JP5298453B2

JP5298453B2 - 燃料電池セルの製造方法および製造装置

Info

Publication number: JP5298453B2
Application number: JP2007107239A
Authority: JP
Inventors: 克久田中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-04-16
Filing date: 2007-04-16
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2027-04-16
Also published as: JP2008269810A

Description

本発明は、燃料電池セルの製造方法および製造装置に関する。

環境問題や資源問題への対策の一つとして、酸素や空気等の酸化性ガスと、水素やメタン等の還元性ガス（燃料ガス）あるいはメタノール等の液体燃料等とを原料として電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換して発電する燃料電池が注目されている。

一般的に、固体高分子電解質型燃料電池などの燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）をセパレータで挟んで構成した燃料電池セルを、複数個積層して構成される。燃料電池セルにおける膜−電極アッセンブリは、高分子イオン交換膜からなる高分子電解質膜の両側に、それぞれ水素極（アノード極）及び空気極（カソード極）を対設した構造をとる。水素極（アノード極）及び空気極（カソード極）は、それぞれ、高分子電解質膜上に形成された触媒層と、さらにその上に形成されたガス拡散層とからなる。すなわち、膜−電極アッセンブリは、高分子電解質膜を触媒層で挟み、さらにガス拡散層で挟んで一体化した構成となっている。

ところで、このような構成の燃料電池セルの製造方法については、例えば下記特許文献１に記載のものがある。特許文献１には、保護シートと共にシート状に展開して燃料電池セルの製造装置に供給される電解質膜の少なくとも一方の縁部分に搬送ローラの送り突起に順次係合する搬送穴を設ける一方、同じく燃料電池セルの製造装置に供給されるガス拡散層（若しくは、セパレータ）を搬送する搬送フィルムにも、搬送ローラの送り突起に順次係合する搬送穴を設け、両搬送穴を基準として、ガス拡散層（若しくは、セパレータ）とＭＥＡフィルム（例えば、電解質膜の両面に触媒層を有するフィルム）とを位置決めして組付け、接合させる、といった技術が開示されている。

また、上記のＭＥＡフィルムにガス拡散層を接合するにあたり、例えばホットプレスのような加熱したプレス用プレートを用い、ガス拡散層が組み付けられたＭＥＡフィルムを挟んでプレスし、ガス拡散層を接合させる技術が適用されている。

特開２００５−１８３１８２号公報

しかしながら、上記従来技術においては、プレス用プレートが加熱されているため、ＭＥＡフィルム（電解質膜）やガス拡散層がプレス用プレートに張り付いてしまい、ＭＥＡフィルム（電解質膜）の破損やガス拡散層の撥水ペーストの剥離が生じ得る可能性がある。また、ガス拡散層などがプレス用プレートに張り付くことで、その張り付いたものを取り除くのに余計な作業時間を要する等、生産性が低下するといった問題が生じる。

本発明の目的は、上記問題点を解消し、生産性低下を抑制可能な燃料電池セルの製造方法および製造装置を提供することにある。

本発明は、複数枚のＭＥＡ用基材を組み付けてからプレス型により熱圧プレスして膜−電極アッセンブリを作製する燃料電池セルの製造装置において、前記プレス型は、プレス面にＭＥＡ用基材が張り付くのを防止する構成として、前記プレス面に硬質クロムめっき処理及び鏡面仕上げ処理が施された表面処理部を有することを特徴とするものである。また、本発明は、複数枚のＭＥＡ用基材を組み付けてからプレス型により熱圧プレスして膜−電極アッセンブリを作製する燃料電池セルの製造方法において、前記プレス型のプレス面と接触する前記ＭＥＡ用基材は、表面に撥水ペーストが設けられたガス拡散層であり、前記プレス面に表面処理である硬質クロムめっき処理及び鏡面仕上げ処理を施しＭＥＡ用基材が張り付くのを防止して、熱圧プレス処理を行うものである。

本発明によれば、ＭＥＡ用基材（ガス拡散層など）がプレス面に張り付くことを防止できる。したがって、この張り付きによる生産性低下を抑制することができる。

図１は、本発明の実施形態における燃料電池セルの製造装置の構成の一例を示す概略図である。以下、本実施形態における燃料電池セルの製造装置１の構成および動作について説明する。

燃料電池セルの製造装置１は、基材セット台１０、搬送手段２０、基材位置検出手段３０、位置決め積層ステージ４０、熱圧プレス手段５０、接合体取出ステージ６０を有する構成となっている。また、搬送手段２０、基材位置検出手段３０、熱圧プレス手段５０などの各部は、制御装置（図示せず）によって動作制御される。

