JP4934250B2

JP4934250B2 - 燃料電池用セパレータのシール材塗布方法

Info

Publication number: JP4934250B2
Application number: JP2001211356A
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: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2021-07-11
Also published as: JP2003031235A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シール材の塗り始め部分でのシール材塗布品質を高め、シール性を向上させるのに好適な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（ａ），（ｂ）は従来のシール材塗布要領を説明する説明図である。
（ａ）において、ノズル１０１からシール材１０２を吐出し、ノズル１０１を白抜き矢印のように移動させながらセパレータ１０３にシール材１０２を塗り始めるときに、セパレータ１０３とシール材１０２の塗り始め部分１０４との密着が十分でないために塗り始め部分１０４の先端がめくれることがある。
【００１０】
（ｂ）において、シール材１０２の塗り始めの白抜き矢印で示すノズル移動速度が適当でないために、シール材１０２の塗り始め部分１０４が切れて欠肉部１０５が生じることがある。
以上の（ａ），（ｂ）のように、シール材１０２の塗り始め部分１０４のシール材塗布品質を損ねると、シール性を低下させるとともに、シール材１０２の塗り始め部分１０４から後の塗布部分のシール材塗布品質にも影響を与える。
【００１１】
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、シール材の塗り始め部分でのシール材塗布品質を高め、シール性を向上させることにある。
【００１２】
【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シール材塗布ノズルとからなる水平移動及び昇降動するシール材塗布ガンを用いて、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、シール材の塗り始め部分では、後の塗布部分よりもシール材塗布ノズルを下降させてセパレータに接近させ、シール材の吐出開始から所定時間シール材塗布ノズルを停止させ、所定時間経過後にシール材塗布ノズルを水平移動速度で移動させながら元の高さまで上昇させ、シール材塗布ノズルを水平移動速度よりも増速した水平移動速度で移動させながらシール材を塗布し、爾後、シール材の塗り終わり部分でシール材の吸引を開始し、これと同時にシール材塗布ノズル部の水平移動速度を前記増速した水平移動速度よりも減速し、シール材の吸引を終了してシール材の塗布を終了するようにしたことを特徴とする。
【００１３】
ノズル部をセパレータに接近させることで、吐出するシール材をセパレータに押付ける押付け力を大きくすることができ、シール材をセパレータに密着させることができる。従って、例えば、塗り始め部分の端部のめくれを防止することができる。
【００１４】
また、ノズル部の水平移動速度を下げたことで、シール材をより均一な厚さに塗布することができ、例えば、シール材の欠肉を防止することができる。
【００１５】
以上より、ノズル部をセパレータに接近させたこと、及びノズル部の水平移動速度を下げたことで、シール材の塗り始め部分のシール材塗布品質を高めるとともにシール性をより高めることができる。
【００１６】
また本発明は、ノズルが下降してセパレータに接近させたときには、シール材の吐出開始から所定時間ノズルを停止させ、この後に水平移動を行う。
シール材の吐出開始から所定時間ノズルを停止させることで、吐出するシール材をセパレータに時間を掛けて押し付けて密着させることができ、シール材の塗布品質をより高めることができ、シール性をより向上させることができる。
【００１７】
【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。
【００１８】
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。
【００１９】
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手段としてのシール材塗布ガン２４と、このシール材塗布ガン２４の先端に接近させて配置した非接触式センサ２５とからなる。
【００２０】
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。なお、３４はシール材塗布ガン２４を左右方向（ｘ−ｘ方向）に移動させる左右移動装置、３５はシール材塗布ガン２４を鉛直方向（ｚ−ｚ方向）に移動させる鉛直移動装置である。
【００２１】
