JP5768706B2

JP5768706B2 - 接合装置

Info

Publication number: JP5768706B2
Application number: JP2011285872A
Authority: JP
Inventors: 直哉梶田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2031-12-27
Also published as: JP2013134943A

Description

この発明は、燃料電池の電解質膜等の膜の接合装置に関するものである。

電解膜シートと、拡散膜シートを複数の押圧ローラによって金属ベルトを介し押圧しながら積層し積層物を得る。このとき、複数の押圧ローラの押圧力を、積層物の下流側に向かって段階的に高くなるように設定する技術が知られている（特許文献１）。

特開２００７−５０３３号公報

しかし、従来の技術では、接合ローラの応力によって、電解質膜にシワが生じる場合があり、シワの発生を抑制する事が難しかった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、膜の接合において、シワの発生を抑制する事を目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
本発明の一形態によれば、電解質膜の片面に拡散層を接合する接合装置が提供される。この形態の接合装置は、電解質膜と拡散層とを挟んで接合する一対の接合ローラと、前記一対の接合ローラの前段に配置され、前記一対の接合ローラに挟まれた前記拡散層の表面に前記電解質膜を搬送する搬送ローラと、前記一対の接合ローラと前記搬送ローラとの間に配置され、前記接合ローラと同期して前記電解質膜を搬送しつつ、前記電解質膜を挟持して加圧することによって前記拡散層に接合される前記電解質膜のシワの発生を抑制する一対のシワ抑制用ローラと、前記一対の接合ローラのうちの前記電解質膜側の第１の接合ローラと、前記一対のシワ抑制用ローラのうちの第１のシワ抑制用ローラと、の両方に接し、前記第１の接合ローラの回転を前記第１のシワ抑制用ローラに伝達する動力伝達用ローラと、を備える。この形態によれば、接合ローラと、搬送ローラと、の間にシワ抑制用ローラを備えることで、電解質膜の変形自由度がある領域（シワ抑制用ローラから接合ローラまでの領域）の長さを短くできるので、シワの発生を抑制できる。また、搬送ローラと、シワ抑制用ローラとの間でシワが生じても、シワ抑制用ローラでシワを取り除くことが出来る。シワ抑制用ローラを接合ローラと同期させることができる。また、シワ抑制用ローラを駆動するための別個の駆動装置が不要となる。

［適用例１］
電解質膜の片面に拡散層を接合する接合装置であって、電解質膜と拡散層とを挟んで接合する一対の接合ローラと、前記一対の接合ローラの前段に配置され、前記一対の接合ローラに挟まれた前記拡散層の表面に前記電解質膜を搬送する搬送ローラと、前記一対の接合ローラと前記搬送ローラとの間に配置され、前記接合ローラと同期して前記拡散層を搬送しつつ、前記電解質膜を挟持して加圧することによって前記拡散層に接合される前記電解質膜のシワの発生を抑制する一対のシワ抑制用ローラと、を備える、接合装置。
この適用例によれば、接合ローラと、搬送ローラと、の間にシワ抑制用ローラを備えることで、電解質膜の変形自由度がある領域（シワ抑制用ローラから接合ローラまでの領域）の長さを短くできるので、シワの発生を抑制できる。また、搬送ローラと、シワ抑制用ローラとの間でシワが生じても、シワ抑制用ローラでシワを取り除くことが出来る。

［適用例２］
適用例１に記載の接合装置において、さらに、前記一対の接合ローラのうちの前記電解質膜側の第１の接合ローラと、前記一対のシワ抑制用ローラのうちの第１のシワ抑制用ローラと、の両方に接し、前記第１の接合ローラの回転を前記第１のシワ抑制用ローラに伝達する動力伝達用ローラと、を備える、接合装置。
この適用例によれば、シワ抑制用ローラを接合ローラと同期させることができる。また、シワ抑制用ローラを駆動するための別個の駆動装置が不要となる。

［適用例３］
適用例２に記載の接合装置において、前記一対のシワ抑制用ローラ及び前記動力伝達用ローラは、マグネットローラであり、前記一対のシワ抑制用ローラは、磁力によるニップ圧で前記電解質膜を挟む、接合装置。
この適用例によれば、シワ抑制用ローラは、磁力によるニップ圧で電解質膜を両面から挟み、電解質膜に圧力を掛けてシワの発生を抑制し、あるいは、電解質膜に一旦発生したシワを取り除くことができる。また、動力伝達用ローラもマグネットローラとすることで、接合ローラやシワ抑制用ローラと確実に接触し、駆動力を伝達することができる。

［適用例４］
適用例１〜３のいずれか一つの適用例に記載の接合装置において、前記シワ抑制用ローラの直径は、前記接合ローラの直径よりも小さく構成されている、接合装置。
この適用例によれば、電解質膜の変形自由度がある領域（シワ抑制用ローラから接合ローラまでの領域）の長さをより短くできる。