基材セット台１０は、作業者Ｍが、燃料電池セル１個分のＭＥＡ用基材、すなわち、両面に触媒層を有する電解質膜（以下、単に「電解質膜」という）と、正極ガス拡散層と、負極ガス拡散層と、をラフに位置決めしながら重ねてセットするための台である。作業者Ｍは、例えば、正極ガス拡散層、電解質膜、負極ガス拡散層の順に、基材セット台１０上に１枚ずつ積層した状態でセットする。

搬送手段２０は、例えば、上記の各ＭＥＡ用基材を吸着により保持可能な吸着ハンド２２を先端に有したロボットアーム等による。この吸着ハンド２２は、例えばガイドレール２６に沿って搬送手段本体部２４を図１のＹ軸方向に移動制御することで、図１のＹ軸方向に往復移動可能となっている。また、例えば搬送手段本体部２４と吸着ハンド２２とを連結するアーム部２３にピストン構造を適用することにより、図１のＸ軸方向にも往復移動可能となっている。さらに、アーム部２３と吸着ハンド２２との連結部２５にも、作業者Ｍから見て上下方向（Ｚ軸方向）に伸縮可能なピストン構造を適用することによって、吸着ハンド２２は図１のＺ軸方向にも往復移動可能となっている。こうして搬送手段２０における吸着ハンド２２は、ＸＹＺ方向に自在に移動可能な構成となっている。このような構成の搬送手段２０は、基材セット台１０にセットされた燃料電池セル１個分のＭＥＡ用基材を、吸着ハンド２２により吸着して保持し、基材セット台１０から基材位置検出手段３０や位置決め積層ステージ４０へと１枚ずつ搬送する。

基材位置検出手段３０は、搬送手段２０の吸着ハンド２２に保持された各ＭＥＡ用基材の位置を検出するための画像処理装置（図示せず）を有する手段である。基材位置検出手段３０は、搬送手段２０によるＭＥＡ用基材の搬送の度に、画像処理装置により得られた画像を用いて吸着ハンド２２に保持される各ＭＥＡ用基材の位置を検出し、得られたＭＥＡ用基材の位置情報を制御装置に出力する。

そして制御装置は、搬送中のＭＥＡ用基材の位置情報に基づいて搬送手段２０を制御し、吸着ハンド２２に保持される搬送中のＭＥＡ用基材を、ズレ補正しながら精度良く位置決めしながら位置決め積層ステージ４０に搬送、載置する。

こうして基材セット台１０にラフにセットされた燃料電池セル１個分のＭＥＡ用基材（電解質膜、正極ガス拡散層および負極ガス拡散層）は、それぞれ位置決め積層ステージ４０に精度良く位置決めされて積層される。例えば、基材セット台１０上に、正極ガス拡散層、電解質膜、負極ガス拡散層の順にラフにセットされた場合、上記のような搬送手段２０および基材位置検出手段３０の動作によって、負極ガス拡散層、電解質膜、正極ガス拡散層の順に、精度良く位置決めされた状態で、位置決め積層ステージ４０に搬送され、順に積層される。

位置決め積層ステージ４０は、上記のように精度良く位置決めされた状態で燃料電池セル１個分のＭＥＡ用基材が積層されるステージである。また、位置決め積層ステージ４０は、熱圧プレス手段５０との間を往復移動可能な可動式のプレス面盤４２を有するステージとなっている。このプレス面盤４２は、例えばスライダー（図示せず）によって位置決め積層ステージ４０と熱圧プレス手段５０との間を往復移動可能になっている。このプレス面盤４２の往復移動は、制御装置によって制御される。こうして、プレス面盤４２上に位置決めして積層された燃料電池セル１個分のＭＥＡ用基材は、プレス面盤４２の移動に伴い、熱圧プレス手段５０のプレス位置に搬送される（図１中の点線で示す符号４２’の状態になる）。

熱圧プレス手段５０は、積層された燃料電池セル１個分のＭＥＡ用基材を上下方向に熱圧プレスしてＭＥＡを作製する手段である。上記のように位置決めして積層された燃料電池セル１個分のＭＥＡ用基材が搬送されてくると、熱圧プレス手段５０は、その燃料電池セル１個分のＭＥＡ用基材を、上下方向から挟んで熱圧プレスして熱接合する。具体的には、プレス面盤４２がプレス下型の役割を果たしつつ、熱圧プレス手段５０に備えられたプレス上型が下降することで、熱圧プレスが行われる。こうして、電解質膜を正極ガス拡散層および負極ガス拡散層が挟んだ状態で互いに熱接合されたＭＥＡが作製される。そして、ＭＥＡが作製されると、プレス位置にあるプレス面盤４２’は、位置決め積層ステージ４０に移動し（符号４２の状態になり）、これに伴い作製されたＭＥＡも熱圧プレス手段５０から位置決め積層ステージ４０に搬出される。