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、後述する制御装置は、この非接触式センサ２５からの信号に基づいて、上記した左右移動装置３４、鉛直移動装置３５及び後述する前後移動装置を駆動して、シール材塗布ガン２４の水平移動や昇降を制御する。
【００２２】
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。
【００２３】
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３６を取付け、この背板３６の下端からステー３７，３７（奥側のステー３７は不図示）を斜め下方に延ばし、これらのステー３７，３７の先端に非接触式センサ２５を取付けたことを示す。なお、３８はシール塗布ガン２４を前後方向（ｙ−ｙ方向）に移動させるためにアーム部２３の下部に設けた前後移動装置、３９は電動モータ３２、左右移動装置３４及び鉛直移動装置３５の駆動を制御する制御装置である。
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。）。
【００３０】
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シリンダ部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。
【００３１】
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。
【００３２】
（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経過するまで一旦ノズル部３３を停止させてシール材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ｔ１経過後、ノズル部３３を水平移動速度ｖ１で移動させながら（ａ）の高さまで上昇させる。
【００３３】
（ｄ）において、ノズル部３３が（ａ）に示した高さまで上昇したらノズル部３３を水平移動速度ｖ２（ｖ２＞ｖ１である。）に増速して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。
【００３４】
（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。）水平移動速度ｖ３（ｖ３＜ｖ２である。）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、電動モータを停止させ、シール材塗布ガンのシール材吸引動作を終了してシール材の塗布を終了し、この点８７からノズル部３３を点８８まで水平移動速度ｖ３で移動して、セパレータ５７へのシール材６１の塗布工程を完了する。
【００３５】
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。
図７（ｅ）において、非接触式センサがシール材６１の塗り始め部分６３を検知すると、この検知信号に基づいて制御装置は、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）。
【００３６】
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。
【００３７】
図９は本発明に係るシール材塗布方法のフロー図であり、図７で説明したシール材塗布方法を再度説明する。なお、ＳＴ××はステップ番号を示す。
ＳＴ０１…シール材塗布ガンのノズル部をセパレータから所定距離ｄ１だけ離して配置する。
ＳＴ０２…ノズル部を所定距離ｄ２だけ下降させる。
ＳＴ０３…ノズル部を停止させた状態でノズル部からシール材の吐出を開始し、セパレータへのシール材の塗布を開始する。
【００３８】
ＳＴ０４…シール材の吐出開始後、所定時間ｔ１が経過したかどうか判断する。
所定時間ｔ１が経過していない（ＮＯ）場合は、ＳＴ０４を再度実行する。
所定時間ｔ１が経過した（ＹＥＳ）場合は、ＳＴ０５に進む。
【００３９】
ＳＴ０５…ノズル部を水平移動速度ｖ１で移動させながら元の高さまで上昇させる。
ＳＴ０６…ノズル部を水平移動速度ｖ２に増速して移動させながらシール材を塗布する。
ＳＴ０７…シール材の塗り始め部分と塗り終わり部分との交差位置で電動モータを逆回転させ、シール材の吸引を開始する。これと同時に、ノズル部の水平移動速度ｖ２を水平移動速度ｖ３に減速する。
【００４０】
ＳＴ０８…シール材の吸引を終了して、シール材の塗布を終了する。
ＳＴ０９…ノズル部を退避位置まで移動させる。
これで、セパレータへのシール材の塗布は完了する。
【００４１】
以上の図２、図５及び図７（ｂ），（ｃ）で説明したように、本発明は第１に、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をシール材塗布ガン２４を用いて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、シール材６１の塗り始め部分６３では、後の塗布部分よりもシール塗布ガン２４に設けたノズル部３３をセパレータ５７に接近させるとともにノズル部３３の水平移動速度を下げたことを特徴とする。
