシール材押出し手段と、このシール材押出し手段の先端に設けたノズル部とからなるシール材塗布手段を用いて、セパレータのガス通路及び水通路の周囲に液状のシール材を塗布する燃料電池用セパレータのシール材塗布方法において、
前記セパレータに、シール材を塗布するシール溝を設け、このシール溝の幅を、シール材の塗り始め部分及び塗り終わり部分で、これらの塗り始め部分及び塗り終わり部分以外よりも大きくし、
前記シール材の塗り始め部分と塗り終わり部分とを、前記シール溝の幅を大きくした箇所で交差させるようにした、
ことを特徴とする燃料電池用セパレータのシール材塗布方法。