接合体取出ステージ６０は、熱圧プレス手段５０から搬出されたＭＥＡを取り出すためのステージである。上記のように位置決め積層ステージ４０に搬出されたＭＥＡは、例えば上記の搬送手段２０により吸着ハンド２２で保持されて接合体取出ステージ６０に搬送される。これにより、作業者Ｍは、接合体取出ステージ６０でＭＥＡを取り出すことが可能となる。そして、このＭＥＡに対し、後の工程でセパレータを挟んで接合し、１個の燃料電池セルが完成する。

ここで、本実施形態における熱圧プレス手段５０には、ＭＥＡ用基材がプレス型に張り付いてしまうのを防止する種々の張り付き防止技術が適用されている。以下、この技術について図面を参照して説明する。

図２は、本実施形態における熱圧プレス手段５０の構成の一例を示す図である。ここで、本実施形態では、上述の如く、図１におけるプレス面盤４２がプレス下型の役割を果たすものであり、プレス面盤４２がプレス位置に移動して符号４２’の状態になってから、熱圧プレス手段５０に備えられたプレス上型５２が下降することで、熱圧プレスが行われる（図２（ａ）参照）。

ここで、図２（ｂ）に示すように、熱圧プレス手段５０におけるプレス上型５２の表面（プレス面）５２Ｐの内、ガス拡散層７２と接触する面７２Ｐには、ガス拡散層７２表面の撥水ペーストがプレス面５２Ｐにくっつかないよう表面処理が施されている。例えば、耐摩耗性および耐食性を有する硬質クロムめっきが施されている。また、このガス拡散層７２と接触する面７２Ｐには、面粗さにより撥水ペーストがくっつかないよう、鏡面仕上げが施されている。なお、この表面処理および鏡面仕上げ処理は、プレス下型の役割を果たすプレス面盤４２’の上面にも同様に施されている。

また、電解質膜７４は一般的にガス拡散層７２よりも大きいため、電解質膜７４（特に、上下のガス拡散層７２からはみ出した電解質膜７４の外縁部分）がプレス面５２Ｐに直接接触する。このとき、電解質膜７４は１００℃以上で軟化するため、プレス面５２Ｐとの接触部分でくっついてしまう。そこで、図２（ｂ）に示すように、プレス面５２Ｐの内の電解質膜７４と接触する面７４Ｐには、これを防止するための表面処理が施されている。例えば、フッ素系コーティング（例えばＰＴＦＥコーティング）などが施されている。なお、この表面処理は、プレス下型の役割を果たすプレス面盤４２’の上面にも同様に施されている。

以上のような構成により、熱圧プレスにより作製されるＭＥＡ７０のプレス上型５２ならびにプレス下型（本実施形態では、プレス面盤４２’）への張り付きを防止することが可能となる。

ところで、熱圧プレスが行われた後に面盤開放を行うと、ガス拡散層７２の表面がポーラス構造のため、吸盤効果により、プレスにより作製されたＭＥＡ７０が、例えばプレス上型５２に張り付いてしまうといったことも起こり得る（図３参照）。そこで、熱圧プレス手段５０は、以下のような構成とするのが好ましい。

本実施形態では、例えば図４に示すように、プレス上型５２におけるプレス面５２Ｐに弾性プレート（例えばステンレス薄板など）５４を接触させて配置しておき（図４の点線で示す状態）、この弾性プレート５４の対向する両端には、弾性プレート５４内側へプレートを押圧してプレート中央部を下方に凸状に変形させるアクチュエータ（図示せず）が取り付けられている。アクチュエータによる押圧方向は図４の矢印で示され、この押圧により、弾性プレート５４は図４の太線で示す状態に変形する。そして、熱圧プレス終了時に面盤開放を行った際、プレス上型５２を上昇させつつ、アクチュエータを制御してプレート中央部を下方に凸状に変形させることで、ＭＥＡ７０はプレス上型５２のプレス面５２Ｐから剥離されるため、プレス上型５２へのＭＥＡ７０の張り付きを防止することができる。