［適用例５］
適用例２または３に記載の接合装置において、前記動力伝達用ローラの直径は、前記接合ローラの直径よりも小さく構成されている、接合装置。
この適用例によれば、電解質膜の変形自由度がある領域（シワ抑制用ローラから接合ローラまでの領域）の長さをより短くできる。

［適用例６］
適用例４または５に記載の接合装置において、前記接合ローラの直径は、８０ｍｍ以上であり、前記シワ抑制用ローラの直径は２０ｍｍ以下であり、前記接合ローラの回転中心と、前記シワ抑制用ローラの回転中心との間隔は１００ｍｍ以下である、接合装置。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、膜接合装置の他、接合膜の製造方法、燃料電池の製造装置等の形態で実現することができる。

本発明の一実施例の膜接合装置を示す説明図である。比較例の膜接合装置を示す説明図である。比較例の膜接合装置においてシワが生じる理由を説明する説明図である。

図１は、本発明の一実施例の膜接合装置を示す説明図である。膜接合装置１０は、一対の接合ローラ１００、１０２と、搬送ローラ１１０と、二対のシワ抑制用ローラ１２０、１２２と、１２４、１２６と、２つの動力伝達用ローラ１３０、１３２と、を備える。

接合ローラ１００、１０２は、電解質膜２００と、拡散層３００とを挟むように配置されており、電解質膜２００と、拡散層３００とを接合ローラ１００、１０２で挟み込んで圧力を掛けることで接合する。ここで、接合時に電解質膜２００と、拡散層３００とを変形させないようにするため、接合ローラ１００、１０２の曲率（１／ｒ、ｒは半径）は小さい方が好ましく、すなわち、接合ローラ１００、１０２の半径（直径）が大きい方が好ましい。本実施例では、接合ローラ１００、１０２の直径φ１００は８０ｍｍを用いている。

搬送ローラ１１０は、接合ローラ１００、１０２よりも前段側に設けられており、電解質膜２００を搬送する。なお、図１では、拡散層３００を搬送するためのローラは省略している。接合前の電解質膜２００にダメージを与えないようにするために、搬送ローラ１１０の曲率は、小さい方が好ましく、搬送ローラ１１０の半径（直径）が大きい方が好ましい。本実施例では、搬送ローラの直径φ１１０は、接合ローラ１００の直径φ１００とほぼ同じ大きさである。

接合ローラ１００の回転中心１００Ａと、搬送ローラ１１０の回転中心１１０Ａとの間の間隔Ｌ１は、出来る限り小さい方が好ましい。この間隔が長いと、搬送ローラ１１０による電解質膜２００の搬送速度と、接合ローラ１００による電解質膜２００の搬送速度の差により、シワが発生する虞がある。なお、間隔Ｌ１は、接合ローラ１００と搬送ローラ１１０との干渉を防ぐために、接合ローラ１００の半径（φ１００／２＝４０ｍｍ）と搬送ローラ１１０の半径（φ１１０／２＝４０ｍｍ）の和である８０ｍｍよりは小さくできない。間隔Ｌ１は、例えば、１００ｍｍ以下（８０ｍｍ＜Ｌ１≦１００ｍｍ）にすることが好ましい。間隔Ｌ１が短い方が、シワが生じても、シワは大きくないので、次に説明するシワ抑制用ローラ１２０、１２２、１２４、１２６で、シワを取り除くことが容易となる。

シワ抑制用ローラ１２０、１２２、１２４、１２６は、二対のシワ抑制用ローラを形成し、電解質膜２００にシワが形成されることを抑制する。シワ抑制用ローラ１２０と１２２とは、電解質膜２００を両面から挟むように配置されて一対のシワ抑制用ローラを形成しており、シワ抑制用ローラ１２４と１２６とは、電解質膜２００を両面から挟むように配置されてもう一対のシワ抑制用ローラを形成している。シワ抑制用ローラ１２０、１２２、１２４、１２６は、マグネットローラであることが好ましい。すなわち、一対のシワ抑制用ローラ１２０、１２２あるいはもう一対のシワ抑制用ローラ１２４、１２６は、磁力によるニップ圧で電解質膜２００を両面から挟み、電解質膜２００に圧力を掛けてシワの発生を抑制し、あるいは、電解質膜２００に一旦発生したシワを取り除き、拡散層３００との接合前に平坦に伸ばす。

シワ抑制用ローラ１２０、１２２、１２４、１２６は、電解質膜２００に凹凸を生じさせない位置に配置される。搬送ローラ１１０から離れて接合ローラ１００に接するまでの間において、電解質膜２００が平面であるような位置に配置される。