【００４２】
ノズル部３３をセパレータ５７に接近させることで、吐出するシール材６１をセパレータ５７に押付ける押付け力を大きくすることができ、シール材６１をセパレータ５７に密着させることができる。従って、例えば、塗り始め部分６３の端部のめくれを防止することができる。
また、ノズル部３３の水平移動速度ｖ１を小さくしたことで、シール材６１をより均一な厚さに塗布することができ、例えば、シール材の欠肉を防止することができる。
【００４３】
以上より、ノズル部３３をセパレータ５７に接近させたこと、及びノズル部３３の水平移動速度ｖを小さくしたことで、シール材の塗り始め部分のシール材塗布品質を高めるとともにシール性を向上させることができる。
【００４４】
本発明は第２に、ノズル部３３をセパレータ５７に接近させたときには、シール材６１の吐出開始から所定時間ｔ１だけノズル部３３を停止させ、この後に水平移動を行うことを特徴とする。
シール材６１の吐出開始から所定時間ｔ１だけノズル部３３を停止させることで、吐出するシール材６１をセパレータ５７に時間を掛けて押し付けて密着させることができる。従って、塗り始め部分６３のシール材塗布品質をより高め、シール性をより向上させることができる。
【００４５】
尚、本発明の実施の形態では、図７（ｂ），（ｃ）に示したように、所定距離ｄ２だけセパレータに接近させた状態から、ノズル部３３を水平移動速度ｖ１で移動させながら元も高さｄ１まで上昇させたが、これに限らず、まず、ノズル部３３を水平移動速度ｖ１で水平に移動させ、次に元も位置まで上昇させたり、あるいは、ノズル部３３を元の位置まで上昇させ、次にノズル部３３を水平移動速度ｖ１で水平に移動させてもよい。
【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の燃料電池用セパレータのシール材塗布方法は、シール材の塗り始め部分では、後の塗布部分よりもシール材塗布ガンに設けたシール材塗布ノズルを下降させてセパレータに接近させ、シール材の吐出開始から所定時間シール材塗布ノズルを停止させ、所定時間経過後にシール材塗布ノズルを水平移動速度で移動させながら元の高さまで上昇させ、ノズルを水平移動速度よりも増速した水平移動速度で移動させながらシール材を塗布し、爾後、シール材の塗り終わり部分でシール材の吸引を開始し、これと同時にノズルの水平移動速度を前記増速した水平移動速度よりも減速し、シール材の吸引を終了してシール材の塗布を終了するようにしたので、シール材塗布ノズルをセパレータに接近させることによって、吐出するシール材をセパレータに押付ける押付け力を大きくすることができ、シール材をセパレータに密着させることができる。従って、例えば、塗り始め部分の端部のめくれを防止することができる。
【００４７】
また、ノズル部の水平移動速度を下げたことで、シール材をより均一な厚さに塗布することができ、例えば、シール材の欠肉を防止することができる。
【００４８】
以上より、ノズル部をセパレータに接近させたこと、及びノズル部の水平移動速度を下げたことで、シール材の塗り始め部分のシール材塗布品質を高めるとともにシール性をより高めることができる。
【００４９】
また本発明では、シール材塗布ノズルを下降させ、セパレータに接近させたときには、シール材の吐出開始から所定時間シール材塗布ノズルを停止させ、この後に水平移動を行うので、吐出するシール材をセパレータに時間を掛けて押し付けて密着させることができ、シール材の塗布品質をより高めることができ、シール性をより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方法のフロー図
【図１０】従来のシール材塗布要領を説明する説明図
【符号の説明】
２４…シール材塗布手段（シール材塗布ガン）、３３…ノズル部、５７…セパレータ、６１…シール材、６３…塗り始め部分、ｔ１…所定時間、ｖ１水平移動速度。

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シール材塗布ノズルとからなる水平移動及び昇降動するシール材塗布ガンを用いて、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、
前記シール材の塗り始め部分では、後の塗布部分よりも前記シール材塗布ノズルを下降させてセパレータに接近させ、シール材の吐出開始から所定時間シール材塗布ノズルを停止させ、所定時間経過後に前記シール材塗布ノズルを水平移動速度で移動させながら元の高さまで上昇させ、前記シール材塗布ノズルを前記水平移動速度よりも増速した水平移動速度で移動させながらシール材を塗布し、
爾後、前記シール材の塗り終わり部分でシール材の吸引を開始し、これと同時に前記シール材塗布ノズル部の水平移動速度を前記増速した水平移動速度よりも減速し、シール材の吸引を終了してシール材の塗布を終了するようにした、
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。