また、例えば図５に示すように、プレス上型５２におけるプレス面５２Ｐに多孔質プレート（例えばポーラスメタルプレートなど）５６を埋設しておき、この多孔質プレート５６に通気管５８を介してエア供給手段（図示せず）を接続する。また、プレス面５２Ｐには、多数の細孔を形成しておく。そして、熱圧プレス終了時に面盤開放を行った際、プレス上型５２を上昇させつつ、図中矢印に示すようにエア供給手段から多孔質プレート５６にエアを吹き込むことで、エアは多孔質プレート５６内を通ってプレス面５２Ｐの細孔から噴出する。これにより、ＭＥＡ７０はエアの圧力によってプレス上型５２のプレス面５２Ｐから剥離されるため、プレス上型５２へのＭＥＡ７０の張り付きを防止することができる。

ここで、本実施形態のように多孔質プレート５６を用いる代わりに、プレス上型５２の内部にエア供給手段からのエアを通す空間を形成した構成としても、上記と同様の効果を得ることは可能である。しかしながら、プレス圧を受けるための剛性付与、および加熱時のプレス上型５２（あるいはプレス面５２Ｐ）における均熱化、という点からみれば、多孔質プレート５６を用いるのがより有効である。

なお、図４及び図５では、プレス上型５２について張り付き防止技術が適用されたものについて説明したが、これに限定されるものではなく、プレス下型（上記の実施形態のようなタイプの製造装置では、プレス面盤４２’）についても同様の技術を適用するのが好適である。これは、熱圧プレス後の面盤開放時に、吸盤効果により、プレスにより作製されたＭＥＡ７０がプレス下型に張り付いてしまうといったことも起こり得るからである。

また、図４や図５の構成を有するプレス面５２Ｐの表面に、図２（ｂ）に示すような表面処理を施しても良いのは言うまでもない。

本発明の実施の形態に係る燃料電池セルの製造装置の構成の一例を示す概略図である。図１の燃料電池セルの製造装置における熱圧プレス手段の構成の一例を示す図であり、図２（ａ）は主要部の構成図、図２（ｂ）はプレス面の構成図である。熱圧プレス後の面盤開放時に、熱圧プレスにより作製されたＭＥＡがプレス上型に張り付いた状態を示す図である。図１の燃料電池セルの製造装置における熱圧プレス手段の構成の他の例を示す図である。図１の燃料電池セルの製造装置における熱圧プレス手段の構成の他の例を示す図である。

符号の説明

１燃料電池セルの製造装置、１０基材セット台、２０搬送手段、２２吸着ハンド、２３アーム部、２４搬送手段本体部、２５連結部、２６ガイドレール、３０基材位置検出手段、４０位置決め積層ステージ、４２，４２’ プレス面盤、５０熱圧プレス手段、５２プレス上型、５２Ｐプレス面、６０接合体取出ステージ、７０ＭＥＡ、７２ガス拡散層、７２Ｐガス拡散層との接触面、７４電解質膜、７４Ｐ電解質膜との接触面。

Claims

複数枚のＭＥＡ用基材を組み付けてからプレス型により熱圧プレスして膜−電極アッセンブリを作製する燃料電池セルの製造装置において、
前記プレス型は、プレス面にＭＥＡ用基材が張り付くのを防止する構成として、前記プレス面に硬質クロムめっき処理及び鏡面仕上げ処理が施された表面処理部を有することを特徴とする燃料電池セルの製造装置。
請求項１に記載の燃料電池セルの製造装置において、
前記プレス型は、前記プレス面において、前記表面処理部の外側にフッ素系コーティングが施された第２表面処理部を有することを特徴とする燃料電池セルの製造装置。
複数枚のＭＥＡ用基材を組み付けてからプレス型により熱圧プレスして膜−電極アッセンブリを作製する燃料電池セルの製造方法において、
前記プレス型のプレス面と接触する前記ＭＥＡ用基材は、表面に撥水ペーストが設けられたガス拡散層であり、前記プレス面に表面処理である硬質クロムめっき処理及び鏡面仕上げ処理を施しＭＥＡ用基材が張り付くのを防止して、熱圧プレス処理を行う、燃料電池セルの製造方法。
請求項３に記載の燃料電池セルの製造方法において、
前記プレス面に表面処理である硬質クロムめっき処理及び鏡面仕上げ処理と、前記硬質クロムめっき処理及び前記鏡面仕上げ処理を施す部分の外側のフッ素系コーティング処理とを施しＭＥＡ用基材が張り付くのを防止して、熱圧プレス処理を行う、燃料電池セルの製造方法。