シワ抑制用ローラ１２０、１２２、１２４、１２６の直径φ１２０は、出来る限り小さい方が好ましい。直径φ１２０が小さい方が、直径φ１２０が大きいよりも、シワ抑制用ローラ１２０、１２２、１２４、１２６を接合ローラ１００、１０２のより近傍に配置することができる。シワ抑制用ローラ１２０と電解質膜２００との節点を点ＰＡ、接合ローラ１００と電解質膜２００との接点を点ＰＢとすると、点ＰＡの位置をより点ＰＢ側に近づけて、点ＰＡと点ＰＢとの間の長さを短くすることができる。ここで、点ＰＡと点ＰＢとの間は、電解質膜２００の変形自由度がある領域であり、この長さが短い方が、シワが再発生しにくい。すなわち、シワ抑制用ローラ１２０、１２２、１２４、１２６の直径φ１２０を出来る限り小さくして、シワ抑制用ローラ１２０、１２２、１２４、１２６を接合ローラ１００、１０２のより近傍に配置することにより、シワを抑制できる。本実施例では、シワ抑制用ローラ１２０、１２２、１２４、１２６の直径φ１２０の大きさは、２０ｍｍである。ただし、シワ抑制用ローラ１２０、１２２、１２４、１２６の直径φ１２０の大きさとして、これより小さい値を採用することは、可能である。

動力伝達用ローラ１３０は、接合ローラ１００と、シワ抑制用ローラ１２０との両方に接するように配置される。また、動力伝達用ローラ１３２は、シワ抑制用ローラ１２０と１２４の両方に接するように配置される。すなわち、駆動力は、接合ローラ１００から、動力伝達用ローラ１３０、シワ抑制用ローラ１２０、動力伝達用ローラ１３２、シワ抑制用ローラ１２０の順に伝わる。したがって、シワ抑制用ローラ１２０、１２２、１２４、１２６を駆動するための駆動装置を別個に備え無くても良い。なお、動力伝達用ローラ１３０、１３２の直径φ１３０も、出来る限り小さい方が好ましい。直径φ１３０が小さい方が、接合ローラ１００と、シワ抑制用ローラ１２０との間隔を小さく出来るので、点ＰＡと点ＰＢとの間の長さを短くすることができ、シワの再発生を抑制できる。動力伝達用ローラ１３０、１３２は、マグネットローラであってもよい。マグネットローラであれば、確実に接合ローラ１００やシワ抑制用ローラ１２０、１２２、１２４、１２６と接触し、駆動力を伝達することができる。

接合ローラ１００の角速度ω１００と、動力伝達用ローラ１３０の角速度ω１３０と、シワ抑制用ローラ１２０の角速度ω１２０は、異なるが、シワ抑制用ローラ１２０の点ＰＡにおける線速度ｖ１２０と接合ローラ１００の点ＰＢにおける線速度ｖ１００とは同じ大きさになる。したがって、点ＰＡにおける電解質膜２００の搬送速度と、点ＰＢにおける電解質膜２００の搬送速度は同じである。点ＰＡにおける電解質膜２００の搬送速度の方が、点ＰＢにおける電解質膜２００の搬送速度よりも大きい場合には、点ＰＡから点ＰＢの間でシワが再発生する虞がある。しかし、本実施例では、点ＰＡにおける電解質膜２００の搬送速度と点ＰＢにおける電解質膜２００の搬送速度は同じ大きさとできるため、点ＰＡから点ＰＢの間でシワの再発生を抑制できる。また、接合ローラ１００と、動力伝達用ローラ１３０と、シワ抑制用ローラ１２０の間に滑りがあるとすれば、点ＰＡにおける電解質膜２００の搬送速度は、点ＰＢにおける電解質膜２００の搬送速度よりも小さいので、シワの再発生をさらに抑制できる。

図２は、比較例の膜接合装置を示す説明図である。比較例の膜接合装置１１は、本実施例の膜接合装置１０と比較すると、シワ抑制用ローラ１２０、１２２、１２４、１２６と、動力伝達用ローラ１３０、１３２を備えていない点が異なる。この膜接合装置１１では、電解質膜２００の変形自由度がある領域は、電解質膜２００が搬送ローラ１１０から離れる点ＰＣから電解質膜２００が接合ローラ１００と接する点ＰＢまでの間であり、膜接合装置１０の電解質膜２００の変形自由度がある領域（点ＰＡから点ＰＢまでの間）よりも大きい。したがって、比較例の膜接合装置１１は、本実施例の膜接合装置１０よりもシワが２１０生じやすく、また、一旦シワ２１０が生じてしまうと、シワ２１０を取り除くことが難しい。

図３は、比較例の膜接合装置において、シワが生じる理由を説明する説明図である。電解質膜２００が拡散層３００と接合されるときに、電解質膜２００には、接合ローラ１００から、力Ｆ１〜Ｆ３が加わる。実際には力は、面で掛かるが、ここでは、模式的に３つの力で示している。ここで力Ｆ１は、電解質膜２００と垂直な方向の成分Ｆ１Ｙに加えて、電解質膜２００の搬送方向と逆向きの成分Ｆ１Ｘを含んでいる。一方、電解質膜２００には、電解質膜２００を搬送方向に移動させる力Ｆ４が加わっている。したがって、電解質膜２００の変形自由度がある領域（点ＰＣから点ＰＢの間）において、シワ２１０が生じやすい。電解質膜２００の剛性を考慮すれば、一般に、電解質膜２００の変形自由度がある領域が長い方が、シワ２１０が生じやすい。

図１に示すように、本実施例の膜接合装置１０は、接合ローラ１００と、搬送ローラ１１０と、の間にシワ抑制用ローラ１２０を備えている。そのため、膜接合装置１０では、シワ抑制用ローラ１２０でシワを取り除くことができる。さらに、膜接合装置１０では、電解質膜２００が自由に変形できる領域は、点ＰＡから点ＰＢの間であり、この長さは、比較例の膜接合装置１１の点ＰＣから点ＰＢまでの間隔よりも短いので、シワ抑制用ローラ１２０がない場合と比較して、シワの再発生を抑制することが出来る。

本実施例によれば、接合ローラ１００と、シワ抑制用ローラ１２０との間に動力伝達用ローラ１３０を備えているので、接合ローラ１００と、シワ抑制用ローラ１２０とを同期させることができる。また、シワ抑制用ローラ１２０を駆動するための別個の駆動装置が不要となる。

本実施例において、接合ローラ１００の直径φ１００を８０ｍｍ以上とし、シワ抑制用ローラ１２０の直径φ１２０を２０ｍｍ以下とすれば、電解質膜２００が自由に変形できる領域（点ＰＡから点ＰＢの間）の長さを短くすることができるので、シワ２１０の再発生を抑制することが出来る。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１０…膜接合装置
１１…膜接合装置
１００…接合ローラ
１００Ａ…回転中心
１１０…搬送ローラ
１１０Ａ…回転中心
１２０…シワ抑制用ローラ
１２４…シワ抑制用ローラ
１３０…動力伝達用ローラ
１３２…動力伝達用ローラ
２００…電解質膜
２１０…シワ
３００…拡散層
φ１００、φ１１０、φ１２０、φ１３０…直径
ω１００、ω１２０、ω１３０…角速度
ｖ１００、ｖ１２０…線速度
Ｌ１…間隔
Ｆ１〜Ｆ４…力
Ｆ１Ｘ、Ｆ１Ｙ…成分
ＰＡ、ＰＢ、ＰＣ…点

Claims

電解質膜の片面に拡散層を接合する接合装置であって、
電解質膜と拡散層とを挟んで接合する一対の接合ローラと、
前記一対の接合ローラの前段に配置され、前記一対の接合ローラに挟まれた前記拡散層の表面に前記電解質膜を搬送する搬送ローラと、
前記一対の接合ローラと前記搬送ローラとの間に配置され、前記接合ローラと同期して前記電解質膜を搬送しつつ、前記電解質膜を挟持して加圧することによって前記拡散層に接合される前記電解質膜のシワの発生を抑制する一対のシワ抑制用ローラと、
前記一対の接合ローラのうちの前記電解質膜側の第１の接合ローラと、前記一対のシワ抑制用ローラのうちの第１のシワ抑制用ローラと、の両方に接し、前記第１の接合ローラの回転を前記第１のシワ抑制用ローラに伝達する動力伝達用ローラと、
を備える、接合装置。
請求項１に記載の接合装置において、
前記一対のシワ抑制用ローラ及び前記動力伝達用ローラは、マグネットローラであり、前記一対のシワ抑制用ローラは、磁力によるニップ圧で前記電解質膜を挟む、接合装置。
請求項１または２に記載の接合装置において、
前記シワ抑制用ローラの直径は、前記接合ローラの直径よりも小さく構成されている、接合装置。
請求項１から３のいずれか一項に記載の接合装置において、
前記動力伝達用ローラの直径は、前記接合ローラの直径よりも小さく構成されている、
接合装置。
請求項１から４のいずれか一項に記載の接合装置において、
前記接合ローラの直径は、８０ｍｍ以上であり、前記シワ抑制用ローラの直径は２０ｍｍ以下であり、前記接合ローラの回転中心と、前記シワ抑制用ローラの回転中心との間隔は１００ｍｍ以下である、接合装置。